Energieverbrauch und Effizienz von Wärmepumpen

Der Energieverbrauch verschiedener Wärmepumpen wird durch den sogenannten Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) ausgedrückt. Unabhängig von der Art, sei es eine Luft-Wasser-Wärmepumpe oder eine Erdwärmepumpe, wird die Effizienz anhand des COP gemessen. Aber was bedeutet dieser COP eigentlich?

Oft wird der Fehler gemacht, Wärmepumpen nur anhand eines einzelnen COP-Werts zu bewerten. Ein hoher COP bedeutet nicht zwangsläufig, dass eine Wärmepumpe sparsam ist. Um faire Vergleiche zu ziehen, spielt der integrierte Wert (SCOP) eine entscheidende Rolle. Es ist auch wichtig zu verstehen, wie die Wärmepumpe bei Teilbelastung funktioniert.

Ursprung der Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe entzieht Wasser oder Luft Wärme, wobei verschiedene Systeme je nach Wärmequelle unterschieden werden. Praktisch jedes wärmespeichernde Medium (ob durch Solarenergie gewonnen oder nicht) kann als Quelle dienen, wie Erdwärme, Oberflächenwasser, Außenluft, Abluft oder Restwärme aus industriellen Prozessen. Die Wärme wird aufgewertet und zur Nutzung in Raumheizung oder für warmes Trinkwasser an Luft oder Wasser übertragen. Elektrizität ist erforderlich, um diesen Prozess zu starten und aufrechtzuerhalten.

Was bedeutet der COP einer Wärmepumpe?

Der COP ist das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmemenge und dem Stromverbrauch (aufgenommene Leistung) der Wärmepumpe. Dies kann am besten anhand eines Beispiels erklärt werden.

Beispiel: Von jeder erzeugten 5 kWh Wärme einer Wärmepumpe stammen 4 kWh aus der Quelle (Luft oder Wasser) und 1 kWh aus Strom. Mit anderen Worten, für jede 5 kWh Wärme besteht der COP in diesem Beispiel aus 4 kWh Wärme aus der Quelle und 1 kWh Strom. Der COP beträgt hier also 5. In einer Berechnung sieht das folgendermaßen aus:

Eine höhere COP bedeutet geringeren Stromverbrauch und weist auf einen sparsameren Betrieb der Wärmepumpe hin. Eine Wärmepumpe mit hoher COP hat eine kürzere Amortisationszeit, und es sind weniger Solarpaneele erforderlich, um den Verbrauch auszugleichen. Das macht den COP zu einer relevanten Kennzahl.

Wirkungsgrad einer Wärmepumpe

Im zuvor genannten Beispiel beträgt der COP 5, wobei nur 1 Teil Strom für 5 Teile Wärme benötigt wird. Dies ergibt einen Wirkungsgrad von 500%, was in der Heizungsbranche außergewöhnlich ist. Zum Vergleich hier die Wirkungsgrade von elektrischer Heizung und einem Gasheizkessel.

COP und Wirkungsgrad von elektrischem Heizkessel oder elektrischen Heizkörpern

Bei rein elektrischer Heizung, wie einem elektrischen Heizkessel oder einem elektrischen Heizkörper, ist der Wirkungsgrad nicht so hoch. Im besten Fall erzeugt eine vollständig elektrische Heizung 1 kWh Wärme für jede kWh Elektrizität, die sie verbraucht. Dies wird folgendermaßen berechnet:

Der COP beträgt dann 1 und der Wirkungsgrad beträgt 100%. Die Energiezufuhr entspricht der Ausgabe. Wichtiger noch, eine Wärmepumpe ist 5-mal sparsamer mit Strom als eine elektrische Heizung, möglicherweise, weil eine Wärmepumpe Wärme aus einer Quelle entzieht und auf ein nutzbares Niveau aufwertet. Der Großteil der Energie stammt nicht aus Strom, sondern aus der Wärme von Luft oder Wasser.

COP und Wirkungsgrad eines Gas-Heizkessels

Ein Gas-Heizkessel hat Verluste zu verkraften. Die bei der Verbrennung von Gas freigesetzte Wärme kann nicht vollständig auf das zu erwärmende Wasser übertragen werden, was zu Wärmeverlusten und einem Verlust an Wirkungsgrad führt. Zusätzlich entsteht beim Erhitzen von Wasser im Heizkessel Wasserdampf, der zusammen mit Rauchgasen aus dem Schornstein entweicht. Bei einem Brennwertkessel kondensiert der Wasserdampf und führt zu weniger Verlust und höherem Wirkungsgrad. Dennoch kann der Wirkungsgrad niemals 100% oder höher sein. Die durchschnittliche Effizienz eines Heizkessels liegt bei etwa 90%, was zu einem COP von 0,9 führt. Dies ist mehr als 5-mal weniger effizient als eine Wärmepumpe. Einige Kesselhersteller behaupten eine Effizienz von bis zu 107%, aber diese Behauptung wird auf der folgenden Website angezweifelt: https://cvketelkiezen.nl.

Der COP einer Wärmepumpe ist keine feste Größe

Der COP einer Wärmepumpe hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Erstens beeinflusst die Effizienz der Wärmepumpe selbst den COP; je effizienter die Wärmepumpe warmes Wasser oder Luft produziert, desto höher ist der COP. Dazu gehört beispielsweise der Einsatz von Inverter-Kompressoren und elektronisch gesteuerten Expansionsventilen. Zweitens hat die Temperatur der Quelle (Luft oder Wasser) Einfluss auf den COP, ebenso wie die Temperatur des produzierten Wassers oder der Luft. Je höher die produzierte Temperatur, desto höher der Verbrauch und desto niedriger der COP. Dies ist logisch; es erfordert mehr Energie, Wasser von 15˚C auf 80˚C zu erhitzen als von 15˚C auf 35˚C. COP einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht wörtlich Wärme aus der Außenluft, die durch die Sonne erwärmt wurde, und gibt sie an das Wasser im Heizsystem weiter. Der COP einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ist stark abhängig von der Außentemperatur. Bei einer niedrigen Außentemperatur wird mehr Strom benötigt, um die gleiche Menge Wärme zu erzeugen, und der COP sinkt. Umgekehrt steigt der COP bei höheren Außentemperaturen. Daher sind Luft-Wasser-Wärmepumpen in wärmeren Klimazonen oft effizienter.

COP einer Erdwärmepumpe

Eine Erdwärmepumpe entzieht Wärme aus dem Boden, der im Vergleich zur Außenluft eine relativ konstante Temperatur hat. Dies macht die Leistung der Erdwärmepumpe weniger wetterabhängig im Vergleich zu Luft-Wasser-Wärmepumpen. Der COP einer Erdwärmepumpe bleibt in der Regel konstanter und kann in kälteren Klimazonen effizienter sein.

Was ist der SCOP?

Der Saisonale Leistungszahl (Seasonal Coefficient of Performance, SCOP) ist eine Erweiterung des COP und berücksichtigt die Effizienz einer Wärmepumpe über einen gesamten Heizsaisonzyklus hinweg. Da die Außentemperaturen während des Jahres variieren, ermöglicht der SCOP eine realistischere Einschätzung der Leistung einer Wärmepumpe über längere Zeiträume.

In vielen Fällen kann eine Wärmepumpe bei niedrigen Außentemperaturen weniger effizient sein, was den SCOP im Vergleich zum COP genauer macht. Beim Vergleich von Wärmepumpen ist es daher ratsam, sowohl den COP als auch den SCOP zu berücksichtigen, um eine fundierte Entscheidung hinsichtlich der Energieeffizienz zu treffen.

Teilbelastung und die Bedeutung für den Energieverbrauch

Wärmepumpen sind nicht immer unter Vollast in Betrieb. In vielen Fällen müssen sie nur einen Teil der maximalen Leistung erbringen, um den aktuellen Heizbedarf zu decken. Hier kommt die Teilbelastung ins Spiel.

Es ist wichtig zu verstehen, wie gut eine Wärmepumpe bei Teilbelastung arbeitet, da dies den tatsächlichen Energieverbrauch im realen Betrieb beeinflusst. Einige Wärmepumpen können bei Teilbelastung weniger effizient sein, was zu einem höheren Energieverbrauch führt. Daher sollte bei der Auswahl einer Wärmepumpe auch auf ihre Leistung bei Teilbelastung geachtet werden.

Fazit: Ganzheitliche Bewertung der Wärmepumpeneffizienz

Um die Effizienz einer Wärmepumpe vollständig zu verstehen, ist es entscheidend, über den reinen COP hinauszuschauen. Der integrierte Wert SCOP, die Art der Wärmequelle, die Betriebsbedingungen und die Leistung bei Teilbelastung spielen eine wichtige Rolle bei der ganzheitlichen Bewertung. Wärmepumpen können eine energieeffiziente Option für die Raumheizung sein, insbesondere wenn sie gut dimensioniert und unter optimalen Bedingungen betrieben werden.