Evaluation of the prospects for the use of isobutane in household refrigeration equipment using the eco-thermo-economic method

Abstract

The undoubted advantages of RI34a include its fire safety, which makes it possible to use effective methods for removing a layer of frost from the evaporator, and to increase the useful volume of the chambers. This increases the competitiveness of R134a household refrigeration.

Full Text

К несомненным преимуществам RI34а относится его пожаробезопасность, что дает возможность использовать эффективные методы удаления слоя инея с испарителя, увеличивать полезный объем камер. Это повышает конкурентоспособность бытовой холодильной техники на R134a.

Масса R134a, заправляемого в герметичный холодильный агрегат, мала (150...300 г) и не может даже с учетом количества выпускаемых во всех странах холодильников существенно влиять на величину прямого вклада в TEWI (Total Equivalent Warming Impact) от его эмиссии. Как показано в [11], даже 2-5%-ное увеличение энергетической эффективности может иметь большее значение для экологии, чем полное исключение утечек хладагента из системы.

Недостатки R134a — сравнительно низкая (по отношению к R12 и углеводородам) термодинамическая эффективность холодильного цикла и высокая гигроскопичность растворимых в R134a синтетических масел. Поэтому при производстве бытовых холодильников, использующих в качестве хладагента R134a, требуется более высокий уровень технологической дисциплины, чем при выпуске бытовой холодильной техники на R12.

Энергетическая эффективность углеводородных хладагентов несколько выше (на 4-10 %), чем R134a. Эмиссия их практически не влияет на увеличение парникового эффекта, и они растворимы в минеральных маслах. Однако углеводородные хладагенты пожароопасны! Поэтому применение их связано с необходимостью реконструкции технологических линий предприятий и внесения значительных изменений в конструкцию бытового холодильника (применение запененного испарителя, перенос компрессора на более высокий уровень, использование электрооборудования во взрывобезопасном до волнении). В Европейском стандарт Amendment I to I ЕС 60335-2-24, Ed. 4, разрешающем применение горючих рабочих веществ, оговорены жесткие требования к конструкции и испытаниям, котором обеспечивают безопасность эксплуатации бытовой холодильной техники. Соблюдение этих требований приведет к возрастанию цены на выпускаемое оборудование и снижению его конкурентоспособности. Но самое главное состоит в том, что эффективность холодильной машины углеводородных хладагентах должна быть такой, чтобы компенсировать за время эксплуатации увеличение энергетических затрат на производство холодильника (по сравнению с бытовой холодильной техникой на R134a). В противном случае холодильная техника на углеводородных хладагентах не будет иметь никаких преимуществ в экологическом аспекте нередко холодильниками на R134a [15]. К сожалению, эти вопросы еще не стали предметом серьезных научных исследований. 

В настоящее время для широкого использования в бытовой холодильной тех нике предлагаются такие пожароопасный вещества, как R 152а, RC270, R142b, R290 R600, R600a и т.д. В ряде случаев и много компонентные хладагенты, содержащие эти вещества, характеризуются достаточно высокой пожароопасностью, хотя и обеспечивают высокую энергетическую эффективность оборудования. В сложившейся ситуации принципиальным становится вопрос: насколько пожароопасность хладагента, с одной стороны, и высокая энергетическая эффективность оборудования с другой, скажутся на стоимости производства и эксплуатации бытовой холодильной техники? Так, в [10] -показано, что 5%-ное снижение стоимости эксплуатации холодильной системы 1кВт (благодаря большей эффективности цикла на R290) не компенсирует 30%-ного вклинения затрат на реализацию мер, обеспечивающих пожаробезопасность.

Сегодня уже становится очевидным, то традиционная оценка перспективности применения какого-либо типа холодного оборудования по таким показателям, как холодопроизводительность, ходильный коэффициент и класс энергетической эффективности (European Standard EN153), является с позиций экологии неполной. Разработке новых эколого-энергетических показателей для аудита и менеджмента уделяется недостаточно внимания со стороны законодательных структур, отвечающих за политику, прочимую в области экологии и экономии энергетических ресурсов.

Как показывают проведенные в [15] исследования, энергетическая составляющим в себестоимости комплектующих детей и узлов бытового холодильника настолько велика, что ее необходимо учитывать при расчете TEWI. Из этого следует, что реализация мер, обеспечивающих пожаровзрывобезопасность, является не только технологической проблемой, но и имеет экологической аспект, что связано с дополнительным энергетическим загрязнением окружающей среды и с воздействием на атмосферу радиационно акгивного диоксида углерода, оксидов серы, пота и других веществ, выделяющихся при производстве электроэнергии.

Совершенно очевидно, что за принятыми в Киото решениями по ограничению выбросов парниковых газов в атмосферу наверняка последуют разработка и реализация национальных программ по экономии энергетических ресурсов и контролю, а эмиссией радиационно активных газов[12].

В качестве характеристики, отражающей экологические свойства холодильной системы, можно принять совокупность энергетических затрат на ее разработку, производство и эксплуатацию (за все время использования). Полученные общие энергетические затраты можно легко перевести в экологический критерий TEWI_N по формуле

TEWI_N =GWP_RLN+GWP_R•m(1-α)+GWP_ва• М + βEN+$\sum _{i=1}^n$ (1)

 где GWP_R и GWP_ва -потенциалы глобального потепления хладагента и вспенивающего агента;

L-утечка хладагента, кг/год;

N-продолжительность эксплуатации оборудования, лет;

m -масса заправки хладагента в единице продукции, кг;

α-доля утилизированного хладагента;

β -эмиссия СО₂ при производстве кВт•ч электроэнергии, кг СО₂/(кВт•ч);

E-годовые затраты электроэнергии на эксплуатацию оборудования, кВт•ч/год;

Е_i — дополнительные энергетические затраты на производство конструкционных материалов, отдельных элементов холодильной системы и на техническое обслуживание холодильной установки.

Как показано в работе [4], с помощью TEWl_yV можно оценить экологическую нагрузку по эквивалентной эмиссии диоксида углерода.

В рамках предложенной в работе [4] структуры вкладов в TEWIдбыло сформировано несколько коэффициентов для исследования эколого-энергетической эффективности использования энергетических ресурсов в холодильном оборудовании.

Коэффициент приведенной эмиссии парниковых газов

tewi= $\frac{TEW{I}_N}{TEW{I}_o}$

где TEWI_Q-эмиссия СО₂ при производстве энергии, преобразованной в холод.

Этот коэффициент характеризует экологическую чистоту процесса охлаждения (с позиций влияния на парниковый эффект). Значение tewi всегда больше единицы. Чем меньше значение tewi, тем ниже уровень воздействия бытовой холодильной техники на природу при создании единицы эксэргии холода.

Коэффициент прямого экологического действия

δ=1-$\frac{∆TEW{I}_{э}}{TEW{I}_N}$

где ΔTEWI_э -вклад в TEWI_N от эквивалентной эмиссии хладагента, вспенивающих агентов теплоизоляции, а также от дополнительной эмиссии СО₂, обусловленной затратами энергии на получение конструкционных материалов и изготовление бытовой холодильной техники.

Этот коэффициент всегда меньше единицы. Он характеризует экологическое воздействие, обусловленное эквивалентной эмиссией парниковых газов на стадии создания бытовой холодильной техники и обеспечения ее безопасной эксплуатации.

Коэффициент косвенного экологического действия

ϒ=$\frac{TEWIn}{TEW{I}_P}$

где TEWI_n — эмиссия СО₂ при производстве энергии, затраченной на охлаждение продуктов (полезно затраченной части энергии);

TEWI_P — эмиссия СО₂ при производстве энергии, преобразованной в холод (рационально использованной энергии).

Этот коэффициент характеризует уровень внутренних и внешних потерь эксэргии при эксплуатации бытовой холодильной техники. Значение его всегда меньше единицы. Увеличить коэффициент ϒ можно путем уменьшения уровня теплопритоков в холодильник, рациональной организации холодильного цикла и оптимального подбора вспомогательного оборудования.

Коэффициент эколого-термоэкономического совершенства

φ=$\frac{TEW{I}_n}{TEW{I}_N}=1-\frac{∆TEW{I}_{\sum }}{TEW{I}_N}$

где ΔTEWI_∑ -вклад в TEWI _N, обусловленный энергией, нерационально использованной при производстве холода в бытовой холодильной технике.

В рамках изложенной в работе |4] методики расчета вкладов в TEWI_N исследовали влияние дополнительных энергетических затрат (связанных с повышением класса энергетической эффективности) на эколого-термоэкономические коэффициенты. Фак горы, определяющие энергетическую эффективность бытовой холодильной техники, хорошо известны и подробно рассмотрены во многих публикациях [2, 5, 7, 14]. Как показали результаты исследований, совершенствование отдельных узлов холодильника позволяет снизить расход электроэнергии: на 20-30 % путем улучшения теплоизоляции; на 12-16 % повышением механического КПД компрессора; на 14 % уменьшением нагрева компрессора; на 8 % интенсификацией теплоотдачи в испарителе и конденсаторе и на 4—6 % оптимизацией регулирования. Вместе с тем улучшение показателей энергетической эффективности обычно связано с дополнительными затратами производителей на техническую модернизацию бытовой холодильной техники, что приводит к повышению их себестоимости.

Один из наиболее распространенных методов повышения энергетической эффективности бытовой холодильной техники — увеличение толщины изоляции с целью уменьшения теплопритоков. Действительно, в европейских бытовых холодильниках, относящихся к классам А и В по энергетической эффективности, толщина изоляции достигает 0,1 м в морозильной камере и 0,07 м в холодильной.

Динамику изменения эколого-термоэкономических коэффициентов исследовали на примере серийно выпускаемого в Украине обычного двухкамерного холодильника НОРД-233-6 (хладагент R134a), относящегося к классу G по энергетической эффективности. В качестве объекта для сравнения был выбран холодильник BOSH K.S.V.3123, который по объемам холодильной и морозильной камер, а также по температурным режимам в них близок к холодильнику НОРД-233-6. В холодильнике BOSH K.S.V.3123 хладагентом служит пожароопасный изобутан (R600a). По энергетической эффективности этот холодильник относится к классу А, что обусловлено применением в нем современных видов теплоизоляции, а также высоким уровнем технологического исполнения.

Составляющие вкладов в TEWI. Для сравниваемых холодильников рассчитывали, исходя из предположения равенства их холодопроизводительности и одинаковой структуры себестоимости. При расчете теплопритоков в холодильную и морозильную камеры холодильника НОРД-233-6 коэффициент теплопроводности пенополиуретана принимали равным 0,019 Вт/(м*К).

В процессе выполнения эколого-термоэкономического анализа [4] экссргетические потери определяли при следующих параметрах холодильного цикла: температура хладагента на входе в компрессор 32 °C, температура конденсации 55 °C, температура кипения -23,3 °C, температура окружающего воздуха 20 °C. При вычислении TEWI_N значение G WP для галоидопроизводных хладагентов принимали для 100 летнего интервала: GWP_R134a= 1200, GWP_R14ib= 630. Эмиссию СО₂ при производстве 1 кВт • ч электроэнергии принимали равной 3 = 0,7 кг СОгДкВт’ч. Время эксплуатации холодильника в соответствии с Европейским стандартом приняли равным семи годам. Коэффициент TEWI _N рассчитывали без учета утилизации хладагента.

В работах, посвященных увеличению энергетической эффективности бытовой холодильной техники, высказывается широко распространенное мнение о значительном возрастании цены холодильника при увеличении толщины изоляции |2]. Однако более корректную информацию несет структура энергетических затрат, рассчитанная через энергетические эквиваленты [3].

Рис. 1. Энергетические затраты (кВт • ч/%) на сырье, материалы и изготовление холодильника НОРД-233-6

Как видно из рис. 1, доля энергетических затрат на производство пенополиуретана не превышает 30 % общих затрат энергии на производство холодильника и его компонентов даже при двукратном увеличении толщины изоляции. Вклад хладагента, холодильного масла и вспенивающего агента в сумме не превышает 1,4 %.

Как следует из формулы (1), рассуждения о целесообразности применения R600a из-за отсутствия его влияния на рост парникового эффекта для бытовой холодильной техники по, меньшей мере, некорректны. Из рис. 1 следует, что основные энергетические затраты (до 85 %) для бытовых холодильников связаны с производством конструкционных материалов: металла, полистирола и пенополиуретана.

Учитывая существенный вклад конструкционных материалов в баланс энергозатрат, связанных с созданием бытового холодильника, рассмотрим целесообразность увеличения толщины его изоляции.

Рис. 2. Зависимость эколого-термоэкономических коэффициентов от толщины изоляции холодильника при его эксплуатации в течение 7лет

В табл. 1 и на рис. 2 приведены резулыз ты расчета основных эколого-термоэко комических показателей и коэффициентов при увеличении толщины изоляци холодильника НОРД-233-6.

Как следует из приведенных расчетов, эколого-термоэкономическис коэффиценты ϒ и φ при увеличении толщины изоляции возрастают, что отражает рост логической чистоты процесса хранения продуктов. Однако увеличение значений не носит пропорционального характера. Темп возрастания эколого-энергстической эффективностивно мере ростам толщины изоляции неуклонно снижается. Более того, обращают на себя внимание возрастание коэффициента приведение эмиссии tewi и снижение коэффициента прямого экологического действия δ.

Таблица 1

Значения эколого-термоэкономических величин и коэффициентов при увеличении толщины изоляции холодильника НОРД-233-6 

Показатели	Толщина изоляции холодильной/морозильной камер, м
	0,035/0,05	0,042/0,06	0,049/0,07	0,056/0,08	0,063/0,09	0,07/0,1	0,077/0,11	0,084/0,12	0,091/0,11
Теплопритоки. кВт•ч/сут	0,93	0,78	0,67	0,59	0,52	0,47	0,43	0,39	0,36
Энергопотребление, кВт• ч/сут	2,27	2,12	2,01	1,93	1,86	1,81	1,77	1,73	1,70
Класс энергетической эффективности	G	F	F	F	E	E	E	D	D
Энергозатраты на создание конструкционных материалов и комплектующих, кВт•ч	216	216	216	216	216	216	216	216	216
Прямой вклад в TEWI v хладагента (TEWI э п)кг СО2	334	401	468	534	601	668	735	802	868
Прямой вклад в TEWI, вспенивающего агента (TEWI э к), кг СО2	1615	1674	1734	1793	1852	1911	1970	2029	2088
Косвенный вклад в TEWIN от создания оборудования	4065	3789	3592	3443	3328	3225	3159	3096	3042
TEWIN	6230	6080	6009	5986	5997	6030	6080	6142	6215
tewi	2,478	2,591	2,701	2,807	2,910	3,010	3,107	3,203	3,298
δ	0,652	0,623	0,598	0,575	0,555	0,537	0,520	0,504	0,490
ϒ	0,208	0,252	0,287	0,315	0,339	0,360	0,378	0,393	0,407
φ	0,136	0,157	0,171	0,181	0,188	0,193	0,196	0,198	0,199

Все эколого-термоэкономические коэффициенты тесно связаны между собойi рамках единой структуры TEWI_N [4]. По этому чем толще изоляции, тем меньше теплопритоки внутрь холодильника и потребление энергии (TEWIp). Следовательно имеется тенденция к снижению TEWI. Вместе с тем с увеличением толщины изоляции возрастают затраты энергии на производство изоляционного материала, что приводит к повышению TEWI_э Нецелом TEWI_N. Таким образом, с позиции эколого-термоэкономического анализа и при определенной толщине изоляции  дальнейшее ее увеличение становится не целесообразным (рис. 3). Значительно больший эффект может иметь переход к применению заливочной изоляции с использованием изопентана, у которой коэффициент теплопроводности на 20-30 % ниже, чем у обычного пенополиуретана. Кроме того, уменьшение толщины стенок холодильника, где использована такая изоляция, позволит увеличить на 10 % ею полезный объем [2]. На сегодняшний день наиболее кардинальным методом уменьшения теплопритоков является использование дорогой, но очень эфективной изоляции, так называемой суперизоляции.

Таблица 2

Сравнение технологических, экономических и эколого-термоэкономических показателей холодильников НОРД233-6 и BOSH K.S.V. 3123

Показатель	НОРД-233-6
	с обычной толщиной изоляции	с увеличенной в 1.6 раза толщиной изоляции	BOSH K.S.V. 3123
Объем , л	350	350	350
Полезный объем,л	424,75	424,75	424,75
Температура в камере, °C: холодильной морозильной	4 -18	4 -18	4 -18
Хладагент	R134a	R134a	R600a
Вспенивающий агент	R141b	R141b
Коэффициент рабочего времени	0,630	0,534	0,330
Потребляемая энергия N, кВт•ч/сут	2,27	1,93	1,19
Класс энергетической эффективности	G	F	A
Цена, долл. США	213,9	237,5	720
tewi	3,035	3,528	7,264
δ	0,532	0,457	0,173
ϒ	0,210	0,315	0,400
φ	0,112	0,144	0,069

Высокое значение коэффициента косвенного экологического действия у для холодильника BOSH K.S.V.3123 (табл. 2) отражает как эффективность применяемой изоляции, так и качество практической организации холодильного цикла на изобутане. Причем вклад в эффективность, обусловленный более высоким термодинамическим совершенством R600a по сравнению с R134a, сравнительно невелик — примерно 7 %. Гораздо большее значение имеют преимущества по техническим характеристикам (механический КПД компрессора, КПД электродвигателя, коэффициент подачи и т. д.) компрессоров на высокого класса энергетической эффективности у холодильников, работающих на изобутане. Именно совокупность этих факторов, а не только термодинамическое совершенство изобутана определяют высокий класс энергетической эффективности холодильника BOSH K.S.V.3123.

Следует обратить внимание на зависимость оптимальной толщины изоляции от планируемого срока работы холодильника. При планируемом увеличении срока службы холодильника следует предусматривать большую толщину его изоляции. Это необходимо учитывать при разработке экспортной политики продажи бытовой холодильной техники в страны с низким уровнем потребления энергоресурсов на душу населения.

Анализируя приведенные в табл. 1 результаты расчета эколого-термоэкономических коэффициентов, можно прийти к заключению о том, что применение изоляции оптимальной толщины не позволяет значительно повысить класс энергетической эффективности холодильника НОРД. В то же время эколого-термоэкономичесис коэффициенты существенно изменяют свою величину: tewi-на 14 %, δ-на 14,1 %, ϒ-на 33,3 %, φ — на 22,2 %, что отражает их более высокую (по сравнению с классом энергетической эффективности) чувствительность к изменениям конструктивных и эксплуатационных факторов, характеризующих бытовую холодильную технику. Кроме того, эколого-термоэкономические коэффициенты позволяют оценить уровень антропогенного воздействия бытовой холодильной техники на окружающую среду (с позиций эмиссии парниковых газов). Напротив, действующий международный стандарт EN153 никакой экологической нагрузки не несет. Класс энергетической эффективности бытовой холодильной техники является по сути формальным коэффициентом, отражающим уровень потребления энергии на единицу полезного объема холодильника, расчет которого по предлагаемой стандартом формуле нельзя считать безупречным.

Рис. 3. Зависимость TEWIN от толщины изоляции холодильника при его эксплуатации в течение 7 и 10 лет • — время эксплуатации 7лет; ■ — время эксплуатации 10лет

Приведенные в табл. 2 результаты сравнения технологических, экономических и эколого-термоэкономических показателей холодильников НОРД-233-6 и BOSH K.S.V.3123 подтверждают справедливость сделанных выводов. Даже с учетом некоторой условности такого сравнения (различный дизайн, уровень удобства эксплуатации, неодинаковые структуры ценообразования) полученные результаты вызывают интерес. Так, холодильник BOSH K.S.V.3123, характеризуемый высоким классом энергетической эффективности, по уровню антропогенного воздействия (см. коэффициенты tewi, ср и TEWI/v) почти вдвое уступает серийно выпускаемому холодильнику НОРД-233-6! Как показывают расчеты, только при эксплуатации в течение 24 лет коэффициент эколого-термоэкономического совершенства у рассматриваемых холодильников примет одинаковые значения.

Вместе с тем перевод бытовой холодильной техники на углеводороды до сих пор аргументируется необходимостью сокращения эмиссии парниковых газов и повышением энергетической эффективности применяемых хладагентов. Именно отсутствие научно обоснованных методов эколого-энергетического анализа, системы индикаторов для экологического аудита объясняет сложившуюся ситуацию с выбором хладагентов для бытовой холодильной техники.

Рис. 4. Вклады (кг СО,%) в TEWIN холодильников

На рис. 4 представлены диаграммы, из которых следует, что суммарный вклад в TEWI _V от эмиссии галоидопроизводных углеводородов (R134а и R141b) весьма незначителен. Напротив, энергетические затраты на создание конструкционных материалов и в целом холодильника велики.

Выполненный анализ свидетельствует о том, что сокращение эмиссии парниковых газов должно достигаться не только путем запрета на использование хладагентов с высоким значением GWP, но и (в значительно большей мере) снижением общих энергетических затрат на создание бытовой холодильной техники. Этот вывод справедлив только для герметичных холодильных систем малой производительности. Для холодильного оборудования большой производительности и с высоким уровнем эмиссии парниковых газов структура TEWI_Nубудет принципиально иной и соответственно будут другими и рекомендации по снижению общего эквивалента глобального потепления [8, 9].

Как следует из приведенных на рис. 4 диаграмм, вторым по значимости фактором, определяющим величину TEWI_N бытового холодильника, является энергетическая эффективность компрессора.

Учитывая низкий уровень коэффициента подачи компрессоров в бытовых холодильниках, основные мероприятия по повышению их эффективности должны быть направлены на повышение качества изготовления сопрягаемых элементов (поршень, цилиндр, клапаны и т. д.), оптимальный выбор холодильного масла и повышение КПД электродвигателя [13|. Известны и другие мероприятия [2, 5, 7, 14], которые способны значительно снизить суточное потребление энергии холодильником. Однако для их реализации потребуется существенно увеличить энергетические затраты на создание бытового холодильника, что может привести к ухудшению его эколого-энергетических характеристик.