Φυσικά ψυκτικά μέσα: Η περιβαλλοντική οπτική και τα τεχνικά ζητήματα

Με δεδομένη την αυστηροποίηση των κανονισμών αναφορικά με την περιβαλλοντική υπευθυνότητα, η μετάβαση στα φυσικά ψυκτικά μέσα δείχνει να αποτελεί μονόδρομο.

Γράφουν οι κ. Ε. Κορωνάκη και Τ. Ρουμπεδάκης*

Η αμμωνία (R717), το διοξείδιο του άνθρακα (R744) και οι υδρογονάνθρακες συγκαταλέγονται στα βασικά ψυκτικά που χρησιμοποιήθηκαν στις πρώτες βιομηχανικές εφαρμογές ψύξης. Η αναζήτηση όμως λύσεων με ευκολότερο χειρισμό, χαμηλότερες πιέσεις και περιορισμένες απαιτήσεις ασφαλείας έστρεψε σταδιακά την τεχνολογία σε πιο συνθετικά ψυκτικά.

Ωστόσο, καθώς άρχισαν να γίνονται εμφανείς οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις των χλωροφθορανθράκων (Chlorofluorocarbons [CFC]), των υδροχλωροφθορανθράκων (Hydrochlorofluorocarbons [HCFC]) και αρκετών υδροφθορανθράκων (Hydrofluorocarbons  [HFC]), σημειώθηκε στροφή πίσω στα φυσικά ψυκτικά.

Τα φυσικά ψυκτικά έχουν, εν γένει, μηδενικό δυναμικό καταστροφής της στιβάδας του όζοντος (Ozone Deplation Potential [ODP]) και εξαιρετικά χαμηλό δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη (Global Warming Potential [GWP]). Ωστόσο, δεν αποτελούν μια ενιαία οικογένεια ψυκτικών με αρκετά διαφορετικά χαρακτηριστικά: Το R744 λειτουργεί σε πολύ υψηλές πιέσεις, το R717 είναι τοξικό και εύφλεκτο, ενώ τα R290 και R600a είναι εξαιρετικά εύφλεκτα (κατηγορία Α3 κατά ASHRAE). Επομένως, με την αλλαγή των ψυκτικών μέσων αλλάζει πλέον και η όλη διαδικασία εγκατάστασης, συντήρησης και αποξήλωσης των συστημάτων ψύξης, θέρμανσης και κλιματισμού.

Γιατί όμως να γυρίσουμε στα «επικίνδυνα» φυσικά ψυκτικά που είχαμε εγκαταλείψει για πάνω από 100 χρόνια; Οι ιδιότητες των ρευστών μπορεί να μην αλλάζουν, αλλά αυτό που έχει αλλάξει ριζικά από τότε είναι η δυνατότητα ασφαλούς διαχείρισής τους. Ανθεκτικότερα υλικά, ερμητικά κυκλώματα, εξελιγμένοι αυτοματισμοί, ανίχνευση διαρροών, αερισμός και ολοκληρωμένα πρότυπα επιτρέπουν πλέον τον αποτελεσματικό περιορισμό των παραπάνω κινδύνων, και ως εκ τούτου την ασφαλή επιστροφή στα φυσικά ψυκτικά, η οποία επιταχύνεται περαιτέρω από το νέο Κανονισμό (ΕΕ) 2024/573.

Εφαρμογή του νέου F-Gas

Ο νέος κανονισμός για τα φθοριούχα αέρια (F-Gas 2024/573), ο οποίος αντικατέστησε τον Κανονισμό 517/2014, επιταχύνει τη μείωση των HFC μέσω δύο παράλληλων μηχανισμών: α) της αυστηρότερης ποσόστωσης των ποσοτήτων που διατίθενται στην ευρωπαϊκή αγορά και β) των διαδοχικών απαγορεύσεων διάθεσης εξοπλισμού ανά κατηγορία και όριο GWP.

Η ανώτατη επιτρεπόμενη ποσόστωση των HFC μειώνεται σταδιακά και προβλέπεται να μηδενιστεί από το 2050. Αυτό δεν σημαίνει οριζόντια απαγόρευση λειτουργίας όλων των υφιστάμενων εγκαταστάσεων· δημιουργεί όμως αυξανόμενο κίνδυνο για περιορισμένη διαθεσιμότητα, υψηλότερο κόστος ψυκτικού μέσου και σταδιακή τεχνολογική απαξίωση του εξοπλισμού με υψηλό GWP.

Οι απαγορεύσεις του νέου F-Gas επηρεάζουν ήδη τις επιλογές των κατασκευαστών. Ενδεικτικά, από την 1η Ιανουαρίου 2025 απαγορεύεται –με κάποιες εξαιρέσεις για λόγους ασφαλείας– η διάθεση αυτοτελούς ψυκτικού εξοπλισμού πλην των chillers (των ψυκτών νερού), που περιέχει φθοριούχα αέρια με GWP ίσο ή μεγαλύτερο από 150. Για άλλες κατηγορίες σταθερού ψυκτικού εξοπλισμού το ίδιο όριο εφαρμόζεται από το 2030. Στα κλιματιστικά και στις αντλίες θερμότητας ισχύος έως 12 kW, το όριο GWP 150 εφαρμόζεται από το 2027, ενώ από το 2032 προβλέπεται, κατά κανόνα, η απαγόρευση χρήσης οποιουδήποτε F-gas. Αντίστοιχη σταδιακή πορεία προβλέπεται για τα συστήματα διαιρούμενου τύπου (split), με ορόσημα έως το 2035.

Το αποτέλεσμα είναι η επιλογή ψυκτικού μέσου να λάβει σοβαρά υπόψη όλο τον κύκλο ζωής της εγκατάστασης. Τα R290, R744 και R717 αποκτούν σαφές πλεονέκτημα μακροχρόνιας κανονιστικής συμβατότητας, χωρίς αυτό να καταργεί το ρόλο των A2L ψυκτικών μέσων σε εφαρμογές όπου οι απαιτήσεις ασφαλείας δυσχεραίνουν τη χρήση φυσικού ψυκτικού. Παράλληλα, ο εκτελεστικός Κανονισμός 2024/2215 επεκτείνει το πλαίσιο πιστοποίησης στους υδρογονάνθρακες, στο R744 και στην R717, ενισχύοντας τη μετάβαση και όσον αφορά την απόκτηση νέων δεξιοτήτων, τη χρήση συμβατού εξοπλισμού και την εφαρμογή νέων πρωτοκόλλων ασφαλούς εγκατάστασης και συντήρησης.

Το R744

Το καθαρό διοξείδιο του άνθρακα (R744) είναι ένα μη εύφλεκτο (κατηγορίας A1) φυσικό ψυκτικό μέσο, με GWP ίσο με 1, το οποίο διαθέτει υψηλή ογκομετρική ψυκτική ικανότητα και καλές ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας, επιτρέποντας τη χρήση μικρότερων συμπιεστών και σωληνώσεων μικρότερης διατομής. Οι απόλυτες πιέσεις είναι, όμως, πολλαπλάσιες των συμβατικών HFC, χωρίς αυτό να συνεπάγεται αναγκαστικά και με υψηλότερο λόγο συμπίεσης.

Η κρίσιμη θερμοκρασία των 31,1°C καθορίζει άμεσα την αρχιτεκτονική, ιδίως σε θερμότερα κλίματα όπου η απόρριψη θερμότητας γίνεται πάνω από το κρίσιμο σημείο, με πιέσεις που υπερβαίνουν τα 80-90 bar. Σε αυτή την περίπτωση, o συμπυκνωτής αντικαθίσταται από ψύκτη αερίου, ενώ η πίεση της υψηλής πλευράς γίνεται μεταβλητή ελέγχου που πρέπει να βελτιστοποιείται.

Η υπερκρίσιμη λειτουργία μπορεί να συνοδεύεται από αισθητή μείωση του συντελεστή απόδοσης (Coefficient Of Performance [COP]) όταν αυξάνεται η θερμοκρασία περιβάλλοντος, λόγω της υψηλότερης απαιτούμενης πίεσης στον ψύκτη αερίου και λόγω των αυξημένων απωλειών κατά την εκτόνωση. Η επίδραση αυτή περιορίζεται με προηγμένες αρχιτεκτονικές, όπως είναι η παράλληλη συμπίεση και τα πολλαπλά ακροφύσια.

Για εφαρμογές στην Ελλάδα, η καταλληλότητα ενός συστήματος R744 πρέπει επομένως να αξιολογείται σε ετήσια βάση, με πραγματικά προφίλ φορτίου και θερμοκρασίας, λόγω της μεγάλης μεταβλητότητας της υψηλής πίεσης.

Το R744 έχει καθιερωθεί στην εμπορική ψύξη και σε αντλίες θερμότητας παραγωγής ζεστού νερού. Στις τελευταίες, η μεγάλη μεταβολή θερμοκρασίας του νερού μπορεί να προσαρμοστεί ευνοϊκά στην αισθητή ψύξη του CO2 στον ψύκτη αερίου. Παρά την κατάταξή του στα ασφαλή ψυκτικά (A1), η διαχείρισή του απαιτεί προσοχή.

Οι βασικότεροι κίνδυνοι περιλαμβάνουν την ανάπτυξη πολύ υψηλής πίεσης σε συνθήκες ηρεμίας, την πιθανότητα σχηματισμού ξηρού πάγου σε περίπτωση απότομης εκτόνωσης και τον κίνδυνο ασφυξίας σε περίπτωση διαρροής και συγκέντρωσης μεγάλων ποσοτήτων στο χώρο. Για τους λόγους αυτούς, είναι απολύτως απαραίτητη η χρήση συστημάτων ανίχνευσης, η ασφαλής απαγωγή των ασφαλιστικών βαλβίδων και ο σχεδιασμός για ελεγχόμενη επανεκκίνηση έπειτα από διακοπή λειτουργίας.

Η αλλαγή στα επιτρεπόμενα ποσοστά F-Gases μεταξύ F-Gas 2015 και του νέου κανονισμού F-Gas

Το R717

Η αμμωνία (R717) συνδυάζει μηδενικά GWP και ODP με υψηλή λανθάνουσα θερμότητα, υψηλούς συντελεστές μεταφοράς θερμότητας και μικρή απαιτούμενη παροχή μάζας. Η υψηλή κρίσιμη θερμοκρασία της, περίπου 132°C, επιτρέπει υποκρίσιμη λειτουργία σε ευρύ πεδίο και υψηλή ενεργειακή απόδοση. Για αυτό παραμένει κυρίαρχη επιλογή σε βιομηχανικές εφαρμογές και μεγάλες αντλίες θερμότητας.

Από την άλλη πλευρά, το R717 ταξινομείται ως B2L (περιγράφει την τοξικότητα και την αναφλεξιμότητα ενός ψυκτικού), παρουσιάζει μεγαλύτερη τοξικότητα και χαμηλή ταχύτητα φλόγας. Η έντονη οσμή προσφέρει έγκαιρη ένδειξη μικρής διαρροής, αλλά δεν υποκαθιστά τους σταθερούς ανιχνευτές ούτε το σχέδιο έκτακτης ανάγκης. Απαιτούνται ελεγχόμενη πρόσβαση, μηχανικός αερισμός, ασφαλής εκτόνωση, κατάλληλα μέσα ατομικής προστασίας και διαδικασίες απομόνωσης. Η υψηλή διαλυτότητα στο νερό και η ασυμβατότητα με χαλκό και πολλά κράματα χαλκού επηρεάζουν υλικά, κινητήρες, εναλλάκτες και όργανα που χρησιμοποιούνται στις εγκαταστάσεις R717.

Επί του παρόντος, λόγω των ζητημάτων ασφαλείας το R717 απαντάται σε μεγαλύτερης ισχύος εφαρμογές· ωστόσο μπορεί να επεκταθεί και σε μεσαίες εφαρμογές, εφόσον η μείωση πλήρωσης δεν επιτυγχάνεται εις βάρος της απόδοσης και της δυνατότητας συντήρησης.

Υδρογονάνθρακες

Το προπάνιο (R290) και το ισοβουτάνιο (R600a) διαθέτουν πολύ χαμηλό GWP, μηδενικό ODP και ευνοϊκές θερμοδυναμικές ιδιότητες. Το R600a έχει καθιερωθεί στην οικιακή ψύξη, όπου η μικρή ποσότητα πλήρωσης και οι ερμητικά κλειστές μονάδες περιορίζουν τον κίνδυνο. Το R290, με μεγαλύτερη ογκομετρική ικανότητα και κατάλληλο εύρος πιέσεων, χρησιμοποιείται σε επαγγελματικό εξοπλισμό, μικρούς ψύκτες, monobloc κλιματιστικά και –ολοένα περισσότερο, ένεκα και του νέου F-Gas– σε αντλίες θερμότητας. Η υψηλή κρίσιμη θερμοκρασία του ευνοεί την παραγωγή νερού υψηλότερης θερμοκρασίας χωρίς υπερκρίσιμη λειτουργία.

Το βασικό εμπόδιο για τους υδρογονάνθρακες παραμένει η μεγάλη ευφλεξιμότητά τους (A3). Το χαμηλό κατώτερο όριο αναφλεξιμότητας και η μικρή ενέργεια ανάφλεξης σημαίνουν ότι η ασφάλεια εξαρτάται από την ελαχιστοποίηση της εκλυόμενης μάζας και τον αποκλεισμό αποτελεσματικών πηγών ανάφλεξης.

Τα όρια πλήρωσης προκύπτουν κατά περίπτωση από το EN 378, με κύρια κριτήρια το εφαρμοζόμενο πρότυπο προϊόντος, την επιφάνεια και χρήση του χώρου, το ύψος εγκατάστασης και τα προβλεπόμενα μέτρα μείωσης κινδύνου. Η μείωση πλήρωσης επιτυγχάνεται με εξελίξεις στην τεχνολογιών των εναλλακτών θερμότητας, με περιορισμένες σωληνώσεις, με διαχωρισμό σε ανεξάρτητα κυκλώματα και, ως επί το πλείστον, με εξωτερική τοποθέτηση. Ανίχνευση, αερισμός, βαλβίδες απομόνωσης και ηλεκτρικά εξαρτήματα χωρίς ενεργές πηγές ανάφλεξης συμπληρώνουν το απαιτούμενο πακέτο προστασίας.

Η ύπαρξη εύφλεκτών ψυκτικών όπως το R290 δεν σημαίνει αυτόματα πως δημιουργείται και μια ζώνη εκρηκτικής ατμόσφαιρας (Atmosphere Explosive [AT.EX.]). Απαιτείται, όμως σε οποιαδήποτε παρέμβαση εγκατάστασης, συντήρησης ή τελικής αποξήλωσης, να χρησιμοποιούνται συμβατά εργαλεία, με απουσία πηγών σπινθηρισμού, με συνεχή αερισμό και με έλεγχο της ατμόσφαιρας πριν από θερμές εργασίες.

Πίνακα 1: Σύνοψη βασικών κινδύνων και χαρακτηριστικών των πιο διαδεδομένων φυσικών ψυκτικών μέσων.

Πρακτική εφαρμογή

Όπως είναι εμφανές, δεν υπάρχει ένα φυσικό ψυκτικό που να αποτελεί τη βέλτιστη λύση για κάθε εφαρμογή. Το R744 παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την εμπορική ψύξη και τις αντλίες θερμότητας παραγωγής ζεστού νερού, υπό την προϋπόθεση ότι η αρχιτεκτονική του κύκλου προσαρμόζεται στις υψηλές πιέσεις και στις κλιματικές συνθήκες.

Το R717 παραμένει ιδιαίτερα ανταγωνιστικό στη βιομηχανική ψύξη και στις μεγάλες αντλίες θερμότητας, όπου μπορούν να εφαρμοστούν οργανωμένα μέτρα περιορισμού της πλήρωσης και ελεγχόμενης πρόσβασης.

Στους υδρογονάνθρακες, το R600a αποτελεί καθιερωμένη επιλογή για ερμητικά κλειστό οικιακό εξοπλισμό, ενώ το R290 διευρύνει την παρουσία του σε συμπαγείς ψύκτες και αντλίες θερμότητας χαμηλής πλήρωσης (βλέπε πίνακα 1).

Η τελική επιλογή είναι ένα πολυπαραγοντικό πρόβλημα, καθώς μερικά από τα σημαντικότερα κριτήρια είναι η εποχική ενεργειακή απόδοση, το κλιματικό προφίλ, τα θερμοκρασιακά επίπεδα, η λειτουργία σε μερικό φορτίο, η ευκολία συντήρησης, η απαιτούμενη πλήρωση και το συνολικό κόστος κύκλου ζωής.

Η εφαρμογή των κατάλληλων προτύπων, η ανίχνευση διαρροών, η αυστηρή τήρηση των κανονισμών χρήσης και η εκπαίδευση των τεχνικών επιτρέπουν την αποτελεσματική διαχείριση όλων των κινδύνων που συνεπάγεται η χρήση ενός φυσικού ψυκτικού.

Συνεπώς, με κατάλληλο σχεδιασμό και συστηματική τήρηση των κανόνων ασφαλείας, τα φυσικά ψυκτικά μπορούν να υποστηρίξουν μια ουσιαστική οικολογική μετάβαση της ψύξης και των αντλιών θερμότητας, συνδυάζοντας πολύ χαμηλό άμεσο κλιματικό αποτύπωμα, υψηλή ενεργειακή απόδοση και μακροχρόνια τεχνολογική βιωσιμότητα.

Πηγές

1. «R290: Ιδιότητες, Πρότυπα, Κανονισμοί & Βέλτιστος Χειρισμός», Ε. Κορωνάκη, THERMOLAB, 2026.
2. «Επί Ψύξης – Ενότητα 3: Κανονιστικό πλαίσιο» και «Ενότητα 4: Σύγχρονα ψυκτικά μέσα και ασφάλεια», THERMOLAB, 2026.
3. Κανονισμός (ΕΕ) 2024/573 και Εκτελεστικός Κανονισμός (ΕΕ) 2024/2215.
4. ASHRAE, Chapter 29 – Refrigerants και Standard 34.

*Η κ. Ειρήνη Κορωνάκη είναι καθηγήτρια και ο κ. Τρύφωνας Ρουμπεδάκης επίκουρος καθηγητής στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ). Αμφότεροι είναι μέλη του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του ΕΜΠ.

Λεζάντα

Εικόνα 1: Η αλλαγή στα επιτρεπόμενα ποσοστά μεταξύ των Κανονισμών για τα φθοριούχα αέρια F-Gas 2015 και F-Gas 2024.