Microchannel technologie en compacte warmtewisselaars bieden duurzame koelsystemen toekomst

Duurzaam koelsystemen RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING

Door M. Youbi-Idrissi, D. Leducq en H. Macchi-Tejeda Refrigerating Processes Research Unit van Cemagref, Frankrijk

Microchannel technologie en compacte warmtewisselaars bieden duurzame koelsystemen toekomst

Aan de hand van een concreet voorbeeld, waarbij twee koelunits werden vergeleken die bestemd waren voor gebruik in een kleine agri-food toepassing, hoopten de onderzoekers bij te dragen aan de verbetering van beoordelingsmethoden, waarbij alle milieueffecten in aanmerking worden genomen. De resultaten van de levenscyclusanalyse (LCA) tonen duidelijk aan dat de duurzame keuze voor microchannel technologie en compacte warmtewisselaars in de koelsector zeer voordelig is voor het milieu. Deze technologieën bieden duurzame koelsystemen dan ook een veelbelovende toekomst.

24

!" # $%&&'(&)($*#+',&'-$.! !

De milieuprestaties van airconditioning- en koelsystemen worden regelmatig geëvalueerd met behulp van de TEWI-waarde (Total Equivalent Warming Impact). Deze wijdverbreide maatstaf houdt echter alleen rekening met het broeikaseffect en gaat daarmee voorbij aan alle andere nadelige milieueffecten die tijdens de levensduur van een koelsysteem kunnen optreden. In dit artikel wordt daarom een alternatieve methode voorgesteld om verschillende koelunits met elkaar te vergelijken; de levenscyclusanalyse (LCA). De auteurs hebben twee koelunits onderzocht die gebruikt worden in de agri-food sector. Deze units hebben dezelfde kenmerken

qua koelcapaciteit en ze gebruiken hetzelfde koudemiddel (R404A). Na een grondige levenscyclusanalyse van beide systemen bleek het gebruik van micro-channel technologie en compacte warmtewisselaars in deze sector tot een aanzienlijke energiebesparing en daarmee tot een verbeterde milieuefficiency te leiden. Verder kon de koudemiddelvulling worden teruggebracht, was er 300 procent minder CO2-uitstoot en namen ook andere nadelige milieueffecten af, bijvoorbeeld op het gebied van volksgezondheid (33%), de kwaliteit van het ecosysteem (24%) en de uitputting van natuurlijke hulpbronnen (25%).

koelsystemen Duurzaam

RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING

Inleiding

Bij het ontwerp van koelunits spelen milieufactoren al jaren een doorslaggevende rol. Dit geldt met name voor Europa. Om de milieuefficiency van bestaande en nieuwe airconditioning- en koelsystemen te meten, wordt er – zowel in wetenschap als industrie – veel gebruikgemaakt van de TEWI-waarde. De TEWI-waarde, die wordt uitgedrukt in equivalente hoeveelheid CO2, wordt berekend uit vele variabelen, waaronder het type en de efficiency van de energiecentrale, de efficiency van de koelunit zelf en het bijbehorende lekpercentage. Hoewel de TEWI-methode zeer gebruiksvriendelijk is, schiet deze op andere punten tekort. De milieueffecten van een koelsysteem blijven namelijk niet beperkt tot alleen het broeikaseffect. Voor een algehele beoordeling van de milieuefficiency moet ook rekening worden gehouden met andere effecten, zoals de kwaliteit van het ecosysteem, de volksgezondheid en de uitputting van natuurlijke hulpbronnen. De LCA-methode geeft wel een dergelijke totaalbeoordeling, maar deze methode wordt in de koelsector nog nauwelijks toegepast. Frischknecht1 paste in Zwitserland de LCA-methode toe op zes commerciële koelsystemen die werkten met ammoniak, R134a, R404A en R22. Deze systemen werden gebruikt als diepvries en als koelvitrine voor voedingswaren, en hadden een koelcapaciteit van respectievelijk 21,3 en 82,3 kW. Watkins et al.2-3 gingen in op de analytische methode en op de resultaten van de levenscyclusanalyses van twee veelvoorkomende typen koelvitrines: een vertikaal vriesmeubel en een multi-deck koelmeubel (beide voor voedingsmiddelen). Ook Youbi-Idrissi4-5 onderzocht de LCAmethode, maar dan als hulpmiddel bij de keuze tussen traditionele directe-expansie koeling en indirecte koeling via secundaire koelsystemen. Dit onderzoek werd uitgevoerd op twee koelunits, die allebei een capaciteit hadden van 150 kW bij -6°C en 450 kW bij 3°C. Bij dit onderzoek werden in Frankrijk en in Duitsland twee verschillende methoden van energieproductie bestudeerd. In de literatuur is verder weinig onderzoek te vinden. Bovendien gaan de meeste onderzoeken slechts over een beperkt aantal onderde-

len of koudemiddelen, of beschrijft men slechts een deel van de levenscyclus. Bij het onderzoek dat in dit artikel wordt beschreven, wordt de LCA-methode toegepast om de milieueffecten te evalueren van een koelinstallatie met een geringe koudemiddelvulling, een microchannel condensor en een compacte verdamper opgebouwd uit een blok voorzien van pijpen met kleine diameter. Deze installatie, met een warmtewisselaar voorzien van relatief kleine pijpen en kleine vaten, werd speciaal ontworpen om de benodigde hoeveelheid koudemiddel drastisch te verlagen. Vervolgens werd deze ‘koelunit met geringe vulling’ vergeleken met een gelijkwaardige koelinstallatie, de zogenaamde ‘standaard koelunit’ die gebruikmaakt van de conventionele technologie en die is voorzien van warmtewisselaars met de gebruikelijke pijpdiameter. In dit artikel wordt ingegaan op beide installaties en op de belangrijkste onderdelen hiervan. Vervolgens worden de systeemgrenzen, de daarmee samenhangende aannames, de levenscyclusinventarisatie en de gekozen eco-indicatoren besproken, en worden de resultaten vergeleken. Ten slotte wordt de TEWIbenadering aan de hand van het voorbeeld vergeleken met de LCA-methode. Hieruit zal blijken welke voordelen de LCA-methode kan bieden voor de koelsector.

Configuratie van de systemen

De twee systemen die werden vergeleken, werden voor dezelfde koelruimte gebruikt bij temperaturen tot -20°C: - De standaard koelunit werd gebouwd volgens conventioneel ontwerp; de warmtewisselaars hadden een gebruikelijke diameter. - De koelunit met geringe vulling werd speciaal ontworpen om de hoeveelheid koudemiddel te minimaliseren. Deze twee systemen hadden dezelfde kenmerken qua koelcapaciteit en gebruikten hetzelfde koudemiddel (R404A). De standaard koelunit bestond uit: - een lamel-buis verdamper (10,7 mm) met een vinafstand van 6,5 mm; - een lamel-buis condensor met een diameter van 7,93 mm;

- een vloeistofleiding met een gemiddelde diameter van 14 mm; - een vloeistofvat van 22 liter. De benodigde koudemiddelvulling is afhankelijk van het interne volume van de verschillende onderdelen, zoals pijpleidingen, warmtewisselaars, vaten, de compressor en andere toebehoren. Onderdelen waarin het koudemiddel vloeibaar of tweefasig is, bevatten overigens veel meer koudemiddel dan onderdelen met uitsluitend dampfase-koudemiddel. Bij het ontwerp van het systeem met geringe koudemiddelvulling is men daarom vooral uitgegaan van de meest kritische onderdelen: de warmtewisselaars, vloeistofleidingen en vloeistofvaten. Voor zover bekend is er nog nooit eerder onderzoek gedaan naar het gebruik van de microchannel technologie voor verdampers bij temperaturen onder nul. De compactheid van een dergelijke warmtewisselaar is voordelig voor de koudemiddelvulling, maar vormt – door de vinafstand van 1 mm – tevens een probleem tijdens de berijping. Na een aantal tests en evaluaties werd besloten dat een grotere afstand tussen de vinnen onvermijdelijk was, hoewel dit tot een groter intern volume zou leiden. Daarom werd er, als compromis tussen compactheid en berijpingsgedrag, een ander model warmtewisselaar met kleine pijpdiameter ontworpen. In het GREThE/LETh-laboratorium bouwde men het prototype van deze verdamper, die bestond uit vier bundels van 18 parallelle buizen met een vinafstand van 6,35 mm. Tests hebben uitgewezen dat de thermische prestaties van deze warmtewisselaar nagenoeg overeenkomen met die van een verdamper met een conventionele diameter. Het interne volume werd met maar liefst 90 procent teruggebracht. Voor de vloeistofpijp tussen de condensor en de verdamper werd voor het grootste gedeelte een diameter van 6,4 mm aangehouden. Bij deze voor dakopstelling ontworpen condensor was de pijp 6,5 meter lang, waarvan meer dan vier meter met een doorsnede van 6,4 mm. Een gevolg van deze kleinere diameter is een hogere drukval (meestal > 1 bar). Om dampvorming als gevolg van deze drukval tegen te gaan, werd het

!" # $%&&'(&)($*#+',&'-$.! !

25

Duurzaam koelsystemen RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING

koudemiddel onderkoeld in een vloeistof/zuiggasgekoelde warmtewisselaar. Deze coaxiale warmtewisselaar bestond uit een vloeistofleiding die binnen in de zuigleiding van de compressor werd geplaatst. De vermindering aan intern volume als gevolg van de kleinere diameter bedroeg circa 65%. De condensorunit bestond uit twee parallelle micro-channel condensors. Het interne volume van elke condensor bedroeg 0,77 liter (bij het conventionele systeem met Ø 8mm pijpdiameter van de condensor was dit 6 liter). Als algemene regel geldt dat de volledige koudemiddelvulling van het systeem in het hogedrukvloeistofvat moet worden opgenomen, zodat men het systeem op eenvoudige wijze kan onderhouden. Aangezien deze vulling bij het prototype werd teruggebracht, kon het volume van het vloeistofvat ook automatisch worden teruggebracht. Het standaardsysteem had een koudemiddelvulling van 4,1 kg en daarom koos men voor een vat van 22 liter. Voor het prototype met een koudemiddelvulling van 0,8 kg werd dezelfde verhouding aangehouden, dus werd een vat van 4 liter gebruikt.

Systeemgrenzen en aannames

De standaard koelunit en de koelunit met geringe vulling werden opgedeeld in een aantal basisonderdelen, zodat men deze elementen één op één kon vergelijken en alle milieu-effecten goed kon beoordelen. Voor de LCA van beide units werden de volgende onderdelen als meest relevant beschouwd: de condensor, de verdamper, de compressor, het vloeistofvat en de vloeistofleidingen. De zuig- en persgasleidingen van beide systemen zijn erg kort en verschillen weinig van elkaar en werden daarom buiten beschouwing gelaten, net als alle hulponderdelen (zoals afsluiters, afscheider, vloeistofindicator, filter en isolatie- en hulpmaterialen). De twee units die werden onderzocht, waren beide bestemd voor gebruik in een kleine agri-food toepassing. Ze zijn geschikt voor gebruik in een opslagruimte bij temperaturen onder nul, waarbij de luchttemperatuur wordt geregeld en -30°C kan bereiken. De luchttemperatuur aan de zijde van de opslagruimte is dus constant, maar dat geldt niet voor de omgevingstemperatuur, die immers niet kan worden geregeld. Dit vormt een probleem bij de thermodyna-

26

!" # $%&&'(&)($*#+',&'-$.! !

mische vergelijking met betrekking tot het energiegebruik van beide units. Om dit probleem te omzeilen, werd gekozen voor de volgende aanname: bij een gegeven koudebrontemperatuur (temperatuur van de opslagruimte) is de efficiency van een koelsysteem qua exergie nog maar weinig gevoelig voor de warmtebrontemperatuur (omgevingstemperatuur), en als gevolg hiervan mag deze efficiency als constant worden beschouwd. Deze aanname komt tot uitdrukking in de volgende vergelijking:

Op beide units werden (onder verschillende omstandigheden) diverse energiebalanstesten uitgevoerd, maar de vergelijking werd uitsluitend gebaseerd op de thermodynamische prestaties. De temperatuur van de opslagruimte bedroeg circa -18°C gedurende één volledige werkcyclus, inclusief het opstarten van het systeem en de ontdooifase. In Tabel 1 staat een gedetailleerd overzicht van het energiegebruik van beide units tijdens één werkcyclus.

Levenscyclusinventarisatie

De standaard koelunit en de koelunit met geringe vulling werden beoordeeld op de gebruikte hoeveelheid materialen. Aanvullende energie en materialen die voor het productieproces nodig zijn, werden buiten beschouwing gelaten. De inventarisatie betreft dus de productie en

Tabel 1: energieprestaties van de geteste koelunits

de recycling van grondstoffen, de energievoorziening en het energiegebruik, de energie en de grondstoffen die nodig zijn voor de productie van koudemiddel en eventuele koudemiddellekkages. Rekening houdend met de sector waarin deze units worden toegepast, werd een levensduur van 15 jaar aangehouden, waarbij de units 6 dagen per week en 24 uur per dag in bedrijf zouden zijn.

Koudemiddel

Beide koelunits maakten gebruik van het koudemiddel R404A (R143a/R125/ R134a; 52/44/4% w/w). Voor dit specifieke mengsel waren geen milieugegevens beschikbaar in de LCA-softwaredatabase (SimaPro 7). McCulloch en Lindley6 hebben echter wel een uitgebreide levenscyclusinventarisatie uitgevoerd met betrekking tot de productie van R134a (voor het hele proces van grondstof tot gebruiksklaar eindproduct). Vanwege het ontbreken van specifieke gegevens voor R143a en R125, is men er van uitgegaan dat voor de productie van deze koudemiddelen dezelfde procedures en materialen nodig zijn als voor de productie van R134a. Zo kon R404A in de SimaPro 7-database worden opgenomen door de vereiste productieprocedures en materialen van dit koudemiddel te bepalen. Ook de GWP-waarde werd vastgesteld (3260 kg CO2-equivalenten), want die geeft aan wat het milieueffect is als er 1 kilo R404A in de atmosfeer terechtkomt.

koelsystemen Duurzaam

RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING

Elektriciteitsvoorziening

Bij dit onderzoek werd uitgegaan van de gemiddelde energieproductie in Frankrijk, die – volgens het Franse Directoraatgeneraal voor Energie en Grondstoffen – in 2005 maar liefst 549,4 TWh bedroeg. Deze energieproductie kwam als volgt tot stand: 78% uit kerncentrales, 10,78% uit waterkrachtcentrales, 0,22% uit windkrachtcentrales en 11% uit warmtekrachtcentrales (waarvan 3% met kolen, 3% met natuurlijk gas en 5% met stookolie). Deze verdeling werd in de SimaPro 7-database opgenomen. Vervolgens berekende deze database dat er in Frankrijk bij de productie van elke kWh aan energie circa 0,081 kg CO2-equivalent wordt uitgestoten. Dit is erg weinig in vergelijking met de Europese waarde, die circa 0,5 kg CO2-equivalent per kWh bedraagt. In Tabel 2 worden de resultaten van de levenscyclusinventarisatie weergegeven, met inbegrip van de eerder vermelde aannames.

Tabel 2: levenscyclusinventarisatie van de geteste koelunits (i) De materiaalsamenstelling van de compressor werd bepaald door een expert op het gebied van compressorfabricage. (ii) Dit is de hoeveelheid smeerolie die nodig is voor twee verversingen. (iii) Deze waarde komt voort uit experimenteel bevestigde berekeningen.

Methodiek

De keuze voor een bepaalde beoordelingsmethode wordt meestal aan de analist overgelaten. De gekozen methode heeft echter verstrekkende gevolgen voor de interpretatiefase en voor de conclusies die volgen uit de LCA-resultaten. Bij dit onderzoek werden de levenscycli van beide koelunits beoordeeld aan de hand van de volgende twee methoden uit de SimaPro 7-software: - GWP-methode: deze methode heeft een tijdskader van 100 jaar en is gebaseerd op de IPCC-database (Inter governmental Panel on Climate Change) van 2001. Deze methode lijkt sterk op de TEWIbenadering, die algemeen bekend is onder technici en onderzoekers in de airconditioning- en koelsector. Bij de GWP-methode (IPCC 2001) houdt men rekening met de GWP-waarde van het koudemiddel, de equivalente CO2-uitstoot als gevolg van het energiegebruik van de productie en recycling van de grondstoffen waaruit het systeem is opgebouwd. - Eco-indicator 99-methode8: deze methode maakt het mogelijk om onderscheid te maken tussen de afzonderlijke effecten van schade aan hulpbronnen, ecosystemen en volksgezondheid, en om al deze effecten vervolgens uit te drukken in één milieu-invloeden-

index. Het samenvoegen van verschillende categorieën potentiële milieuschade in één kengetal is subjectief qua weging. Toch wordt deze methode in veel LCAonderzoeken toegepast. Het is namelijk een zeer consistente en intrinsiek waardevolle benadering. De berekening heeft betrekking op de jaarlijkse milieubelasting per Europeaan en wordt uitgedrukt in Eco-indicatorpunten.

Resultaten en overwegingen

De milieueffecten die in verband worden gebracht met klimaatverandering, werden beoordeeld met behulp van de GWPmethode. Voor de standaard koelunit geldt dat van de totale CO2-uitstoot 48,5% wordt veroorzaakt door R404A (productie en lekkage), nog eens 49,8% voortkomt uit het energiegebruik en 1,7% uit de materialen (productie en recycling). Bij het systeem met geringe vulling liggen de percentages anders, want hierbij wordt slechts 11% van de totale CO2-uitstoot

veroorzaakt door het koudemiddel, terwijl 87,5% voortkomt uit het energiegebruik en 1,5% uit de materialen. In Figuur 1 wordt de CO2-uitstoot van de belangrijkste onderdelen van beide units weergegeven. Hieruit valt af te lezen dat het systeem met geringe vulling, waarbij de hoeveelheid koudemiddel werd beperkt met behulp van een micro-channel condensor en een compacte verdamper, bij dezelfde koudevraag overduidelijk de beste resultaten geeft. Ten eerste werd de gezamenlijke CO2-uitstoot van de verdamper en de condensor bij dit systeem gehalveerd en ten tweede werden vele tonnen CO2 bespaard door het verminderde volume van de warmtewisselaars en de vloeistofpijpen, waardoor de hoeveelheid koudemiddel kon worden teruggebracht. In Figuur 1 is verder te zien dat er ook CO2-uitstoot werd bespaard op het niveau van de compressor. Dit komt vooral door het verminderde energiegebruik door toepassing van een variabele compressorsnelheid. Al deze resultaten wijzen erop dat het dus heel goed

!" # $%&&'(&)($*#+',&'-$.! !

27

Duurzaam koelsystemen RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING

gedeeltelijk teniet te doen. Door het koper te vervangen door aluminium of roestvast staal zou men de milieuprestaties van koelunits met geringe vulling dus nog verder kunnen verbeteren.

Figuur 1: totale CO2-uitstoot van de geteste koelunits

Referenties

Figuur 2: LCA-resultaten van de condensor op basis van Ecoindicator 99 (E) V2.03

mogelijk is om koelunits te ontwerpen die energie-efficiënt zijn en die zo min mogelijk bijdragen aan de klimaatverandering. Klimaatverandering is echter niet de enige milieuschade die door koelsystemen wordt veroorzaakt. Er zijn ook andere effecten die door methoden als LCA inzichtelijk gemaakt zouden moeten worden. Een voorbeeld van een dergelijke analyse vindt u in Figuur 2. Deze figuur toont de bijdrage die de belangrijkste materialen en energiebronnen leveren aan de totale milieu-invloed van de condensor. Bij deze analyse werd gebruikgemaakt van de Ecoindicator 99-methode. Door de klassieke lamel-buis condensor te vervangen door een compacte micro-channel condensor, is er 24% minder schadelijke emissie, zo blijkt uit het histogram. De micro-channel condensor is milieuvriendelijker omdat het koper werd verwijderd (want dat is belastender voor het milieu dan aluminium3) en de hoeveelheid koudemiddel werd geminimaliseerd. Als men beide systemen volledig analyseert

op basis van dezelfde Eco-indicator, blijkt de koelunit met geringe koudemiddelvulling wederom het milieuvriendelijkst. De nadelige effecten op de volksgezondheid, de kwaliteit van het ecosysteem en de uitputting van hulpbronnen namen bij deze koelunit respectievelijk af met 33%, 24% en 25%. Alle hiervoor vermelde resultaten zijn behaald dankzij de uitstekende energie-efficiency en milieuprestaties van de volgende drie onderdelen: 1. De compressor met variabele snelheid; deze optimaliseert het energiegebruik. 2. Een vloeistofvat met verminderde koudemiddelmassa en -volume, waardoor minder materiaal nodig is. 3. Een voor 100% recyclebare aluminium condensor. Voor wat betreft de verdamper hadden beide systemen vergelijkbare milieueffecten. Het gebruik van koper voor de fabricage van de compacte warmtewisselaar lijkt de voordelen van de koudemiddelbeperking en de ontdooifase-optimalisatie

1. Frischknecht R. Life Cycle Assessment for Commercial Refrigeration Systems operated in Switzerland. Symposium on Industrial Ecology and Material Flows, Universiteit van Jyväskylä, Finland, Helsinki 2000. 2. Watkins R, Tassou S, Pathak S. Environmental Impacts and Life Cycle Assessment of Refrigerated Display Cabinets, Comptes rendus Conf. international de l’IIF sur le froid commercial, Vicenza, 2005. 3. Watkins R, Tassou S. Life Cycle Analysis of the Environmental Impact of Different Cabinet Designs, 13th World Congress of Food Science and Technology, September 17-21, 2006, Nantes, Frankrijk. 4. Youbi-Idrissi M. L’ACV: un outil d’aide à l’évaluation de l’impact environnemental des systèmes frigorifiques, Revue Générale du Froid et du Conditionnement d’Air, 1063: 60-67, 2006. 5. Youbi-Idrissi M. Life Cycle Assessment to Refrigeration Engineering Service, 13th World Congress of Food Science and Technology, September 17-21, 2006, Nantes, Frankrijk. 6. McCulloch A., Lindley AA. From Mine to Refrigeration: a Life Cycle Inventory Analysis of the Production of HFC-R134a, International Journal of Refrigeration. 26:864-872, 2003. 7. http://www.industrie.gouv.fr/energie/ statisti/se_elec.htm. 8. Goedkoop M, Effting S, Collignon M. The Eco-indicator 99 Manual for Designers, Pré-Consultants, Nederland, 2000.

Meer informatie:

Figuur 3: LCA-resultaten van de geteste koelunits op basis van Eco-indicator 99 (E) V2.03

28

!" # $%&&'(&)($*#+',&'-$.! !

Cemagref Parc de Tourvoie, BP 44 92163 Antony Cedex Frankrijk T: +33 140966547 F: +33 140966249 E: [email protected]