Die Performance der Wärmepumpe

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Wärmepumpen sind eine faszinierende Technologie und werden ganz entscheidend zu Energiewende und Abkehr von fossilen Energieträgern beitragen. Da allerdings bei einer Wärmepumpe zunächst einmal Energie investiert werden muss ist deren Performance, also die Effizienz mit der Wärme produziert wird, von ganz überragender Bedeutung.


Im europäischen Projekt „SEasonal PErformance factor and MOnitoring for heat pump systems in the building sector (SEPEMO-Build)” werden Methoden für die Durchführung und Auswertung von Feldmessungen von Wärmepumpensystemen erarbeitet.

Die Effizienz der Wärmepumpe ist stärker von den Einsatzbedingungen abhängig als die anderer Heizsysteme. Die Jahresarbeitszahl, als ein Maß der Energieeffizienz, kann daher von Objekt zu Objekt erheblich schwanken. Belastbare Messdaten aus der Praxis waren bisher noch nicht ausreichend verfügbar und Messergebnisse von Testständen sind für den realen Betrieb nur bedingt aussagekräftig.

Forschungsinstitute, Hersteller und Betreiber vermessen die Effizienz von Wärmepumpensystemen im realen Betrieb. Obwohl die gleichen Kenngrößen verwendet werden, können die Ergebnisse jedoch nur bedingt miteinander verglichen werden, denn die Bilanzgrenzen und Auswertungsmethoden unterscheiden sich oftmals sehr. Zur Bewertung der Effizienz einer Wärmepumpe, also zur Angabe des Verhältnisses von Nutzen zu Aufwand, sind Leistungszahl und Arbeitszahl die entscheidenden Kennwerte.

Leistungszahl und Arbeitszahl

Die Leistungszahl, auch als coefficient of performance (COP) bezeichnet, wird im stationären Betrieb, also unter konstanten Betriebsbedingungen, ermittelt. Sie gibt das Verhältnis der abgegebenen Wärmeleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung wieder.

Die Arbeitszahl beschreibt das Verhältnis der über einen längeren Zeitraum (z. B. ein Jahr) abgegebenen thermischen Energie zur aufgenommenen elektrischen Energie.

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Die Leistungszahlen werden auf Prüfständen bei definierten Randbedingungen ermittelt. So wird als Nenn-Normbetriebspunkt für Sole/Wasser-Wärmepumpen der Betriebspunkt B0/W35 gemäß EN14511 verwendet. Dies bezeichnet den Betrieb bei einer Soletemperatur von 0 °C/–3 °C (Eintritt / Austritt) und einer Heizkreistemperatur von 35 °C/30 °C (Austritt / Eintritt). Teilweise werden die Leistungszahlen noch nach der früher geltenden Norm EN 255 angegeben, bei denen die Sole/Wasser-Wärmepumpen bei gleichen Soletemperaturen, jedoch bei Heizkreistemperaturen von 35 °C/25 °C vermessen wurden. Bei Berechnung der Leistungszahl gemäß den Normen wird neben der aufgenommenen elektrischen Leistung des Verdichters auch der anteilige Bezug der Quellenpumpe sowie der Heizkreispumpe berücksichtigt, die zur Überwindung der internen Druckverluste erforderlich sind.

Grundsätzlich kann die Leistungszahl einer Wärmepumpe bei beliebigen möglichen stationären Randbedingungen ermittelt werden. Da die Leistungszahl stark von den Betriebsbedingungen, insbesondere den Temperaturen, abhängt, ist sie jedoch immer nur unter Nennung der Randbedingungen anzugeben und zu betrachten.

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Elektrische Wärmepumpen im Labortest sagen nur sehr bedingt etwas über die Anwendung in der Praxis aus.

Temperaturabhängigkeit von Leistung und Leistungszahl

Als idealer Vergleichsprozess für einen Wärmepumpenprozess kann der linksläufige Carnot-Prozess herangezogen werden. Bei dem Carnot-Prozess ist die Effizienz nur von der oberen Temperatur To und unteren Temperatur Tu abhängig, zwischen denen der Prozess abläuft (COP_Carnot = To /( To – Tu); T in K). Auch wenn die Leistungszahl einer Wärmepumpe deutlich geringer ist, weist sie doch im Wesentlichen eine vergleichbare Temperaturabhängigkeit auf wie der Vergleichsprozess.

Verdampfungs- und Kondensationstemperatur ist entscheidend

Damit ist die jeweils vorhandene Verdampfungs- und Kondensationstemperatur entscheidend für die Effizienz der Wärmepumpe. die folgende Abbildung zeigt exemplarisch die Leistungszahl einer Sole/Wasser-Wärmepumpe abhängig von der Soleeintrittstemperatur und der Heizkreisaustrittstemperatur. Die Leistungszahl steigt mit Verringerung der Temperaturdifferenz, also mit steigender Quellentemperatur bzw. mit Reduzierung der Senkentemperatur.

Die Verbesserung der Leistungszahl bei einer Anhebung der Verdampfungstemperatur bzw. bei Reduzierung der Kondensationstemperatur liegt im Bereich zwischen 1,5% und 4% pro Kelvin im üblichen Wärmepumpenbetrieb (Betriebspunkte mit Vereisung eines luftbeaufschlagten Verdampfers sind hier nicht berücksichtigt). Wie hoch die Effizienzänderung ausfällt, hängt zum einen von den thermodynamischen Zusammenhängen ab: bei geringerem Temperaturhub wirkt sich eine Temperaturänderung um 1 K stärker aus als bei einem größeren Temperaturhub und die Änderung der Verdampfungstemperatur hat eine stärkere Veränderung der Effizienz zur Folge als eine gleiche Änderung der Kondensationstemperatur. Zum anderen haben prozesstechnische Aspekte einen Einfluss.

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Leistungszahl und Leistung einer Sole/Wasser-Wärmepumpe, abhängig von der Sole-Eintrittstemperatur und der Heizkreis-Austrittstemperatur. © FhG-ISE

Auch die Heiz- und Kälteleistung einer – nicht leistungsgeregelten – Wärmepumpe zeigt eine starke Temperaturabhängigkeit und steigt mit höherer Verdampfungstemperatur und sinkt mit höherer Kondensationstemperatur.

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Monitoringprojekte des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme © FhG-ISE

Systemgrenze der Wärmepumpe

Bei der Ermittlung von Arbeitszahlen eines Wärmepumpensystems können unterschiedliche Systemgrenzen definiert werden. In der nächsten Abbildung sind am Beispiel eines Wärmepumpensystems, das Erdreich mit Hilfe eines Flachkollektors als Wärmequelle nutzt und Wärme zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung bereitstellt, exemplarisch drei mögliche Systemgrenzen dargestellt.

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Systemgrenzen für die Ermittlung der Arbeitszahl. © FhG-ISE

Die „engste“ Systemgrenze (WP) bezieht nur den Energiebezug des Wärmepumpengerätes (Verdichter, Steuerung, ggf. eine Ölsumpfheizung des Verdichters) ein. Nimmt man in den Bilanzierungsraum noch den Antrieb im Wärmequellenkreis (Ventilator, Sole- bzw. Brunnenpumpe) mit auf und – wenn vorhanden – eine elektrische Zusatzheizung, so wird es hier als Wärmepumpenanlage (WPA) bezeichnet. Sowohl bei der Bilanzierung der WP als auch bei der WPA wird die erzeugte thermische Energie direkt hinter der Wärmepumpe bzw. der elektrischen Zusatzheizung ermittelt. Betrachtet man die Effizienz der gesamten Wärmepumpenheizungsanlage (WPHA), wird nur die Nutzenergie, also hinter den Speichern, berücksichtigt. Als Verbraucher fließen dann noch die Ladepumpen in die Berechnung mit ein.

Planung, Installation und Arbeitsbereich sind entscheidend

Aufgrund des hohen Temperatureinflusses auf die Effizienz wird die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe wesentlich von dem Temperaturniveau auf der Wärmequellen- und Wärmesenkenseite bestimmt. Es existiert eine Vielzahl von Faktoren, die Einfluss auf die Betriebstemperaturen haben. Sowohl der Einsatzbereich der Wärmepumpe als auch die Planung, die Installation und Inbetriebnahme sowie die Betriebsphase sind dabei von Bedeutung.

Der Einsatzbereich der Wärmepumpe bringt gewisse Grenzen hinsichtlich der Wahl der Wärmepumpentechnologie (z. B. der Wärmequellenart) mit sich. Zudem sind Randbedingungen und Grenzen hinsichtlich der erforderlichen Senkentemperaturen gegeben: Es bestehen z. B. relevante Unterschiede zwischen dem Einsatz im unsanierten Altbau und dem im Neubau. Im Neubau mit Fußbodenheizung unterscheidet sich der Heizungsbetrieb wesentlich von dem Betrieb zur Brauchwassererwärmung.

Der Fachmann ist gefragt

Der Planer bestimmt mit der Auswahl und Dimensionierung des Heizungssystems – in dem Rahmen, den der Heizwärmebedarf und die räumlichen Gegebenheiten bieten – die erforderlichen Heizkreistemperaturen.

Eine sorgfältige Installation, die fachmännische Inbetriebnahme und ein kontrollierter Betrieb tragen dazu bei, die geplanten Betriebstemperaturen einzuhalten bzw. den ggf. abweichenden realen Anforderungen anzupassen. So führt eine nicht angepasste Heizkurve z. B. möglicherweise dazu, dass die Anlage mit Heizkreistemperaturen betrieben wird, die höher als erforderlich sind. Eine ungünstige Positionierung der Speicher-Temperatursensoren kann eine fehlerhafte Speicherbeladung, vor allem bei Kombispeichern, verursachen: die Wärmepumpe erzeugt mehr Energie auf dem hohen Trinkwassertemperaturniveau als erforderlich. Nicht vollständig schließende 3-Wege-Ventile und fehlende Rückschlagklappen verursachen u. a. eine ungewünschte Entladung des Trinkwasserspeichers.

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