Gebäudesystemtechnik
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Elektrotechnik
Einsatz von Kältemitteln
ep7/2009, 5 Seiten
Was Kältemittel sind Die Aufgabe einer Klimaanlage besteht darin, Luft abzukühlen und dabei gegebenenfalls auch zu entfeuchten. Dabei wird der Luft Wärme entzogen, die gegen das natürliche Temperaturgefälle transportiert und an die Umgebung abgegeben werden muss. Dieser Wärmetransport entgegen dem natürlichen Temperaturgefälle kann nur in einer technischen Einrichtung unter Aufwand von Arbeit realisiert werden. Der bei der höheren Temperatur abgegebene Wärmestrom ist daher stets um den Betrag der dem Prozess zugeführten Antriebsleistung größer als der bei niedriger Temperatur aufgenommene. Ist die Kälteerzeugung der Zweck der Einrichtung, d. h. wird die „kalte Seite“ genutzt, spricht man von einer „Kältemaschine“ und von einer „Wärmepumpe“, wenn die an der „warmen Seite“ abgegebene Wärme genutzt wird. Als Kältemittel werden nun jene Arbeitsstoffe bezeichnet, die in solchen technischen Einrichtungen in einem geschlossenen oder offenen Prozess zirkulieren, bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnehmen, transportieren und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgeben. Für die Kälteerzeugung zur Klimatisierung haben sich technisch und wirtschaftlich nur Kompressions-Kaltdampfmaschinen, Sorptionskältemaschinen und Kaltluftmaschinen durchsetzen können. Der Einsatz der beiden erstgenannten Verfahren ist auf Nischen- und Sonderanwendungen beschränkt, wie der Klimatisierung von Flugzeugkabinen oder von Reisezugwagen (ICE 3) mittels Kaltluftmaschinen oder die Ausnutzung von Abwärme zur Klimatisierung mittels thermisch angetriebener Sorptionskältemaschinen. Den Hauptanteil stellen die Kompressionskältemaschinen (KKM). Im engeren Sinne werden deshalb unter dem Begriff „Kältemittel“ meist Arbeitsstoffe für KKM verstanden, die im Folgenden auch ausschließlich betrachtet werden sollen. Die Kältemittelbezeichnungen bestehen aus Ziffern- und Buchstabenfolgen, die einen Code für die Molekülstruktur bzw. die Zusammensetzung des Kältemittels darstellen [8]. Der Zeichenfolge ist entweder ein „R“ für „Refrigerant“, eine Stoffklassenkennzeichnung (FCKW, HFKW, ...) oder ein Markenname vorangesetzt. Anforderungen an Kältemittel Das Bild a) zeigt die Funktionsweise einer KKM am Beispiel eines einfachen einstufigen Prozesses, bei dem in einem geschlossenen Kreislauf ein Kältemittelmassenstrom geführt wird, der in einem Verdampfer bei niedrigem Druck p0 und der Temperatur T0 verdampft (Zustandsänderung 1-2 im T,s-Diagramm), dabei eine Kälteleistung Q aufnimmt, mithilfe eines Verdichters auf höheren Druck pH gebracht wird (2-3), im Verflüssiger unter Wärmeabgabe abkühlt und bei der Temperatur TK kondensiert (3-4), und schließlich wieder auf den Verdampfungsdruck und damit niedrige Temperatur entspannt wird (4-1). Der zugehörige Kreisprozess ist schematisch im T,s-Diagramm (Bild b) dargestellt. Die dunkel hinterlegte Fläche q0 ist ein Maß für die Kälteleistung. Die hellere Fläche Wt ist proportional der Antriebsleistung P. Für den spezifischen Antriebsenergiebedarf einer Kältemaschine gilt IK (TK - T0)/T0. Je niedriger also beispielsweise die Temperatur T0 ist, bei der die Kälteleistung vom Kältemittel aufgenommen wird, umso größer wird der spezifische Energiebedarf. Eine Absenkung der Verdampfungstemperatur um nur 1 K bedeutet einen Mehraufwand an Antriebsleistung von ca. 3 %. Im Bild steht TN für die Nutztemperatur, z. B. die geforderte Raumlufttemperatur, und TU für die Umgebungstemperatur, die Temperatur der Wärmesenke. Die für die Wärme- = P /Q Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 7 554 FÜR DIE PRAXIS Klimatechnik Einsatz von Kältemitteln D. Vollmer, Dresden Klimaanlagen sind in unserem Lebensumfeld einerseits ein Ausdruck gestiegener Komfortbedürfnisse. So zeigen in südlichen Ländern mit Außeneinheiten übersäte Hausfassaden deutlich, dass der Luxus kühler Wohnräume nicht vermisst werden möchte. Andererseits wären Glasarchitektur und Chipherstellung ohne Klimatechnik nicht möglich. Klimaanlagen sind für den Betrieb von Gebäuden oder für technologische Prozesse häufig unverzichtbar. Autor Dr.-Ing. Dietrich Vollmer, ist bei der gemeinnützigen Gmb H Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden, im Hauptbereich Kälte- und Tieftemperaturtechnik tätig. 3 2 2 2 4 4 Verflüssiger Verdampfer Expansionseinrichtung Verbraucher T T k. P. k. P. wt wt q0 q0 S S a) b) c) Funktionsschemata einer Kompressionskältemaschine a) Funktionsweise; b) T,s-Diagramm des zugehörigen Kreisprozesses; c) so genannter „transkritischer“ Prozessverlauf PRÄMIEN-EMPFÄNGER Ja, ich habe einen neuen Abonnenten für den ELEKTRO-PRAKTIKER geworben. Meine Prämie erhalte ich, sobald der neue Abonnent seine Bezugsgebühren bezahlt hat. Ich möchte die angekreuzte Prämie: Firma, Name, Vorname Straße/Hausnummer PLZ/Ort Tel. Fax Firma, Name, Vorname Telefon Telefax E-Mail Straße/Hausnummer PLZ/Ort Datum Unterschrift des neuen Abonnenten L907 PRÄMIEN-GUTSCHEIN KUNDEN-NR.: (siehe Adressaufkleber oder letzte Warenrechnung) TRAVELITE Reiseset APPLE* iPod nano JENOPTIK Digitalkamera GARMIN Navigationsgerät Werben Sie einen neuen -Abonnenten und wählen Sie Ihre Prämie! Werben Sie einen neuen -Abonnenten und wählen Sie Ihre Prämie! Werben Sie einen neuen -Abonnenten und wählen Sie Ihre Prämie! Werben Sie einen neuen -Abonnenten und wählen Sie Ihre Prämie! Werben Sie einen neuen -Abonnenten und wählen Sie Ihre Prämie! NEUER ABONNENT Ja, ich bestelle ab sofort den ELEKTROPRAKTIKER für mindestens 1 Jahr zum Jahresabonnementpreis von 64,20 zzgl. 9,60 Porto- und Versandkosten. Ich war in den letzten 6 Monaten kein Abonnent des ep. 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Saugnapfhalterung und Kabel für Zigarettenanzünder Weitere Prämien unter www.elektropraktiker.de/praemie *2-Jahres-Abo Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 7 556 FÜR DIE PRAXIS Klimatechnik übertragung wirksamen Temperaturdifferenzen TN - T0 und TK - TU sollten daher möglichst gering sein. Dieser Sachverhalt ist der wesentliche Grund, warum die Kälteerzeugung mittels Kaltdampfmaschinen das dominierende Kälteerzeugungsverfahren darstellt. Verdampfung und Kondensation erfolgen bei konstanter oder gering veränderlicher Temperatur, wodurch kleine wirksame Temperaturdifferenzen möglich sind. Bild c) zeigt einen so genannten „transkritischen“ Prozessverlauf, bei dem die Prozesswärme ohne Phasenwechsel bei einem Druck pH abgegeben wird, der höher als der kritische Druck des Kältemittels ist. Ein solcher Prozessverlauf ist typisch für Klima-Kälteanlagen mit dem Kältemittel Kohlendioxid (R744). Der Hochdruck pH kann bis etwa 120 bar betragen. Das ist das 3- bis 10-fache im Vergleich zu konventionellen Kältemaschinen. Maßgeblich für die Eignung eines Kältemittels sind insbesondere die Anforderungen hinsichtlich der Drucklage und der Kälteleistung sowie die Umwelteigenschaften eines Stoffes. Günstig sind mäßige Drücke (geringe Anforderungen an Druckfestigkeit) und hohe volumetrische Kälteleistung (kleine, kostengünstige Verdichter, geringe Leitungsquer- schnitte, geringe Druckverluste). Bild zeigt Dampfdrücke von einigen derzeit in der Klima- und Wärmepumpentechnik gebräuchlichen Kältemitteln. Das Rechteck markiert den für Klimaanwendungen technisch relevanten Temperatur- und Druckbereich. In Bild werden volumetrische Kälteleistungen einiger Kältemittel verglichen, d. h. die pro m3 angesaugtem Kältemittel erreichbare Kälteleistung. Grundsätzlich ist festzustellen, dass eine Kältemittelauswahl stets einen Kompromiss darstellt, der zu speziellen Anlagengestaltungen führt und sowohl vom Entwicklungsstand als auch der Wichtung bestimmter Eigenschaften abhängt. Historische Entwicklung und gesetzliche Regelungen Zu Beginn der technischen Erzeugung von Kälte wurden natürliche Substanzen, wie Kohlendioxid und Dimethylether, Ammoniak und Schwefeldioxid als Kältemittel verwendet, die mit Ausnahme von CO2 brennbar oder giftig sind und offensichtlich nicht den oben formulierten Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Gesundheitsschutz genügen. Es ist deshalb verständlich, dass mit der Entwicklung und Markteinführung chemisch hergestellter Fluorchlorkohlenwasserstoffe eine Abkehr von brennbaren und giftigen Stoffen einsetzte. Mit einer ganzen Palette voll- und teilhalogenierter Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW und HFCKW) standen der Kältetechnik nun Arbeitsstoffe mit ausgezeichneten thermodynamischen Eigenschaften zur Verfügung, die außerdem chemisch stabil, nicht brennbar, nicht oder nur wenig gesundheitsschädigend sind, in idealer Weise den Anforderungen zu genügen schienen und letztendlich die Verbreitung der stationären und mobilen Klimatechnik erheblich beförderten. Es handelt sich hierbei chemisch um Methan- und Ethanderivate, bei denen einige oder alle Wasserstoffatome durch Chlor und Fluor ersetzt sind. Chlor und Fluor gehören im Periodensystem der Elemente zur 7. Hauptgruppe, der Gruppe der „Halogene“. Die FCKW und HFCKW bewirkten nicht nur einen rasanten Aufschwung der Kälte- und Wärmepumpentechnik, sondern sie wurden auch in großen Mengen z. B. als Treibmittel für Schaumstoffe oder Treibgase für Sprays verwendet. Die Ära der FCKW-Kältemittel begann 1930 mit der Entwicklung von R12 und endete praktisch 1987 mit dem Montrealer Protokoll, das einen weltweiten Fahrplan für das Verbot chlorhaltiger Kältemittel einleitete. Ausgelöst war dies durch die Erkenntnis, dass Chlor- und Bromradikale als Zersetzungsprodukte von FCKW und Halonen die lebenswichtige Ozonschicht in der Hochatmosphäre zerstören. In der Folge wurden teilhalogenierte Kältemittel und Kältemittelgemische entwickelt, die Fluor, aber kein Chlor enthalten und nicht zur Ozonzerstörung beitragen - Auf die zahlreichen Facetten dieser Entwicklung und spezifischen Probleme der Systemanpassung soll hier nicht weiter eingegangen werden. Diese HFKW bilden das Rückgrat der heutigen Kälte-und Wärmepumpentechnik. Allerdings war bereits mit der Entwicklung und Markteinführung dieser dritten Kältemittelgeneration klar, dass die HFKW zwar viele gewünschte Eigenschaften aufweisen, aber nicht umweltneutral sind und zur anthropogen verursachten Erderwärmung beitragen. Ihr Gesamtanteil am globalen Treibhauseffekt liegt jedoch aufgrund der vergleichsweise geringen Emissionsmengen nur bei wenigen Prozent. Ebenso wie andere Treibhausgase unterliegen auch Halogenkohlenwasserstoffe restriktiven gesetzlichen Regelungen, die auf den 1997 auf dem Weltklimagipfel in Kyoto vereinbarten Klimaschutzzielen (Kyoto-Protokoll) fußen. Zusammengefasst bedeutet dies, dass alle wichtigen konventionellen Kältemittel - mit Ausnahme von Ammoniak - zu Stoffgruppen gehören, die spezifischen internationalen und nationalen gesetzlichen Regelungen zum Schutz der Atmosphäre unterliegen. Auf EU-Ebene sind folgende Regelungen zu nennen, die für Kälteanlagen relevant sind: 1.Verordnung (EG) Nr. 2037/2000 [3] über Verbotsregelungen von Stoffen, die zur Zerstörung der Ozonschicht beitragen; 2.Verordnung (EG) Nr. 842/2006 [5] über fluorierte Treibhausgase („F-Gase-Verordnung“) in ortsfesten Anlagen; 3.Richtlinie 2006/40/EG [7] über Emissionen aus Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen. Die Gesetzespakete orientieren sich am Schädigungsmechanismus der geregelten Stoffe und schreiben unterschiedliche Maßnahmen und Verfahrensweisen fest. Es ist deshalb auch erforderlich, die konkreten Maßnahmen zum Umgang mit Kältemitteln stoffabhängig R718 (Wasser) R123 R608a (Isobutan) R404a R507 R744 (CO2) R410A R134a R22 R407C R717 (Ammoniak) 100 0,1 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 160 bar Dampfdruck Temperatur R290 (Propan) 14000 10000 8000 6000 4000 2000 kJ/m3 volumetrische Kälteleistung R123 R134a R22 R407C R410A R290 R744 R718 = 5 °C = 35 °C R744: = 86 bar = 35 °C Volumetrische Kälteleistungen einiger Kältemittel t0Verdampfungstemperatur; tK Kondensationstemperatur; pH Hochdruck; tGK Gaskühleraustrittstemperatur Dampfdruckkurven einiger Kältemittel zu betrachten. Ein gemeinsamer Lösungsansatz besteht darin, grundsätzlich die Freisetzung potentiell schädlicher Gase in die Atmosphäre zu unterbinden bzw. zu minimieren. In Deutschland ist die VO (EG) 2037/2000 durch die Chemikalien-Ozonschichtverordnung [4] in nationales Recht untersetzt, die auch die auf der Grundlage des Montrealer Protokolls verfasste deutsche FCKW-Halon-VVO [2] ablöst. Die wesentlichsten Regelungen sind: · Verwendungsverbot für FCKW (z.B. R11, R12); · seit 2001: Verwendungsverbot für HFCKW in Neuanlagen; · ab 2010: Verwendungsverbot für HFCKW-Frischware (ungebrauchtes Kältemittel); · ab 2015: Generelles Verwendungsverbot auch für HFCKW. Seit dem 1. August 2008 ist die Chemikalien-Klimaschutzverordnung [6] in Kraft, die den Umgang mit fluorierten Treibhausgasen auf der Grundlage der VO (EG) 842/2006 national regelt. Im Gegensatz zur VO (EG) 2037/2000 [4] und daraus abgeleiteten Verordnungen, schreiben weder die F-Gase-VO [5] noch die deutsche Chemikalien-Klimaschutzverordnung [6] derzeit Verbote für den Einsatz fluorhaltiger Stoffe als Kältemittel (HFKW) in ortsfesten Kälte- und Klimaanlagen sowie Wärmepumpen fest, allerdings sind 2011 Überprüfungen der Regelungen vorgesehen. Es sei erwähnt, dass (zumindest befristet) in einigen EU-Ländern deutlich schärfere Sanktionen gegen HFKW als in Deutschland bestehen, was zu lokal unterschiedlichen Marktentwicklungen führte. Besondere Regelungen gelten für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen: Die Richtline 2006/40/EG [7] untersagt ab 2011 Typgenehmigungen für Fahrzeuge, deren Klimaanlagen Kältemittel mit einem GWP > 150 enthalten. Nach James M. Calm [9] ist die gegenwärtige (vierte) Etappe der Kältemittelentwicklung durch die Hinwendung zu natürlichen Stoffen (CO2, NH3, H2O, Kohlenwasserstoffe) und die Entwicklung von Kältemitteln mit niedrigem GWP (Global Warming Potential) (z. B. R1234yf [10]) charakterisiert. Das einzige Kältemittel, das alle Phasen der Kältemittelhistorie „überlebt“ hat, ist Ammoniak (R717). Kältemitteleinsatz in Klimaanlagen Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei Kältemitteln für Klimaanlagen um Stoffe, die für den Verdampfungstemperaturbereich von 0 °C bis +15 °C und einen Kondensationstemperaturbereich von +30 °C bis ca. 55 °C, für Fahrzeugklimaanlagen auch darüber (70 °C), geeignet sein müssen und über eine hinreichende volumetrische Kälteleistung verfügen sollten. Tafel zeigt eine Übersicht jener Kältemittel, die noch im aktuellen Anlagenbestand eingesetzt sind, sowie von Stoffen, die aktuell in Neuanlagen verwendet werden. R11 und R123 sind Niederdruckkältemittel, die ausschließlich in Turbo-Kälteanlagen sehr großer Leistung eingesetzt werden. R123 wurde als Ersatzstoff für R11 eingeführt, ist aber als HFCKW ab 2015 ebenfalls verboten. Erprobte Alternativlösungen gibt es nicht. R22 war und ist noch eines der wichtigsten Kältemittel für Klimaanlagen. Ab 2011 darf im Service nur noch recycelte Ware eingesetzt werden. Kältemittelhersteller empfehlen, bestehende Anlagen bald auf andere Kältemittel umzustellen, da die ausreichende Versorgung mit recyceltem Kältemittel nicht gesichert ist. Für die Umstellung von R22-Altanlagen wurden speziell die HFKW-Kältemittel R417A, R422A, R422D und R427A entwickelt. Es handelt sich dabei um so genannte „zeotrope“ Gemische, deren Phasenumwandlungsprozesse bei gleitender Temperatur erfolgen. Die spezifischen Probleme der Umstellung von Altanlagen sollen hier jedoch nicht weiter betrachtet werden. R407C ist in seinen Eigenschaften dem R22 relativ ähnlich (vgl. Bilder und ) und wird seit Jahren erfolgreich als Ersatz für R22 in Neuanlagen eingesetzt. Es ist ein zeotropes Gemisch mit einem Temperaturgleit (Temperaturband, das beim Phasenwechsel durchlaufen wird) von ca. 5-6 K. Der Leistungsbereich reicht vom „Baumarktgerät“ mit Kälteleistungen von wenigen KW bis hin zu Großanlagen von mehreren 100 kW. Es ist nicht brennbar und physiologisch unbedenklich, sodass Anlagen mit Direktverdampfung, d. h. ohne sekundären Kreislauf zur Versorgung der Kühlstellen, realisiert werden können. R410A ist ein zeotropes Gemisch mit sehr geringem Temperaturgleit und weist vergleichsweise hohe Dampfdrücke sowie hohe volumetrische Kälteleistung auf. Es ist im Klimamarkt ein „Seiteneinsteiger“, wird z. B. in Splitklimaanlagen verwendet und verdrängt zunehmend R407C. R134a wurde als Ersatzstoff für R12 entwickelt und wird heute als Kältemittel in Turbokälteanlagen großer und mittlerer Leistung verwendet. Sein Haupteinsatzfeld sind jedoch PKW-Klimaanlagen, wo es ab 2011 aber durch klimagünstigere Stoffe zu ersetzen ist [7]. Favorisiert werden R744 (CO2) und R1234yf (CF3 - CF = CH2). Letzterer ist ein HFKW, der nach Angaben der Entwickler [10] ähnliche thermodynamische Eigenschaften wie R134a aufweist, aufgrund seiner Doppelbindung und der damit verbundenen geringen atmosphärischen Lebensdauer einen GWP-Wert von nur 4 besitzt, und in praktisch fast unveränderten Klimaanlagen verwendet werden könnte. Ein Kritikpunkt ist die (geringe) Entflammbarkeit des Stoffes. In R744-Anlagen treten Drücke bis ca. 120 bar auf (vgl. (Bild c)). Bestehende Anlagenausführungen sind für R774 weder hinsichtlich der Druck- Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 7 557 Klimatechnik FÜR DIE PRAXIS Tafel Kältemittel für Kälte- und Klimaanlagen sowie Wärmepumpen Kälte- Stoff- Tkrit pkrit S ODP GWP100 Kommentar mittel gruppe [°C] [bar] R11 FCKW 198,0 44,1 A1 1 4000 generelles Verwendungs- (CCl3F) verbot [2] R12 FCKW 112,0 41,4 A1 1 8100 generelles Verwendungs- (CCl2F2) verbot [2] R22 HFCKW 96,1 49,9 A1 0,055 1500 Verwendungsverbot [4]: (CHClF2) · in Neuanlagen seit 2001; R123 HFCKW 183,7 36,6 B1 0,02 90 · für Frischwaren ab 2010; (CHClF2) · generell ab 2015 R134a HFKW 101,1 40,6 A1 0 1300 keine Verbotsregelung für (CF3CH2F) stationäre Kälteanlagen R407C HFKW 86,2 46,3 A1 0 1520 und Wärmepumpen; (Gemisch) Restriktionen bezüglich R410A HFKW 71,3 49,0 A1 0 1720 Handhabung [5, 6] R290 KW 96,7 42,5 A3 0 3 keine Restriktionen; brennbar; (C3H8) praktische Beschränkungen (Propan) hinsichtlich Füllmenge und Aufstellung [1] R717 anor- 132,4 113,0 B2 0 0 keine Restriktionen; giftig; NH3 ganisch brennbar; selbstwarnend R744 anor- 31,0 73,8 A1 0 1 keine Restriktionen; sehr hohe (CO2) ganisch Drücke; transkritischer Prozess R718 anor- 374,1 222,1 0 0 keine Restriktionen; Prozess (H2O) ganisch bei Vakuum FCKW vollhalogenierter Kohlenwasserstoff, der Fluor und Chlor im Molekül enthält; HFKW teilhalogenierter Kohlenwasserstoff, der Fluor und mindestens ein Wasserstoffatom im Molekül enthält; KW Kohlenwasserstoff; Tkrit kritische Temperatur; pkrit kritischer Druck; S Sicherheitsgruppe nach [1] (Giftigkeit: A = gering, B = höher; Brennbarkeit: 1 = keine, 2 = gering, 3 = höher); ODP Ozone Depletion Potential; Beitrag zum Ozonschädigungspotential, Bezugsbasis: R12 = 1 [1]; GWP Global Warming Potential; Beitrag zum Treibhauspotential, Zeitrahmen 100 Jahre, Bezugsbasis: CO2 = 1 [1] festigkeit noch der Regelung geeignet und müssen durch komplette Neuentwicklungen ersetzt werden. Welche dieser beiden Lösungen sich letztlich durchsetzen wird, ist derzeit noch unbestimmt. R290 (Propan) ist ein Kältemittel mit ungewissem Entwicklungspotential. Nach DIN EN 378-1 sind für brennbare Kältemittel bei Füllmengen bis 150 g keine spezielle Sicherheitsmaßnahmen vorgeschrieben. Damit sind Kälteleistungen um ca. 1 kW ohne Auflagen realisierbar - viel zu wenig für Klimatisierungsaufgaben. Höhere Füllmengen bedingen zusätzliche Anforderungen an die Anlagenaufstellung und Sicherheitstechnik, was die Marktakzeptanz von R290-Anlagen beeinträchtigt. Lösungen sind in Form von Kompaktanlagen kleiner Leistung mit Sekundärkreisläufen zur Versorgung der Kühlstellen realisiert. R717 (Ammoniak) spielt in der Klimatechnik trotz hervorragender thermodynamischer Eigenschaften eine untergeordnete Rolle. Aufgrund seiner Brennbarkeit und Toxizität sind Auflagen hinsichtlich Aufstellung und Havarievorsorge zu beachten. Kompaktsätze in Form direkt oder indirekt gekühlter Kaltwassersätze mit Kälteleistungen von bis zu mehreren 100 kW sind Stand der Technik. R744 (CO2) ist als Arbeitsstoff eine mögliche Alternative für Halogenkältemittel. Beispiellösungen für mobile und stationäre Klimaanlagen existieren. Nachteilig sind die außerordentlich hohen Drücke (bis etwa 120 bar) sowie die relativ hohe mittlere Temperatur bei der Wärmeabgabe aufgrund der transkritischen Prozessführung (vgl. (Bild c)). R718 (H2O) ist ein Außenseiter unter den Arbeitsstoffen für KKM: Der Verdampfungsdruck liegt bei Klimaanwendungen unter 10 mbar, also praktisch bei Vakuumbedingungen. Die damit verbundene geringe volumetrische Kälteleistung erfordert den Einsatz von Turboverdichtern mit hoher Umfangsgeschwindigkeit. Neben Kohlendioxid ist Wasser eine der wenigen vom Sicherheitsstandpunkt zufriedenstellenden Alternativen für konventionelle Kältemittel der HFKW-Klasse. Prototypen der ersten und zweiten Generation von R718-Kaltwassersätzen laufen seit Jahren erfolgreich im Praxistest. Was zu beachten ist und wer etwas darf Zum Umgang mit Kältemitteln sind folgende grundlegende Regeln vorauszuschicken: 1.Der Betreiber ist für die Anlage und damit auch für die Einhaltung der für den Betrieb, die Stilllegung und die Entsorgung der Anlage gültigen Vorschriften und Gesetze verantwortlich. 2.Kältemittel sind keine harmlosen Stoffe. Voraussetzung für Arbeiten am Kältemittelkreislauf sind sowohl ausreichende handwerkliche Qualifikation als auch Kenntnisse über Kältemitteleigenschaften und einschlägige Vorschriften. Die Sachkunde muss durch entsprechende berufliche Qualifikation und/oder Zertifikate nachgewiesen sein (vgl. § 5 Abs (2) Chem Ozon-Schicht V [4], § 5 Chem Klima Schutz V [6]). 3.Halogenkältemittel müssen zurück gewonnen werden. Es ist strikt verboten, sie in die Atmosphäre „zu entsorgen“! Von Ausnahmen abgesehen, sind im Bestand hauptsächlich Klimaanlagen mit Halogenkältemitteln anzutreffen. Die Rahmenbedingungen für den Umgang mit den Kältemitteln resultieren aus der Art des Kältemittels (FCKW, HFCKW, HFKW) und der Kältemittelfüllmenge. FCKW: Es besteht ein Verwendungsverbot für FCKW-Kältemittel (R11, R12), die u. U. noch in älteren Anlagen eingesetzt sind. Unter dem Begriff „Verwendung“ wird eine aktive Handlung mit dem geregelten Stoff verstanden, z. B. bei Wartungs- oder Nachfüllarbeiten [3]. Im Falle eines Schadens, der einen Eingriff am Kältemittelkreislauf erforderlich macht, muss das FCKW-Kältemittel entsorgt und ggf. durch ein chlorfreies Kältemittel ersetzt werden. Kältemittelumstellungen sind jedoch in der Regel mit einem sehr hohen Aufwand verbunden, sodass vor einer solchen Maßnahme die Erfolgsaussichten und der wirtschaftliche Nutzen sorgsam abzuwägen sind. HFCKW: Ein generelles Verwendungsverbot für HFCKW (R22, R123) wie bei FCKW besteht noch nicht. Bis 2015 ist es noch gestattet recyceltes Kältemittel in bestehende Anlagen nachzufüllen. Der Einsatz von frisch produziertem Kältemittel ist verboten! HFKW: HFKW („F-Gase“) schädigen zwar nicht die Ozonschicht, tragen aber zum Treibhauspotential bei. Mit Ausnahme von PKW-Klimaanlagen bestehen keine zeitlichen Verwendungs- oder Produktionsbeschränkungen für HFKW als Kältemittel. Die einschlägigen gesetzlichen Regelungen zielen deshalb darauf ab, Kältemittelemissionen während des Betriebes, bei Wartung und Stilllegung zu minimieren. Die F-Gase-Verordnung [5] schreibt dazu u.a. vor: 1.Betreiber von Kälteanlagen mit mehr 3 kg Kältemittelfüllmenge (bzw. mehr als 6 kg bei vollhermetischen Anlagen) sind verpflichtet, regelmäßige Leckagekontrollen durchzuführen und Mängel unverzüglich zu beseitigen. Die Prüfintervalle hängen von der Kältemittelfüllmenge ab (> 3 kg bzw. 6 kg: 12 Monate, > 30 kg: 6 Monate, > 300 kg: 3 Monate). Anlagen zur Klimatisierung einzelner Wohnungen fallen daher meist nicht unter die Überwachungspflicht. 2.Der Kältemittelverbrauch ist zu protokollieren. 3.Der Umgang mit F-Gasen ist ab 4. Juli 2009 ausdrücklich nur noch hierfür zertifiziertem Personal gestattet. Dies geht über die Sachkundeforderung für FCKW hinaus. Die grundlegenden Bedingungen für die Zertifizierung von Personal und Unternehmen sind in Verordnung (EG) 303/2008 [11] festgelegt. Kurse zum Erwerb von Zertifikaten bieten z. B. die Berufsschuleinrichtungen für Kälte-Klima-Technik an. Zusammenfassung Das Anwendungsspektrum bei Klimaanlagen reicht von wenigen kW bis zu mehreren MW Kälteleistung und Temperaturbereichen von ca. 0 °C bis 15 °C Verdampfungstemperatur und Kondensationstemperaturen von etwa 30 °C bis 70 °C. Im Klimaanlagenbestand sind noch umfangreich HFCKW genutzt, für die ab 2015 Verwendungsverbot besteht. In stationären und mobilen Neuanlagen überwiegen HFKW als Kältemittel. Die zukünftige Entwicklung wird stärker durch den Einsatz natürliche Kältemittel in Nischen geprägt sein. Für den Umgang mit Kältemitteln schreibt der Gesetzgeber Kontrollpflichten und Anforderungen an die fachliche Qualifikation des Servicepersonals fest. Literatur [1] DIN EN 378-1: 2008, Kälteanlagen und Wärmepumpen - Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen - Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe, Klassifikationen und Auswahlkriterien. [2] Verordnung zum Verbot von bestimmten die Ozonschicht abbauenden Halogenkohlenwasserstoffen (FCKW-Halon-VVO). BGBl. I 1991, S. 1090 u. BGBl. I 2001, S. 2865. [3] Verordnung (EG) Nr. 2037/2000 des Europäischen Parlaments und des Rates über Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen (geänderte Fassung vom 03.03.2004). ABl. EU Nr. L 71 S. 28. [4] Verordnung über Stoffe, die die Ozonschicht schädigen (Chemikalien-Ozonschichtverordnung - Chem Ozon Schicht V). BGBl. I 2006 Nr. 53 S. 2638 v. 22.11.2006. [5] Verordnung (EG) Nr. 842/2006 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über bestimmte fluorierte Treibhausgase. ABl. EU Nr. L 161, 14.06.2006. [6] Verordnung zum Schutz des Klimas vor Veränderungen durch den Eintrag bestimmter fluorierter Treibhausgase (Chemikalien-Klimaschutzverordnung - Chem Klima Schutz V). Bundesgesetzblatt Jg. 2008 Teil I Nr. 27 S. 1139, 07.07.2008. [7] Richtlinie 2006/40/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Emissionen aus Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen und zur Änderung der Richtlinie 70/156/EWG des Rates. ABl. EU Nr. L 161, 14.06.2006 [8] ANSI/ASHRAE Standard 34-2007: Designation and Safety Classification of Refrigerants. [9] Calm, James M.: The next generation of refrigerants - Historical review, considerations and outlook. International Journal of Refrigeration 31(2008) S. 1123-1133 [10] Spatz, M.; Minor, B.: HFO-1234yf - A Low GWP Refrigerant for MAC. SAE World Congress - Detroit, Michigan, April 14-17, 2008 [11] Verordnung (EG) 303/2008 zur Festlegung ... der Mindestanforderungen für Unternehmen und Personal in Bezug auf bestimmte fluorierte Treibhausgase... ABl. EU L92/3, 3.4.2008 Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 7 558 FÜR DIE PRAXIS Klimatechnik
Autor
- D. Vollmer
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