Hva er en CO2 varmepumpe, og hvordan fungerer den?
Grunnleggende prinsipp
CO2 varmepumper er varmepumpesystemer som bruker karbondioksid som arbeidsmedium (også kalt kuldemedium) i stedet for tradisjonelle, syntetiske kuldemedier. Karbondioksid (kjent som kuldemedium R744) er et naturlig kuldemedium som er ugiftig, ikke-brennbar og verken skader ozonlaget eller klimaet ved utslipp(Kilde: sintef.no) . Det vil si at CO2 som kjøle- og varmebærer ikke bidrar til nedbryting av stratosfærisk ozon og har neglisjerbar klimaeffekt (GWP ≈ 1) sammenlignet med de fluorholdige gassene som den erstatter (Kilde: novap.no).
Hvordan CO2 varmepumper fungerer
En CO2 varmepumpe fungerer etter samme grunnprinsipper som andre varmepumper: den henter varme fra en kilde med lavere temperatur (for eksempel uteluft, jordvarme eller avtrekksluft) og avgir varmen til et varmesystem med høyere temperatur (for eksempel innendørs radiatorer eller varmtvannstank). Dette skjer ved at kuldemediet sirkulerer i en lukket krets og gjennomgår vekslende fordamping og kondensering (eller gasskjøling) ved ulike trykk. I fordamperen opptar CO2 varme fra omgivelsene og går over til gass. Deretter komprimeres gassen av en kompressor, slik at trykket og temperaturen øker kraftig. På høytrykkssiden av CO2 varmepumpen avkjøles den varme CO2 gassen i en varmeveksler - i CO2 anlegg kalles dette ofte en gasskjøler (fremfor kondensator) fordi CO2 ved så høyt trykk ikke nødvendigvis kondenserer til væske (Kilde: novap.no) . Varmen overføres da til boligens varmesystem, for eksempel til vannet i radiatorer eller til tappevann. Til slutt ekspanderer kuldemediet gjennom en ventil ned til lavt trykk igjen, kjøles ytterligere ned og går tilbake til fordamperen for å ta opp ny varme. Denne sirkulasjonsprosessen kalles gjerne transkritisk CO2 krets når trykket går over kritisk nivå for CO2 (ca. 73 bar), noe som er vanlig i slike varmepumper.
Spesielle egenskaper ved CO2
CO2 har noen spesielle termodynamiske egenskaper som påvirker varmepumpens virkemåte. Blant annet har CO2 en relativt lav kritisk temperatur (~31 °C) og et høyt kritisk trykk (~74 bar). Det betyr at CO2 varmepumper ofte opererer med høyere arbeidstrykk enn vanlige anlegg (typisk opptil 90-120 bar i drift) og at varmeavgivelsen skjer ved avkjøling av en superkritisk gass fremfor ved kondensasjon til væske. Fordelen med dette er at man kan oppnå svært høy utgående vanntemperatur - CO2 varmepumper kan levere temperaturer godt over 80 °C uten bruk av elektrisk tilleggsvarme, noe tradisjonelle varmepumper kan slite med. Faktisk avgir CO2 varme ved gasskjøling i stedet for kondensering, og derfor er det mulig å oppnå veldig høye temperaturer(Kilde: novap.no) . Denne egenskapen gjør CO2 spesielt egnet for varmtvannsberedning og tappevann, hvor vannet kan varmes opp fra lav temperatur til svært høy temperatur i én gjennomgang.
Historisk utvikling og moderne bruk
Historisk sett er ikke bruk av CO2 som kuldemedium noe nytt. Allerede på slutten av 1800-tallet ble CO2 tatt i bruk i kjølemaskiner, blant annet fordi gassen er naturlig forekommende, ikke-giftig og ikke-brennbar - egenskaper som gjorde den populær i f.eks. skipsfart og militæranlegg(Kilde: sintef.no, sintef.no. ) Teknologiske utfordringer og introduksjonen av syntetiske kuldemedier (KFK/HKFK) førte imidlertid til at CO2 forsvant fra markedet på 1940-tallet. I nyere tid har CO2 fått en renessanse som kuldemedium takket være ny forskning og behovet for klimavennlige alternativer. Norske forskere (ledet av professor Gustav Lorentzen ved NTH/NTNU) var pionerer på 1980- og 90-tallet i å utvikle moderne CO2 varmepumpeteknologi som respons på ozon- og klimaproblemene knyttet til de gamle kjølegassene (Kilde: forskning.no, sintef.no) . Resultatet ser vi i dag med stadig flere CO2 baserte varmepumper og kjøleanlegg i kommersiell drift. Et eksempel er dagligvarebransjen: Hele 75% av norske supermarkeder bruker CO2 basert kjøling, og over 18 000 supermarkeder har slike anlegg i drift på europeisk nivå. Denne utbredelsen viser at CO2 teknologien er velprøvd, sikker og effektiv i praksis.