Thermodynamische Gegenüberstellung Subkritisch - transkritisch
Die Wärmepumpen mit Kohlendioxid (CO2) als Arbeitsstoff unterscheiden sich von konventionellen Wärmepumpen durch eine „gleitende“ Temperaturänderung des CO2 im Gaskühler (Wärmesenke). Während der Arbeitsstoff bei subkritischer Prozessführung bei einer konstanten Temperatur verflüssigt wird, erfolgt die Wärmeabgabe im überkritischen Bereich gleitend (siehe folgende Abbildung).
Vergleich Prozessführung mit fluorierten Kohlenwasserstoffen (HFCs, unterkritisch) und Kohlendioxid als Arbeitsstoff (transkritisch)
Die Energieeffektivität von Wärmepumpen wird durch die Leistungszahl COPWP ausgedrückt. Sie ist der Quotient aus der Heizleistung QPH (Nutzen) und der dazugehörigen Antriebsleistung Pel (Aufwand). Die Leistungszahl ist beim transkritischen CO2-Prozess von der mittleren Warmwassertemperatur abhängig (bei „subkritischen“ Wärmepumpen von der Kondensationstemperatur). Wenn also hohe Warmwasservorlauftemperaturen gefordert sind, müssen niedrige Eintrittstemperaturen realisiert werden. So sind niedrige Mitteltemperaturen und damit hohe Leistungszahlen erreichbar.
Der Wärmpumpenprozess mit Wassertemperaturen ist in der folgenden Abbildung im T-s-Diagramm dargestellt:
Wärmepumpenprozess im T-s-Diagramm
Die Besonderheit der Prozessführung ist, dass die Hochdruckseite im überkritischen Gebiet, d. h. oberhalb des kritischen Punktes (KP) liegt. Der kritische Punkt befindet sich am höchsten Punkt des glockenförmigen Zweiphasengebietes. Im Punkt 1 liegt überhitzter CO2-Dampf vor, der von einem Verdichter angesaugt und durch Zufuhr von technischer Arbeit auf den Punkt 2 verdichtet wird. Der Druck erhöht sich in diesem Beispiel von ca. 57 bar auf ca. 110 bar.
Die Temperatur steigt von 25 °C auf 85 °C. Dieses hoch verdichtete und heiße Gas wird anschließend in mindestens einem Gaskühler bei annähernd gleichem Druck bis zum Punkt 3 auf 25 °C abgekühlt. Kühlmedium ist Wasser, das im Gegenstrom zum Gas geführt wird (rote Linie). Das Wasser wird in diesem Beispiel von 20 °C auf 70 °C erwärmt. Von 3 nach 4 wird das Gas in einem Expansionsventil bis ins Zweiphasengebiet entspannt. Von 4 nach 5 finden die Verdampfung des flüssigen CO2 und eine geringe Überhitzung (5 nach 1) statt. Die dafür erforderliche Wärme wird der Wärmequelle bei möglichst hoher Temperatur, z. B. aus Abwasser, entnommen.
