AutoExpert
Reklama
Reklama

Co dalej z CO2 w klimatyzacji?

Preview
Daimler AG
Maciej Blum
13.4.2021
Reklama
Reklama

O wykorzystaniu dwutlenku węgla jako czynnika chłodniczego zrobiło się głośno, kiedy Daimler przeprowadził próbę zderzeniową swojego pierwszego samochodu wyposażonego w nowy czynnik 1234yf. Czynnik się zapalił, co stało się podstawą do przyjęcia przez producenta mercedesów stanowiska:
nie zastosujemy tego czynnika, a w zamian użyjemy R744, czyli dwutlenku węgla.

Uupłynęło już 9 lat od pamiętnej afery z czynnikiem 1234yf, a producenci samochodów nadal nie mogą się przekonać do dwutlenku węgla. Jednym z czynników, które na to wpływają, jest na pewno cena. Koszt stworzenia nowego układu klimatyzacji do czynnika R744 (CO2) jest nieporównywalnie wyższy w porównaniu z dostosowaniem układu pracującego na R134a do pracy z 1234yf.

Reklama

W przypadku przejścia na 1234yf praktycznie nie było dodatkowych kosztów. Kompresor, parownik, skraplacz i zawór rozprężny pozostają niezmienione. Nowy w układzie jest tylko czynnik. Natomiast nieznacznej zmianie uległo ciśnienie robocze.

Preview
Sschemat układu klimatyzacji. Źródło: Schaeffler
Preview
Schemat układu z dodatkową funkcją ogrzewania (pompa ciepła). Źródło: Schaeffler

Największą przeszkodą w przypadku zastosowania dwutlenku węgla jest ilość czynnika w układzie i ewentualne niebezpieczeństwo, które wynika z rozszczelnienia się układu w kabinie. W takiej sytuacji cały zawarty w układzie dwutlenek węgla zostałby rozprężony wewnątrz kabiny, co spowodowałoby nadmierną koncentrację tego gazu. To oczywiście negatywnie wpłynęłoby na kierowcę, wywołując u niego senność.

W związku z tym układy wykorzystujące CO2 jako czynnik chłodniczy projektowano jako układy „podwójne”. Mają one dwa obiegi czynnika chłodniczego: jeden zewnętrzny – pod maską samochodu, a drugi wewnętrzny – w kabinie. Ten wewnętrzny obieg miał na tyle małą objętość gazu, że nawet w przypadku rozszczelnienia nie było niebezpieczeństwa dla kierowcy i pasażerów.

Powstały też układy o obiegu przypominającym dotychczasowe układy z czynnikiem R134a, jednak one także one nie znalazły szerszego zastosowania.

Reasumując, zastosowanie CO2 jako czynnika chłodniczego wymaga użycia nowego kompresora (wyższe ciśnienie czynnika), skraplacza, parownika, sterowania oraz dodatkowego wymiennika między częścią zewnętrzną układu a częścią kabinową.

W przypadku przejścia na 1234yf sprawa jest dużo prostsza (czytaj: tańsza). Wszystko pozostaje praktycznie po staremu, a jeśli pojawią się różnice, to są niewielkie i dotyczą nowej konstrukcji parownika.

Historia pokazuje jednak, że i 1234yf jest zagrożony. Działania na rzecz ochrony klimatu sukcesywnie wykluczyły poprzednie czynniki chłodnicze, tak samo jak wprowadziły nowe normy emisji spalin. Do lamusa przeszedł freon (R12), od 4 lat nie stosuje się już R134a, więc 1234yf też przejdzie do historii. To oznacza, że sensowne jest wdrażanie dwutlenku węgla (R744) jako czynnika o potencjale GWP czterokrotnie niższym niż 1234yf.

Charakterystyki niektórych gazów cieplarnianych
Nazwa HCFC (R12) HFC (R134a) CO2 (R744)
Szkodliwość dla warstwy ozonowej Tak Tak Nie (gaz naturalny)
Potencjał globalnego ocieplenia [GWP] GWP = 8100 GWP = 1300 GWP = 1
Emisja CO2 w trakcie użytkowania 2600 kg / samochód 2600 kg / samochód 1800 kg / samochód
Ekwiwalent CO2 GWP w trakcie cyklu użytkowania pojazdu   8100 kg / samochód   1300 kg / samochód   0,5 kg / samochód  
Suma   10 700 kg / samochód   3900 kg / samochód   1800,5 kg / samochód  

Ochrona klimatu

Reklama

Stosowanie czynnika chłodniczego CO2 w mobilnych systemach klimatyzacji jest przyjazną dla klimatu alternatywą dla obecnego czynnika chłodniczego – tetrafluoroetanu (R134a). Wpływ CO2 na klimat jest 1430 razy mniejszy niż R134a (GWP).

Dwutlenek węgla ma wysoką zdolność chłodzenia, jest niepalny, nie generuje produktów rozkładu i jest dostępny na całym świecie. Co najważniejsze – jest tani. Może być również używany do obsługi pomp ciepła w celu wydajnego ogrzewania zimą. Oszczędza w ten sposób energię podczas korzystania ze zintegrowanych systemów chłodzenia/ogrzewania.

W latach 2009–2017 Niemiecka Agencja Środowiska (UBA) korzystała z samochodu wyposażonego w system klimatyzacji CO2. Pomiary wykonane na prototypowym systemie do projektu badawczego Federalnego Ministerstwa Środowiska w Niemczech potwierdziły wysoką wydajność CO2 jako czynnika chłodniczego do klimatyzacji mobilnej.

System CO2 bardzo szybko chłodzi wnętrze pojazdu i jest energooszczędny. W europejskich warunkach klimatycznych system klimatyzacji z CO2 zużywa latem nawet mniej energii niż seryjnie produkowany system z czynnikiem R134a. Pomiary przeprowadzone przez Ogólnoniemiecki Automobilklub (ADAC) potwierdziły te ustalenia. Po przejechaniu przez pojazd 165 000 km sprężarka klimatyzacji CO2 – serce każdego układu klimatyzacji – działała sprawnie i nadal była szczelna.

Latem 2015 r. prototypowy mobilny system klimatyzacji w samochodzie UBA doposażono w nową sprężarkę CO2. Został zaprojektowany, aby spełnić najnowsze wymagania producenta w zakresie geometrii i wymiarów. W tym czasie wymieniono również wymiennik ciepła, ponieważ część prototypowa miała zewnętrzną korozję. Nowy komponent sprężarki CO2 udowodnił swoją solidność w codziennym użytkowaniu do końca eksploatacji samochodu wiosną 2017 r.

CO2 jako czynnik chłodniczy

Chociaż CO2 był realną opcją dla mobilnych systemów klimatyzacji już pod koniec lat 90. XX w., samochody wyposażone w systemy klimatyzacji CO2 ciągle są rzadkością na rynku. Jednym z powodów opóźnienia jest to, że system klimatyzacji z CO2 wymagał nowego opracowania i przetestowania odpornych na ciśnienie elementów dla nowego czynnika chłodniczego.

Pod koniec października 2016 r. pojawiły się pierwsze samochody z mobilną klimatyzacją na CO2. Obecnie jest ona oferowana w niektórych samochodach luksusowych niemieckich producentów, co oznacza, że ta technologia już wywalczyła sobie szersze zastosowanie w motoryzacji.

Zalety CO2 w klimatyzacji

Zasadniczo system klimatyzacji z CO2 działa w taki sam sposób jak dzisiejszy system klimatyzacji R134a czy 1234yf. Powietrze w kabinie jest schładzane poprzez odparowanie ciekłego czynnika chłodniczego, a następnie gazowy czynnik chłodniczy jest ponownie skraplany poprzez sprężanie i chłodzenie. Jednak proces ten odbywa się przy znacznie wyższym ciśnieniu: około 120 barów dla układu CO2 w porównaniu z maksymalnie 30 barów dla układu R134a.

Obecnie to ciśnienie jest bezpiecznie kontrolowane. Można również wykluczyć ryzyko szkodliwego stężenia CO2 w kabinie w przypadku wycieku z obwodu chłodniczego. W planach jest również monitorowanie wnętrza za pomocą czujnika CO2, trwają też prace nad dalszymi środkami bezpieczeństwa.

System klimatyzacji z CO2 zapewnia znacznie wyższy poziom komfortu niż systemy stosowane obecnie. W teście przeprowadzonym w klimatycznym tunelu aerodynamicznym firmy Behr (dziś MAHLE), w kabinie nagrzanej do 70°C, komfortową temperaturę poniżej 25°C osiągnięto już po 8 min, natomiast w systemie konwencjonalnym dopiero po 25 min, czyli 17 min później. Przy maksymalnym obciążeniu, np. podczas upałów w korku, system CO2 zawsze osiągał temperatury wewnętrzne niższe średnio o 4°C.

Ponadto system klimatyzacji CO2 można bardzo efektywnie wykorzystywać jako dodatkową grzałkę w trybie pracy pompy ciepła. W ten sposób można zlikwidować deficyt mocy grzewczej nowoczesnych silników wysokoprężnych i benzynowych DI.

WARTO WIEDZIEĆ
Nowy czynnik – nowy kompresor
Przy projektowaniu objętości skokowej sprężarki należy wziąć pod uwagę, że ze względu na większą gęstość CO2 geometryczne objętości tłoczenia są odpowiednio mniejsze.
Tylko około 13% przepływu objętościowego sprężarki czynnika chłodniczego R134a jest wymagane dla CO2 przy tej samej wydajności chłodniczej. Dzisiaj typową sprężarkę o pojemności 170 cm3 dla czynnika R134a można zastąpić sprężarką CO2 o pojemności 22 cm3 o tej samej wydajności. Wydajność chłodnicza dzisiejszych systemów klimatyzacji jest ograniczona przez objętość skokową sprężarki. Pojemność powyżej 170 cm³ nie jest obecnie możliwa, ponieważ w komorze silnika nie ma wystarczającej ilości miejsca na odpowiednio duże sprężarki. Sprężarki CO2 oferują tutaj nowe możliwości. Obecnie planuje się objętości skokowe do 33 cm³, co oznacza, że ​​dostępna jest o ok. 50% większa wydajność chłodnicza.

 

Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama