• 3 główne rozwiązania zamiast tradycyjnej klimatyzacji opartej na czynniku chłodniczym. 
• Kontrowersje przy wdrażaniu R1234yf – co wzbudzało największe emocje? Przeanalizuj międzynarodowe oceny ryzyka.  
• Poznaj zalety różnych rozwiązań w zakresie działania klimatyzacji, w tym R744 (CO₂) – eko, bezpieczny i optymalny sposób chłodzenia. Jednak niepozbawiony wad... 
• Co czeka warsztaty, które będą serwisować klimatyzacje? Nowe stacje do obsługi wyposażone w zaawansowane systemy bezpieczeństwa, nowe urządzenia, szkolenia dla pracowników etc. 
• Systemy poprawy jakości powietrza w kabinie mogą odpowiadać również za zapach panujący we wnętrzu pojazdu. 

Era tradycyjnych układów klimatyzacji samochodowej dobiega końca. Dyrektywa Unii Europejskiej 2006/40/WE – zwana Dyrektywą MAC (Mobile Air Conditioning) – zapoczątkowała rewolucję w branży motoryzacyjnej, wprowadzając rygorystyczne wymagania dotyczące czynników chłodniczych stosowanych w pojazdach. Od 2017 r. we wszystkich nowych samochodach muszą być stosowane czynniki chłodnicze o potencjale tworzenia efektu cieplarnianego (global warming potential – GWP) poniżej 150.

Oznacza to definitywny koniec dla powszechnie stosowanego dotąd czynnika R134a, którego GWP wynosi aż 1430. Dzisiejsze układy klimatyzacji nie są już prostymi systemami opartymi na jednym czynniku chłodniczym. Obecnie na rynku funkcjonują równolegle 3 główne rozwiązania:

• tradycyjne systemy z czynnikiem R134a (wciąż stosowane w starszych pojazdach),
• nowoczesne układy wykorzystujące R1234yf,
• najbardziej zaawansowane systemy oparte na dwutlenku węgla (CO2), oznaczenie R744.

Każdy z nich ma odmienne właściwości fizykochemiczne, wymaga dedykowanego sprzętu serwisowego oraz stawia przed mechanikami zupełnie nowe wyzwania.

R134a – Dlaczego zmiana była konieczna? 

Tradycyjnie stosowany czynnik chłodniczy R134a, choć technicznie efektywny, okazał się poważnym zagrożeniem dla środowiska ze względu na wysoki potencjał tworzenia efektu cieplarnianego wynoszący 1300–1430 razy więcej niż emisja CO₂. Według danych Międzynarodowej Agencji Energetycznej systemy klimatyzacji mobilnej (mobile air conditioning – MAC) odpowiadają za emisję ok. 420 mln ton ekwiwalentu CO₂ rocznie.

Stanowi to ponad 1% globalnych emisji związanych z energią. Badania naukowe pokazują, że emisje R134a na świecie stale rosły – od ok. 19 Gg (gigagramów) w 1995 r. do 167 Gg w 2010 r., z czego sektor klimatyzacji mobilnej był dominującym źródłem. Co więcej: letnie emisje tego czynnika są nawet 2–3 razy wyższe niż emisje zimowe, co wynika głównie z intensywniejszego użytkowania klimatyzacji w pojazdach i zwiększonej prężności par czynnika w wysokich temperaturach.

Prognozy wskazywały, że jeśli nie nastąpią radykalne zmiany prawne, to do 2050 r. łączne emisje z zużycia energii i wycieków czynników chłodniczych mogłyby potroić się do 1300 mln ton ekwiwalentu CO_2. W odpowiedzi na to zagrożenie Unia Europejska wprowadziła regulacje, które zakazują stosowania czynnika R134a w nowych modelach pojazdów od 2011 r., a całkowity zakaz jego stosowania w nowych systemach MAC wszedł w życie w 2017 r.

Stopniowa eliminacja R134a i innych czynników o wysokim GWP ma doprowadzić do redukcji emisji fluorowanych gazów cieplarnianych do 2030 r. o ok. 79% w porównaniu z 2015 r. Wynikiem tych regulacji jest przejście na alternatywne czynniki chłodnicze o niskim GWP, takie jak R1234yf (GWP = 4, czyli ponad 300 razy niższy niż R134a) oraz R744 (CO₂ jako czynnik chłodniczy o GWP = 1). Warto podkreślić, że mimo wycofywania R134a z nowych pojazdów czynnik ten będzie obecny w warsztatach samochodowych jeszcze przez wiele lat. Wynika to z konieczności serwisowania starszych samochodów.

R1234yf – kompromis między tradycją a innowacją 

Czynnik R1234yf stał się pierwszym szeroko stosowanym zamiennikiem R134a. Należący do grupy hydrofluoroolefin (HFO), ma właściwości termodynamiczne podobne do swojego poprzednika. Oznacza to, że dla mechaników obsługa systemów jest zbliżona do tej, którą znają z R134a. Najważniejszą zaletą R1234yf jest jego minimalny wpływ na środowisko. Jego potencjał tworzenia efektu cieplarnianego wynosi zaledwie 4 (w porównaniu z 1430 dla R134a), a czas życia w atmosferze to jedynie 11 dni (vs 14 lat dla R134a).

Wdrożenie R1234yf nie obyło się jednak bez kontrowersji. Głównym problemem jest jego palność – w przeciwieństwie do niepalnego R134a nowy czynnik może się zapalić w określonych warunkach. Jego temperatura samozapłonu wynosi ok. 405°C. Wzbudziło to obawy dotyczące bezpieczeństwa, szczególnie w przypadku wypadków drogowych. Wątpliwości zgłaszali zwłaszcza producenci samochodów, którzy początkowo byli przeciwni wprowadzeniu tego czynnika.

Mimo początkowych obaw liczne testy bezpieczeństwa wykazały, że ryzyko związane z palnością R1234yf jest akceptowalne. Międzynarodowe oceny ryzyka – przeprowadzone przez SAE (Society of Automotive Engineers) we współpracy z niezależnymi instytutami – potwierdziły, że palność i potencjalna toksyczność produktów rozkładu są całkowicie kontrolowane w warunkach rzeczywistego użytkowania pojazdu.

R744 (CO₂) – najbardziej zaawansowane rozwiązanie 

Najbardziej innowacyjnym rozwiązaniem w klimatyzacji samochodowej i drugim zamiennikiem R134a jest wykorzystanie jako czynnika chłodniczego dwutlenku węgla (R744). To rozwiązanie, wprowadzone po raz pierwszy w Audi A8 (typ 4N), wyznacza nowe standardy w branży automotive. Czynnik R744 różni się fundamentalnie od tradycyjnych czynników chłodniczych. Jest substancją naturalną, nie zawiera fluoru ani chloru, nie niszczy warstwy ozonowej i ma zerowy wpływ na efekt cieplarniany (kiedy jest używany w obiegu zamkniętym).

Dwutlenek węgla jest niepalny, chemicznie obojętny, a co najważniejsze – powszechnie dostępny po niskich kosztach. Systemy, w których wykorzystuje się CO₂ pracują jednak z ciśnieniem około 10-krotnie wyższym niż tradycyjne układy klimatyzacji. Wymagają też innego podejścia konstrukcyjnego, ponieważ molekuły CO₂ są mniejsze niż cząsteczki innych czynników chłodniczych, co zwiększa ryzyko nieszczelności. Układ chłodzenia (w którym jako czynnik chłodniczy zastosowano CO₂) pracuje również w unikatowym „stanie nadkrytycznym” przy temperaturach powyżej 31,1°C i ciśnieniu 73,8 bar, co wprowadza dodatkowe wyzwania techniczne.

Mimo tych komplikacji czynnik chłodniczy CO₂ oferuje znaczące korzyści:

• jest całkowicie bezpieczny w przypadku wypadków (brak palności),
• ma zerowy potencjał niszczenia warstwy ozonowej (ozone depletion potential – ODP),
• jako substancja naturalna nie podlega restrykcyjnym regulacjom dotyczącym odzysku i utylizacji, 
• harakteryzuje się wysoką efektywnością energetyczną dzięki większej gęstości energii.

Implikacje dla warsztatów samochodowych 

Wprowadzenie nowych czynników chłodniczych stawia przed warsztatami samochodowymi wiele wyzwań. Każdy z trzech systemów wymaga dedykowanego sprzętu serwisowego, odpowiednich procedur i specjalistycznej wiedzy technicznej.

Nowe stacje do obsługi klimatyzacji

Do obsługi systemów z R1234yf konieczne jest zastosowanie całkowicie nowych stacji do obsługi klimatyzacji, wyposażonych w zaawansowane systemy bezpieczeństwa. Urządzenia te mają m.in. ciągłą wentylację obudowy, która zapobiega gromadzeniu się palnego czynnika w przypadku wycieku. Stacje przeprowadzają również automatyczną analizę czystości czynnika chłodniczego przed rozpoczęciem pracy, aby zapobiec zanieczyszczeniu układu.

Podobnie obsługa systemów z CO₂ wymaga dedykowanych urządzeń, zdolnych do pracy z ekstremalnie wysokimi ciśnieniami. Wyzwaniem jest również płukanie takich układów – ze względu na właściwości CO₂, który w normalnych warunkach ciśnienia nie występuje w stanie ciekłym, konieczne jest stosowanie tradycyjnych czynników (R134a lub R1234yf) z odpowiednimi adapterami.

Bezpieczeństwo pracy

Praca z nowymi czynnikami wymaga szczególnej uwagi w zakresie bezpieczeństwa. W przypadku R1234yf niezbędne jest zapewnienie odpowiedniej wentylacji pomieszczeń warsztatowych, aby zapobiec tworzeniu się stężeń czynnika zdolnych do zapłonu. Podczas prac serwisowych należy też unikać wysokich temperatur, które mogłyby prowadzić do rozkładu czynnika i tworzenia niebezpiecznych produktów, takich jak fluorowodór (HF).

Z kolei CO₂ (R744) stwarza inne zagrożenia – jako gaz cięższy od powietrza może gromadzić się w niżej położonych obszarach, takich jak kanały serwisowe, wypierając tlen i stwarzając ryzyko utraty przytomności i uduszenia.

Procedury diagnostyczne i naprawcze

Diagnostyka i naprawa nowoczesnych układów klimatyzacji w pojazdach wymaga zupełnie nowego podejścia. Każdy element układu musi być dokładnie sprawdzony, a przy wykonywaniu napraw konieczne jest stosowanie oryginalnych części i materiałów. Szczególnie istotna jest precyzja podczas wymiany przewodów klimatyzacji lub ich końcówek. W przypadku systemów CO₂ wymagana jest absolutna czystość i dokładność montażu uszczelnień.

Jeszcze bardziej wymagająca w przypadku systemów CO₂ jest diagnostyka wycieków. Ze względu na znacznie wyższe ciśnienie robocze i mniejsze molekuły czynnika nieszczelności mogą występować nawet w miejscach, które byłyby szczelne dla pozostałych czynników. Dodatkowo wykrywanie wycieków CO₂ jest utrudnione ze względu na naturalną obecność tego gazu w atmosferze. Konieczne jest stosowanie specjalistycznych detektorów, które wykrywają niewielkie zmiany stężenia CO₂ w bezpośrednim otoczeniu badanego komponentu.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Inne

Czynnik chłodniczy wciąż problematyczny

Czy użycie niewłaściwego czynnika może przyczynić się do uszkodzenia klimatyzacji?

Również procedury naprawcze znacząco różnią się w zależności od typu czynnika. Podczas napraw systemów R1234yf kluczowe jest zachowanie czystości układu i stosowanie tylko zatwierdzonych olejów i dodatków. Każda wymiana komponentu wymaga ponownego napełnienia układu i dokładnej kontroli szczelności. Szczególnie wymagająca jest naprawa systemów CO₂.

Podczas każdej ingerencji w przewody czynnika chłodniczego – zwłaszcza w obrębie króćców serwisowych – konieczna jest wymiana uszczelnień, zaworu (lub jego wkładu) oraz elementu zabezpieczającego przed utratą czynnika, takiego jak nakrętka z uszczelką lub kapturek. Kluczowe znaczenie ma dokręcenie połączeń z odpowiednim momentem obrotowym – zarówno zbyt słabe, jak i zbyt mocne dokręcenie może prowadzić do nieszczelności.

Zmianie uległy również wymagania dotyczące olejów i dodatków, które są stosowane w systemach klimatyzacji. Zarówno R1234yf, jak i R744 wymagają specyficznych olejów, a ich mieszanie może prowadzić do poważnych uszkodzeń układu. Mechanicy muszą ściśle przestrzegać zaleceń producentów dotyczących stosowanych materiałów eksploatacyjnych.

Systemy klimatyzacji w pojazdach elektrycznych i hybrydowych 

Kolejnym obszarem rewolucyjnych zmian są systemy klimatyzacji w pojazdach z napędem elektrycznym i hybrydowym. Tradycyjne podejście do ogrzewania wnętrza opartego na cieple odpadowym z silnika spalinowego już nie wystarcza w pojazdach elektrycznych, które wytwarzają znacznie mniej ciepła odpadowego. Wyzwaniem dla pojazdów elektrycznych stało się więc ogrzewanie wnętrza bez znaczącego ograniczania zasięgu.

Proste rozwiązanie w postaci elektrycznych grzałek PTC (positive temperature coefficient – dodatni współczynnik temperaturowy) jest bardzo energochłonne. W przypadku samochodów elektrycznych może to oznaczać zmniejszenie zasięgu nawet o 30–40% w warunkach zimowych. W nowoczesnych pojazdach elektrycznych stosuje się pompy ciepła, które wykorzystują ciepło odpadowe z komponentów układu napędowego.

Technologia ta pozwala na podniesienie temperatury odzyskanego ciepła do poziomu użytecznego do ogrzewania kabiny. System współdziała z elektryczną sprężarką klimatyzacji i ogrzewaniem wysokonapięciowym, umożliwiając również wstępne ogrzanie lub schłodzenie wnętrza przed rozpoczęciem jazdy. Zarządzanie termiczne w takich pojazdach obejmuje kilka obiegów, które pracują w różnych zakresach temperatur:

• obieg wysokotemperaturowy (do 110°C) – odpowiada za chłodzenie silnika spalinowego (w hybrydach), skrzyni biegów i ogrzewanie wnętrza, 
• obieg niskotemperaturowy – reguluje temperaturę silnika elektrycznego, układów energoelektroniki, akumulatora wysokonapięciowego (high voltage – HV) i komponentów ładowania,
• obieg czynnika chłodniczego – służy głównie do chłodzenia kabiny, a w zaawansowanych systemach wspomaga także chłodzenie akumulatora trakcyjnego poprzez wymiennik ciepła.

Całością zarządza zaawansowany sterownik, który koordynuje pracę ponad 200 możliwych stanów przełączenia, aby zapewnić optymalną temperaturę wszystkich komponentów przy maksymalnej efektywności energetycznej. Sterownik ten wykorzystuje dane z wielu czujników – w tym czujników ciśnienia i temperatury czynnika chłodniczego – oraz dostosowuje strategię pracy układu do aktualnych warunków otoczenia i potrzeb użytkownika.

Systemy poprawy jakości powietrza w kabinie pojazdu 

Nowoczesne systemy klimatyzacji to nie tylko chłodzenie i ogrzewanie – coraz większą rolę odgrywają w nich funkcje poprawy jakości powietrza. W luksusowych modelach pojazdów montowane są systemy jonizacji powietrza, które ładują ujemnie cząsteczki powietrza przed ich wprowadzeniem do wnętrza. Ujemnie naładowane jony pomagają zmniejszyć ilość szkodliwych cząstek i drobnoustrojów w powietrzu, podnosząc komfort i bezpieczeństwo pasażerów.

System ten współpracuje również z czujnikami stężenia CO₂ we wnętrzu kabiny pojazdu, które w przypadku wykrycia podwyższonego poziomu tego gazu automatycznie zwiększają dopływ świeżego powietrza. Niektóre modele premium oferują również systemy zapachowe, które wprowadzają do wnętrza delikatne aromaty. W takich pojazdach kierowca może wybierać między zapachem letnim a zimowym, a także regulować intensywność aromatyzacji za pomocą systemu multimedialnego.

Przyszłość układów klimatyzacji i chłodzenia w motoryzacji 

Systemy klimatyzacji w pojazdach będą coraz bardziej zintegrowane z innymi układami – szczególnie w samochodach elektrycznych, w których efektywne zarządzanie energią ma kluczowe znaczenie dla zasięgu. Coraz większą rolę odegrają układy oparte na CO₂, które – mimo większej złożoności – oferują optymalny kompromis między wydajnością, bezpieczeństwem a ochroną środowiska. Ta technologia będzie stopniowo przechodzić z segmentu premium do pojazdów popularnych. Duży potencjał rozwoju mają też inteligentne systemy zarządzania temperaturą i jakością powietrza w kabinie, wykorzystujące dane z czujników (m.in. temperatura zewnętrzna, nasłonecznienie, jakość powietrza, liczba pasażerów) i algorytmy uczenia maszynowego do optymalizacji komfortu przy minimalnym zużyciu energii.

Wywzwania dla warsztatów i mechaników 

Rosnąca złożoność systemów klimatyzacji stawia przed warsztatami samochodowymi bezprecedensowe wyzwania. Konieczne staje się inwestowanie w nowe urządzenia diagnostyczne i serwisowe, a także w ciągłe szkolenie personelu. Nowoczesny mechanik pracujący z systemami klimatyzacji musi mieć wiedzę z zakresu mechaniki, elektroniki, hydrauliki, a nawet termodynamiki. Dotyczy to szczególnie pojazdów elektrycznych, w których systemy klimatyzacji są ściśle zintegrowane z układem napędowym i zarządzaniem energią.

Dla warsztatów oznacza to konieczność specjalizacji i inwestycji w nowy sprzęt. Już dziś, aby zapewnić serwis klimatyzacji we wszystkich popularnych typach pojazdów (czynniki: R134a, R1234yf, R744), warsztaty muszą dysponować odpowiednimi stacjami do obsługi kliamatyzacji – co oznacza istotny koszt inwestycyjny. Rewolucja w dziedzinie czynników chłodniczych i systemów klimatyzacji samochodowej to nie tylko wyzwanie techniczne, ale też szansa na rozwój branży.

Warsztaty, które najszybciej dostosują się o nowych wymagań, zdobędą przewagę konkurencyjną na rynku. Kluczem do sukcesu będzie ciągłe podnoszenie kwalifikacji i śledzenie najnowszych trendów. Mechanicy muszą być przygotowani na pracę z nowymi technologiami, takimi jak systemy CO₂ czy pompy ciepła w pojazdach elektrycznych, które wymagają zupełnie nowego podejścia do diagnostyki i napraw.

Podstawowa zasada działania klimatyzacji pozostaje niezmienna – odbiór ciepła przez czynnik chłodniczy podczas zmiany jego stanu skupienia – jednak sposób jej stosowania zmienia się jednak drastycznie. Układy stają się bardziej złożone, zintegrowane z innymi systemami pojazdu i wymagają holistycznego podejścia do diagnostyki.

Źródło: Materiały redakcyjne