Veiligheidsmaatregelen voor warmtepompen op koolwaterstoffen
Veiligheidsmaatregelen voor warmtepompen op koolwaterstoffen
Aanbevelingen van IIF/IIR
Met de invoering van de F-gassenverordening is de overschakeling op natuurlijke koudemiddelen voor residentiële warmtepompen ingezet. Er komt nu een hele nieuwe generatie toestellen met R290 (propaan) als koudemiddel op de markt. Propaan heeft niet alleen een lage milieu-impact, maar heeft ook goede thermodynamische eigenschappen. De grootste hinderpaal voor een algemene invoering is echter de brandbaarheid ervan. De doorbraak van dit koudemiddel op de markt zal dus in grote mate afhangen van hoe remmend de vereiste veiligheidsmaatregelen zijn. In een technisch document ging de International Institute of Refrigeration of deze kwestie in.
In de nieuwe publicatie ‘Domestic Heat Pumps Using Hydrocarbons’ van het IIR bespreken experts diverse aspecten van deze techniek, zoals marktgegevens, technische ontwikkelingen, veiligheid en beleid. Een van de cruciale factoren voor een brede invoering van koolwaterstoffen in warmtepompen zijn de veiligheidsaspecten. Recent werden nieuwe voorschriften ingevoerd (IEC 60335-2-40: 2022). Toekomstige regels moeten ruimte bieden aan innoverende manieren om het brandrisico te beheersen. Een van de voornaamste pistes in dit verband is om de koudemiddelinhoud te verkleinen.
Het IIR lijst een aantal veiligheidsconcepten op
Verbeterde dichtheid van het systeem
Het risico kan sterk verminderd worden door de lekdichtheid te verbeteren. Sommige onderdelen hebben immers een grotere kans op lekken dan andere. Zo zijn flare-koppelingen minder betrouwbaar dan goed uitgevoerde soldeerverbindingen. Deze laatste geven een goede afdichting gedurende de hele levensduur van de installatie.
Ontstekingsbronnen vermijden
Om tot ontsteking te leiden, moet een vonk een minimale hoeveelheid energie bevatten, of een temperatuur boven een zekere grens hebben. De minimale ontstekingsenergie en de zelfontbrandingstemperatuur verschillen naargelang de ontvlambare stof. Veiligheidsvoorschriften zoals EN 378 of IEC 60355-2-40 bevatten specifieke voorwaarden voor elektrische componenten en/of hete oppervlakken om dit risico te beperken.
Minimale afstand aanhouden
Minimale afstanden gelden tussen de toestellen en mogelijke ontstekingsbronnen. Een andere reden is om ophoping van koudemiddel te vermijden bij lekken. De afstanden worden bepaald door de ATEX richtlijn en vallen over het algemeen onder reglementering voor gevaarlijke omgevingen zoals IEC EN 60079-10-1. Bij monoblock toestellen voor buitenopstelling is de minimale afstand vrij klein (minder dan een meter). Ook bij warmtepompen met niet-brandbare koudemiddelen moet men trouwens een minimale afstand aanhouden, om de luchtdoorstroming te garanderen.
Beperking van het maximale lekverlies
Dit slaat op de hoeveelheid koudemiddel die in de atmosfeer kan vrijkomen bij lekken. Er zijn twee types
Passieve beperking: de hoeveelheid koudemiddel in de olie en de installatie bij atmosferische druk
Actieve beperking: dit houdt rekening met veiligheidsvoorzieningen zoals kleppen om het koudemiddel binnen het nog intacte deel van de installatie te houden.
Beperkingen van de koudemiddelinhoud
De voornaamste manier om het mogelijk lekverlies te beperken, is om strikte limieten op te leggen aan de koudemiddelinhoud. Die grenzen beperken tegelijkertijd de mogelijke toepassingen van systemen met koolwaterstoffen. Restrictieve grenzen kunnen dus ingegeven zijn door commerciële belangen of door koudwatervrees. De meeste nationale en regionale reglementen rond brandbare stoffen (zoals de Europese Atex richtlijnen), hanteren geen dergelijke limieten, maar gaan uit van een combinatie van veiligheidsmaatregelen. De recente revisie van de veiligheidsstandaard voor airconditioners en warmtepompen (IEC 60335-2-40; 2022) laat een grotere hoeveelheid brandbare stoffen toe. Grotere hoeveelheden zijn ook toegelaten als er maatregelen genomen zijn de concentraties laag genoeg te houden in geval van lekken.
Daarentegen is er geen ondergrens voor oppervlakte van de opstellingsruimte als de koudemiddelinhoud per circuit lager is dan 4xLFL. Voor R290 is dat 4x0,038 kg =0,152 kg. Er dus veel ontwikkelingswerk gedaan om tot toestellen te komen met een inhoud van minder dan 150g. Zo werd in het kader van het project LC150 van Fraunhofer ISE een toestel ontwikkeld met een nominaal vermogen van 12,8 kW bij B0/W35 voor een inhoud van 124 g propaan. Het Ecopac project demonstreerde ook een lagetemperatuur warmtepomp met een vermogen tot 12 kW met een inhoud van slechts 120 g R600a. Ondertussen zijn er commerciële toestellen beschikbaar met dergelijk lage koudemiddelinhouden.
Ruimteventilatie
Bij warmtepompen op de extractielucht wordt al R290 gebruikt, hoewel dit concept niet expliciet beschreven staat in de veiligheidsstandaarden. De afvoerlucht wordt door de warmtepomp aangezogen als warmtebron. Daarbij passeert de lucht door de verdamper en de omkasting van de warmtepomp. Eventuele lekkende R290 wordt dus mee met de afvoerlucht naar buiten geblazen. Lekverlies aan de condensorzijde komt ook in de luchtstroom terecht en wordt afgevoerd. Studies hebben aangetoond dat eventuele lekken al homogeen verdund zijn binnen ongeveer 1 m in het luchtkanaal.
Mechanisch geventileerde omkasting
Dit is een bekend concept dat al wordt toegepast voor warmtepompen op R290 voor binnenopstelling met koudemiddelinhouden tot 130xLFL (ongeveer 5 kg). Het koudemiddelcircuit bevindt zich in een omkasting die volledig is afgesloten, op een luchtinlaat en -uitlaat na. De luchtstroom wordt aangedreven door een ventilator, hetzij continu, hetzij aangesloten op een lekdetectie. In beide gevallen is er ook een sensor voor het luchtdebiet. Zakt het gemeten luchtdebiet onder een minimumgrens, wordt de warmtepomp uitgeschakeld.
Natuurlijk geventileerde omkasting
Gezien de kosten en de complicaties van mechanische ventilatie, werd er onderzoek gedaan naar varianten met natuurlijke ventilatie, op basis van het schoorsteeneffect, thermische convectie of winddruk. Het voordeel van dergelijke systemen is dat de kosten van de componenten verwaarloosbaar zijn, en dat er geen mechanische systemen aan te pas komen die defect kunnen raken.
Andere concepten om het risico te beperken
Daarnaast zijn er nog andere methoden bestudeerd om te voorkomen dat er gevaarlijke concentraties in kleine ruimtes zouden optreden. Een daarvan is actieve kool (minder dan 2 kg per kg koudemiddel), die dan eventuele ontsnappende koudemiddel zou absorberen. Actieve kool is goedkoop (bijvoorbeeld houtskool) en kan gemakkelijk in de structuur van de warmtepomp worden geïntegreerd.
De conclusie is dan ook dat er tal van methoden zijn om het brandrisico van propaanwarmtepompen beheersbaar te houden. Deze toestellen hebben een mooi potentieel in woningverwarming.
Door Alex Baumans
