Pompy ciepła CO2 do komercyjnego przygotowania ciepłej wody: podniesienie temperatury i dopasowanie systemu

Aktualizacja: październik 2026

Pompy ciepła CO2 wykorzystują dwutlenek węgla, nazywany także R744, jako czynnik chłodniczy do przekazywania ciepła wodzie. Dobrze sprawdzają się w komercyjnych instalacjach ciepłej wody, gdy współwystępują zimna woda uzupełniająca, wysoka temperatura magazynowania i prawidłowo zaprojektowany układ cyrkulacji. W hotelach, apartamentowcach i zakładach przemysłowych kluczowe pytania dotyczą temperatury wody na wlocie, ilości ciepłej wody pobieranej przez budynek w godzinach szczytowego zapotrzebowania oraz sposobu, w jaki cała instalacja obsługuje obciążenia.

System może osiągać wymaganą temperaturę na wylocie, a mimo to zimą nie zapewniać wystarczającej mocy grzewczej. Nawet bardzo wydajna sprężarka może pracować w kosztownym systemie, jeśli elektryczne źródło rezerwowe ponownie podgrzewa dużą ilość wody obiegowej. W tym opracowaniu powiązano te kwestie z praktyczną metodą doboru oraz przedstawiono opublikowane przykłady, w tym szczegółowe obliczenie zużycia energii elektrycznej.

Czym są pompy ciepła CO2 i jak działają?

Pompa ciepła CO2 to pompa ciepła, w której obieg czynnika chłodniczego zawiera R744. W powietrznej pompie ciepła do podgrzewania wody urządzenie pobiera ciepło z powietrza zewnętrznego i przekazuje je do odrębnego obiegu wodnego. Do tego procesu wykorzystywana jest energia elektryczna. Dwutlenek węgla pozostaje w obiegu czynnika chłodniczego; nie jest dodawany do ciepłej wody użytkowej.

Czynnik chłodniczy można sobie wyobrazić jako nośnik przenoszący ciepło między dwoma wymiennikami. Wymiana ciepła pozwala zachować rozdzielenie obiegu wodnego i obiegu czynnika chłodniczego. Obieg wodny przekazuje ciepło dalej, do zasobnika lub budynku. Określenie CO2 wskazuje czynnik roboczy, natomiast powietrzne źródło ciepła, wodne źródło ciepła i gruntowe źródło ciepła określają, skąd jest pobierana energia. Są to niezależne wybory: źródło powietrzne lub wodne nie określa rodzaju czynnika chłodniczego. Pompy ciepła typu gruntowego również definiuje ich źródło ciepła. W naszym artykule podstawy działania pomp ciepła powietrze–woda wyjaśniono szerzej różne konfiguracje.

Jak działają pompy ciepła CO2?

W nadkrytycznym obiegu dwutlenku węgla sprężarka zwiększa ciśnienie i temperaturę czynnika chłodniczego. Gorący czynnik oddaje ciepło przez chłodnicę gazu, urządzenie rozprężne obniża jego ciśnienie, a parownik ponownie pobiera ciepło. W tradycyjnym systemie czynnik chłodniczy oddaje ciepło podczas skraplania w stałej temperaturze nasycenia. W tym przypadku temperatura czynnika zmienia się, a ciepło jest przekazywane na drugą stronę wymiennika. Proces ten dobrze sprawdza się przy ogrzewaniu strumienia zimnej wody o znacznym podniesieniu temperatury.

W instalacji centralnej pompy ciepła do podgrzewania wody opisanej w badaniu terenowym Banksa i współpracowników zastosowano nadkrytyczny obieg CO2. Wysokie ciśnienie jest uwzględnione w konstrukcji urządzenia, dlatego wymaga ono komponentów, zabezpieczeń i procedur serwisowych przystosowanych do tego czynnika chłodniczego.

W porównaniu z czynnikami chłodniczymi o wysokim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego dwutlenek węgla ma niski potencjał tworzenia efektu cieplarnianego i zerowy potencjał niszczenia warstwy ozonowej. Projekt podgrzewaczy wody CO2 Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych wskazuje również na jego niepalność. Wskaźniki GWP i ODP opisują konkretne właściwości środowiskowe czynnika chłodniczego; ślad węglowy budynku zależy także od energii elektrycznej, zużycia energii i zastępowanego systemu grzewczego.

Temperatura wody w pompie ciepła CO2: wlot, wylot i podniesienie temperatury

W specyfikacji urządzenia Heat2O firmy Mitsubishi podano maksymalną temperaturę wody na wylocie wynoszącą 176°F (80°C), jednak rzeczywiste możliwości zależą od temperatury na wlocie i konfiguracji obiegu wodnego. Aby odpowiednio opisać możliwości urządzenia w odniesieniu do obiegu wodnego, należy podać w jednym wierszu trzy temperatury (tj. temperaturę wody na wlocie, wody na wylocie i powietrza na wlocie). Maksymalna wartość temperatury na wylocie odpowiada tylko na jedno z tych pytań. Pompy ciepła CO₂ do podgrzewania wody należy dobierać z uwzględnieniem temperatur wody na wlocie i wylocie oraz powietrza na wlocie.

Zimna woda uzupełniająca sprawdza się w przypadku pompy ciepła ogrzewającej wodę w jednym przejściu. Pozwala to uzyskać duże podniesienie temperatury po stronie wodnej. Ciepła woda powrotna z obiegu cyrkulacyjnego wymaga innego punktu pracy: podniesienie temperatury jest mniejsze, a woda wpływająca do chłodnicy gazu ma wyższą temperaturę. Temperatura wody na wlocie do chłodnicy gazu wpływa na wydajność pompy ciepła, nawet jeśli końcowa zadana temperatura w zasobniku pozostaje bez zmian.

W okresach niewielkiego poboru świeżej wody, przy nieprzerwanej cyrkulacji, nominalnie zimna woda na wlocie może się ogrzać. Porównując wydajność instalacji modernizowanych, należy uwzględniać temperatury wody na wlocie i wylocie oraz powietrza na wlocie w całym cyklu. W przewodniku projektowania centralnych pomp ciepła do podgrzewania wody wyjaśniono to zjawisko.

Główny obieg grzewczy należy oddzielić od temperatury wody w punktach poboru. W niektórych systemach ciepło jest przekazywane bezpośrednio do zasobnika wody pitnej, a w innych między zamkniętym obiegiem głównym a wodą pitną znajduje się dodatkowy wymiennik ciepła. Wymagane temperatury uzyskuje się dzięki magazynowaniu, dystrybucji i mieszaniu wody.

W opracowaniu demonstracyjnym Association for Energy Affordability z 2024 r. w głównym obiegu Heat2O woda osiągała temperaturę 176°F przed wpływem do dodatkowego wymiennika ciepła, a w zasobniku wody pitnej typowo osiągała około 165°F (74°C). To rozróżnienie wpływa na temperaturę dostępną przed dystrybucją i mieszaniem.

W badaniu terenowym Banksa opublikowanym w 2022 r. odnotowano inne temperatury: temperatura wody wodociągowej na wlocie wynosiła 50–72°F (10–22,2°C), woda była podgrzewana do 147°F (63,9°C), a do obiegu cyrkulacyjnego trafiała z temperaturą około 125°F (51,7°C). Są to warunki zarejestrowane w tej instalacji, a nie zalecenia dotyczące gospodarowania wodą dla innych budynków.

Oznaczenia czujników temperatury powinny wskazywać obieg i lokalizację. Zamiast „Ciepła woda: 80°C” należy podać „wylot z obiegu głównego: 80°C; zasobnik i dystrybucja wody pitnej: projektowane odrębnie”.

Magazynowanie i cyrkulacja: utrzymanie niskiej temperatury na wlocie

Warstwowy układ w zasobniku pomaga pompie ciepła CO2 ogrzewającej wodę w jednym przejściu pobierać chłodniejszą wodę, a jednocześnie zapewnia dostępność ciepłej wody przy górnym króćcu zasobnika. Często trudniejszym zagadnieniem jest ciepła woda powrotna z obiegu cyrkulacyjnego: miejsce jej podłączenia i sposób ponownego podgrzewania wpływają zarówno na mieszanie wody w zasobniku, jak i na zużycie energii elektrycznej.

Należy oddzielić obciążenie związane z podgrzewaniem świeżej wody od obciążenia związanego z utrzymaniem temperatury. Pierwsze obejmuje podgrzewanie wody uzupełniającej pobieraną przez użytkowników. Drugie dotyczy uzupełniania ciepła traconego przez wodę krążącą w instalacji, także wtedy, gdy użytkownicy nie pobierają wody. Ujęcie obu obciążeń jako jednego może utrudnić ustalenie, dlaczego instalacja zużywa więcej energii elektrycznej, niż oczekiwano.

Macierz dopasowania do niskiej temperatury wody na wlocie

Urządzenia i zasobnik dobiera się do zapotrzebowania obiektu. Synteza przewodnika Ecotope i demonstracji terenowych AEA dostarcza wskazówek dotyczących decyzji projektowych.

Zasobnik pośredni oddziela ponowne podgrzewanie wody obiegowej od układu głównego magazynowania. Przepływająca przez niego ciepła woda pomaga pokryć obciążenie, a w razie potrzeby ciepło dostarcza grzałka elektryczna. W układzie równoległym do utrzymania temperatury stosuje się inne urządzenia. Każde z tych rozwiązań inaczej wpływa na zapotrzebowanie na miejsce, układ sterowania i zużycie energii pomocniczej.

Podczas wstępnych tygodniowych testów instalacji w Lassen AEA odnotowało COP na poziomie 2.7 przy odprowadzaniu cyrkulującej wody powrotnej do zimnego zasobnika głównego, w porównaniu z wartością bazową 2.3. Zaprojektowany układ powrotu do obiegu głównego zmienił sposób ponownego podgrzewania wody obiegowej; zasobnik pośredni pozostał dostępny jako rezerwowe źródło ciepła. Autorzy podejrzewali, że na wynik wpłynęła słaba warstwowość wody w istniejącej instalacji, i planowali dłuższą weryfikację.

Niska temperatura doprowadzanej wody i bezpieczna eksploatacja instalacji wody pitnej wymagają skoordynowanego projektu. Zamknięty obieg główny z wodą nieprzeznaczoną do picia, przewód zimnej wody uzupełniającej i zasobnik wody pitnej pełnią różne funkcje. Wytyczne CDC dotyczące instalacji wodnych w budynkach omawiają temperaturę, czas przebywania wody w instalacji, stężenie pozostałości środka dezynfekcyjnego oraz zabezpieczenia przed oparzeniem. Zmiany wprowadzane w celu poprawy efektywności muszą być zgodne z planem zarządzania instalacją wodną w budynku.

Moc pomp ciepła CO2 w niskiej temperaturze zewnętrznej

Opublikowana moc Heat2O wynosi 40 kW przy temperaturze powietrza zewnętrznego 36°F (około 2°C); przy −13°F (−25°C) wydajność spada do 50%, a uzyskanie wody o temperaturze 176°F nadal jest możliwe, zgodnie z informacjami zawartymi w komunikacie Mitsubishi o Heat2O. Pompy ciepła CO2 typu powietrze–woda mogą podgrzewać wodę w niskich temperaturach zewnętrznych, ale dostępna moc grzewcza zależy od modelu i temperatur pracy.

Ma to znaczenie w hotelu lub apartamentowcu: wymagana temperatura na wylocie może być osiągalna, ale odtwarzanie zapasu trwa dłużej. Tę samą dobową ilość ciepłej wody łatwo zapewnić, gdy pobór rozkłada się w ciągu dnia, a trudniej, gdy koncentruje się w porannym szczycie. Przy doborze urządzeń na zimę należy uwzględnić temperaturę zewnętrzną, odszranianie, dostępność zasobnika i pracę źródła rezerwowego. Temperatura powietrza wokół urządzenia określa warunki źródła ciepła dla urządzeń zewnętrznych. Jaka moc cieplna jest dostępna w okresie odtwarzania zapasu?

Przy doborze urządzeń na zimę należy uwzględnić pobór ciepła z zasobnika oraz jego uzupełnianie przez urządzenia pracujące w zmiennych warunkach. W badaniu budynków wielorodzinnych z 2024 r. Oak Ridge National Laboratory połączyło obliczenia dla dnia projektowego, model warstwowego zasobnika i charakterystykę pracy komercyjnej pompy ciepła CO2; symulowane oszczędności dotyczą badanych obiektów i taryf.

Ograniczenia hałasu w nocy mogą również zmniejszyć moc dostępną do odtwarzania zapasu. W projekcie AEA w Lassen ograniczono pracę nocną, aby zmniejszyć hałas odczuwany przez sąsiadów; uzasadniała to zainstalowana moc urządzeń. W innym budynku takie ograniczenie może wymagać większego zasobnika lub innego harmonogramu odtwarzania zapasu.

Pompy ciepła wykorzystujące wodę jako źródło ciepła pracują przy innym profilu temperatury źródła niż urządzenia zewnętrzne. Projekt pompy ciepła z wodnym źródłem ciepła uwzględnia dostępne warunki wodne i związane z nimi pompowanie, w tym dostępność źródła w najzimniejszych godzinach.

Pompy ciepła CO2 a R290 do komercyjnego przygotowania ciepłej wody

R744 może być stosowany przy dużym podniesieniu temperatury zimnej wody uzupełniającej, a R290, czyli propan, nadaje się do podgrzewania wody i ogrzewania pomieszczeń. Wybór urządzeń CO2 lub R290 zależy od temperatury wody, warunków źródła ciepła, obciążeń i ograniczeń.

W numerycznym porównaniu trzech konstrukcji o mocy 15 kW autorstwa Conte i współpracowników z 2025 r. powietrzna pompa ciepła R290 uzyskała najwyższą sezonową efektywność w analizowanych scenariuszach łącznego ogrzewania pomieszczeń i wody użytkowej w Rzymie i Strasburgu. W profilu dziennego zapotrzebowania wyłącznie na ciepłą wodę lepsza była konstrukcja R744 wykorzystująca powietrze ogrzewane energią słoneczną. Wynik porównania zależał od pogody i pory poboru.

Przy łącznym przygotowaniu ciepłej wody użytkowej i ogrzewaniu pomieszczeń temperatura wody powrotnej z grzejników może znacznie różnić się od temperatury zimnej wody uzupełniającej, wykorzystywanej do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Oddzielny obieg lub inne rozwiązanie grzewcze może lepiej spełniać te wymagania. Zastosowanie pompy ciepła z agregatem wody lodowej obejmuje również chłodzenie i ogrzewanie, które wymagają odrębnego porównania warunków pracy.

Jakie są wady CO2 jako czynnika chłodniczego?

Systemy CO2 wykorzystują urządzenia zaprojektowane do pracy pod wysokim ciśnieniem, a w wielu rozwiązaniach do podgrzewania wody efektywność spada wraz ze wzrostem temperatury wody na wlocie. Te cechy wpływają na dobór komponentów, możliwość serwisowania i układ hydrauliczny. W modernizowanej instalacji z ciepłą wodą powrotną praktyczną wadą mogą być zmiany systemowe niezbędne do uzyskania efektywnej pracy, a nie maksymalna osiągalna temperatura czynnika chłodniczego.

Porównania dekarbonizacji powinny uwzględniać sezonowe zużycie energii elektrycznej, zastępowane paliwa kopalne i wpływ czynnika chłodniczego na klimat. Niski wskaźnik GWP obejmuje tylko część zagadnień związanych z określeniem „przyjazny dla środowiska”. Systemy R32, urządzenia na propan i systemy CO2 wykorzystujące naturalny czynnik chłodniczy należy porównywać dla konkretnych modeli.

Koszt instalacji i zużycie energii: przykład obliczeniowy

Koszt instalacji pompy ciepła obejmuje urządzenia, zasobniki, prace elektryczne, przewody rurowe, układ sterowania oraz uruchomienie i regulację. Koszty eksploatacji zależą od zużycia energii elektrycznej przez cały system i jej ceny. Koszty mogą w podobnym stopniu zależeć od powierzchni zajmowanej przez zasobnik, dostępnej mocy elektrycznej i strat w obiegu, co od doboru urządzenia.

Do wstępnego, przybliżonego obliczenia należy przyjąć, że zapotrzebowanie na ciepło do podgrzewania wody wynosi 100 kWh ciepła na dzień, bez strat magazynowania i dystrybucji. Należy porównać założone średnie wartości COP wynoszące 2, 3 i 4 dla tego samego obciążenia i okresu. Zużycie energii elektrycznej dla podanego obciążenia oblicza się, dzieląc energię cieplną przez COP.

Przy dodatkowym założeniu stałej ceny energii elektrycznej wynoszącej $0.20/kWh przypadek pośredni kosztuje $6,67 dziennie: 100 ÷ 3 × $0,20. To koszt energii dla podanego obciążenia. Przy sporządzaniu pełnego kosztorysu należy dodać odpowiednie obciążenia cieplne związane z zasobnikiem i cyrkulacją, energię elektryczną pomp oraz energię dostarczaną przez źródło rezerwowe. Opłaty za moc i stawki zależne od pory zużycia wymagają dokładnego profilu poboru energii elektrycznej.

Należy zachować spójność granicy bilansowej. W badaniu terenowym Banksa COP systemu określono jako stosunek ciepła przekazanego wodzie wraz ze stratami cyrkulacyjnymi do energii elektrycznej zużytej przez pompę ciepła i grzałkę rezerwową. Jeśli zmierzony COP całego systemu uwzględnia już energię elektryczną źródła rezerwowego i pomp, ponowne dodanie tych wartości oznaczałoby ich podwójne policzenie. Wskaźnik efektywności ograniczony do użytecznej ciepłej wody będzie inny, nawet dla tej samej instalacji.

Zasobnik musi pokrywać szczytowy pobór ciepłej wody, a pompa ciepła w tym czasie odtwarzać zapas na kolejny szczyt. Budynek, w którym dobowe zapotrzebowanie na ciepło wynosi 100 kWh, może pobierać dużą część tej energii w krótkim czasie, dlatego samo zużycie energii nie wystarcza do określenia pojemności zasobnika ciepłej wody ani mocy grzewczej.

Zasobnik może ograniczyć wymaganą moc pompy ciepła potrzebną do pokrycia chwilowego zapotrzebowania na ciepłą wodę. Pozwala też uruchamiać pompę ciepła poza godzinami szczytu, jak opisał Andrew Macaluso w omówieniu projektowania zasobników w HPAC. Korzyści kosztowe zależą od zapotrzebowania obiektu i taryfy.

Przy porównywaniu całkowitego kosztu posiadania należy uwzględnić ten sam zakres dostawy w każdej ofercie: urządzenia i zasobniki, modernizację instalacji elektrycznej, dostęp do miejsca montażu, zabezpieczenia akustyczne, uruchomienie i regulację, konserwację oraz rozwiązanie rezerwowe. W modernizowanej instalacji elektryczne podgrzewacze wody mogą również stanowić część rezerwy. Należy porównać sekwencje pracy elektrycznego ogrzewania i pozostawionych kotłów. W kosztorysie trzeba uwzględnić czas ich pracy, nawet jeśli główna pompa ciepła zużywa mniej energii niż ogrzewanie oporowe.

Zastosowanie komercyjnych pomp ciepła CO2

Podgrzewanie wody pompą ciepła to praktyczne rozwiązanie dla hoteli i innych budynków o dużym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę użytkową. Aby rozwiązanie było odpowiednie, harmonogram temperatury wody i konfiguracja zasobnika muszą odpowiadać urządzeniu. W zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych z ciepłą wodą powrotną, ograniczoną przestrzenią na zasobnik lub równoczesnym obciążeniem chłodniczym konieczne jest dokładniejsze porównanie systemów.

Mniejsze urządzenia CO2 zapewniały centralne przygotowanie ciepłej wody w modernizowanym budynku z 60 lokalami, badanym przez Banksa i współpracowników. Urządzenia przeznaczone do zastosowań mieszkaniowych obsługiwały budynek dzięki zaprojektowanej dla niego instalacji. Każda mieszkaniowa pompa ciepła CO2 stanowiła część systemu dobranego i sterowanego z uwzględnieniem obciążenia budynku.

Obiekty wymagające jednoczesnego ogrzewania i chłodzenia mają dodatkowe możliwości. W badaniach komercyjnych systemów R744 autorstwa Petersena i współpracowników analizowano użyteczne chłodzenie równolegle z podgrzewaniem wody. Restauracja lub obiekt z instalacją chłodniczą może mieć nakładające się obciążenia. W analizie należy uwzględnić, kiedy każde z wyjść jest użyteczne, i uniknąć podwójnego liczenia korzyści z odzysku ciepła i chłodzenia.

Ogrzewanie pomieszczeń i przygotowanie ciepłej wody użytkowej często wymagają różnych temperatur zasilania i powrotu. Woda procesowa może wymagać innych płynów, rozwiązań higienicznych lub wymienników ciepła itp. Takie przypadki należy uwzględnić przy analizie zastosowań pomp ciepła w przemyśle i handlu. Możliwości wykorzystania energii odnawialnej, zwłaszcza ciepła z otoczenia i ciepła odzyskanego, zależą od ich dostępności oraz harmonogramu pracy.

Wymagania dotyczące integracji, eksploatacji i zakupu

Dobre zapytanie ofertowe dotyczące rozwiązania do podgrzewania wody powinno łącznie określać wymagany punkt pracy urządzenia, obiegi wodne, magazynowanie, zasilanie elektryczne i zakres odpowiedzialności za serwis. Należy przekazać projektantowi i dostawcy ten sam zestaw danych, aby umożliwić rzetelne porównanie ofert.

Dokumentacja techniczna powinna określać warunki pracy przy danej temperaturze powietrza zewnętrznego, temperatury wody na wlocie i wylocie, wydajność, pobór mocy elektrycznej oraz charakterystykę pracy przy częściowym obciążeniu. Przy planowaniu serwisu należy ustalić dostęp do lokalnych specjalistów w zakresie czynników chłodniczych, dostępność części zamiennych oraz sposób postępowania w razie awarii urządzenia.

Normy dotyczące wartości znamionowych komercyjnych podgrzewaczy wody obejmują ANSI/AHRI 1300-2013 (R2023) i 1301-2013 (R2023), wymienione na stronie AHRI poświęconej wartościom znamionowym komercyjnych podgrzewaczy wody. Wartości znamionowe mogą się różnić w zależności od warunków i zastosowanej metody oceny. Należy osobno zweryfikować certyfikaty. Projekt musi również uwzględniać odpowiednie zabezpieczenia ciśnieniowe, wymagania dotyczące instalacji elektrycznej oraz układy sterowania instalacją wodną budynku.

Podczas uruchomienia i regulacji należy sprawdzić standardową sekwencję ogrzewania oraz działanie źródła rezerwowego. W modernizowanej instalacji w Banks zmienione wartości zadane i uszkodzony czujnik przepływu wpływały na działanie źródła rezerwowego podczas przestojów pompy ciepła. Nieczynny podgrzewacz rezerwowy jest przydatny tylko wtedy, gdy jego elementy sterujące, czujniki i przyłącza hydrauliczne działają zgodnie z założeniami.

FAQ: pompy ciepła CO2

Przewodnik referencyjny opublikowała firma Kovenair. Prawa do poszczególnych urządzeń, badań i realizacji terenowych oraz autorstwo należą do ich odpowiednich właścicieli i autorów. Tabela zużycia energii elektrycznej opiera się na podanych założeniach i nie stanowi danych dotyczących wydajności produktu.