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Leistungszahl

Akronym: LZ oder COP = coefficient of performance oder EER = energy efficiency ratio

Definition: Verhältnis von erzeugter Nutzwärmeleistung und eingesetzter Antriebsleistung bei einer Wärmepumpe

Englisch: coefficient of performance

Kategorie: Energieeffizienz

Einheit: (dimensionslos)

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 21.03.2010; letzte Änderung: 03.11.2018

Die Leistungszahl (oder Leistungsziffer) ε einer Kompressionswärmepumpe (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 (z. B. von Klimaanlagen) kann eine Leistungszahl angegeben werden; hier bezeichnet sie das Verhältnis von Kälteleistung und Antriebsleistung. Bei Maschinen mit mechanischem Antrieb wird sie als Energy Efficiency Ratio (EER) bezeichnet, manchmal auch als Kälteleistungszahl. Dieses ist bei gegebenen Temperaturen immer geringer, da die Kälteleistung etwa um die Antriebsleistung geringer ist als die Wärmeleistung. Trotzdem erreichen Kältemaschinen häufig deutlich höhere Leistungszahlen als Wärmepumpen, da sie typischerweise mit geringeren Temperaturdifferenzen arbeiten.

Bei Kältemaschinen, die durch Zufuhr von Wärme betrieben werden (z. B. Absorptionskältemaschinen) wird die Leistungszahl als Wärmeverhältnis bezeichnet.

Mit der Heizzahl einer Absorptionswärmepumpe ist die Leistungszahl nicht direkt vergleichbar, da unterschiedliche Energieformen involviert sind.

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 Erdwärmesonden) oder Ventilatoren (bei Luft/Wasser-Wärmepumpen). Der Verbrauch einer Umwälzpumpe der Zentralheizung wird dagegen nicht berücksichtigt; er würde beispielsweise auch bei Verwendung eines Heizkessels anfallen (allerdings möglicherweise in etwas niedrigerem Umfang wegen der geringeren umgewälzten Wassermengen).

Anders als Wirkungsgrade können Leistungszahlen ohne weiteres deutlich höher als 1 (= 100 %) sein. Dies hängt damit zusammen, dass eine Wärmepumpe oder Kältemaschine quasi Wärme von einem Ort zum anderen verschiebt und nicht etwa thermische Energie einfach aus der zugeführten Antriebsenergie erzeugt.

Leistungszahl von Wärmepumpen bei verschiedenen Vorlauftemperaturen
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 (Stand 2014) bei Quellentemperatur von rund 0 °C erreicht werden.

Die Betriebstemperaturen von Wärmepumpen werden häufig in einer Kurzform angegeben:

Diese Angaben enthalten nicht die Rücklauftemperatur des Heizungssystems, die auch eine wesentliche Rolle spielt. Es wird z. B. in der Norm EN14511 angenommen, dass sie 5 Grad tiefer liegt als die Vorlauftemperatur, d. h. dass die Temperaturspreizung 5 Kelvin beträgt. (In der älteren Norm EN 255 waren es noch 10 K.) Der Mittelwert von Vorlauf- und Rücklauftemperatur (die Heizkreismitteltemperatur) ist für Vergleiche im Fall unterschiedlicher Temperaturspreizung am besten geeignet. Ähnliches gilt für die Temperatur der Wärmequelle; beispielsweise nicht man gemäß EN14511 für den Betriebspunkt B0/W35 an, dass die Sole mit 0 dC in die Wärmepumpe eintritt und dort um 3 K abgekühlt wird.

Angaben von Leistungszahlen gelten in der Regel für den Betrieb mit voller Last. Leistungsgeregelte Wärmepumpen (z. B. Inverter-Geräte mit drehzahlgeregelten Kompressor) können allerdings in Teillastbetrieb deutlich günstigere Werte erreichen; entsprechend in Abbildung 1 eingetragene Punkte würden also deutlich näher an der theoretischen Linie liegen. (Mehr hierzu im folgenden Abschnitt.)

Der Abschnitt “Leistungszahl und Jahresarbeitszahl” weiter unten behandelt die Frage, wie die Energieeffizienz im Jahresmittel unter tatsächlichen Bedingungen bewertet wird.

Teillastbetrieb

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:

  • Die am häufigsten praktizierte Methode ist der Taktbetrieb, d. h. das Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe, gesteuert z. B. über einen Thermostaten. Dies wirkt sich negativ auf die Leistungszahl aus. Einerseits gibt es einen direkten Effekt des Taktens dadurch, dass die Effizienz in der Anlaufphase reduziert ist. Andererseits verliert man die Möglichkeit, die Temperaturgradienten im Verdampfer und Kondensator zu reduzieren, indem man den Kompressor mit reduzierter Leistung betreibt.
  • Es gibt (vor allem für Heizungs-Anwendungen) Wärmepumpen mit modulierendem Betrieb, die die erzeugte Wärmeleistung innerhalb gewisser Grenzen anpassen können. Hierfür kann die Drehzahl des Kompressors variiert werden oder auch eine Manipulation am Kompressor vorgenommen werden, die die Antriebsleistung trotz konstanter Drehzahl reduziert (aber evtl. die Effizienz des Kompressors reduziert). Die Leistungszahl kann gegenüber dem Betrieb mit Volllast sogar deutlich besser werden. Deswegen sind leistungsgeregelte Wärmepumpen im Praxiseinsatz wesentlich energieeffizienter als solche, die im Taktbetrieb arbeiten müssen, und sind bei Heizungsanwendungen als Stand der Technik zu betrachten.

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.

Optimierung der Leistungszahl

Eine möglichst hohe Leistungszahl einer Wärmepumpe erfordert das Folgende:

  • Das Temperaturniveau der erzeugten Nutzwärme soll möglichst tief liegen. Beispielsweise ist eine Fußbodenheizung, die meist mit maximal 35 °C Vorlauftemperatur auskommt, diesbezüglich wesentlich günstiger als eine Zentralheizung mit Heizkörpern, die häufig mehr als 50 °C benötigen. Eine Fußbodenheizung kann durch engeres Verlegen der Heizschlangen noch weiter optimiert werden, so dass schon 30 °C genügen. Eine gute Wärmedämmung des Gebäudes reduziert nicht nur den Wärmebedarf, sondern auch die nötige Vorlauftemperatur, so dass auch die Effizienz der Wärmebereitung ansteigt.
  • Das Temperaturniveau des genutzten Wärmereservoirs soll möglichst hoch liegen. Ideal ist diesbezüglich lauwarmes Abwasser etwa aus einer Industrieanlage, welches Leistungszahlen oberhalb von 5 ermöglicht. Dagegen ist die Verwendung kalter Außenluft mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe ungünstig; an kalten Tagen kann die Leistungszahl u. U. unter 2 absinken.
  • Die Wärmepumpe selbst muss technisch optimiert sein. Hierzu gehören eine hohe Effizienz aller Komponenten wie Elektromotor und Kompressor, ebenfalls eine optimierte Auslegung von Verdampfer und Kondensator (mit möglichst guter Wärmeleitung), etc. Besonders wichtig ist bei Heizungswärmepumpen auch, dass ein leistungsgeregelter Kompressor (meist über einen Inverter betrieben) eingesetzt wird (siehe oben).
  • Der Verbrauch von Nebenaggregaten soll möglichst gering sein. Dies bedingt effiziente Pumpen oder Ventilatoren, nicht zu kleine Rohrquerschnitte, etc.

Weitere Aspekte sind wichtig im Zusammenhang mit der Optimierung der Jahresarbeitszahl (siehe unten).

Theoretische Grenze für die Leistungszahl

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:

theoretische Leistungszahl einer Wärmepumpe

Beispielsweise ergibt sich für eine Vorlauftemperatur To von 50 °C und einem kalten Reservoir mit Tu = 0 °C eine maximale Leistungszahl von ca. 6,5. In der Praxis 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.

Das Verhältnis der erreichten Leistungszahl zur theoretisch möglichen Leistungszahl wird als Gütegrad bezeichnet. Typisch sind Werte in der Gegend von 0,5. Das bedeutet, dass durch weitere technische Verbesserungen der Energieaufwand für den Betrieb einer Wärmepumpe maximal ca. halbiert werden könnte. Dies praktisch zu erreichen, ist aber wegen einer Vielzahl von Verlustquellen nicht einfach. Hierzu gehören unter anderem Temperaturgradienten in Wärmeübertragern, die irreversible Expansion des Kältemittels am Drosselventil, Reibungsverluste und Verluste im Elektromotor.

Bei einer Kältemaschine liegt die theoretisch maximal mögliche Kälteleistungszahl um 1 niedriger als die theoretisch mögliche Leistungszahl einer Wärmepumpe bei gleichen Temperaturniveaus. Für die obigen Zahlenwerte (Kühlung bei 0 °C, Wärmeabgabe bei 50 °C) wäre der maximal mögliche EER also 5,5. In der Praxis wäre es wiederum oft nur ca. halb so viel. Jedoch wäre ein EER von 5,5 durchaus realistisch, wenn die Wärmeabgabe z. B. bei 25 °C erfolgen könnte.

Leistungszahl und Jahresarbeitszahl

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. Siehe den Artikel über die Jahresarbeitszahl für weitere Details einschließlich der SCOP-Werte.

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, Heizzahl, Wärmeverhältnis, Energy Efficiency Ratio, Wärmepumpe, Carnot-Wirkungsgrad, Energieeffizienz, thermodynamisch optimiertes Heizen, Leistung, Kälteleistung
sowie andere Artikel in der Kategorie Energieeffizienz

Alles verstanden?


Frage: Welche der folgenden Aussagen sind korrekt?

(a) Für gegebene Temperaturniveaus gibt es eine physikalische Obergrenze für die Leistungszahl, die mit keiner Technik überschritten werden kann.

(b) Die heute verfügbaren Wärmepumpen liegen bereits recht nahe an dieser theoretischen Obergrenze, sind also kaum mehr zu verbessern.

(c) Die produzierte Wärmeleistung einer Wärmepumpe nimmt zu, wenn das Gerät gegen eine geringere Temperaturdifferenz arbeiten muss, z. B. durch Absenkung der Temperatur der zu liefernden Nutzwärme.

(d) Leistungszahlen (COP-Werte) gelten meist im Volllastbetrieb; nur SCOP-Werte berücksichtigen auch den Teillastbetrieb.


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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Kommentare von Lesern

29.11.2017

Die Angabe der Temperaturbedingungen für Wärmepumpen mit B0W35 ist mangelhaft:

1. Bezüglich der Leistung ist auf der kalten Seite nicht die Eintritts- sondern die Austrittstemperatur maßgeblich für die Leistung, insofern wäre die Angabe B-3W35 wesentlich genauer.

2. Die Angabe B = Brine = Sole ist technisch grob fahrlässig. Sole bedeutet Salzlösung wie beispielsweise Natriumchlorid, Calziumchlorid oder Magnesiumchlorid. Sole würde bei sämtlichen auf dem Markt befindlichen Wärmepumpen sehr schnell zu einem Totalschaden führen.

B wäre zu ersetzen durch F = Fluid.

Antwort vom Autor:

Sie plädieren also für etwas geänderte Definitionen der üblichen Begriffe – was allerdings nicht in meiner Macht steht. Ich kann immerhin Anmerkungen dazu machen:

  • Zu 1.: Streng genommen ist sowohl die Eintrittstemperatur als auch die Austrittstemperatur des Fluids relevant. In der Praxis betrachtet man meist nur die Eintrittstemperatur und geht davon aus, dass die Austrittstemperatur nicht erheblich tiefer liegt (was durch einen ausreichend großen Volumenstrom gewährleistet wird).
  • Zu 2.: Sie haben recht, dass eine Sole (englisch brine) streng genommen eine Salzlösung ist, und dass der Frostschutz bei Wärmepumpen-Fluiden in der Praxis mit anderen Substanzen (meist Ethylenglykol) erreicht wird. Trotzdem hat sich der Begriff “Sole” hier allgemein eingebürgert. Eine Gefahr sehe ich hierin allerdings nicht; vermutlich hat noch niemand eine Wärmepumpe zerstört, indem er tatsächlich eine Salzlösung in das System eingefüllt hat.

31.12.2017

Nach welcher Zeitspanne ist die Anlaufphase einer Elektrowärmepumpe (Heiznennleistung 8,50 kW, Baujahr 1998, Wärmequelle Sole) zu Ende und der Nennwirkungsgrad (bzw. Leistungszahl) erreicht?

Antwort vom Autor:

Diese Anlaufphase kann sehr unterschiedlich lang sein. Normalerweise würde ich erwarten, dass es deutlich weniger als eine Minute ist, sodass sie bei nicht allzu unruhigem Taktbetrieb für den täglichen Energieverbrauch nicht erheblich ins Gewicht fällt. Jedoch kenne ich ein Split-Klimagerät, welches auch als Luft/Luft-Wärmepumpe arbeiten kann und rund 5 Minuten Anlaufphase hat, in der noch praktisch keine Heizleistung erbracht wird (trotz höherer Aufnahmeleistung als im Dauerbetrieb).

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