Енергоефективність і використання CO₂ у супермаркетах

Показники кліматичного впливу протягом життєвого циклу, або LCCP, є стандартним методом порівняння технологій в плані їхнього впливу на зміну клімату, що вимірюється обсягом викидів, де за одиницю виміру береться еквівалентний викид вуглекислого газу. Традиційні системи охолодження з ГФВ мають два вагомі складники LCCP: прямий і непрямий вплив. Прямий вплив є результатом викиду холодоагенту в атмосферу і базується на потенціалі глобального потепління або ПГП холодоагенту (як і у випадку LCCP, в основі ПГП лежить вплив холодоагенту на зміну клімату порівняно з аналогічним впливом від вуглекислого газу). Навмисне викидання холодоагенту є неприпустимим (наразі це заборонено в більшості країн), але це часто трапляється під час використання холодильних систем, передусім через його витікання. Хоча ці витікання намагаються звести до мінімуму, повністю їх виключити неможливо, і тому використання холодоагенту з низьким потенціалом глобального потепління, наприклад CO₂, може зробити цей вплив незначним (ПГП у CO₂ дорівнює 1, порівняно з ~4000 у таких холодоагентів, як R404A). В контексті проблеми витікання холодоагентів, важливо зазначити, що вже зараз розглядаються правила та нормативні акти (зокрема в Каліфорнії), які на додачу до екологічних штрафів, впроваджують фінансові санкцій за витікання холодоагентів.

Непрямий вплив, обумовлений кількістю енергії, що використовується під час експлуатації холодильного обладнання. Щоменше енергії потребує обладнання для роботи - то нижче рівень його впливу на клімат. Оскільки обидва ці складники, як прямі так і непрямі, в традиційній системі ГФВ мають приблизно однакове значення, то навіть менш ефективні системи з низьким ПГП мають певні переваги в плані боротьби зі змінами клімату.

Фінансове обґрунтування є важливим для широкої адаптації систем CO₂, оскільки наприклад в Північній Америці вартість CO₂-систем буде значно перевищувати вартість традиційних холодильних систем. Це пов’язано з тим, що системи CO₂ працюють з високим тиском (що додатково підвищує витрати на компоненти), вони більш складні, ніж традиційні системи з ГФВ (бо потребують додаткового обладнання, такого як перепускна лінія з клапаном, надкритичний клапан високого тиску на виході газового охолоджувача, а також додаткових регуляторів), а обсяги застосування систем CO₂ в Північній Америці поки поступаються обсягам застосуванням традиційних систем, що дещо гальмує там процес зниження витрат на компоненти та монтаж систем. Для того, щоб застосування цих систем було фінансово обґрунтованим, необхідно покрити додаткові початкові капітальні витрати, додатковим сталим скороченням операційних витрат.

Вочевидь, існують інші фактори фінансового характеру щодо застосування CO₂-систем, наприклад довгострокові регуляторні та соціальні наслідки, але їх набагато важче виміряти. Однак для обґрунтування додаткових капітальних витрат можна скористатися спрощеною фінансовою моделлю, яка розглядає лише енергоефективність.

Застосування CO₂ в якості холодоагенту пов’язане з певними викликами суто через фізичні властивості цього газу в порівнянні з холодоагентами з ГФВ. Ці виклики виникають через високий робочий тиск системи (понад 70 бар) та відносну продуктивність внаслідок відведення тепла та теплового розширення. Хоча ці недоліки здаються значними (на рівні 20%), їх можна уникнути, допрацювавши проект системи.

З іншого боку, деякі властивості CO₂ сприяють підвищенню ефективності системи при застосуванні в роздрібній торгівлі харчовими продуктами. Це, зокрема, відмінна об’ємна ефективність (охолоджуючий ефект на той же об’єм перевищує показники R22 більше, ніж в 6 разів), низький коефіцієнт стиснення (співвідношення між вхідним і вихідним тиском на компресорі) та низька в’язкість (що зменшує втрати енергії на циркуляцію холодоагенту). Крім того, впроваджується все більше нових технологій, які використовують унікальні властивості CO₂ для підвищення ефективності.

Часто користувачів вводить в оману невірне врахування певних технологій, які входять в стандартну комплектацію сучасних систем на CO₂, а в традиційних системах з ГФВ розглядаються як додаткова опція. Це викривляє враження від порівняння початкової вартості сучасної системи на CO₂ з базовою системою на ГФВ, хоча використання таких технологій може розглядатися окремо і бути фінансово обґрунтованим в обох типах систем.

На багатьох підприємствах роздрібної торгівлі виявилось, що впровадження передових технологій енергозбереження на системах з ГФВ також окупилося і вартувало всіх витрат.

Існує три основні технології, про які іде мова: 1. Встановлення електронних розширювальних клапанів з контролерами, які дозволяють оптимізувати тиск всмоктування, щоб зменшити навантаження на компресори при зміні умов в роботі системи.
2. Використання частотних перетворювачів, що дозволяє точніше відрегулювати потужність компресора та конденсатора відповідно до змін навантаження.
3. Рекуперація надлишкового тепла від системи охолодження для корисного використання.

Рекуперація тепла, зокрема в системах з ГФВ, використовується головним чином для часткового задоволення потреб підприємства в гарячому водопостачанні через його низьку якість (тобто низьку температуру). У системах з CO₂ температура цього надлишкового тепла набагато вище, що дозволяє використовувати його як для гарячого водопостачання, так і для опалення та осушення повітря.

Існують деякі специфічні для систем з CO2 технології. Наприклад бустерні системи проектуються таким чином, щоб низькотемпературний компресор міг підвищувати тиск всмоктування для середньотемпературних компресорів, чим заощаджує споживану ними енергію. Паралельне стиснення дозволяє зняти частину навантаження із середньотемпературних компресорів за рахунок перекачування паралельними компресорами з нижчим ступенем стиснення газу, що залишився внаслідок дроселювання та конденсування пару з виходу газового охолоджувача. Велика частина цього газу в ресивері вважається втратою потужності системи, тоді як його повторне використання при мінімальній виконаній роботі може збільшити ефективність системи на 20% у трансритичному режимі.

Найновішою розробкою є використання пристрою, який називається ежектор. За допомогою ежектора можна використовувати високий тиск пари з газового охолоджувача та використати енергією, яка зазвичай втрачається під час розширення, для збільшення тиску виділеного газу, що зменшує споживання енергії паралельних компресорів за рахунок підвищення тиску на їх вході. Це найбільш ефективна технологія для подолання одного з найбільших недоліків в процесі охолодження із застосуванням транскритичних систем CO2 у теплому кліматі.

Підсумуємо все перелічене вище і наведемо репрезентативні числа для систем, які застосовуються в найбільш складних умовах теплого клімату 
(зазначені цифри - дані за повний рік):

Слід зазначити, що хоча % підвищення енергоефективності в більш прохолодному кліматі знижується, загальна ефективність транскритичних систем з CO₂ зростає зі зниженням температури навколишнього середовища (так як  зменшується час роботи в транскритичному режимі).

У цьому підсумку не враховано використання адіабатичних або випарних конденсаторів/газових охолоджувачів, які можуть забезпечити додаткові 5% до ефективності обох систем. Фактично, якщо приділити достатню увагу проектуванню системи, транскритичний охолоджувач газу CO₂ може навіть використовувати до 80% менше води, порівняно з випарником ГФВ. Продуктивність цих пристроїв істотно змінюється залежно від місцевого клімату і є специфічною для їх системи. Це ще одна технологія, яку варто розглянути.

Хоча проведений аналіз не надто ретельний в плані сфер застосування, метою статті було узагальнення інформації щодо ситуації та доступних технологій, щоб дати більш чітке уявлення про наявні можливості. Технологія транскритичних систем із CO₂ явно готова до застосування практично в будь-якому кліматі і може забезпечити значні екологічні та фінансові переваги.