Energieverbrauch und Effizienz von Wärmepumpen
Was bedeutet der COP einer Wärmepumpe?
Der Energieverbrauch verschiedener Wärmepumpen wird durch den Leistungskoeffizienten (COP) ausgedrückt. Unabhängig vom Typ, ob Luftwärmepumpe oder Erdwärmepumpe, wird die Effizienz anhand des COP gemessen. Doch was bedeutet dieser COP eigentlich?
Ein häufiger Fehler besteht darin, Wärmepumpen anhand eines einzelnen COP-Werts zu bewerten. Ein hoher COP-Wert bedeutet nicht zwangsläufig, dass eine Wärmepumpe wirtschaftlich ist. Für einen fairen Vergleich spielt der integrierte Wert (SCOP) eine entscheidende Rolle. Es ist auch wichtig zu verstehen, wie sich die Wärmepumpe im Teillastbereich verhält.
Der Ursprung der Wärmepumpe: Wie funktioniert sie?
Eine Wärmepumpe entzieht Wasser oder Luft Wärme. Je nach Wärmequelle unterscheidet man zwischen verschiedenen Systemen. Als Wärmequelle eignet sich nahezu jedes wärmespeichernde Medium, ob solar oder nicht, wie Erdwärme, Oberflächenwasser, Außenluft, Lüftungsluft oder Abwärme aus industriellen Prozessen. Die Wärme wird aufbereitet und zur Raumheizung oder Warmwasserbereitung an Luft oder Wasser abgegeben. Für diesen Prozess wird Strom benötigt.
Was bedeutet der COP einer Wärmepumpe?
Der COP ist das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmemenge und dem Stromverbrauch (aufgenommene Leistung) der Wärmepumpe. Dies lässt sich am besten anhand eines Beispiels erklären.
Beispiel: Von 5 kWh Wärme, die eine Wärmepumpe erzeugt, stammen 4 kWh aus der Quelle (Luft oder Wasser) und 1 kWh aus Strom. Anders ausgedrückt: Pro 5 kWh Wärme ergibt sich der COP in diesem Beispiel aus 4 kWh aus der Quelle und 1 kWh aus Strom. Der COP beträgt hier also 5. Berechnet sieht das so aus:
COP = Wärmeabgabe/Stromzufuhr
Ein höherer COP bedeutet einen geringeren Stromverbrauch und einen sparsameren Betrieb der Wärmepumpe. Eine Wärmepumpe mit hohem COP amortisiert sich schneller, und es werden weniger Solarmodule benötigt, um den Verbrauch auszugleichen. Der COP ist daher ein relevanter Wert.
Effizienz einer Wärmepumpe
Im oben genannten Beispiel liegt der COP bei 5, wobei für 5 Teile Wärme nur 1 Teil Strom benötigt wird. Dies ergibt einen Wirkungsgrad von 500 %, der im Heizsektor außergewöhnlich ist. Zum Vergleich: Hier sind die Wirkungsgrade einer Elektroheizung und eines Gaskessels.
COP und Effizienz von Elektrokesseln oder Elektroheizkörpern
Bei vollelektrischen Heizungen, wie beispielsweise einem Elektrokessel oder einem Elektroradiator, ist der Wirkungsgrad nicht so hoch. Im besten Fall erzeugt eine vollelektrische Heizung 1 kWh Wärme pro kWh verbrauchtem Strom.
Der Wirkungsgrad beträgt 100 %. Der Energieeinsatz entspricht dem Energieertrag. Noch wichtiger ist, dass eine Wärmepumpe mit Strom fünfmal effizienter arbeitet als eine Elektroheizung. Dies liegt möglicherweise daran, dass eine Wärmepumpe Wärme aus einer Quelle gewinnt und aufbereitet, anstatt ausschließlich auf Strom zu setzen. Der Großteil der Energie stammt nicht aus Strom, sondern aus der Wärme der Luft oder des Wassers.
COP und Effizienz eines Gaskessels
Ein Gaskessel ist mit Verlusten verbunden. Die bei der Gasverbrennung freigesetzte Wärme kann nicht vollständig auf das zu erhitzende Wasser übertragen werden, was zu Wärmeverlusten und einem Effizienzverlust führt. Außerdem entsteht beim Erhitzen des Wassers im Kessel Wasserdampf, der zusammen mit den Rauchgasen durch den Schornstein entweicht. Bei einem hocheffizienten (HR) Kessel wird der Wasserdampf kondensiert, wodurch weniger Verluste entstehen und die Effizienz steigt. Trotzdem kann die Effizienz nie 100 % oder mehr erreichen. Die durchschnittliche Effizienz eines Kessels liegt bei etwa 90 %, was einem COP von 0,9 entspricht. Das ist mehr als fünfmal weniger effizient als eine Wärmepumpe. Einige Kesselhersteller geben eine Effizienz von bis zu 107 % an, diese Angabe wird jedoch auf der folgenden Website bestritten: cvketelkiezen.nl .
Der COP einer Wärmepumpe ist nicht festgelegt
Der COP einer Wärmepumpe hängt von verschiedenen Faktoren ab:
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Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe selbst ist entscheidend. Je effizienter die Wärmepumpe Warmwasser oder Luft erzeugt, desto höher ist der COP. Dies geschieht durch den Einsatz von Inverterkompressoren und elektronisch gesteuerten Expansionsventilen.
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Die Temperatur der Quelle (Luft oder Wasser) sowie die Temperatur des erzeugten Wassers/der erzeugten Luft beeinflussen ebenfalls den COP. Je höher die erzeugte Temperatur, desto höher der Verbrauch und desto niedriger der COP. Das ist logisch; das Erhitzen von Wasser von 15 °C auf 80 °C benötigt mehr Energie als das Erhitzen von 15 °C auf 35 °C.
COP einer Luft/Wasser-Wärmepumpe
Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe entzieht der sonnenerwärmten Außenluft selbst bei Frost Wärme. Diese wird auf ein nutzbares Niveau aufbereitet und auf Wasser übertragen, das zur Raumheizung (Fußbodenheizung, Heizkörper) und/oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann.
Diese Wärmepumpe besteht üblicherweise aus einer Außen- und einer Inneneinheit. Die Außeneinheit befindet sich im Freien und saugt Luft an und gibt sie kühler wieder ab. Der Temperaturunterschied zwischen den beiden Einheiten entspricht der von der Wärmepumpe aufgenommenen Wärme.
Man kann sich vorstellen, dass die Wärmepumpe bei kälteren Außentemperaturen mehr arbeiten muss, um Wasser zu erwärmen, als bei wärmeren Temperaturen. Schließlich muss ein größerer Unterschied überbrückt werden. Das bedeutet auch, dass der COP bei unterschiedlichen Außentemperaturen schwankt. Je kälter es draußen ist, desto niedriger ist der COP bei gleicher Ausgangstemperatur.
Das bedeutet, dass der COP einer Luftwärmepumpe nicht nur wetterabhängig ist, sondern auch von der Jahreszeit und dem Standort abhängt. Im Winter ist es kälter als im Sommer, und die Wärmepumpe muss mehr arbeiten, ähnlich wie in Skandinavien, wo es draußen kälter ist als in den Niederlanden.
Daher gibt es bei einer Luftwärmepumpe nie nur einen COP (siehe Grafik unten). Die linke Achse zeigt zwei Werte: den COP und die Außenlufttemperatur. Die untere Achse zeigt die Temperatur des erzeugten Wassers.
SCOP einer Wärmepumpe
Was ist also der SCOP einer Wärmepumpe? Die Abkürzung steht für Seasonal Coefficient of Performance (saisonale Leistungszahl). Im Wesentlichen handelt es sich dabei um den durchschnittlichen COP über ein Jahr unter Berücksichtigung der Jahreszeiten in einer bestimmten Region.
Der SCOP erleichtert den Vergleich von Wärmepumpen, insbesondere von Luftwärmepumpen, deren Effizienz von den Jahreszeiten beeinflusst wird. Bei kälteren Temperaturen muss eine Wärmepumpe mehr arbeiten, und der COP sinkt, wie oben beschrieben.
Um den SCOP einer Luft/Wasser-Wärmepumpe zu berechnen, werden alle COP-Werte über das Jahr hinweg in einer bestimmten Region, beispielsweise der Region Utrecht (oder einem anderen Teil Europas), gemittelt. Dies geschieht für verschiedene Ausgangstemperaturen in 5-°C-Schritten. So wissen Sie, wie hoch der SCOP für die jeweilige Wärmepumpe bei der Erzeugung von Wasser mit 30 °C, 35 °C, 40 °C, 45 °C usw. ist.
Der SCOP einer Wärmepumpe ist in Skandinavien niedriger als in Spanien, da es dort kälter ist. Auch das Heizsystem, wie Heizkörper oder Fußbodenheizung, kann den SCOP beeinflussen. Mehr dazu im nächsten Kapitel.
Bei modernen Luftwärmepumpen in den Niederlanden liegt der SCOP zwischen 3 und 4. Dies ist ein Durchschnittswert, da keine Wärmepumpe kontinuierlich bei der gleichen Außentemperatur und Wassertemperatur arbeitet.
Luft/Wasser-Wärmepumpe und niedrige Außentemperaturen
Um die Effizienz bei niedrigen Außentemperaturen zu verbessern, muss ein anderes Kältemittel verwendet werden, das niedrigeren Temperaturen standhält. Darüber hinaus spielt die Invertertechnologie eine wichtige Rolle. Die Außeneinheit verfügt über einen frequenzgeregelten Kompressor, der seine Drehzahl an den Wärmebedarf anpassen kann. Das bedeutet: Bei kühleren Außentemperaturen läuft der Kompressor langsamer, bei kälteren Temperaturen schneller.
Dadurch läuft der Kompressor stets mit optimaler Drehzahl, was sich positiv auf den COP auswirkt. Darüber hinaus verhindert die Invertertechnologie ein ständiges An- und Abschalten des Kompressors, was die Effizienz mindert. Die Invertertechnologie wird nicht nur bei Luft-/Wasser-Wärmepumpen, sondern auch bei anderen Bauarten eingesetzt.
COP und Effizienz einer Luft/Luft-Wärmepumpe
Eine Luft/Luft-Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme und überträgt diese direkt auf die Raumluft. Im Gegensatz zu einer Luft/Wasser-Wärmepumpe wird hier kein Wasser erzeugt. Dieser Wärmepumpentyp besteht in der Regel aus einem Außengerät und mehreren Innengeräten.
Wie bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe ist auch der COP der Luft/Luft-Wärmepumpe von der Außentemperatur abhängig. Da hier jedoch kein Wasser erzeugt wird, ist der COP einer Luft/Luft-Wärmepumpe bei gleicher Außentemperatur in der Regel höher als der einer Luft/Wasser-Wärmepumpe.
Aber – und das ist ein großes Aber – eine Luft/Luft-Wärmepumpe ist nicht für alle Haustypen geeignet. Nur wenn das Haus sehr gut isoliert ist und über eine Niedertemperaturheizung wie Fußbodenheizung oder Heizkörper mit großer Oberfläche verfügt, kann eine Luft/Luft-Wärmepumpe eingesetzt werden.
COP einer Erdwärme-/Wasser-Wärmepumpe
Eine Erdwärme-/Wasser-Wärmepumpe entzieht dem Erdreich oder Grundwasser Wärme und bereitet diese auf ein nutzbares Niveau auf. Der COP dieser Wärmepumpenart ist weniger von der Außentemperatur abhängig und daher stabiler. Allerdings ist er von der Außentemperatur nicht völlig unabhängig.
Auch im Winter bleibt die Temperatur des Erdreichs in einer bestimmten Tiefe konstanter als die Außenlufttemperatur. Daher ist der COP einer Erdwärme-/Wasser-Wärmepumpe im Winter in der Regel höher als der einer Luft-Wärmepumpe.
COP und Effizienz einer Hybrid-Wärmepumpe
Eine Hybrid-Wärmepumpe kombiniert zwei Wärmequellen: eine Wärmepumpe und einen Gaskessel. Die Wärmepumpe entzieht der Luft Wärme und wertet diese auf. Der Gaskessel schaltet sich nur ein, wenn die Außentemperatur für einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe zu niedrig ist. Die beiden Wärmequellen sind an einen Pufferspeicher angeschlossen, der die Heizungsanlage mit Warmwasser versorgt.
Der Vorteil einer Hybrid-Wärmepumpe besteht darin, dass sie unabhängig vom Gasnetz betrieben werden kann. Dies ist insbesondere in Neubauten sinnvoll, die nicht mehr an das Gasnetz angeschlossen sind. Ein weiterer Vorteil einer Hybrid-Wärmepumpe mit Gaskessel besteht darin, dass der Gaskessel nur in den Wintermonaten angeschlossen werden muss, was den Gasverbrauch senkt.
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der COP ein wesentlicher Faktor für die Effizienz einer Wärmepumpe ist. Es ist jedoch wichtig, den SCOP zu berücksichtigen, der die Leistung einer Wärmepumpe im Jahresverlauf unter Berücksichtigung unterschiedlicher Außentemperaturen und Heizbedarfs genauer abbildet. Verschiedene Wärmepumpentypen, wie Luft/Wasser-, Luft/Luft-, Geothermie/Wasser- und Hybrid-Wärmepumpen, weisen je nach Wärmequelle und verwendeter Technologie Unterschiede in COP und Effizienz auf.
Um den am besten geeigneten Wärmepumpentyp zu bestimmen, empfiehlt es sich, die spezifischen Anforderungen eines Heizsystems, das regionale Klima und den Verwendungszweck zu berücksichtigen. Regelmäßige Wartung und optimale Nutzungsbedingungen können zudem dazu beitragen, die Effizienz und Lebensdauer einer Wärmepumpenanlage zu maximieren.
