Leistungsvergleich verschie­de­ner R-404A-Alternativen

Kältemittel mit geringem GWP in einer gewerblichen Tiefkühlanwendung

R-404A ist weit verbreitet in Normal- und Tiefkühlanwendungen. Angesichts des GWP-Werts dieses H-FKW-Gemischs sind Alternativen mit verringertem GWP erforderlich. Für kleinere, steckerfertige Geräte kommen einige neue H-FKW-HFO-Gemische mit sehr niedrigem GWP-Wert in Frage. Um die Leistung dieser Alternativen im Vergleich mit R-404A in einem gewerblichen zweitürigen Tiefkühlschrank zu bestimmen, wurden Tests durchgeführt. Der Energieverbrauch und andere Betriebseigenschaften sowie mögliche Einflüsse auf die Verdichterfunktionalität (z. B. Schmierung) wurden aufgezeichnet.

Regulatorische Aktivitäten treiben die Umstellung von Kälte- und Klimaanlagen auf Lösungen mit verringertem GWP weiter voran. Da R-404A einen sehr hohen GWP-Wert besitzt, wurden bereits zahlreiche Optionen als Ersatz vorgestellt. Nicht brennbare Alternativen mit verringertem Treibhauspotenzial wie Opteon XP40 (R-449A) [Minor, 2015] und Opteon XP44 (R-452A) erfahren eine immer weitere Verbreitung. Um aktuelle gesetzliche Regelungen (z. B. die EU-F-Gase-Verordnung von 2014) zu erfüllen, sind Substanzen mit weiter verringerten GWP-Werten erforderlich. Schwer entzündbare (Sicherheitsklasse A2L gem. ANSI/ASHRAE-Standard 34-2016) H-FKW-HFO-Gemische besitzen einen sehr niedrigen GWP und eignen sich für steckerfertige Geräte. Mit A2L-Kältemitteln sind höhere Füllmengen möglich als mit leicht entzündbaren (Sicherheitsklasse A3) Kohlenwasserstoffen. Hersteller bevorzugen auch Ersatzkältemittel mit ähnlichen Eigenschaften wie R-404A, denn dies begrenzt mögliche Anlagenmodifikationen auf ein Minimum.

Drei schwer entzündbare Kältemittel wurden getestet: XL40, XL20 und R-455A. XL40 und XL20 sind binäre Gemische aus R-32/R-1234yf, während R-455A zusätzlich noch 3 % CO2 enthält. Tabelle 1 enthält die Eckdaten zu diesen Produkten.

Die Leistung aller drei Gemische wurde mittels leicht optimierter Systemtests in einem ursprünglich für R-404A vorgesehenen zweitürigen Tiefkühlschrank bestimmt. Die Test­ergebnisse wurden anschließend mit den Basisdaten von R-404A verglichen. Zudem wurde das Schmiermittelverhalten für alle drei Ersatzkältemittel untersucht.

Thermodynamische Eigenschaften und theoretische Leistung

Vergleichbare Betriebseigenschaften sind sehr wichtig bei Ersatzkältemitteln, denn sie ermöglichen eine einfachere Übernahme durch OEM, die Anlagenmodifikationen auf ein Minimum beschränken möchten. Tabelle 2 zeigt die thermophysikalischen Eigenschaften der vier Kältemittel. Der Siedepunkt von XL20 und XL40 ist ähnlich, der von R-455A geringfügig niedriger als der von R-404A. Dies lässt sich auf den CO2-Anteil in R-455A zurückführen. Die kritische Temperatur liegt bei allen Alternativen höher, was sich positiv auf das Leistungsverhalten bei erhöhten Umgebungstemperaturen auswirken könnte. Die Drücke bei XL20 sind etwas niedriger als bei R-404A, während sie bei XL40 sehr ähnlich sind. Die Flüssigkeits- und Dampfdichte ist bei allen drei Ersatzkältemitteln ähnlich, liegt jedoch unter der von R-404A. Dies hat möglicherweise bei allen R-404A-Alternativen einen geringeren Massenstrom zur Folge.

Um die relativen Leistungseigenschaften der Kältemittel in einer Tiefkühlanwendung zu bestimmen, wurden für angenommene Bedingungen thermodynamische Kreisprozessberechnungen durchgeführt: 35 °C/-28 °C Verflüssigungs-/Verdampfungstemperatur, 13,3 K/3,9 K Unterkühlung/Überhitzung sowie 70 % isentropischer Verdichter-Wirkungsgrad (siehe Tabelle 3).

Diese Bedingungen wurden gewählt, um den mit R-404A durchgeführten Baseline-Tests während des „Pull-Downs“ möglichst nahe zu kommen. XL40 zeigte eine etwas höhere Kälteleistung als R-404A, während die von R-455A vergleichbar und die von XL20 geringfügig niedriger war. Alle Ersatzkältemittel ergaben einen geringfügig höheren Wirkungsgrad als R-404A. Insgesamt ergab XL40 vergleichbare Betriebsdrücke wie R-404A, während sie bei XL20 und R-455A darunterlagen. Die Druckgastemperaturen waren bei allen Ersatzkältemitteln höher.

Bei XL20 waren die Unterschiede so gering, dass eine Anpassung der Druckgastemperatur wahrscheinlich nicht erforderlich ist.

Bei XL40 und R-455A kann eine Regelung der Druckgastemperatur in einigen Anwendungen bei hohen Umgebungstemperaturen erforderlich sein. R-455A hat den höchsten Temperaturgleit der Ersatzstoffe.

Testaufbau

Die Kälteleistung der vier Kältemittel wurde in einem für R-404A ausgelegten doppeltürigen Tiefkühlschrank mit oben aufgesetztem Kälteaggregat bestimmt. Der Tiefkühlschrank wurde mit Messinstrumenten ausgestattet und in einem gleichmäßig klimatisierten und temperierten Raum aufgestellt. Das Nutzvolumen betrug 1,5 m3. Das Kälteaggregat umfasst einen Hubkolbenverdichter, zwei regelbare Danfoss-TXV (Thermostatisches Expansionsventil) sowie eine Zweifach-Verdampfereinheit. Die werksseitige Füllmenge betrug 1,05 kg R-404A und 1,15 kg Polyolesteröl (POE) vom Typ ISO 32.

Die Messinstrumente bestanden aus Thermoelementen, Druckaufnehmern, einem Coriolis-Massendurchflussmesser sowie einem digitalen Stromverbrauchszähler. Abbildung 1 zeigt ein Bild des Tiefkühlschranks sowie den schematischen Testaufbau. Zur Messung der Temperatur am Verflüssiger kamen sieben, an jedem Verdampfer fünf Thermoelemente zum Einsatz.

Testablauf

Zunächst wurde die Basisleistung des Systems mit R-404A ermittelt. Die Tests erfolgten für eine Ziel-Verdampfungstemperatur von -30 °C, gemäß Vorgaben des OEM, und Umgebungstemperaturen von 23,9 °C und 32,2 °C, in Übereinstimmung mit den Anforderungen der Normen ANSI/AHRI 1200 in der Version von 2013 sowie AHAM HRF-1 in der Version von 2016. Die Kältemitteltemperaturen, Drücke und Massenströme wurden für das gesamte System aufgezeichnet, ebenso die Verdichterlaufzeiten, Systemzyklen, Abtauzeiten sowie der Energieverbrauch. Die Systemtests wurden aus Gründen der Wiederholgenauigkeit zweimal durchgeführt.

Nach Abschluss der Baseline-Tests wurde das Kältemittel abgesaugt und das System evakuiert (< 0,67 mbar). Die Anlage wurde mit einem Ersatzkältemittel gefüllt. Anschließende Tests dienten der Anpassung der Kältemittelfüllung, um den Energieverbrauch bei einer Umgebungstemperatur von 32,2 °C zu optimieren. Dieser Vorgang wurde mit allen Ersatzkältemitteln wiederholt.

Die Tests wurden mit Hilfe zweier Szenarien für jedes der Ersatzkältemittel durchgeführt. Zunächst wurde jeweils die Überhitzung mittels der TXV auf den Wert von R-404A (3,9K) eingestellt. Grundlage hierfür war der Taupunkt des Kältemittels am Verdampferaustritt. Da die Alternativen jedoch Gemische mit einem mittleren bis hohen Temperaturgleit sind, kann dieses Szenario die Leistung in Bezug auf R-404A negativ beeinflussen. Daher wurde in einem zweiten Szenario für beide Testbedingungen die Überhitzung entsprechend angepasst, um die durchschnittliche Verdampfungstemperatur von R-404A zu erreichen. Dies wurde zunächst für die ersten beiden Ersatzkältemittel (XL40 und XL20) durchgeführt, indem die Überhitzung am Verdampferaustritt entsprechend angepasst wurde. Entsprechende Versuche, die Überhitzung für R-455A mit Hilfe des TXV anzupassen, waren nicht erfolgreich. Wie Tabelle 3 zeigt, besitzt R-455A den höchsten Temperaturgleit aller getesteten Substanzen. Da die vorgegebene Überhitzung am Verdampferaustritt bei R-404A nur 3,9 K betrug, kam es bei R-455A an dieser Stelle zu einem instabilen Zweiphasenstrom. Um für alle Ersatzkältemittel vergleichbare Testbedingungen zu erhalten, wurde diese Vorgehensweise verworfen und stattdessen die Überhitzung am Verdichtereintritt angepasst, um die durchschnittliche Verdampfungstemperatur von R-404A zu erreichen.

Ergebnisse der Tests

Im Rahmen der Systemoptimierung wurden die Füllmengen und TXV-Justierung für jedes Kältemittel angepasst. Die Ergebnisse dieser Anpassungen sind in Tabelle 4 dargestellt. XL40 hatte die höchste Füllmenge – 9,1 % mehr als R-404A –, gefolgt von R-455A (+ 4,4 %). Bei XL20 lag die Füllmenge 5,1 % unter der von R-404A, um die angepeilte Spitzenleistung zu erzielen. Die Veränderung der TXV-Stellungen in Tabelle 5 ist der Durchschnittswert für beide TXV. Allgemein wurden die TXV zur Anpassung der Überhitzung im Vergleich zu R-404A zugedreht. Dies war ein erwartetes Ergebnis, denn die Ersatzkältemittel erfordern signifikant geringere Massenströme als R-404A, um ähnliche Kälteleistungen zu erreichen. XL40 erforderte die insgesamt geringsten Anpassungen. Bei der Umstellung von „Identische Überhitzung am Verdampfer“ auf „Vergleichbare mittlere Verdampfungstemperatur“ (E.A.E.T. = Equivalent Average Evaporator Temperature), waren die Anpassungen bezogen auf die ursprünglichen, für R-404A geltenden TXV-Stellungen, bei allen Kältemitteln geringer.

Die Betriebsparameter der Kälteanlage wurden für die verschiedenen Kältemittel ebenfalls aufgezeichnet, siehe Tabellen 5 und 6. Die in diesen Tabellen enthaltenen Werte sind Durchschnittswerte aus den Testszenarien „Identische Überhitzung am Verdampfer“ und „Vergleichbare mittl. Verdampfungstemperatur“. Ein Vergleich der Betriebsdrücke zeigt, dass der Sauggasdruck und Druckgasdruck bei XL20 am niedrigsten waren. Die Differenz zwischen den bei 23,9 °C Umgebungstemperatur gemessenen Werten steht im Einklang mit den in Tabelle 3 aufgeführten berechneten Werten für dieses Gemisch. Bei XL40 kamen die Sauggasdrücke, bei R-455A die Druckgasdrücke den Werten von R-404A insgesamt am nächsten. Alle Ersatzkältemittel ergaben höhere Verdichtungsverhältnisse als R-404A. XL20 ergab die niedrigsten, R-455A die höchsten Werte aller getesteten Alternativen. Die Druckgastemperaturen lagen bei den Ersatzkältemitteln insgesamt höher, wobei die Differenz bei XL20 am niedrigsten und bei XL40 am höchsten ausfielen. Dies entspricht den theoretischen Werten aus Tabelle 3. Die Massenströme waren bei allen Ersatzkältemitteln ähnlich und deutlich geringer als bei R-404A. Die Differenzen zwischen den Massenströmen sind ähnlich den Differenzen zwischen den Dampfdichten dieser Produkte, siehe Tabelle 2.

Die Leistungsdaten des Tiefkühlschranks für die Szenarien „Identische Überhitzung am Verdampfer“ und „Vergleichbare mittl. Verdampfungstemperatur“ sind in Tabelle 7 und 8 zusammengefasst. Die Daten zeigen, dass XL40 ähnliche Abkühlzeiten wie R-404A ergibt. Dies war vorauszusehen, da beide Kältemittel eine ähnliche Kälteleistung besitzen. XL20 und R-455A dagegen ergaben wesentlich längere Abkühlzeiten. Bei XL20 war dies vorauszusehen, denn das Gemisch besitzt eine etwas geringere Kälteleistung. Doch obwohl die Kälteleistung von R-455A in der Theorie mit der von R-404A vergleichbar ist, lagen die Abkühlzeiten insgesamt im Bereich von XL20. Hier scheint der Anteil an CO2 einen gewissen Einfluss auf die Leistung des Verdampfers auszuüben.

Der Energieverbrauch bei XL40 war niedriger als bei R-404A (im Durchschnitt 2,5 %) und damit von allen drei Alternativen am besten. XL20 verbrauchte im Durchschnitt 4,2 % mehr pro Tag als R-404A, während R-455A durchschnittlich 8,6 % mehr Energie verbrauchte. Da die Abkühlzeiten mit XL20 und R-455A wesentlich länger waren als mit R-404A und XL40, lief der Tiefkühlschrank mit diesen Gemischen, die eine geringere Kälteleistung besitzen, weniger häufig pro Tag.

Beim Wechsel von „Identische Überhitzung am Verdampfer“ auf „Vergleichbare mittl. Verdampfungstemperatur” ergaben sich lediglich bei R-455A leichte Vorteile wie geringfügig kürzere Laufzeiten und geringerer Energieverbrauch als bei den vorangegangenen Tests. Auch im zweiten Szenario („Vergleichbare mittl. Verdampfungstemperatur“) zeigte XL40 die beste Leistung, gefolgt von XL20 und – auf dem letzten Platz – R-455A. Dies lässt sich zum Teil durch eine Betrachtung der prozentualen Verdichterlaufzeiten erklären. Zwischen den Abtauungen war die prozentuale Verdichterlaufzeit bei R-404A und XL40 vergleichbar. Bei XL20 und R-455A dagegen lag dieser Wert höher. Angesichts der längeren Abkühl- und Laufzeiten in Verbindung mit dem höheren Temperaturgleit und Verdichtungsverhältnis von R-455A ist der höhere Energieverbrauch keine Überraschung. Abbildung 2 fasst die gemessenen Energieverbräuche zusammen.

Während in der Theorie alle Ersatzkältemittel eine höhere Energieeffizienz als R-404A besitzen, ergab nur XL40 einen geringeren Energieverbrauch während der Tests. Allerdings wurden diese in einem ausschließlich für R-404A optimierten System durchgeführt. Eine Modifikation des Anlagendesigns, die den Eigenschaften jedes einzelnen Kältemittels besser entspricht, ergäbe vermutlich bessere Werte für alle Low-GWP-Alternativen.

Verdichterschmierung

Der Einfluss der HFKW/HFO-Gemische auf die Schmierung wurde ebenfalls betrachtet. Die Ölsumpfzustände wurden anhand von Temperatur- und Druckmessungen am Verdichtereintritt untersucht. Für die Ersatzkältemittel wurden DanielPlots mit Poly­olesteröl (POE) vom Typ ISO 32 hergestellt. Anschließend wurden die kinematischen Viskositäten am Verdichtereintritt bzw. im Ölsumpf bestimmt. Die Testergebnisse fasst Tabelle 9 zusammen.

Die Tests zeigten vergleichbare kinematische Arbeitsviskositäten für R-404A und XL20. Dagegen ist die Viskosität von XL40 9,1 % niedriger, die von R-455A 27,1 % höher. Diese Veränderungen der Viskosität können das Verdichterverhalten beeinflussen und eventuell die Kälteleistung mit XL40 verbessern und mit R-455A verschlechtern. Aufgrund der Ähnlichkeit von R-455A und XL20 kann die Erhöhung der Viskosität größtenteils seinem Anteil an CO2 zugeschrieben werden.

Schlussfolgerungen

Drei schwer entzündbare Kältemittel mit sehr niedrigem GWP-Wert wurden in einem doppeltürigen Tiefkühlschrank getestet und mit R-404A verglichen. XL40 besitzt sehr ähnliche Leistungseigenschaften wie R-404A. XL20 und R-455A besitzen einen niedrigen GWP-Wert und fallen unter den von einigen regionalen gesetzlichen Regelungen, z. B. (EU) Nr. 517/2014 ANHANG III Pkt. 11, vorgesehenen Grenzwert von 150. Von diesen getesteten Alternativen zeigte XL40 die größte Übereinstimmung mit R-404A. Die Abkühlzeiten waren ähnlich wie bei R-404A, bei geringerem Gesamtenergieverbrauch (durchschnittlich 2,5 % niedriger). Die Drücke waren ebenfalls sehr ähnlich. XL20 und R-455A ergaben längere Abkühlzeiten und höhere Energieverbräuche (durchschnittlich 4,2 bzw. 8,6 %). Der Einfluss des CO2-Anteils bei R-455A scheint im Vergleich mit XL20 einen geringeren Einfluss auf die Abkühlzeiten zu haben.

Die Anpassung der Überhitzung am Verdichtereintritt, um vergleichbare mittlere Verdampfungstemperaturen wie R-404A zu erreichen, hatte wenig Einfluss auf XL40 und XL20. R-455A profitierte am meisten von diesen Anpassungen, da es den höchsten Temperaturgleit aller vier Gemische besitzt. Eine Anpassung der Überhitzung bei R-455A am Verdampferaustritt schlug fehl, denn diese Maßnahme führte zu einem instabilen Zweiphasenstrom am Verdampferaustritt.

Die Ölviskositäten waren bei R-404A und XL20 vergleichbar. R-455A ergab eine höhere kinematische Arbeitsviskosität, die zu einem geringfügig höheren Energieverbrauch beitragen könnte. XL40 ergab eine leicht geringere kinematische Viskosität, die zu einer verbesserten Energieeffizienz beitragen könnte. Sie sollte jedoch nicht zu gering ausfallen, um die adäquate Schmierung zu gewährleisten. XL20 zeigte sehr ähnliche Betriebseigenschaften wie R-404A.

Eine Anpassung des Anlagendesigns an die Eigenschaften der Ersatzkältemittel kann die Leistung verbessern. Der geringere/ähnliche Energieverbrauchs mit XL40 / XL20 in bestehenden Anlagen ermöglicht eine Verbesserung der Energieeffizienz und des LCCP-Werts (Life Cycle Climate Performance) beim Einsatz von Alternativen mit sehr geringem GWP.

Nomenklatur

A1 ISO817 Sicherheitsklasse – geringere Toxizität, keine Flammenausbreitung
A2L ISO817 Sicherheitsklasse – geringere Toxizität, geringere Entzündbarkeit mit max. Flammenausbreitung ≤ 10 cm/s
A3 ISO Sicherheitsklasse – geringere Toxizität, höhere Entzündbarkeit
ACR Air-Conditioning / Refrigeration, Klimatisierung / Kühlung
AHAM Association of Home Appliance Manufacturers
ANSI American National Standards Institute
AHRI Air-Conditioning, Heating, & Refrigeration Institute
AR4 IPCC Fourth Assessment Report
AR5 IPCC Fifth Assessment Report
ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
COP Coefficient of Performance
E.A.E.T. Equivalent Average Evaporator Temperature, vergleichbare mittl. Verdampfungstemperatur
GWP Global Warming Potential, Treibhauspotenzial
H-FKW teilhalogenierter Fluorkohlenwasserstoff
HFO Hydrofluorolefin
ISO International Organization for Standardization
LCCP Life Cycle Climate Performance
POE Polyolester Öl
TXV thermostatisches Expansionsventil

Referenzen

AHAM HRF-1-2016.  (2016).  Energy and Internal Volume of Refrigerating Appliances. Association of Home Appliance Manufacturers (AHAM).  Washington, DC/USA.

 
ANSI/ASHRAE Standard 34-2016.  (2016). Designation and Safety Classification of Refrigerants. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Atlanta, GA/USA.

 
ANSI/AHRIStandard 1200. (2013).  Performance Rating of Commercial Refrigerated Display Merchandisers and Storage Cabinets.  Air-Conditioning, Heating & Refrigeration Institute (AHRI).  Arlington, VA/USA.

 
Minor, B. & J. Hughes.  (2015). HFO Refrigerants in Stationary:  From Concept to Reality.  Proceedings for the AIRAH 2015 Refrigeration Conference. Sydney, Australien.

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