Опубликовано

Почему кондиционеры вносят существенный вклад в глобальное потепление?

При функционировании климатической техники вообще и холодильных машин, в частности, в рабочем цикле используются так называемые хладоны или хладагенты. Массовое производство кондиционеров и необходимых для них рабочих веществ началось примерно сто лет назад.

Совершенствование холодильных агентов шло в направлении повышения безопасности эксплуатации  и уменьшения негативного влияния на экологию. Причем примерно с 1970-х гг. именно последний фактор стал детерминирующим. Это было вызвано, в частности, широким распространением фреоновых агрегатов. До 1930-х гг. рабочими телами  в основном служили аммиак или сернистый ангидрид. Но токсичность этих веществ и несовершенство конструкции приводили к высокому риску отравления людей при возможной утечке. И в 1928 г. был синтезирован один из первых хлорфторуглеродов для компрессионных холодильных установок – фреон, получивший  имя-классификатор – R12.

Фреоновая эра кондиционеров

Фреоны или галогеноалканы – это фтор- и хлорсодержащие производные насыщенных углеводородов (метана и этана). В молекулах этих соединений несколько атомов водорода замещены на атомы фтора, хлора или, что реже, брома. Эти хладоны сравнительно дешевы, малоктоксичны и негорючи. Их широкому распространению способствовали и удачно подходящие для хладона физико-химические свойства.

На сегодняшний день синтетических хладонов, производимых различными компаниями, известно более пятидесяти. Для их распознавания используется соответствующая международная номенклатура. Обозначение  R – сокращение от Refrigerant (охладитель). В номенклатуре фреонов имеются также цифровые и дополнительные буквенные обозначения.

Первая цифра в аббревиатуре  – число атомов фтора в соединении; вторая – число атомов водорода в соединении плюс единица; третья – число атомов углерода в соединении минус единица (для соединений метанового ряда ноль в аббревиатуре не проставляется). Число атомов хлора определяют вычитанием суммарного числа атомов фтора и водорода из общего числа атомов, которые могут соединяться с атомами углерода (валентность С принимается равной четырем). Так, химическое строение фреона R12 описывается формулой F–C–Cl2. Если на месте хлора находится бром, в конце определяющего номера ставится буква B и цифра, показывающая число атомов брома в молекуле.

Первыми хладонами на основе фторхлоруглеродов были фреоны R12, R22, R11, R113 и R14. Впоследствии стали применяться R23, R125, R134a, R141b и R227еа. Например, R134а, по сравнению с R12, имел при температуре 45 °С более высокое значение давления насыщенных паров. Это приводило к ухудшению его энергетических показателей в низкотемпературных агрегатах, но в системах кондиционирования воздуха значение холодильного коэффициента для R134а могло не только достигать параметра R12, но и превосходить его. А фреон R141b мог применяться как в кондиционерах, так и в тепловых насосах. По своим характеристикам он был близок R11 и R113. Фреон R227ea нашел применение в качестве одного из компонентов рабочего тела из нескольких хладонов – еще 50–60 лет назад для улучшения экологических характеристик стали применять многокомпонентные смеси (неазеотропные и азеотропные – раздельно- и нераздельнокипящие).

В соответствии с международной классификацией для первых используется обозначение серии «R400», для вторых – «R500». А в качестве компонентов используются, в частности, хладоны  R143а, R142b и R124.

Кондиционер — разрушитель озонового слоя

Фреоны, вообще говоря, неядовиты, но при нагревании образуют токсичные продукты, в частности, фосген. Также в ходе исследований причин разрушения озонового слоя Земли было обнаружено, что даже небольшие концентрации фреонов в атмосфере приводят к ряду каталитических реакций, вызывающих разрушение этого слоя. Поэтому в оценке хладонов стали исходить не только из термодинамических характеристик, но и из вреда для озонового слоя. Для этого использовался критерий – озоноразрушающий потенциал ODP (ozone depletion potential). Негативный вклад фреонов оценивается и по потенциалу глобального потепления –  GWP (global warming potential).

На основе этих коэффициентов, рассчитываемых для различных веществ, вводятся ограничения на их применение, зафиксированные Монреальским и Киотским протоколами.

Самым опасным для озонового слоя оказались хладоны R11, R12, R13, R113, R114. Гидрофторхлоруглероды R22, R141b, R134а и R142b менее опасны, потому что наличие в молекуле атома водорода существенно снижает срок жизни соединения в атмосфере. Озоноразрушающая способность хладагентов повышается, если в молекуле присутствует атом хлора. По степени своей опасности для озонового слоя хладоны делятся на три группы.

Одним из путей поиска менее вредных хладонов стало создание смесей из нескольких компонентов. Это позволило не только добиться понижения вредного влияния на окружающую среду, но и повысить некоторые показатели рабочих тел холодильных агрегатов. Так, хладон R404a (смесь из R125, R143a и R134а), разработанный для замены R22, обеспечил повышение холодопроизводительности.

На основе R134а, R125 и R32 был получен хладон R407C, в котором присутствие в смеси R32 приводит к увеличению производительности холодильного агрегата, R125 – понижает горючесть, а R134а – определяет рабочее давление в контуре. Этот хладагент нашел широкое применение в системах кондиционирования воздуха, поскольку его использование не требует значительных конструктивных изменений. На основе квазиазеотропных смесей были разработаны хладагенты марок R408a, R409a и R410a (табл. 4). Они позволяли проводить дозаправку холодильного агрегата исходной смесью при утечке, поскольку температура кипения рабочего тела холодильной машины менялась незначительно, и были предназначены для замены экологически вредных веществ. Так, R408a использовался для замены R502 в низкотемпературных и среднетемпературных холодильных агрегатах, R409a мог являться заменителем для R12, когда не подходит R134а. В системах кондиционирования воздуха высокого давления R22 мог быть заменен на R410a. Помимо этого, очень перспективной, по мнению специалистов, могла стать замена R22 и R290 в тепловых насосах на R410a, применение которого позволяло бы достичь уменьшения конструктивных размеров оборудования.

Среди смесевых хладагентов следует отметить композиции «пятисотой» серии, которые представляли собой азеотропные смеси (табл. 5). Относительное распространение получили фреоны марок R502 и R507. Хладон R502 являлся низкотемпературным рабочим телом холодильной машины. Его применение позволяло понизить потребление электроэнергии по сравнению с R12 и R22. Однако за счет того, что его озоноразрушающая способность и склонность к глобальному потеплению были относительно высоки, R502 стали заменять на R407a и R507.

Пропан, аммиак  и вода — использование в кондиционерах

В последние 10–15 лет активно идет поиск смесей, не имеющих в составе ни хлора, ни фтора.

К экологичным природным хладагентам относятся R290 – пропан (используется в кондиционерах), бутан и изобутан (R600a, сейчас применяется почти во всех холодильниках), а также углекислый газ и аммиак. Одним из самых перспективных хладагентов считается пропан. Он не оказывает разрушающего воздействия на озоновый слой и имеет очень низкий потенциал влияния на глобальное потепление (GWP=3). Кроме того, термодинамические характеристики пропана почти не отличаются от широко распространенного ранее R22.

Первое в мире серийное производство кондиционеров, работающих на R290, появилось в 2011 г. Компания GREE (Китай) стала первым производителем климатического оборудования, получившим сертификат, позволяющий использовать хладагент R290 в бытовых кондиционерах (рис. 3). До сих пор его применение в климатической технике было ограничено из-за потенциальной пожароопасности. Полученный сертификат доказывал, что компании удалось создать безопасный кондиционер и что он отвечает строгим стандартам ЕС. Специалисты успешно решили целый комплекс сложных задач, таких как разработка нового компрессора, контроль за количеством заправляемого хладона, предотвращение утечек, изоляция от источников огня и изменение системы управления.

Холодопроизводительность кондиционера составляла 2,4 кВт при массе хладона (пропана) – менее 300 г. Причем, энергопотребление кондиционера было на 15 % меньше, чем у аналогичных устройств, использующих R22.

Три года назад началось и производство мобильных кондиционеров и осушителей воздуха на экологически безопасном пропане. А сегодня еще несколько компаний объявило о начале выпуска бытовых кондиционеров, работающих на пропане. На рынке появились и первые «пропановые» чиллеры. Пока доля такого оборудования невелика, но прогнозируется, что она будет расти, увеличиваясь на 1–2 % ежегодно.

Большой плюс кондиционеров на R290 цена – применение пропана позволило снизить стоимость некоторых моделей. Удешевление стало возможным благодаря уменьшению размеров теплообменников, низкой цене хладона и малому объему газа, требуемого для заправки. К сожалению, пока в Россию запрещен ввоз кондиционеров, использующих в качестве хладона пропан.

Разрабатываются и смесевые хладоны на основе R600a и R290. Они подходят для замещения хладонов марок R12, R22, R134a в традиционных холодильных установках и системах кондиционирования воздуха при обязательном условии замены типа компрессорного масла.

Внимание инженеров привлекает и использование неорганических хладонов  «семисотой» серии – неорганические соединения. Последние две цифры в индексе соответствуют молекулярной массе данного соединения.

Среди хладонов этой группы  аммиак. И есть мнение, что это сегодня один из лучших хладонов. Аммиак обладает низкой текучестью и не взаимодействует с черными металлами, как некоторые другие хладагенты. Поэтому оборудование для работы с ним стоит дешевле. Помимо этого, удельная массовая производительность более чем в 3,5 раза превышает аналогичный показатель для любого другого хладона. Но утечки аммиака потенциально опасны.  К настоящему времени удалось добиться многократного уменьшения объема применяемого R717  с одновременным повышением надежности герметизации. И если тридцать лет назад для установки мощностью 1 кВт требовалось  8 кг R717, то современное оборудование аналогичной мощности требует менее 1 кг.

Из числа других неорганических хладонов можно назвать и воду (R718). Ее применение сдерживалось высокой стоимостью необходимого компрессионного оборудования. Но разработанный в США турбокомпрессор, как было анонсировано, позволяет устранить эти препятствия. А в абсорбционных холодильных машинах фактически применяют смесь двух веществ – R717 и R718.

Хладон R744 (оксид углерода II) не горюч и дешев – на два порядка дешевле, чем, например, R134a. Углекислый газ имеет высокое критическое давление, что позволяет увеличить степень сжатия, а это повышает эффективность работы холодильной машины. В перспективе диоксид углерода может найти широкое применение в низкотемпературных двухкаскадных установках и системах кондиционирования воздуха в автомобилях и поездах. Его возможно применять также в бытовых холодильниках и тепловых насосах.

Глобальное потепление и его влияние на продажи кондиционеров

С 1990 по 2016 годы ежегодные продажи кондиционеров в мире выросли втрое, достигнув величины в 135 млн штук только в бытовом сегменте. Лидером по продажам является Китай с 41 миллионом бытовых кондиционеров, следом идут США с 16 миллионами, и примерно 9 миллионов приходятся на Японию и страны Европы.

Исследование уделяет внимание побудительным мотивам применения воздушного кондиционирования. Удивительно, но домохозяйства с большим количеством молодёжи чаще используют кондиционеры. Более образованные люди, в то же время, стремятся использовать кондиционеры реже, осознавая влияние энергопотребления на окружающую среду.

Аналогично, домохозяйства, которые в большей степени привыкли к энергосберегающему поведению, с меньшей вероятностью установят кондиционер. Те, у кого уже установлено большое количество приборов, как правило, более склонны к установке кондиционеров, что может означать более высокую склонность к использованию кондиционеров у людей, привыкших к более высоким стандартам комфорта.

Кондиционеры оказались опасны для планеты

Широкое использование кондиционеров оказалось опасно для климата из-за содержания охлаждающего вещества. О возможных последствия для планеты писатель Эрик Дин Уилсон (Eric Dean Wilson) рассказал изданию The Guardian.

Уилсон описал вред от систем охлаждения в книге «После охлаждения: о фреоне, глобальном потеплении и ужасной цене комфорта» (After Cooling: on Freon, Global Warming, and the Terrible Cost of Comfort). По словам автора, в настоящее время для работы кондиционеров используют такие хладагенты, как хлорфторуглероды. Вещества влияют на озоновый слой, что приводит к глобальному потеплению. Однако системы охлаждения не выделяют вредные вещества напрямую — они попадают в атмосферу, вытекая из выброшенной на свалку техники. Подобный процесс происходит и с кондиционерами в автомобилях.

Между тем писатель не стал призывать к полному отказу от кондиционеров и отметил, что в жаркую погоду они фактически спасают жизнь. По его словам, до масштабного распространения подобной техники температуры на планете были ниже. Для улучшения положения Уилсон предложил сажать больше деревьев в застроенных деловых кварталах и использовать экологичные дизайны. «Необходимо понимание того, как затенять и как освещать пространство без прямых солнечных лучей, которые нагревают комнату. Речь о таких вещах, как естественный ветер или более качественные строительные материалы, которые не поглощают тепло», — привел в пример Уилсон.

Ранее опасным для окружающей среды посчитали световое загрязнение городов уличными фонарями, рекламными щитами, прожекторами и архитектурной подсветкой на домах. Специалисты в сфере экологии пришли к выводу, что искусственное свечение влияет на биоритмы людей и целые экосистемы животных и растений.

Кондиционер — источник комфорта и поддержка здоровья

Получается, что для здорового отдыха нам катастрофически не хватает пары часов прохлады и глотка чистого воздуха. Но эта проблема решается намного проще, чем Вы думаете – необязательно уезжать в глухую деревню или прятаться от жары среди густых крон глухих лесов. Все заботы о поддержании комфортного, а главное – здорового микроклимата возьмут на себя современные кондиционерысплит системы. Эти устройства настолько хорошо себя показали, что многие их владельцы не представляют себе жизнь в «обычных» условиях.

Современный кондиционер не только поддерживает приятную температуру по Вашему выбору, охлаждая Ваш дом или квартиру летом и при необходимости подогревая в холодную погоду. Системы кондиционирования воздуха также удаляют излишнюю влагу, содержат пылевые фильтры, а наиболее продвинутые модели также и фильтры тонкой очистки, которые улавливают наиболее мелкие частички – настоящее спасение для аллергиков. Установка кондиционера решает вопросы жары и грязного воздуха, Вы получаете круглогодичный комфорт и снижаете риски заболеваний, связанных с загрязненной атмосферой.

 

Источники:

  • https://aqua-therm.ru/articles/articles_520.html
  • https://mir-klimata.info/globalnoe-poteplenie-i-ego-vliyanie-na-prodazhi-kondicionerov
  • https://lenta.ru/news/2021/07/26/conditioning_danger
  • https://climat-kontrol.ru/konditsioner-protiv-potepleniya