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CO2-Wärmepumpen-Technik im Überblick

Für die Verwendung in Wärmepumpen ist CO2 (auch R744 genannt) als natürliches Kältemittel eine ökologisch interessante Alternative zu den heute in Europa überwiegend eingesetzten H-FKW-Kältemitteln. Aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften ermöglicht das Kältemittel CO2 hohe Leistungszahlen beim Einsatz in Brauchwasserwärmepumpen während die Leistungszahlen beim Einsatz in Heizungswärmepumpen durch die überkritische Wärmeabgabe eher limitiert werden.

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Wärmepumpen leisten einen erheblichen Beitrag zur CO2-Einsparung. Durch den Ausbau der Erneuerbaren Energien im Stromsektor verbessert sich die CO2-Bilanz jeder Wärmepumpe laut BWP-Branchenprognose aus 2016 kontinuierlich: von 2,16 Tonnen (2015) jährlicher Einsparung auf 3,87 Tonnen (2030). 2030 sparen Wärmepumpen 6,8 bzw. 9,0 Mio. Tonnen CO2. CO2-Wärmepumpen könnten zu weiteren Einsparungen beitragen.

Eigenschaften von CO2 als Kältemittel

Kohlendioxid (CO2) ist in der Kältetechnik unter der kältetechnischen Bezeichnung R 744 bekannt und verfügt dort über eine lange Tradition, die bis weit ins 19. Jahrhundert reicht. Es ist ein farbloses, unter Druck verflüssigtes Gas mit schwach säuerlichem Geruch beziehungsweise Geschmack. Kohlendioxid besitzt kein Ozonabbaupotenzial (ODP = 0) und in der Verwendung als Wärmepumpen-Kältemittel in geschlossenen Kreisläufen einen vernachlässigbaren direkten Treibhauseffekt (GWP = 1). Es ist nicht brennbar, chemisch inaktiv und schwerer als Luft. Da die Energieeffizienz von Kohlendioxid gegenüber anderen Kältemitteln geringer ist, wird in jüngster Zeit besonders daran gearbeitet, die Anlagentechnik für spezifische Anwendungen u.a. in Wärmepumpen zu optimieren, und es werden laufend effektivere CO2-Wärmepumpen als auch Kälteanlagen entwickelt, um diese Lücke zu schließen.

CO2 als Kältemittel in Wärmepumpen zeichnet sich durch eine ganze Reihe physikalischer Eigenschaften besonders im Hinblick auf die Energieeffizienz aus. So besitzt CO2 einen vergleichsweise hohen Wert bei der spezifischen Verdampfungsenthalpie. Das ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 kg Kältemittel bei gleichbleibender Temperatur zu verdampfen. Des Weiteren lassen sich aus der volumetrischen Kälteleistung, die von den stofflichen Eigenschaften des CO2 abhängt, erhebliche Abweichungen in der Heizleistung ableiten. Die volumetrische Kälteleistung stellt dar, wie viel Kälteleistung mit 1 m3 Kältemittel theoretisch realisiert werden kann. Je größer dieser Wert ist, umso weniger Kältemittel muss für eine bestimmte Heizleistung umgewälzt werden. Das heißt wiederrum, dass dadurch auch Energieverluste in Anlagenkomponenten der Wärmepumpe sinken.

Der Isentropenexponent ist der Quotient aus der spezifischen Wärme bei konstantem Druck durch die spezifische Wärme bei konstantem Volumen. Bei Kältemitteln wie CO2, die über einen hohen Isentropenexponenten verfügen, treten hohe Verdichtungsendtemperatur auf, was z. B. für die Wärmerückgewinnung von Vorteil sein kann. Ein niedriges Druckverhältnis zwischen Saug- und Verflüssigungsdruck beeinflusst vorteilhaft Liefergrad und Energiebedarf.

Einsatz von CO2 in Wärmepumpen

CO2 ist in sehr großen Mengen natürlich vorhanden und damit sehr preiswert. Zudem verbessert CO2 in Wärmepumpen deren Effizienz. Denn die thermodynamischen Eigenschaften von CO2 bestimmen die Verdichterbaugröße und damit einhergehend die Verlustanteile, die auch einen Anteil am Gesamtleistungsbedarf der Wärmepumpe haben. Wärmepumpen-Systeme bei denen das Kältemittel unmittelbar im Verdampfer durch Wärmeaufnahme verdampft, sind gegenüber indirekten Systemen, die einen Kälteträger verwenden klar im Vorteil, da diese für den Wärmetransport eine zusätzliche Temperaturdifferenz und Pumpenleistung für den Wärmetransport benötigen.

Der Einsatz von CO2 in Wärmepumpen erfordert jedoch einen höheren technischen Aufwand und damit auch Kosten. Daher wird CO2 tendenziell in Großwärmepumpen mit einer Heiz- bzw. Kälteleistung über ca. 100 kW eingesetzt. In dieser Größenordnung rechtfertigen die Effizienzvorteile den notwendigen erhöhten Investitionsbedarf. Meist amortisieren sich die Kosten innerhalb von zwei bis fünf Jahren gegenüber Wärmepumpen mit synthetischen Kältemitteln.

Anwendungsbereiche von CO2-Wärmepumpen

Das Einsatzspektrum für Wärmepumpen mit CO2 wird ständig erweitert. Selbst bei Anwendungen bei denen man vor Jahren noch auf synthetische Kältemittel zurückgegriffen hätte, setzt man heute neben Ammoniak und Propan auch auf CO2. Zurzeit kommen Wärmepumpen mit CO2 vor allem in gewerblichen und industriellen Anwendungen als Hochtemperaturwärmepumpen zur Warmwasserbereitung wie z. B. in Hotels, Sportanlagen oder auch Nahwärmenetzen zum Einsatz.

Dabei macht man sich den hohen Isentropenexponent des CO2 zunutze, wodurch das aus dem Verdichter austretende Druckgas – je nach Auslegung der Anlagenkomponenten – bis zu 150 °C betragen. Dieses Temperaturniveau ist für die Warmwasserbereitung bestens geeignet. So lassen sich Warmwassertemperaturen von ca. 60 °C bei einer Heizleistung von etwa 15 Prozent der Kälteleistung erzielen, ohne hierfür zusätzliche Energie aufwenden zu müssen. Wie bei Wärmepumpen mit dem Kältemittel R744 üblich, erhöht ein großes Delta-t zwischen Vor- und Rücklauftemperatur des Wassers die Effizienz des Gesamtsystems.

Hersteller- und Modell-Auswahl im Überblick

ECO-cute von ITOMIC

Der japanische Wärmepumpenhersteller ITOMIC hat jetzt die hocheffizienten Luft-Wärmepumpe ECO-cute entwickelt, die 350 Einpersonenhaushalte mit Warmwasser versorgen kann. Die Großwärmepumpe mit dem natürlichen Kältemittel CO2 (R744) verfügt über zwei Heißwasserspeicher mit einer Kapazität von jeweils 8.000 Litern, einen BITZER 4HTC Hubkolbenverdichter und zwei Umlaufbecken mit je 800 Litern.

Die CO2-Wärmepumpe ECO-cute vom japanischen Wärmepumpenhersteller ITOMIC besitzt einen BITZER 4HTC Hubkolbenverdichter für transkritische CO2-Anwendungen. (Foto: BITZER)
Die CO2-Wärmepumpe ECO-cute vom japanischen Wärmepumpenhersteller ITOMIC besitzt einen BITZER 4HTC Hubkolbenverdichter für transkritische CO2-Anwendungen. (Foto: BITZER)

Der Einsatz von CO2 als Kältemittel funktioniert über den halbhermetischen 4HTC Hubkolbenverdichter von BITZER. Der 4-Zylinder ist für transkritische CO2-Anwendungen konzipiert und für den Betrieb mit Frequenzumrichter ausgelegt. Das erlaubt eine flexible Leistungsregelung für eine stets optimale Systemeffizienz. Der sauggasgekühlte Motor, der sich besonders für die Drehzahlregelung eignet, die spezielle Triebwerksgeometrie sowie die Zylinderköpfe mit separaten thermisch isolierten Hoch- und Niederdruckkammern sorgen dabei für eine hohe Energieeffizienz des 4HTC.

thermeco2 von Dürr thermea

Unter dem Markennamen thermeco2 stellte die Firma Dürr thermea GmbH bis Dezember 2017 Hochtemperaturwärmepumpen, Kältemaschinen und Drucklufttrockner für den industriellen Einsatz und die Gebäudetechnik her. In allen thermeco2 Maschinen kommt das klimaneutrale Kältemittel CO2 zum Einsatz. Die Baureihe umfasste Hochtemperaturwärmepumpen für Warmwassertemperaturen bis 90 °C zur Wärmerückgewinnung mit Heizleistungen bis 2.200 kW und Kältemaschinen für Soletemperaturen bis -10 °C mit vollständiger Hochtemperatur-Wärmerückgewinnung bis 90 °C. Sie waren auch in erweiterten Einsatzgrenzen mit Vorlauftemperaturen bis 110 °C lieferbar.

thermeco2 Hochtemperaturwärmepumpe HHR 1000 (Foto: Dürr thermea GmbH)
thermeco2 Hochtemperaturwärmepumpe HHR 1000 (Foto: Dürr thermea GmbH)

Der Leistungsbereich mit Heizleistungen von 51 bis 2.200 kW und Kälteleistungen von 39 bis 1600 kW wurde von 13 Grundtypen mit optimaler Stufung abgedeckt. Je nach Leistungsgröße wurden 1 bis 12 Hubkolbenverdichter pro Maschine eingesetzt. Die effektive Leistungsregelung wurde mit Frequenzumformer oder in Stufen durch Verdichterabschaltung realisiert.

Im Dezember 2017 hat Dürr thermea die Konstruktion, die Herstellung und den Vertrieb von CO2Wärmepumpen, Kältemaschinen und Drucklufttrocknern sowie den Geschäftsbetrieb eingestellt. Der Dürr-Konzern teilte mit, alle Verpflichtungen wie Gewährleistung und Bereitstellung von Ersatzteilen erfüllen und den Service für bestehende Anlagen sicherstellen zu wollen. Bei Anlagenstörungen oder zur Abstimmung von Wartungsterminen verweist thermea auf die Dürr-Service-Hotline unter Tel.: +49 (0)7142 78 1212 oder E-Mail: service.cts[at]durr.com.

QAHV von Mitsubishi Electric

Die Monoblock-Wärmepumpe QAHV mit CO2 von Mitsubishi Electric erzeugt bei einem COP von bis zu 3,88 bei Außentemperaturen von bis zu –25 °C warmes Wasser bis zu 90 °C. Trotz der hohen Leistung ist die Wärmepumpe mit Schallemissionen von 56 dB(A) äußerst leise.

Die Monoblock-CO2-Wärmepumpe QAHV von Mitsubishi Electric mit dem alternativen Kältemittel R744 / CO2 eignet sich aufgrund ihrer Betriebsdaten insbesondere für die Erzeugung und Bereitstellung von warmen Wasser bis zu 90 °C. (Foto: Mitsubishi Electric)
Die Monoblock-CO2-Wärmepumpe QAHV von Mitsubishi Electric mit dem alternativen Kältemittel R744 / CO2 eignet sich aufgrund ihrer Betriebsdaten insbesondere für die Erzeugung und Bereitstellung von warmen Wasser bis zu 90 °C. (Foto: Mitsubishi Electric)

Um diese Leistungen generieren zu können, nutzt die Wärmepumpe einen innovativen Wärmetauscheraufbau, der den Wärmeübergang vom Kältemittel auf das Wasser maximiert. Spezielle spiralförmige Rillen in den Leitungen erhöhen die Turbulenzwirkung des Energieträgers Wasser zusätzlich und verringern gleichzeitig den Druckverlust innerhalb des Wärmetauschers. Zusammen mit der neuesten Generation an Scroll-Inverter-Verdichtern mit Flash-Injection ausgestattet, bietet das QAHV System dadurch eine Effizienz, die bislang bei vergleichbaren Produkten nicht erreicht werden konnte. Der Kältekreislauf wurde hochdruckfest vollständig gekapselt, sodass Wartungsarbeiten in diesem Bereich nicht erforderlich sind.

Um hohe Heizleistungen generieren zu können, nutzt die CO2-Wärmepumpe QAHV von Mitsubishi Electric einen einzigartigen Wärmetauscheraufbau, der den Wärmeübergang vom Kältemittel auf das Wasser maximiert. (Grafik: Mitsubishi Electric)
Um hohe Heizleistungen generieren zu können, nutzt die CO2-Wärmepumpe QAHV von Mitsubishi Electric einen einzigartigen Wärmetauscheraufbau, der den Wärmeübergang vom Kältemittel auf das Wasser maximiert. (Grafik: Mitsubishi Electric)

Die CO2-Wärmepumpe QAHV von Mitsubishi Electric ist für die Außenaufstellung auf dem Dach oder neben dem Gebäude vorgesehen und kann einfach an die wasserführende Leitung angeschlossen werden muss. Das vereinfacht und beschleunigt die gesamte Installation für den ausführenden Fachhandwerker erheblich.

Q-ton von Mitsubishi Heavy Industries

Die Q-ton ist eine Luft-Wasser Wärmepumpe und verwendet natürliches und umweltfreundliches CO2 (R744) Kältemittel. Die 30 kW Luft-Wasser Wärmepumpe von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) ist ein Monoblock-System und stellt Warmwassertemperaturen von 60° bis 90° C, unter Nutzung der Außenluft als Wärmequelle, zur Verfügung. Und das bei Außentemperaturen von bis zu -25° C, was somit eine externe Zusatzheizung überflüssig macht.

CO2-Wärmepumpe Q-ton (Foto: Mitsubishi Heavy Industries)
CO2-Wärmepumpe Q-ton (Foto: Mitsubishi Heavy Industries)

In der Q-ton wurde weltweit zum ersten Mal ein Zwei-Stufen-Verdichter eingesetzt, der die Scroll- und Rotary Technologie miteinander kombiniert. Dies bietet dem Betreiber größtmöglichen Nutzen und deutlich verbesserte Leistungen (COP 4,3 in der Zwischensaison), selbst bei niedrigen Außentemperaturen.

Q-ton Scroll- und Rotary-Kompressor (Foto: Mitsubishi Heavy Industries)
Q-ton Scroll- und Rotary-Kompressor (Foto: Mitsubishi Heavy Industries)

Trotz der hohen Leistungen ist der Schallpegel vergleichsweise gering. Im Maximalfall bedeutet dies einen Schallpegel von 58dB(A) und unabhängig von der Belastung etwa 50dB(A). Aufgrund der besonderen Prozessführung der MHI Q-ton ist diese CO2-Wärmepumpe insbesondere bei hohen Vorlauftemperaturen sehr effizient.

Die CO2-Wärmepumpe eignet sich ideal für die Außenaufstellung auf dem Dach oder neben dem Gebäude und kann einfach an die wasserführende Leitung angeschlossen oder in ein bestehendes Heizsystem integriert werden. Bei Bedarf lässt sich ein Verbund von bis zu 16 Q-ton in Kaskade (480 kW) schalten und über eine zentrale Bedienung steuern.

In Deutschland, Österreich und der Schweiz vertreibt die New Joule Energy GmbH Mitsubishi Heavy Industries Produkte aus dem Bereich air-to-water.

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"CO2-Wärmepumpen-Technik im Überblick" wurde am 19.12.2017 das letzte Mal aktualisiert.