CO2 – WP Technischer Stand und Effizienz Luft/Wasser und Sole/Wasser CO2-Wärmepumpen

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501780

Key words (English)

R744, C02-heat pump, domestic hot water, facility heating, ejector

Short description (German)

C02 als Kältemittel erlebt in der Kältetechnik eine Renaissance. Mit den heute kommerziell verfügbaren Komponenten ist die C02-Technologie auch im Wärmepumpenbereich eine vielversprechende Lösung. In einer Studie wird das aktuelle Potential von C02-Wärmepumpen für Warmwasser und Gebäudeheizungen geprüft. Der Fokus der Studie liegt auf der Energieeffizienz, der Machbarkeit sowie den Stärken und Schwächen von C02 als Kältemittel.

Short description (English)

C02 as a refrigerant is experiencing a renaissance in the refrigeration sector. With today's commercially available components, the C02 technology is also a promising solution in the beat pump sector. In a study, the current potential of C02 heat pumps for domestic hot water and facility heating is evaluated. The main focus of the study is on the energy efficiency, the feasibility and the strengths and weaknesses of C02 as a refrigerant.

Final report (German)

Im Auftrag vom Bundesamt für Energie und dem Amt für Umwelt und Energie des Kantons Basel-Stadt wurde ein Forschungsprojekt über CO2 (R744) Wärmepumpen für Warmwasser und Gebäudeheizung durchgeführt. Basierend auf einer Literaturrecherche bisheriger Forschungsaktivitäten über R744-Wärmepumpen, dem Stand der Technik sowie der Transformation der Technologie aus der Kältetechnik, wurden die Grundlagen aufbereitet. Darauf aufbauend wurden eine R407C- und eine R744-Wärmepumpe modelliert und verschiedene Anwendungen für Warmwasser und Gebäudeheizung mit einer totalen Heizleistung von 50 kW energetisch untersucht.

Für einen praxisbezogenen energetischen Vergleich solcher Anwendungen ist eine "kombinierte" Betrachtung der aktuell gültigen Normen von Bedeutung. Die Ergebnisse zeigen auf, dass mit der R744-Wärmepumpe je nach Anwendung und Warmwasser-Anteil, eine gleichwertige oder höhere Energieeffizienz erreicht werden kann.

Die folgenden Faktoren verschieben die energetischen Vorteile zu Gunsten der R744-Wärmepumpe:
- Zunehmende Temperatur-Spreizung der Wärmesenke (Ein- und Austrittstemperatur)
- Zunehmender Warmwasser-Anteil am Nutzenergiebedarf
- Abnehmende Temperatur-Spreizung der Wärmequelle (Ein- und Austrittstemperatur)
- Bedarf an hohen Vorlauf-Temperaturen und Legionellenprävention

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• Schlussbericht - CO2-Wärmepumpe für Warmwasser und Gebäudeheizung [PDF] 3'890 kB

Final report (English)

The Federal Office of Energy and the Office for the Environment and Energy of the Canton of Basel-Stadt commissioned a research project on CO2 (R744) heat pumps for domestic hot water and space heating. The fundamentals were prepared on a literature review of previous research activities on R744 heat pumps as well as the state of the art and the transformation of technology from refrigeration sector. Based on this, an R407C and an R744 heat pump were modelled and various applications for domestic hot water and space heating with a total heat output of 50 kW were energetically investigated.

For a practice-related energetic comparison of such applications, a "combined" consideration of the currently applicable standards is of importance. The results show that with the R744 heat pump, depending on the application and domestic hot water content, equal or higher energy efficiency can be achieved.

The following factors shift the energy advantages in favour of the R744 heat pump:
- Increasing temperature spread of the heat sink
- Increasing share of domestic hot water content of total net energy demand
- Decreasing temperature spread of the heat source
- Need for high flow temperatures and legionella prevention

Final report (French)

Un projet de recherche sur les pompes à chaleur au CO2 (R744) pour le chauffage de l'eau chaude et le chauffage des bâtiments a été réalisé pour le compte de l'Office fédéral de l'énergie et de l'Office de l'environnement et de l'énergie du canton de Bâle-Ville. Les bases ont été préparées à partir d’une revue de la littérature sur les activités de recherche antérieures sur les pompes à chaleur R744, l’état de la technique et la transformation de la technologie issue de la technologie de réfrigération. Sur cette base, une pompe à chaleur R407C et une pompe à chaleur R744 ont été modélisées et diverses applications pour la production d'eau chaude et le chauffage de bâtiments avec une puissance thermique totale de 50 kW ont fait l'objet d'une étude énergétique.

Pour une comparaison énergétique de telles applications liées à la pratique, un examen "combiné" des normes actuellement applicables est important. Les résultats montrent qu’avec la pompe à chaleur R744, une efficacité énergétique équivalente ou supérieure peut être atteinte, en fonction de l’application et de la proportion d’eau chaude.

Les facteurs suivants modifient les avantages énergétiques en faveur de la pompe à chaleur R744:
- Augmentation de la propagation de la température du dissipateur de chaleur
- Proportion croissante d’eau chaude dans la demande d’énergie utile
- Diminution de la propagation de la température de la source de chaleur
- Nécessité de températures de départ élevées et de prévention de la légionellose