Sicherheitsmaßnahmen für VRF-Systeme mit R32
Lösungen für normgerechtes Risikomanagement
Bild 1: Die Kombination aus reduzierter Kältemittelfüllmenge und niedrigen GWP-Wert verringert das anlagenspezifische CO2Äquivalent auf unter 20 % gegenüber herkömmlichen VRF-Systemen mit R410A.
Bild 2: Die Voraus setzung für die Kategorie A2L sind von drei Faktoren abhängig. Die untere Entflammbarkeitsgrenze (LFL), die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und die freigesetzte Verbrennungsenergie bei einer off enen Verbrennung.
Bild 3: Die DIN EN 378 differenziert zwischen drei möglichen Aufstellungsbereichen: Außenaufstellung, Personenaufenthaltsbereich und Maschinenraum.
Bild 4: Die Abbildung zeigt die einzelnen Grenzwerte und Sicherheitszonen in Abhängigkeit von Raumvolumen und Kältemittelfüllmenge in Personenaufenthaltsbereichen. Hierzu spielen auch die Einbauhöhe und Anzahl der Innengeräte ebenfalls eine Rolle.
Die Kälte- und Klimabranche befindet sich im Umbruch. Entscheider und Investoren müssen sich Gedanken um das Phase-Down-Szenario machen und sich auf den Einsatz neuer Kältemittel einstellen. Das Kältemittel R32 bietet im Hinblick auf die Reduzierung der Kältemittelmengen und die Diskussion über neue Kältemittel eine sichere und praktikable Lösung. Der Artikel klärt über die wichtigsten Aspekte der normenkonformen Installation von VRF-Klimaanlagen und Kaltwassersätzen mit dem Kältemittel R32 auf.
Um die Erderwärmung durch fluorhaltige Kältemittel (sogenannte F-Gase) zu reduzieren, hat die Europäische Union (EU) die Verordnung 517/2014, besser bekannt als F-Gase-Verordnung, erlassen. Durch die Verordnung soll die Emissionsreduktion fluorierter Treibhausgase durch drei wesentliche Regelungsansätze erreicht werden. Eine zentrale Rolle spielt die schrittweise Beschränkung (Phase-Down) der am Markt verfügbaren Mengen an teilfluorierten Kohlenwasserstoff en (HFKW) bis zum Jahr 2030 auf ein Fünft el der heutigen Verkaufsmengen.
Diese verschärft en Vorschrift en führen dazu, dass – wie von der EU beabsichtigt – etablierte Kältemittel mit vergleichsweise hohem GWP nach und nach vom Markt verdrängt werden. Das Kältemittel R32 ist die alternative Lösung für Anwendungen, in denen zuvor das Kältemittel R410A zum Einsatz kam. Mit einem GWP (Global-Warming-Potential) von 677 liegt es um etwa 2/3 unter dem GWP von R410A mit 2088. Neben einem geringeren GWP weist R32 zudem auch eine rund 20 % höhere volumetrische Kälteleistung gegenüber 410A sowie einen etwa 4,4 % höheren theoretischen COP (Coeffizient of Performance) auf.
Was bedeutet Sicherheitsgruppe A2L?
Die Verwendung von R32 in Reinform bringt viele Vorteile mit sich, birgt aber auch Risiken, die bei sachgemäßer Handhabung keine Gefahr darstellen. R32 ist in die Sicherheitsgruppe A2L eingestuft und gilt damit als schwer entflammbar. Sicherheitsgruppe A2L bedeutet, dass sich das Kältemittel unter bestimmten Umständen entzünden lässt, es jedoch sehr schwierig ist, eine Flamme aufrechtzuerhalten und auch die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Flamme sowie die Hitze entwicklung bei einer unkontrollierten Verbrennung verhältnismäßig gering ausfallen. Die Vor aussetzung für die Kategorie A2L ist von drei Faktoren abhängig: die untere Explosionsgrenze (LFL=Lower Flammable Limit), die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und die freigesetzte Verbrennungsenergie bei einer off enen Verbrennung.
Der LFL gibt das erforderliche Mischungsverhältnis von Kältemittel und Luft an, bei dem sich eine zündfähige Atmosphäre bilden könnte. Das Kältemittel R290 (Propan) der Sicherheitsklasse A3 benötigt z. B. nur eine Konzentration von 0,038 kg/m3, um mit selbstständiger Flammenausbreitung entzündet werden zu können. Bei R32 wird hingegen mehr als die 8-fache Menge benötigt (0,307 kg/m3). Des Weiteren verbrennt Propan ungefähr um den Faktor 5-mal heißer als dies bei R32 der Fall ist. Auch die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit liegt bei R32 unterhalb von 10 cm/s, was in etwa der Geschwindigkeit eines entspannten Spaziergangs entspricht.
Ein letzter Faktor ist die Zündenergie, die benötigt wird, um eine zündfähige Atmosphäre zum Entflammen zu bringen. Dieser Faktor ist zwar nicht ausschlaggebend für die Eingliederung in die Kategorie A2L, gibt jedoch Aufschluss über die Wahrscheinlichkeit, durch das Kältemittel ein unerwünschtes Szenario herbeizuführen. Die benötigte Zündenergie liegt bei R32 zwischen 30-100 mJ (je nach Umgebungstemperatur), das eine off ene Flamme oder einen stärkeren elektrischen Lichtbogen erfordert. Mechanische Funken oder kleinere elektrostatische Entladungen (z. B. verursacht durch einen Lichtschalter) sind nicht in der Lage das Kältemittel zum Entflammen zu bringen.
Aufstellort und Füllmenge sind entscheidend
Trotz des geringen Risikos erfordern die zuständigen Normen (DIN EN 378 und IEC 60335) entsprechende Füllmengenbeschränkungen und/oder zusätzliche Sicherheitsmaßnamen, insbesondere bei Ins tallationen innerhalb von Gebäuden. Die Art und Anzahl nach denen die zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen zu wählen sind, richten sich in erster Linie nach dem Verhältnis von Kältemittelfüllmenge und Volumen der betroff enen Räume. Die Anforderungen sind klar geregelt. Um die Sicherheit von Personen zu gewährleisten, müssen je nach Anwendung und Technologie die Regelwerke DIN EN 378 und IEC 60335-2-40 eingehalten werden.
Die Normen DIN EN 378 und IEC 60335 beinhalten Vorgaben zu sicherheitstechnischen und umweltrelevanten Anforderungen an Kälteanlagen und Wärmepumpen. Im Allgemeinen wird zwischen drei möglichen Aufstellungsbereichen diff erenziert. Außenaufstellung, Personenaufenthaltsbereich und Maschinenraum. Als Außenaufstellung gilt die Installation von Kältemittel führenden Bauteilen im Freien oder in einem Raum, bei dem mindestens eine der längeren Wände zu 75 % nach außen hin offen ist. Dazu zählen auch Lüftungsschlitze nach außen, die eine freie Fläche (A) von mindesten 75 % der Außenwände nach außen erfüllen.
Bei der Aufstellung im Freien ist die maximal mögliche Kältemittelfüllmenge bei der Verwendung von R32 unbegrenzt. Grundsätzlich ist zu beachten, dass das Kältemittel schwerer ist als Luft und sich in tiefergelegenen Bereichen ansammeln könnte. Sollten Anlagenbauteile im Freien an einem Ort aufgestellt werden, an dem sich freigesetztes Kältemittel in größeren Mengen ansammeln kann, wie in einem Schacht, muss eine mechanische Entlüftung (dauerhaft in Betrieb oder geregelt über einen Kältemitteldetektor) des Ortes vorgesehen werden, um keine Personen zu gefährden, die sich unter Umständen an diesem Ort aufhalten könnten.
Sobald Kältemittel führende Bauteile im Inneren von Gebäuden integriert werden, handelt es sich entweder um eine Ins tallation im Personenaufenthaltsbereich oder um einen sogenannten Maschinenraum. Somit wird bei der Aufstellung im Gebäude auch nicht unterschieden, ob es sich lediglich um einen Abstellraum oder um einen Veranstaltungssaal mit einer großen Anzahl an Personen handelt.
Bei Aufstellung von Anlagenbauteilen im Maschinenraum ist die maximale Kältemittelfüllmenge wie bei der Außenaufstellung unbegrenzt. Im Personenaufenthaltsbereich ist die maximale Kältemittelfüllmenge begrenzt, kann jedoch unter Anwendung von Risikomanagement auf bis zu 63 kg ausgedehnt werden. Welche und wie viele Maßnahmen vorzunehmen sind, richtet sich in erster Linie nach dem Verhältnis von Kältemittelfüllmenge und Raumvolumen. Andere Faktoren wie Einbauhöhe und Anzahl der Innengeräte spielen ebenfalls seine Rolle.
Sicherheitsvorkehrungen in Personenaufenthaltsbereichen
In Bild 4 sind die einzelnen Grenzwerte und Sicherheitszonen in Abhängigkeit von Raumvolumen und Kältemittelfüllmenge in Personenaufenthaltsbereichen zu sehen. Zu beachten sind die unterschiedlichen Grenzen: In der Zone, in denen kein Risikomanagement notwendig ist (grauer Bereich), verschiebt sich die Grenze je nach Einbauhöhe des Gerätes. Welche die jeweils zutreffende Zone für eine konkrete Anlage ist und welche Sicherheitsmaßnahmen in dieser Zone zu ergreifen sind, kann für den jeweils gegebenen Einzelfall rechnerisch ermittelt werden. Die Grenzwerte, mit denen die Zonen 1, 2 und 3 voneinander unterschieden werden, orientieren sich an der unteren Entflammbarkeitsgrenze von R32. So entspricht die Grenze zwischen Zone 1 und Zone 2 ungefähr 25 % und die Grenze zwischen Zone 2 und Zone 3 ungefähr 50 % der unteren Entflammbarkeitsgrenze (LFL).
Bei großen Raumvolumen stehen die Chancen relativ gut, dass keine zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen, da auch bei einer vollständigen Entleerung des Kältekreislaufs in den betreffenden Raum, theoretisch keine zündfähige Atmosphäre erzeugt werden kann. Im Bereich der Zone 1 sind daher keine zusätzlichen Maßnahmen seitens der Normen gefordert, sofern Anlagenbauteile über 1,8 m installiert sind.
Bei Installationen in Bodennähe wird das Kältemittel im Falle eine Leckage geringfügiger verdünnt als bei höher gelegenen Bauteilen. Es besteht deshalb die Gefahr, dass sich das Kältemittel in höheren Konzentrationen am Gerät ansammelt und den LFL an dieser Stelle überschreiten könnte. Um ein solches Szenario zu vermeiden, ist bei Installationen in Bodennähe eine mechanische Umluftvorrichtung notwendig, um Stagnation des Kältemittels zu verhindern. Im Bereich der Zone 2 und der Zone 3 gilt das Gleiche. Hier sind jedoch zusätzlich eine Sicherheitsvorkehrung (in Zone 2) bzw. zwei Sicherheitsvorkehrungen (in Zone 3) erforderlich.
Als zulässige Sicherheitsvorkehrung kann zwischen den Varianten „Mechanische Entlüftung“, „Sicherheitsabsperrventile“ und „Sicherheitsalarmvorrichtung“ gewählt werden. Diese Vorrichtungen werden i. d. R. über einen Kältemitteldetektor angesteuert und müssen bei Überschreitung von 25 % der unteren Entflammbarkeitsgrenze des Kältemittels ausgelöst werden.
Bilder: Mitsubishi Electric
