Ämne: Hur fungerar CO2 (kolsyre) - värmepumpar, t.ex. Sanyo:s CO2 luft/vattenvärmepump

[Rickard]

Hur fungerar CO2 (kolsyre) - värmepumpar, t.ex. Sanyo:s CO2 luft/vattenvärmepump.
Denna artikel är skriven av "PerJ", en av forumets medlemmar.

Så fungerar tekniken bakom CO2-värmepumpen.
Satt och läste igenom vad som skrivits om CO2 i värmepumpar. Då insåg jag att jag inte kunde hur en sk. transkritisk kylprocess fungerade. Alltså när man på högtryckssidan arbetar över den kritiska punkten som för CO2 ligger på ca 31 grader.
Jag har jobbat med kyla och värmepumpar och andra energisystem sedan jag slutade skolan, anläggningar från 100 W till 30MW, de flesta köldmedier från R11/R12 till R410a och ammoniak.

Det första man tydligen måste förstå är att en transkritisk kylmaskin/VP inte har någon kondensor där köldmediet kondenserar, utan en gaskylare där man sänker temperaturen på gasen efter kompressorn innan man kommer till expansionsventilen. (I en "vanlig" VP så övergår ju köldmediet från gas till vätskeform i kondensorn innan köldmediet expanderar ned i förångaren för att koka av på nytt.) Alltså kan man inte prata om kondenseringstryck i en CO2 anlläggning utan man pratar om gaskylartryck.

När man räknar lite på en CO2 cykel så ser man att det optimala gaskylartrycket, alltså trycket efter kompressorna, inte ska vara så lågt som möjligt. I en "vanlig" värmepumps så eftersträvar man att hålla kondenseringstemperaturen så låg som möjligt för att minska kompressorarbetet samt att sänka entalpin (energiinnehållet) på utgående vätska från kondensorn, detta för att få så bra värmefaktor som möjligt.

I en CO2 cykel finns det ett optimalt gaskylartryck där man får bästa värmefaktorn. Optimat bestäms av till vilken temperatur man kan kyla gasen och på kompressorns kraftförbrukning. En höjning av gaskylartrycket sänker entalpin på gasen ut ur gaskylaren vid konstant temperatur som höjer kyleffekten, men samtidigt ökar kompressorarbetet vilket ger höjd kraftförbrukning.

När man sedan sätter sig och funderar vad detta innebär för en värmepumpsanläggning så inser man efter en stund att mycket av de gamla sanningarna inte stämmer, framförallt med "flytande kondensering" och lågtemperatur värmesystem.

För att få bra verkningsgrad på en CO2 värmepump så måste man kyla gasen i gaskylaren så kallt som möjligt, samtidigt som man inte har nåt större problem att leverera en hög framledningstemperatur. Alltså ska gaskylaren jobba med låga värmebärarflöden, så kallt som möjligt in är det viktigaste, utgående temperatur är mer en dimensioneringsfråga av gaskylaren. Det är ingående temperatur till CO2 VP som i stort bestämmer värmefaktorn inte framledningstemperaturen från VP. Det som händer när man ytterligare sänker gastemperaturen efter gaskylaren är att avgiven effekt i gaskylaren ökar, kraftförbrukningen på kompressorn är konstant och kyleffekten ökar. Alltså stiger värmefaktorn ganska kraftigt, med 3-4% per grads ökad avkylning i gaskylaren. Har man en kompressor som ger konstant flöde så kommer avgiven värmeeffekt också att stiga i motsvarande grad.

Kravet på låg ingående temperatur i CO2 VP innebär att man ska "köra" huset tvärt om mot vad man normalt gör med en traditionell värmepump. Man ska eftersträva en låg returtemperatur från radiatorsystemet, alltså relativ hög framledningstemperatur och låga flöden, cirkulationspumpen på lägsta och gärna radiatortermostater. Man bör se till att element är svala i botten så man har rejäl avkylning på alla element så att inget element kortsluter och skickar varmt vatten tillbaka till VP. Har man ett radiator system som man idag kan köra med en framledningstemperatur av tex 55 grader och en retur temperatur av 48 grader kallaste dagen, så tror jag att det med en CO2 värmepump är bättre att köra med en tredjedels vattenflöde, alltså med en framledningstempertur av 63 grader och då får man en returtempertur från radiatorerna på 42 grader vid konstant värmeeffekt på radiatorn. Eventuellt kan en fjärdedelsflöde vara ännu bättre, det ger då en framledningstemperatur av 68 grader med en returtemperatur av 39-40 grader. En bieffekt är att "brusljudet" från radiatorena försvinner när flödet minskar.

Kan man sedan sänka returtemperaturen från radiatorsystemet gemom att tex förvärma inkommande kallvatten som ska bli varmvatten så förbättras verkningsgraden ytterligare.

När det gäller den "kalla sidan", lågtrycksidan så gäller i stort samma regler som för konventionella värmepumpar.

Sammanfattningsvis så gäller inte samma tumregler för "vanliga" värmepumpar och transkritiska värmepumpar, typ CO2. Framförallt är det ingående temperatur till CO2 VP som bestämmer effekt och verkningsgrad.
Själv har jag inte tillräckligt med kunskap och praktisk erfarenhet att klart ha en åsikt om vilken teknik som är bäst.