CO2-Wärmepumpe: Funktion und Einsatzbereiche 

Eine CO2-Wärmepumpe nutzt, wie eine klassische Wärmepumpe auch, kostenfreie Energie aus der Umwelt zur Wärmeerzeugung. Sie gewinnt Wärme aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser und überträgt diese auf einen speziellen Kältemittelkreislauf. Anders als bei konventionellen Geräten ist der jedoch mit dem natürlichen Kältemittel Kohlenstoffdioxid befüllt, daher der Name CO2-Wärmepumpe. Wie das funktioniert, welche Einsatzbereiche für eine solche Wärmepumpe infrage kommen und welche Vorteile sie hat, erklärt dieser Beitrag. 

Der Aufbau und die Funktion einer CO2-Wärmepumpe  

Geht es um den Aufbau und die Funktion, unterscheidet sich eine CO2-Wärmepumpe auf den ersten Blick kaum von konventionellen Geräten. Denn auch sie besitzt einen speziellen Kreislauf, der ein flüssiges Kältemittel verdampft, verdichtet, verflüssigt und anschließend entspannt.

  • Beim Verdampfen nimmt die Anlage thermische Energie aus der Umwelt auf. Das eingesetzte Kohlenstoffdioxid, das unter hohem Druck in flüssiger Form vorliegt, wechselt seinen Aggregatzustand und wird dampfförmig. 
  • Die Verdichtung. Hier erhöht ein Kompressor den Druck des Dampfes, wobei auch seine Temperatur steigt. 
  • Anschließend gibt das Kältemittel die aufgenommene Energie über einen Wärmeübertrager an das angeschlossene Heizsystem ab und verflüssigt wieder. 
  • Ein Entspannungsventil sorgt dafür, dass es seinen Ausgangszustand erreicht und der Vorgang von vorn beginnen kann.

Kohlenstoffdioxid für die CO2-Wärmepumpe
© francis_bonami / Fotolia

Umweltfreundlich und nicht gefährlich: Das natürliche Kältemittel CO2  

Im Vergleich zu konventionellen Anlagen weist eine CO2-Wärmepumpe aber auch einige Besonderheiten auf. Diese lassen sich auf die Eigenschaften des Kältemittels zurückführen und wirken sich auch auf den Einsatzbereich der Technik aus. Ein erster Punkt ist die hohe Umweltverträglichkeit des farblosen Gases. In geschlossenen Kreisläufen hat CO2 kein Ozonabbaupotenzial und wirkt sich fast nicht auf den Treibhauseffekt aus. Darüber hinaus ist das Medium nicht brennbar und reichlich auf der Erde vorhanden.

Hohe Druckverhältnisse und kompakte Bauweise bei CO2-Wärmepumpen

Ganz besonders sind aber auch die physikalischen Eigenschaften vom CO2 für Wärmepumpen. Ein Beispiel ist die sehr hohe volumetrische Kälteleistung. Sie gibt an, mit welchem Volumenstrom eine gewisse Kälteleistung möglich ist. Durch den hohen Wert erreichen CO2-Wärmepumpen hohe Leistungsbereiche mit geringen Umlaufvolumenströmen. Die Anlagen lassen sich daher kleiner und kompakter bauen. Durch den hohen Druck, der im Zusammenhang mit dem natürlichen Kältemittel nötig ist, muss die Technik jedoch besonders hohe Anforderungen erfüllen.

CO2-Wärmepumpen eignen sich für hohe Temperaturen  

Die hohen Druckverhältnisse einer CO2-Wärmepumpe gehen mit höheren Investitionskosten einher. Aus diesen Gründen lohnen sich die Anlagen vor allem in größeren Gebäuden. Beispiele sind Wohnbauprojekte oder Industrieanlagen. Anders als konventionelle Wärmepumpen erreichen die Geräte jedoch eine hohe Vorlauftemperatur der Heizung, weshalb sie sich vordergründig für Hochtemperaturanwendungen eignen. Hier profitieren sie außerdem von der hohen Temperaturdifferenz auf der Verbraucherseite. Diese ist Voraussetzung für den effizienten Betrieb einer CO2-Wärmepumpe als Hochtemperatur-Wärmepumpe.

CO2-Wärmepumpen eignen sich heute für:

  • den Einsatz in großen Leistungsbereichen
  • die umweltfreundliche Warmwasserbereitung
  • den Ersatz von Heizkesseln im Altbau

Vor- und Nachteile der innovativen Wärmepumpentechnik

Das natürliche Kohlenstoffdioxid kann synthetische und umweltschädigende Kältemittel ersetzen. Es hat selbst kaum Auswirkungen auf Ozon oder Treibhauseffekt und ist ungiftig. Zudem ist der Rohstoff reichlich auf der Erde verfügbar. Das alles spricht für einen umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Einsatz von CO2-Wärmepumpen.

Sehr hohe Anforderungen an die Technik 

Auf der anderen Seite gehen die physikalischen Eigenschaften des CO2 auch mit hohen Anforderungen an die Technik einher. Diese eignet sich dabei zwar für höhere Leistungsbereiche, muss aber auch hohen Druckverhältnissen standhalten. Darüber hinaus sinkt die Effizienz mit der Temperaturdifferenz am Verflüssiger. Das heißt: Ist die Spreizung (Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur) auf der Verbraucherseite zu klein, sinkt die Leistungszahl und die Anlagen arbeiten nicht mehr wirtschaftlich. Durch die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten lohnen sie sich darüber hinaus ohnehin meist nur in Wohn- oder Nichtwohngebäuden mit großem Wärmebedarf.

Heizung.de Autor Alexander Rosenkranz
Fazit von Alexander Rosenkranz
Eine CO2-Wärmepumpe arbeitet effizient, wenn sie Hochtemperaturanwendungen mit hoher Spreizung mit Wärme versorgt. Ihr Prinzip gleicht dem einer konventionellen Kompressionsmaschine, wobei die physikalischen Eigenschaften vom Kältemittel CO2 besonders hohe Systemdrücke voraussetzen. Das Kohlenstoffdioxid ist ungiftig, umweltverträglich und eignet sich zum Ersatz synthetischer Kältemittel.
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