Ersatzstoffe für R22 in Klimaanlagen und Wärmepumpen

Nachdem das HFCKW-Kältemittel R22 (ODP = 0,05) nur noch als Übergangslösung akzeptiert wird, ist eine Reihe chlorfreier (ODP = 0) Alternativen entwickelt und eingehend untersucht worden. Sie werden in größerem Umfang in realen Anlagen eingesetzt.

Die Erfahrungen zeigen jedoch, dass keines der betreffenden Substitute das Kältemittel R22 in allen Belangen ersetzen kann. Unterschiede zeigen sich u.a. in der spezifischen Kälteleistung, Einschränkungen im Anwendungsbereich, Besonderheiten bei der Systemauslegung oder auch in wesentlich abweichenden Drucklagen. Je nach Einsatzbedingungen kommen daher verschiedene Stoffe in Betracht.

Neben dem HFKW-Einstoffkältemittel R134a sind dies vor allem Gemische (verschiedener Zusammensetzung) mit den Komponenten R32, R125, R134a, R143a und R600(a), über deren Entwicklung und Einsatzmöglichkeiten im Folgenden informiert wird. Besondere Bedeutung kommt auch den halogenfreien Stoffen NH3, Propan und Propylen sowie CO2 zu, deren Verwendung jedoch spezifischen Kriterien unterliegt (Halogenfreie (natürliche) Kältemittel).

Darüber hinaus kommen auch R32 sowie HFO/HFKW-Gemische als Alternativen in Betracht (R32 als Ersatzstoff für R22 und "Low GWP" HFOs und HFO/HFKW-Gemische als Alternativen zu HFKWs).

R407C als Ersatzstoff für R22

Gemische mit den HFKW-Kältemitteln R32, R125 und R134a wurden mit Blick auf das frühzeitige Verwendungsverbot von R22 in der EU als bevorzugte Kandidaten für eine kurzfristig umsetzbare Substitution von R22 angesehen – Leistungswerte und Wirtschaftlichkeit sind sehr ähnlich (R407C/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters). Zunächst wurden zwei Gemische gleicher Zusammensetzung unter den Handelsnamen AC9000* (DuPont) und KLEA® 66* (ICI) angeboten. Sie werden in der ASHRAE Nomenklatur als R407C geführt. Darüber hinaus gibt es noch weitere Gemischvarianten (z.B. R407A/407F/407H) mit veränderter Zusammensetzung, deren Eigenschaften für bestimmte Anwendungen optimiert sind (R407A/407B/407F/407H als Ersatzstoffe für R22 und R502).

Im Gegensatz zu den Ersatzstoffen für R22 in Kälteanlagen mit identischen Komponenten (R407A/407B/407F/407H als Ersatzstoffe für R22 und R502 und R422A als Ersatzstoff für R22 und R502), enthalten die Substitute für R22 in Klimasysteme und Wärmepumpen höhere Anteile an R32 und R134a. Damit wird hinsichtlich Drucklagen, Massenstrom, Dampfdichte und volumetrischer Kälteleistung eine gute Übereinstimmung mit den Eigenschaften von R22 erreicht. Außerdem ist das Treibhauspotenzial (GWP = 1774) relativ niedrig.

Damit erfüllt R407C auch die Anforderung der EU F-Gase Verordnung, die ab 2020 nur noch Kältemittel mit GWP < 2500 erlaubt. Allerdings wird die Mengenbegrenzung durch den „Phase-Down“ ebenfalls zu deutlichen Einschränkungen in der Verfügbarkeit führen.

Nachteilig für übliche Anwendungen ist der hohe Temperaturgleit, der eine angepasste Anlagentechnik erfordert und sich auch negativ auf die Effizienz der Wärmeübertrager auswirken kann (Allgemeine Eigenschaften zeotroper Gemische).

Auf Grund der erwähnten Eigenschaften ist R407C in erster Linie ein R22-Substitut für Klimasysteme sowie Wärmepumpen und – unter Einschränkung – auch für Normalkühlung. Wegen des hohen R134a-Anteils ist bei Tiefkühlanwendung eine deutliche Minderung von Kälteleistung und Leistungszahl zu berücksichtigen. Zudem verstärkt sich die Gefahr einer erhöhten R134a-Anreicherung des Gemisches im Verdampfer mit der Folge von Leistungsminderung und Fehlfunktion des Expansionsventils (z.B. ungenügende Sauggasüberhitzung).

Die Materialverträglichkeit ist ähnlich zu bewerten wie bei den zuvor behandelten Gemischen; gleiches gilt auch für die Schmierstoffe.

* Frühere Handelsnamen werden nicht mehr verwendet.

Resultierende Auslegungskriterien

In der Anlagentechnik kann nur unter Einschränkung auf die Erfahrungen mit R22 zurückgegriffen werden.

Der ausgeprägte Temperaturgleit erfordert eine spezielle Auslegung von wesentlichen Anlagenkomponenten (u.a. Verdampfer, Verflüssiger, Expansionsventil). Dabei ist zu berücksichtigen, dass Wärmeübertrager bevorzugt in Gegenstrombauweise und mit optimierter Kältemittelverteilung ausgeführt werden sollten. Besondere Anforderungen bestehen auch hinsichtlich der Einstellung von Regelgeräten und der Handhabung beim Service.

Darüber hinaus ist der Einsatz in Anlagen mit überflutetem Verdampfer nicht zu empfehlen. Es sind starke Konzentrationsverschiebungen bzw. Schichtung im Verdampfer zu erwarten.

BITZER Produkte für R407C

BITZER bietet ein umfassendes Programm an halbhermetischen Hubkolben-, Schrauben- und Scroll-Verdichtern für R407C an.

Umstellung bestehender R22-Anlagen auf R407C

Auf Grund der zuvor erwähnten Kriterien lassen sich keine allgemein gültigen Leitlinien definieren, eine individuelle Überprüfung ist deshalb jeweils notwendig.

R410A als Ersatzstoff für R22

Neben R407C wird das nahe-azeotrope Gemisch mit der ASHRAE-Kennzeichnung R410A angeboten und in großem Umfang bis zu mittleren Leistungsgrößen in Klima- und Wärmepumpen-Anwendungen eingesetzt.

Wesentliches Merkmal ist eine im Vergleich zu R22 fast 50% höhere volumetrische Kälteleistung (R410A/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters), jedoch mit der Konsequenz eines ebenso deutlichen Anstiegs der Drucklagen (R410A/R22 – Vergleich der Drucklagen).

Energiebedarf/Leistungszahl (COP) erscheinen bei hohen Verflüssigungstemperaturen zunächst ungünstiger als bei R22.

Dies ist wesentlich bedingt durch die thermodynamischen Eigenschaften. Andererseits können sehr hohe Gütegrade (bei Kolben- und Scrollverdichtern) erreicht werden, wodurch sich real geringere Unterschiede ergeben.

Hinzu kommen die in vielen Testreihen ermittelten hohen Wärmeübergangskoeffizienten in Verdampfern und Verflüssigern mit dem Resultat besonders günstiger Betriebsbedingungen. Bei optimierter Auslegung kann damit im System durchaus eine höhere Gesamteffizienz erreicht werden als mit anderen Kältemitteln.

Wegen des nahezu vernachlässigbaren Temperaturgleits (< 0,2 K) sind auch die Einsatzmöglichkeiten gleich zu bewerten wie bei Einstoff-Kältemitteln.

Die Materialverträglichkeit ist mit den zuvor behandelten Gemischen vergleichbar; gleiches gilt auch für Schmierstoffe. Allerdings sind dabei das Druckniveau und die höhere spezifische Belastung der Bauteile zu berücksichtigen.

Resultierende Auslegungskriterien

Für die Anlagentechnik lassen sich die grundsätzlichen Auslegungskriterien für HFKW-Gemische übertragen, jedoch unter dem Gesichtspunkt des hohen Druckniveaus (43°C Verflüssigungstemperatur entspricht bereits 26 bar abs.).

Für R22 ausgelegte Verdichter und sonstige Anlagenkomponenten sind nicht oder nur mit Einschränkungen für dieses Kältemittel geeignet.

Die Verfügbarkeit geeigneter Verdichter und Systemkomponenten ist jedoch gesichert.

Bei der Anpassung des Systems an die für R22 bisher üblichen Anwendungsbereiche sind zunächst die deutlich voneinander abweichenden thermodynamischen Eigenschaften zu berücksichtigen (z.B. Drucklagen, Massen- und Volumenstrom, Dampfdichte). Dies erfordert u.a. wesentliche konstruktive Änderungen an Verdichtern, Wärmeübertragern und Armaturen sowie Maßnahmen zur schwingungstechnischen Abstimmung. Hinzu kommen erhöhte sicherheitstechnische Anforderungen, die sich u.a. auch auf die Qualität und Dimensionierung von Rohrleitungen und flexiblen Leitungselementen (bei Verflüssigungstemperaturen von ca. 60°C für 40 bar!) auswirken.

Ein weiteres Kriterium ist die relativ niedrige kritische Temperatur von 73°C. Unabhängig von der Auslegung hochdruckseitiger Komponenten ist damit die Verflüssigungstemperatur eingeschränkt.

R410A erfüllt die Anforderung der EU F-Gase Verordnung, die ab 2020 nur noch Kältemittel mit GWP < 2500 erlaubt. Allerdings wird die Mengenbegrenzung durch den „Phase-Down“ ebenfalls zu deutlichen Einschränkungen in der Verfügbarkeit führen. Auf Grund des bislang außerordentlich hohen Bedarfs an R410A ist in der EU eine zeitnahe Umstellung auf Alternativen dringend erforderlich.

BITZER Produkte für R410A

BITZER bietet jeweils eine Baureihe halbhermetischer Hubkolbenverdichter sowie Scrollverdichter für R410A an.

R417A/417B/422D/438A als Ersatzstoffe für R22

Ebenso wie bei R422A (R422A als Ersatzstoff für R22 und R502) war eines der Ziele bei diesen Entwicklungen, chlorfreie Kältemittel (ODP = 0) für die einfache Umstellung bestehender R22-Anlagen anzubieten.

R417A ist schon seit Jahren am Markt eingeführt und wird auch unter dem Handelsnamen ISCEON® MO59 (Chemours) vertrieben. Dieses R22-Substitut enthält die Gemischkomponenten R125/R134a/R600 und unterscheidet sich dadurch z.B. wesentlich von R407C mit einem entsprechend hohen Anteil an R32.

Unterdessen wird ein weiteres Kältemittel auf Basis identischer Komponenten, jedoch mit höherem R125-Anteil unter der Bezeichnung R417B angeboten. Wegen des geringeren R134a-Anteils liegen die volumetrische Kälteleistung, aber auch die Drucklagen höher als bei R417A. Hieraus ergeben sich unterschiedliche Leistungsparameter und Schwerpunkte im Anwendungsbereich.

Gleiches gilt für ein weiteres Gemisch mit den gleichen Hauptkomponenten, aber R600a als Kohlenwasserstoff-Zusatz. Es wird unter dem Handelsnamen ISCEON® MO29 (Chemours) vertrieben und in der ASHRAE-Nomenklatur unter R422D geführt.

Ein ebenfalls zur Kategorie HFKW/KWGemische gehörendes Kältemittel wurde 2009 unter dem Handelsnamen ISCEON® MO99 (Chemours) vorgestellt – ASHRAE-Kennzeichnung R438A. Die Formulierung wurde gezielt auf eine höhere kritische Temperatur für Anwendungen in heißen Klimazonen ausgerichtet. Basiskomponenten sind R32, R125, R134a, R600 und R601a.

Bei allen vier Ersatz-Kältemitteln handelt es sich, wie bei R407C, um zeotrope Gemische mit mehr oder weniger ausgeprägtem Temperaturgleit. Insofern gelten auch hierfür die im Zusammenhang mit R407C beschriebenen Kriterien.

Trotz ähnlicher Kälteleistung bestehen wesentliche Unterschiede in den thermodynamischen Eigenschaften und im Öltransportverhalten. Der hohe R125-Anteil bewirkt bei R417A/B und R422D einen höheren Massenstrom als bei R407C, deutlich geringere Druckgastemperatur und eine relativ hohe Überhitzungsenthalpie. Diese Eigenschaften lassen darauf schließen, dass sich Unterschiede bei der Optimierung von Systemkomponenten ergeben und der Einsatz eines Wärmeübertragers zwischen Flüssigkeits- und Saugleitung vorteilhaft ist.

Trotz des überwiegenden Anteils an HFKW-Kältemitteln ist der Einsatz von konventionellen Schmierstoffen teilweise möglich und zwar bedingt durch das gute Löslichkeitsvermögen des Kohlenwasserstoff-Anteils.

Bei Anlagen mit hoher Ölzirkulationsrate und/oder großem Flüssigkeitsvorrat im Sammler kann es allerdings zu Ölverlagerung kommen. In solchen Fällen werden Zusatzmaßnahmen erforderlich. Weitere Informationen zu Ölzirkulation und Schmierstoffen (R422A als Ersatzstoff für R22 und R502).

Wegen des hohen Treibhauspotenzials (GWP ≥ 2500) werden R417B sowie R422D in der EU bei Neuinstallationen ab 2020 nicht mehr erlaubt sein. Anforderungen und Einschränkungen sind in der F-Gase Verordnung 517/2014 geregelt. Allerdings wird die Mengenbegrenzung durch den „Phase-down“ ebenfalls zu deutlichen Einschränkungen in der Verfügbarkeit von R417A und R438A führen.

BITZER Produkte für R417A/417B/422D/438A

BITZER Verdichter sind für den Einsatz von R417A/417B/422D/438A geeignet. Eine individuelle Auslegung ist auf Anfrage möglich.

R427A als Ersatzstoff für R22

Dieses Kältemittelgemisch wurde vor einigen Jahren unter dem Handelsnamen Forane® FX100 (Arkema) am Markt eingeführt und ist in der ASHRAE-Nomenklatur als R427A gelistet.

Das R22-Substitut wird zur Umstellung bestehender R22-Anlagen angeboten, für die eine „Null-ODP-Lösung“ gefordert wird. Es handelt sich um ein HFKW-Gemisch mit den Basis komponenten R32/R125/R143a/ R134a.

Trotz der Gemischkomposition auf Basis reiner HFKW-Kältemittel ist lt. Hersteller eine vereinfachte Retrofit-Prozedur möglich.

Dies wird durch den R143a-Anteil begünstigt. Danach genügt bei Umstellung von R22 auf R427A ein einmaliger Austausch der Original-Ölfüllung gegen Esteröl. Zusätzliche Spülvorgänge sind nicht erforderlich, da Anteile an Mineralöl und/oder Alkylbenzol von bis zu 15% die Ölzirkulation im System nicht wesentlich beeinflussen.

Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass es unter Einwirkung der hochpolaren Mischung aus Esteröl und HFKW zu verstärkter Ablösung von Zersetzungsprodukten und Schmutz im Rohrnetz kommt. Es sind deshalb reichlich dimensionierte Saugreinigungsfilter vorzusehen.

Hinsichtlich Kälteleistung, Drucklagen, Massenstrom und Dampfdichte liegt R427A relativ nahe an R22. Wichtige Komponenten wie z. B. Expansionsventile können bei Umrüstung in der Anlage verbleiben. Die Druckgastemperatur ist auf Grund des hohen Anteils an Gemisch-Komponenten mit niedrigem Adiabatenexponent deutlich geringer als bei R22, was sich bei hohen Druckverhältnissen positiv auswirkt.

Zu berücksichtigen ist, dass es sich ebenfalls um ein zeotropes Gemisch mit ausgeprägtem Temperaturgleit handelt. Deshalb gelten auch hier die im Zusammenhang mit R407C beschriebenen Kriterien.

R427A erfüllt die Anforderung der EU F-Gase Verordnung, die ab 2020 nur noch Kältemittel mit GWP < 2500 erlaubt. Allerdings wird die Mengenbegrenzung durch den „Phase-Down“ ebenfalls zu deutlichen Einschränkungen in der Verfügbarkeit führen.

BITZER Produkte für R427A

BITZER Verdichter sind für R427A geeignet. Eine individuelle Auslegung ist auf Anfrage möglich.

Ergänzende BITZER Informationsschriften zum Einsatz von HFKW-Gemischen

(auch unter https://www.bitzer.de)

  • Technische Information KT-651 „Umstellung von R22-Anlagen auf Alternativ-Kältemittel”

R32 als Ersatzstoff für R22

Wie bereits zuvor beschrieben, gehört R32 zur Gruppe der HFKW-Kältemittel, wurde aber bisher hauptsächlich nur als Komponente in Kältemittel-Gemischen verwendet. Eine wesentliche Barriere für den Einsatz als Reinstoff liegt bisher in der Brennbarkeit. Dies bedingt entsprechende Füllmengenbeschränkungen und/oder zusätzliche Sicherheitsmaßnamen insbesondere bei Installationen innerhalb von Gebäuden. Hinzu kommen sehr hohe Drucklagen und Druckgastemperaturen (höher als bei R22 und R410A).

Andererseits hat R32 sehr günstige thermodynamische Eigenschaften, wie z.B. besonders hohe Verdampfungsenthalpie und volumetrische Kälteleistung, geringe Dampfdichte (niedriger Druckabfall in Rohrleitungen), äußerst geringen Massenstrom und günstigen Energiebedarf bei der Verdichtung. Außerdem ist das Treibhauspotenzial relativ niedrig (GWP = 675).

Mit Blick auf diese günstigen Eigenschaften und unter dem Gesichtspunkt der angestrebten weiteren Emissionsminderung wird R32 künftig auch als Kältemittel für fabrikmäßig gefertigte Systeme (Klimageräte, Wärmepumpen) mit geringen Kältemittelfüllmengen verstärkt zum Einsatz kommen.

In Brennbarkeitstests wurde nachgewiesen, dass die erforderliche Zündenergie sehr hoch und die Flammgeschwindigkeit gering ist. Auf Grund dieser Eigenschaften wurde R32 (wie z.B. R1234yf und R1234ze) in die neue Sicherheitsgruppe A2L nach ISO 817 eingestuft.

Die resultierenden Sicherheitsanforderungen werden in der überarbeiteten EN 378 (Neufassung 2017) geregelt.

R32 gilt auch als Alternative für Systeme mit größeren Füllmengen, z.B. Flüssigkeitskühlsätze für Klima- und Prozessanwendungen und Wärmepumpen, die bisher mit R410A betrieben werden. Hierbei sind jedoch je nach Aufstellungsort der Anlage entsprechende Füll-mengenbegrenzungen zu beachten. Bei Installation im Freien (ohne Zugang nicht autorisierter Personen) sowie in Maschinenräumen (z.B. nach EN 378-3:2017) gibt es hingegen keine derartigen Einschränkungen. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass mit R32 vorgefüllte Kühlsätze ggf. besonderen Auflagen beim Transport unterliegen (nach Druckgeräterichtlinie ist R32 unter Fluid-Gruppe 1 eingestuft).

BITZER Produkte für R32

BITZER Scrollverdichter der Baureihen ORBIT GSD6 und GSD8 sind für den Einsatz von R32 freigegeben. Je nach Produktgruppe ist ggf. eine spezielle Verdichterausführung erforderlich.