Leistungszahl (COP)
Die Leistungszahl oder der COP (Coefficient of performance) bezeichnet den thermischen Wirkungsgrad von Wärmepumpen in einem bestimmen Betriebspunkt. Sie gibt das Verhältnis der von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmeleistung zur aufgenommen Antriebsleistung (meist elektrisch) an
COP = PW / PEl
und ist gewöhnlich grösser als 1. Zu PEl zählen auch anteilsmässig die Leistungen der Heizungspumpe und allfällige Quellenpumpen (Volumenstrom * Druckverlust in den Wärmetauschern). Abtauverluste bei den Luft/Wasser Wärmepumpen werden in der Leistungszahl ebenfalls berücksichtigt.
Je höher die Leistungszahl desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe, da dann für die selbe Wärmeleistung weniger Antriebsleistung erforderlich ist. Die Leistungszahl ist abhängig von der Temperatur der Wärmequelle und der Heiztemperaturen der Wärmepumpe. Somit ist der COP an jedem Betriebspunkt unterschiedlich. Je nach Bauart und Modell der Wärmepumpe unterscheidet er sich teilweise beträchtlich, auch an den selben Betriebspunkten.
Um Wärmepumpen miteinander vergleichen zu können, wird deren Leistungszahl jeweils für gewisse Betriebspunkte angegeben:
- A2W35 für Luft/Wasser Wärmepumpen (A2: Luft (air) 2 °C, W: Vorlauftemperatur (Wasser) 35 °C)
- B0W35 für Sole/Wasser Wärmepumpen (B0: Sole (brine) bei 0 °C)
- W10W35 für Wasser/Wasser Wärmepumpen
Manchmal werden auch die Daten für W50 angegeben (50 °C Vorlauf) und im Idealfall sind ausführliche Tabellen oder Diagramme vom Hersteller verfügbar. In Prüfinstituten wird die Leistungszahl nach genau festgelegten Messmethoden ermittelt.
Die Leistungszahl ist je nach Wärmepumpentyp unterschiedlich. Bei den im Wärmepumpen Testzentrum in Töss bzw. Buchs geprüften Wärmepumpen, liegt sie bei Luft/Wasser Wärmepumpen im Schnitt bei ca. 3.2 (A2W35) und bei Sole/Wasser Wärmepumpen bei 4.3 (B0W35). Wasser/Wasser Wärmepumpen haben die besten Leistungszahlen mit 5.4 (W10W35). Der Schein trügt jedoch, da gerade Grundwasser-Wärmepumpen hohe Nebenverbräuche (Brunnenpumpe) aufweisen. Zudem wird bei anderen Quellentemperaturen gemessen (10°C statt 0°C). Eine Wasser/Wasser Wärmepumpe ist folglich nicht unbedingt ein besseres Gerät, nur die Betriebsweise ist besser. Bei vielen Herstellern sind Sole und Wasser Wärmepumpen identische Geräte.
Die Leistungszahl ist nach oben begrenzt. Der theoretisch maximal mögliche COP in einem bestimmten Betriebspunkt entspricht dem Kehrwert des Wirkungsgrads ηc des entsprechenden idealen Carnot Kreisprozesses. Er kann nicht übertroffen werden.
1/ηc = Twarm / (Twarm - Tkalt) (Absolutwerte in Kelvin)
Durch Nichtidealitäten und Verluste einer realen Wärmepumpe ist die reale Leistungszahl stets tiefer als die maximal mögliche. Das Verhältnis der realen zur idealen Leistungszahl wird als Gütegrad bezeichnet. Praktisch werden Gütegrade um 0.4 - 0.6 erreicht.
Unterschiede in einer realen Wärmepumpe zum idealen Prozess gibt es viele.
- Temperaturgradient vom Medium der Wärmequelle zum Kältemittel im Verdampfer und im Kondensierer auf das Heizwasser
- Druckabfall im Kältemittelkreislauf
- Reibungsverluste im Kompressor, nicht idealer Elektromotor
- Wärmeverluste im Kältemittelkreislauf
- Expansion des Kältemittels erfolgt irreversibel mittels Drossel und nicht isentrop.
- Überhitzung des Kältemittels vor dem Eintritt in den Verdichter um das ansaugen von flüssigem Kältemittel zu verhindern
Bild 1: Wärmeleistung (Q), el. Leistungsaufnahme (P) und Leistungszahl (COP) einer realen Sole/Wasser Wärmepumpe in Abhängigkeit der Soletemperatur bei 35 bzw. 50 °C Vorlauf.
Bild 2: Wärmeleistung (Q), el. Leistungsaufnahme (P) und Leistungszahl (COP) einer realen Sole/Wasser Wärmepumpe in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur bei 0 bzw. 10 °C Solevorlauf.
(Jahres) Arbeitszahl
Die Arbeitszahl ist ähnlich definiert wie die Leistungszahl mit dem Unterschied dass mit Energien gerechnet wird. Die Arbeitszahl AZ ist das Verhältnis der abgegebenen Wärmemenge Qnutz zur aufgenommenen Energie Ea für den Betrieb der Wärmepumpe und gegebenenfalls weiterer Verbraucher während einem bestimmten Zeitraum
AZ = Qnutz / Ea
Zur Ermittlung der Effizienz einer Wärmepumpenanlage wird meist die Jahresarbeitszahl verwendet. Dies ist die Arbeitszahl über einen Zeitraum von einem Jahr.
Eine Arbeitszahl kann je nach definierter Systemgrenzen unterschiedliche Verbraucher und Verluste beinhalten. Daher sollte immer definiert werden worauf sie sich bezieht. Einerseits kann die Wärmemenge vor oder nach einem technischen Speicher gemessen werden (sofern vorhanden). Im letzteren Fall beinhaltet die AZ auch die Verluste des Speichers. Es kann auch unterschieden werden nach AZ für reinen Heizbetrieb, Warmwasserbereitung oder beides zusammen. Verbraucherseitig kann nur der Verdichter der Wärmepumpe, zusammen mit den Verbrauchern der Wärmequelle (z.B. Solepumpe, Lüfter etc.) oder auch inklusive aller Verbraucher die für die Funktion der Heizung nötig sind (Regelung, Heizkreispumpe etc.) berücksichtigt werden. Sinnvoll ist die Berücksichtigung sämtlicher Verbraucher, da man schliesslich auch für den Verbrauch aller bezahlt.
In der FAWA Studie [ FAWA04 ] wurden in Feldmessungen für Luft/Wasser Wärmepumpen im Mittel eine JAZ von 2.6, bei Sole/Wasser und Wasser/Wasser Anlagen von je 3.4 gemessen. Dass Wasser/Wasser Wärmepumpen trotz im mittel höherer Quellentemperatur nicht besser abschneiden als Sole Anlagen liegt primär an den Förderpumpen mit sehr hoher Leistungsaufnahme.
