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Acronym: COP = coefficient of performance
Definition: Verhältnis von erzeugter Nutzwärme und eingesetzter Antriebsenergie bei einer Wärmepumpe
Die Leistungszahl einer Wärmepumpe (englisch COP = coefficient of performance) ist definiert als das Verhältnis der Mengen von erzeugter Nutzwärme und eingesetzter Antriebsenergie. Sie ist ein Maß für die Energieeffizienz unter bestimmten Betriebsbedingungen, charakterisiert durch die Temperatur des genutzten Wärmereservoirs und die Temperatur der erzeugten Nutzwärme. Die Leistungszahl wird in der Regel umso geringer, je größer der Temperaturunterschied zwischen Nutzwärme und kaltem Reservoir ist.
Auch für Kältemaschinen kann eine Leistungszahl angegeben werden; hier bezeichnet sie das Verhältnis von Kälteleistung und Antriebsleistung.
Die Antriebsenergie wird verstanden als die aufgewandte mechanische Energie, oder bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen als die aufgenommene elektrische Energie. Letztere ist etwas höher als die mechanische Energie wegen der Verluste im Elektromotor. Ebenfalls eingeschlossen ist in der Regel der elektrische Verbrauch von Nebenaggregaten, insbesondere von Sole-Umwälzpumpen (mit Erdsonden) oder Ventilatoren (bei Luft-Wasser-Wärmepumpen). Der Verbrauch einer Umwälzpumpe der Zentralheizung wird meist nicht berücksichtigt; er würde beispielsweise auch bei Verwendung eines Heizkessels anfallen (allerdings möglicherweise in etwas niedrigerem Umfang wegen der geringeren umgewälzten Wassermengen).
Abbildung 1: Die Abhängigkeit der Leistungszahl einer Wärmepumpe von der Vorlauftemperatur. Die obere Kurve zeigt die theoretische Grenze für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe für eine Temperatur der Sole von 0 °C. Die eingezeichneten Punkte zeigen einige Werte, die von typischen Wärmepumpenmodellen in der Praxis erreicht werden.
Die Betriebstemperaturen werden häufig in einer Kurzform angegeben:
Diese Angaben enthalten nicht die Rücklauftemperatur des Heizungssystems, die auch eine Rolle spielt. Es wird in der Regel angenommen, dass sie ca. 10 Grad tiefer liegt als die Vorlauftemperatur.
Die Leistungszahl wird in aller Regel bei Volllast der Wärmepumpe angegeben. Wenn im tatsächlichen Betrieb eine geringere Leistung benötigt wird (Teillastbetrieb), muss die Leistung entsprechend angepasst werden. Hierfür gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, mit unterschiedlichen Auswirkungen auf die Leistungszahl:
Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen wird die durchschnittliche Leistungszahl auch dadurch verringert, dass vor allem bei Außentemperaturen um 0 °C häufig der Verdampfer vereist und unter Energieaufwand abgetaut werden muss – insbesondere an Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit.
Eine möglichst hohe Leistungszahl einer Wärmepumpe erfordert das Folgende:
Weitere Aspekte sind wichtig im Zusammenhang mit der Optimierung der Jahresarbeitszahl (siehe unten).
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt die erreichbare Leistungszahl einer Wärmepumpe auf den Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrads, berechnet aus den Temperaturen von Nutzwärme und genutztem Reservoir. Beispielsweise ergibt sich für eine Vorlauftemperatur von 50 °C und einem kalten Reservoir mit 0 °C eine maximale Leistungszahl von ca. 6,5. Tatsächlich werden jedoch meistens Werte erreicht, die höchstens der Hälfte dieser theoretischen Obergrenze entsprechen (siehe Abbildung 1). Dies liegt an diversen technischen Unvollkommenheiten sowie am Verbrauch von Nebenaggregaten wie Pumpen und Ventilatoren. Für weitere technische Verbesserungen von Wärmepumpen besteht noch ein erhebliches Potenzial.
Die Leistungszahl einer Wärmepumpe gilt nur für bestimmte Betriebsbedingungen, die aber bei einer Wärmepumpenheizung im Laufe des Jahres deutlich variieren. Deswegen ist die Jahresarbeitszahl, die die im Mittel erreichte Leistungszahl angibt, aussagekräftiger für die erreichte Energieeffizienz. Die erreichte Jahresarbeitszahl hängt nicht nur von der Wärmepumpe an sich ab, sondern auch von den klimatischen Verhältnissen, dem genutzten Wärmereservoir sowie von der Qualität der Auslegung der Gesamtanlage.
Der manchmal auftauchende Begriff Arbeitszahl ist etwas unklar; es kann die Leistungszahl gemeint sein oder auch die Jahresarbeitszahl. Somit besteht die Gefahr der Verwechslung dieser Größen bzw. des Übersehens des wichtigen Unterschieds.
Siehe auch: Jahresarbeitszahl, Wärmepumpe, Carnot-Wirkungsgrad, Energieeffizienz, thermodynamisch optimiertes Heizen