Czynniki chłodnicze w klimatyzacji – systematyka i właściwości, wymagania prawne i możliwości wymiany

W chłodnictwie i klimatyzacji dokonuje się właśnie cicha rewolucja. Jest nią zmiana w podejściu do czynników chłodniczych, przejawiająca się w odpowiednim prawodawstwie, które nakazuje stopniową rezygnację z czynników uznanych za szkodliwe dla środowiska i przejście na takie, które środowisku nie szkodzą w ogóle, lub bardzo mało. To w zasadniczy sposób zmieniło systematykę tych związków.

Fot. 1. Klimatyzacja i wentylacja przemysłowa bazuje na innych czynnikach niż małe instalacje. Fot. PIXABAY.COM
Fot. 1. Klimatyzacja i wentylacja przemysłowa bazuje na innych czynnikach niż małe instalacje. Fot. PIXABAY.COM

Typologia czynników używanych w chłodnictwie nie jest oczywista, gdyż dzieli się je zarówno w oparciu o ich skład i właściwości chemiczne, jak też właściwości fizyczne (termodynamika) oraz z punktu widzenia ich wpływu na środowisko, a szczególnie na atmosferę i jej poszczególne składniki. Zależnie więc od tego, jakie kryterium zostaje przyjęte, przechodzi się do stosownej systematyki cechującej się własną logiką i nomenklaturą. Zanim jednak zostanie to pokrótce omówione, warto przypomnieć sobie czym w gruncie rzeczy są czynniki chłodnicze.

Systematyka czynników chłodniczych i ich właściwości

Najogólniej rzecz ujmując za czynniki chłodnicze uznaje się związki chemiczne lub ich mieszaniny (w postaci płynnej) o właściwościach termodynamicznych, pozwalających wykorzystywać je w procesach wymiany ciepła w urządzeniach chłodniczych. Dzięki termodynamicznym właściwościom, substancje te w niskich temperaturach i przy niskim ciśnieniu wrzą i jednocześnie pobierają z otoczenia ciepło, które następnie podczas skraplania – w wysokiej temperaturze i przy wysokim ciśnieniu – oddają do otoczenia, obniżając własną temperaturę i powracając do pierwotnego niskiego ciśnienia. Kluczowe jest tu ciśnienie i jego cykliczna zmiana: naprzemienne sprężanie i rozprężanie wywołuje pobieranie i oddawanie ciepła. Taka właściwość termodynamiczna przynależy do wielu płynów roboczych, zarówno naturalnych jak i syntetycznych, co sprawiło, że znalazły zastosowanie w urządzeniach chłodniczych w dość pokaźnej liczbie. Oczywiście czynniki chłodnicze muszą spełniać również szereg innych warunków, takich jak atoksyczność, czy ograniczona palność i wybuchowość, ale kluczowa jest ich zdolność do pobierania, a następnie oddawania ciepła pod wpływem odpowiednio modulowanego ciśnienia. Z punktu widzenia nauk chemicznych czynniki chłodnicze dzieli się na dwie główne grupy, jakimi są czynniki syntetyczne (nie występujące w naturze) oraz naturalne.

Fot. 2. Rynek klimatyzacji komfortu jest w trakcie przesiadki na ekologiczne czynniki chłodnicze. Fot. PIXABAY.COM
Fot. 2. Rynek klimatyzacji komfortu jest w trakcie przesiadki na ekologiczne czynniki chłodnicze. Fot. PIXABAY.COM

W obrębie każdej z grup wyróżnia się kilka podgrup. Zyskujące dziś na znaczeniu czynniki naturalne systematyka dzieli dalej na organiczne (węglowodory czyste i ich mieszaniny) oraz nieorganiczne, wśród których najważniejsze to amoniak (kod R717), CO2 (R744) i woda lodowa z zawartym w niej glikolem. Natomiast od dawna stosowane już – i dziś w sporym zakresie porzucane – czynniki z grupy syntetycznych, dzieli się na jednorodne, na które składają się węglowodory z grupy freonów oraz na niejednorodne, czyli złożone z kilku czynników o identycznej lub różnej lotności (co skutkuje izotermicznym lub nieizotermicznym parowaniem). Warto zwrócić w tym miejscu uwagę na pojawiające się kodowanie z literą R (od angielskiego refrigerant, co można tłumaczyć jako „ziębnicz” lub po prostu „czynnik chłodniczy”) i sekwencją liczb. System tych kodów opiera się na normie ISO 817 i w dużym skrócie zawiera w sobie informacje o strukturze atomowej poszczególnych czynników chłodniczych, wskazując na ilości atomów węgla, wodoru i fluoru.

W latach 90-tych ubiegłego stulecia dużym problemem stał się wyraźny zanik warstwy ozonowej w stratosferze, za który odpowiedzialnością w sporej mierze obarczono składniki czynników chłodniczych uwalnianych do atmosfery, z freonem, chlorem i bromem na czele. Sytuacja wywołała międzynarodową dyskusję na temat wpływu czynników chłodniczych na środowisko jako całość i zaowocowała opracowaniem zupełnie osobnej systematyki, która pozwoliła uszeregować czynniki według ich potencjalnego wpływu na warstwę ozonową. Dziś właśnie ta systematyka jest kluczowa i obowiązująca przy określaniu kategorii dla każdego czynnika chłodniczego, co prezentuje poniższa tabela:

Źródło: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego
Grupa czynnikówWskaźnik ODP (siła niszczenia warstwy ozonowej)Przykładowe czynniki
CFC – w pełni halogenowane pochodne węglowodorów, w których wszystkie atomy wodoru zastąpiono atomami m.in. fluoru i chloru. Użycie ich w nowych instalacjach jest zakazane z powodu wysokiego ODP.Wysoki na skutek rozpadu czynników w warstwie ozonowejR11, R12, R133, R113, R114, R115
HCFC – bardzo podobne do CFC, z tym że posiadają atomy wodoru, przez co ich ODP jest znacznie niższe. Do niedawna dopuszczalne w nowych instalacjach, dziś już nie.Średni na skutek dużego rozkładu częściowego w niższych warstwach atmosferyR22, R123
HFC – nie w pełni halogenowane pochodne węglowodorów. Nie zawierają chloru bądź bromu. Chemicznie są bardzo stabilne a ich ODP jest zerowe. Natomiast silnie wpływają na wzrost efektu cieplarnianego (wysokie GWP)Zerowy (brak zagrożenia dla warstwy ozonowej)R134a, R23, R152a, R32
HBFC – stanowią odpowiednik kategorii HFC wzbogacony o atomy bromu. Nie zagrażają warstwie ozonowej.Zerowy (brak zagrożenia dla warstwy ozonowej)R12B1, R13B1, R114B2, R22B1
FC – pochodne węglowodorów w których wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami fluoru. Są bezpieczne dla warstwy ozonowej.Zerowy (brak zagrożenia dla warstwy ozonowej)R218
HC – czynniki naturalne z grupy węglowodorów, uznawane za najbardziej ekologiczne czynniki chłodnicze.Zerowy (brak zagrożenia dla warstwy ozonowej)R717, R290, R600a, R744
HFO – hyfrofluoro-olefiny na bazie fluoru. Przypominają pochodne węglowodorów HFC, lecz w odróżnieniu od nich tu atomy węgla mają co najmniej jedno podwójne wiązanie między sobą. Uznawane są za bardzo ekologiczne czynniki.Zerowy (brak zagrożenia dla warstwy ozonowej)R1234yf, R1234ze

Uważny czytelnik już zapewne zauważył, że czynniki z kategorii CFC i HCFC mają negatywny wpływ na warstwę ozonową ziemskiej atmosfery, w przeciwieństwie do pozostałych kategorii. Fakt ten jest przyczyną uchwalenia i wdrożenia do porządków prawnych poszczególnych krajów UE stosownych ustaw, które zabroniły wykorzystywania tych czynników chłodniczych w nowych instalacjach i nowo produkowanych urządzeniach, takich jak choćby domowe klimatyzatory czy klimatyzacje we wszelkiego rodzaju pojazdach. Podobny los czeka kategorię HFC, która obejmuje czynniki co prawda bezpieczne dla warstwy ozonowej, za to wpływające dodatnio na podnoszenie się średniej temperatury na ziemi (wzmacnianie efektu cieplarnianego). Przed omówieniem otoczki prawnej wokół czynników chłodniczych, warto przyjrzeć się bliżej dwóm ostatnim kategoriom czynników, które zdają się obejmować palmę pierwszeństwa na terenie Unii Europejskiej.

Fot. 3. Cząsteczka NH3 czyli amoniaku - naturalnego czynnika chłodniczego o zerowym GWP i ODP. Fot. PIXABAY.COM
Fot. 3. Cząsteczka NH3 czyli amoniaku – naturalnego czynnika chłodniczego o zerowym GWP i ODP. Fot. PIXABAY.COM

Ponieważ dokładne przeanalizowanie każdej z wymienionych w tabeli kategorii wymagałoby znacznego zwiększenia objętości niniejszej analizy oraz z uwagi na najlepsze perspektywy dla czynników z kategorii HC i HFO, to właśni im zostanie poświęcone kilkanaście dodatkowych linijek poniższego tekstu. W kategorii HC chyba najpowszechniejszymi czynnikami są R290 i R600a. Ten pierwszy to propan stosowany w przemysłowych instalacjach chłodniczych, systemach klimatyzacji dużych biur lub domów 1-rodzinnych oraz sklepów. Jest czysto organicznym związkiem, którego popularność rośnie z powodu świetnych parametrów termodynamicznych oraz słabego, niemal zerowego oddziaływania na środowisko. Jest nietoksycznym czynnikiem o zerowym ODP i bardzo niskim wskaźniku GWP (Global Warming Potential), co oznacza że nie niszczy warstwy ozonowej, za to delikatnie może wpływać na podnoszenie się średniej temperatury na ziemi, czyli zwiększać efekt cieplarniany.

Fot. 4. Model U-Crown to przykład instalacji w której stosować można tylko czynniki o wskaźniku GWP do 750. Fot. GREE
Fot. 4. Model U-Crown to przykład instalacji w której stosować można tylko czynniki o wskaźniku GWP do 750. Fot. GREE

Wadą tego czynnika jest jego silna wybuchowość w postaci gazowej, dlatego nie może zastępować wycofanych czynników z kategorii fluorowęglowodorowej (CFC). W odróżnieniu od R290, czynnik R600a – czyli izobutan – znajduje zastosowanie głównie w małych instalacjach, w małych lodówkach przemysłowych i zwykłych lodówkach domowych. Jest podobnie nieszkodliwy dla środowiska i cechuje się niską wartością ciśnienia skraplania, co oznacza mniejsze koszty funkcjonowania urządzeń chłodniczych. Jego podstawową wadą jest wysoka łatwopalność, lecz nie jest to problem dużego kalibru, gdyż ilości nabicia tego czynnika w instalacjach w których pracuje są relatywnie małe. Kategorię czynników HFO reprezentuje głównie R1234yf, stosowany powszechnie m.in. w układach klimatyzacji samochodowych oraz domowych lodówkach.

Jego współczynnik ODP jest zerowy, zaś GWP minimalne. Ma wysoką wydajność chłodniczą, jest jednorodny (nie jest mieszaniną związków), nietoksyczny i trudnopalny, natomiast dość silnie wybuchowy. W przypadku zapłonu emituje trujące związki fluoru i właśnie z tego względu – oraz z uwagi na pewien stopień palności – toczą się wokół niego dyskusje co do zasadności jego stosowania. Mimo to dominuje on w układach klimatyzacji samochodowych, choć jego cena zawrotnie urosła z powodu monopolu dwóch amerykańskich firm na jego produkcję.

Fot. 5. Dystrybucja czynników chłodniczych prowadzona jest przy wykorzystaniu specjalnych butli. Fot. PIXABAY.COM
Fot. 5. Dystrybucja czynników chłodniczych prowadzona jest przy wykorzystaniu specjalnych butli. Fot. PIXABAY.COM

Wymagania prawne wobec czynników chłodniczych

Podstawą prawną dla stosowania czynników chłodniczych w UE (a więc i w Polsce) jest Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady nr 1005/2009 z dnia 16 września 2009 r. dotyczące substancji zubożających warstwę ozonową. Już sama nazwa zdradza co było priorytetem przy ustalaniu przepisów zawartych w tym rozporządzeniu. Bezpośrednim efektem przyjęcia tego aktu prawnego był zakaz sprzedaży pierwotnych czynników z grupy HCFC już od 1 stycznia 2010 roku. Identycznie zresztą z odzyskanymi czynnikami z tej kategorii, których nie poddano procesowi regeneracji. Wdrożenie tego rozporządzenia było de facto uderzeniem w czynnik R22, który dekadę temu był najpowszechniejszym płynem roboczym w krajach UE, z jednym wspomnianym wyżej zastrzeżeniem – nie obejmowało to jego postaci po regeneracji, czyli po kompleksowym oczyszczeniu potwierdzonym w Polsce certyfikatem Fundacji Ochrony Warstwy Ozonowej PROZON. Na gruncie krajowego prawodawstwa trzeba ponadto wskazać na tzw. ustawę o F-gazach z dnia 15 maja 2015, opierającą się na starym rozporządzeniu UE z 2006 roku, które straciło moc na rok przed wejściem w życie polskiej ustawy. Ta paradoksalna sytuacja wymagała od samego początku naprawienia, co nastąpiło w lipcu 2017 roku, kiedy to Sejm przyjął nowelizację ustawy o F-gazach. Podobne działania nastąpiły w porządkach prawnych pozostałych krajów członkowskich UE, co rozpoczęło proces stopniowej eliminacji czynników szkodliwych dla środowiska z rynku europejskiego, o czym w pewnej mierze traktuje następny rozdział.

Fot. 6. Klimatyzatory typu SPLIT są wtrakcie przechodzenia na czynnik R32 który zastępuje wycofywany R410a. Fot. GREE
Fot. 6. Klimatyzatory typu SPLIT są wtrakcie przechodzenia na czynnik R32 który zastępuje wycofywany R410a. Fot. GREE

Wymiana czynników

Wymiana czynników starych generacji na czynniki nowych generacji, a więc głownie tych z kategorii HC i HFO nie jest sprawą prostą. Nawet jeśli niektóre czynniki są dość podobne do tych wycofywanych i w dużym stopniu stanowić mogą ich zamienniki, to jednak stosowanie ich równolegle w tym samym czasie nie jest dozwolone. Za przykład może posłużyć opisany wcześniej czynnik R1234yf z kategorii HFO, który niejako zastąpił czynnik R134a. Jest on faktycznie świetnym zamiennikiem dla R134a, lecz nie do końca kompatybilnym, co oznacza, że przed nabiciem instalacji nowym czynnikiem, trzeba wpierw całkowicie pozbyć się z niej starego czynnika – innej ścieżki nie ma. Przy tym wszystkim warto zauważyć jeden fakt: wycofywany R134a nadal świetnie funkcjonuje na rynku, gdyż sięgają po niego serwisanci. Wynika to z tego, że duża część czynników nie może być już stosowana w nowych urządzeniach, lecz prawo unijne pozwala na korzystanie z nich – przynajmniej do pewnego momentu – przez zakłady serwisowe. Ciekawa jest też sytuacja czynnika R410a z kategorii HFC, który z uwagi na wysoki stopień wskaźnika GWP ma być wycofany do 2022 roku. W swoim czasie ten syntetyczny azeotrop (mieszanina R32 i R125 w proporcjach 1:1) był powszechnie stosowany w domowych i biurowych instalacjach klimatyzacyjnych, gdyż wydawał się idealnym zamiennikiem dla R22 i R13b1 z kategorii HCFC.

I faktycznie nim był – m.in. z uwagi na jego nietoksyczność, zdatność do pracy w układach niskotemperaturowych i mały poślizg temperatury. Jednak wysoki GWP stał się argumentem dyskwalifikującym go, co oznacza, że już kilka lat temu rozpoczęto gorączkowe poszukiwania jego zamiennika, którym okazał się R32 – jeszcze niedawno bardzo drogi, dziś już cenowo konkurencyjny wobec R410a. Warto w tym miejscu zauważyć, że R32 jest czynnikiem o istotnie niskim GWP, o dużej łatwości odzysku dla ponownego wykorzystania i wymagającym o około 30% mniej napełnienia – w stosunku do R410a – przy zachowaniu identycznej wydajności instalacji. Jeśli chodzi o naturalne i preferowane przez prawodawstwo unijne czynniki, nie sposób pominąć milczeniem R744, który jest niczym innym jak dwutlenkiem węgla – całkowicie ekologicznym czynnikiem stosowanym już od wielu lat przez sieci handlowe w ich schładzarkach. Wydaje się on rozsądnym zamiennikiem dla czynników takich jak R22, R404a i R507 i największą karierę wróży mu się w tzw. klimatyzacji komfortu, czyli w instalacjach domowych lub biurowych. Podsumowując można właściwie uznać, że od około pięciu lat i przez jeszcze kolejne pięć będziemy świadkami zmiany warty w świecie czynników chłodniczych, co oznacza mocne wejście związków z kategorii HFO w miejsce HFC. To sytuacja podobna do tej sprzed 20 lat, gdy czynniki HFC wypierały czynniki CFC, z tą różnicą, że teraz powinno być nieco łatwiej z uwagi na spore podobieństwa obu kategorii czynników (praca instalacji na tych samych olejach, materiałach i osprzęcie serwisowym).

Fot. 7. Od przyszłego roku obowiązywać będzie zakaz nabijania nowych urządzeń czynnikami R404a i R507. Fot. ADOBESTOCK
Fot. 7. Od przyszłego roku obowiązywać będzie zakaz nabijania nowych urządzeń czynnikami R404a i R507. Fot. ADOBESTOCK

Podsumowanie

Sytuacja związana z czynnikami chłodniczymi jest dynamiczna. Od strony prawa unijnego wiadomo już, że od przyszłego roku obowiązywać będzie zakaz nabijania nowych urządzeń chętnie wykorzystywanymi czynnikami dla niskich i średnich temperatur, czyli R404a i R507. Od roku 2022 natomiast zacznie obowiązywać zakaz stosowania m.in. R134a, R407F i R410a. Oznacza to gorączkowe poszukiwania zamienników na bazie czynników naturalnych w postaci czystej jak i czynników powstałych z ich mieszanin. Problemem są też wysokie ceny nowych, ekologicznych zamienników, które wynikają z faktu mocnego zmonopolizowania produkcji części z nich. Prędzej czy później rynek zapewne się uspokoi, zaś przepisy zaczną mniej lub bardziej udanie odzwierciedlać sytuację rzeczywistą, lecz zapewne nastąpi to dopiero w połowie kolejnej dekady. Do tego czasu wytwórcy urządzeń wyposażanych w instalacje z czynnikami chłodniczymi będą doświadczać wielu zmian dotyczących czynników, ich dostępności i cen, za co najprawdopodobniej zapłacą klienci i nabywcy ich produktów.

Łukasz Lewczuk

Na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez:
aveECO Michał Dobrzyński,
TEKO Polska Sp. z o.o.,
DKA Polska Sp. z o.o.,
Centrum Chłodnictwa Kielce,
Iglotech Sp. z o.o., Free Polska Sp. z o.o.,
Daikin Airconditioning Poland Sp. z o.o. oraz
Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here