Leistungszahl (Wärmepumpen)

Die Leistungszahl (engl.: Coefficient of Performance, kurz: COP) ist eine Kennzahl, die angibt, wie effizient thermodynamische Maschinen – beispielsweise Kühlschränke, Wärmepumpen oder Klimaanlagen – Strom nutzen, um Wärme zu transportieren. Genauer gesagt ist der COP das Verhältnis zwischen der für den Betrieb eines Systems benötigten Energie und der vom System abgegebenen Nutzenergie. Zum Beispiel durch Heizung oder Kühlung. Ein höherer COP bedeutet, dass für die gleiche Leistung weniger Energie benötigt wird. Der COP wird üblicherweise zur Bewertung der Effizienz von Klimaanlagen, Wärmepumpen und Kühlschränken verwendet.

Berechnung des COP für eine Wärmepumpe

COP = Q / E

Wobei:

• Q ist die durch das System zugeführte (Heizung) oder abgeführte (Kühlung) Wärme
• E ist die für den Betrieb des Systems benötigte Energie

Je nachdem, ob es sich um ein Heiz- oder ein Kühlsystem handelt, unterscheidet sich die Berechnung. Das liegt daran, dass die entgegengesetzten Enden des Prozesses berücksichtigt werden. In einem Wohngebäude wird die Wärme berücksichtigt, die aus dem Gebäude heraus (Kühlung) oder in das Gebäude hinein (Heizung) bewegt wird. In einem Heiz-Szenario ist das Gebäude die Wärmesenke – der Teil des Kreislaufs, dem Wärme zugeführt wird. In einem Kühl-Szenario hingegen ist das Gebäude die Wärmequelle – ihm wird Wärme entzogen.

Im Folgenden wird eine Wärmepumpe als Beispiel für die Berechnung des COP verwendet, da Wärmepumpen häufig sowohl für die Kühlung als auch für das Heizen eingesetzt werden. Die gleichen Berechnungen gelten jedoch auch für jede andere thermodynamische Maschine.

Berechnung für Kühlung

In Kühl-Szenarien wird der COP berechnet anhand der Wärme, die der Wärmequelle entzogen wird. Daher wird das Verhältnis von abgeführter Wärme zu zugeführter Energie (d. h. Strom für den Betrieb der Wärmepumpe) berücksichtigt.

COP_kühlung = Q_k / E

Wobei

• Q_k die entzogene Wärme der Wärmequelle ist
• E die eingesetzte Energie ist

Kalkulation für Heizung

Bei Heiz-Szenarien wird betrachtet, wie viel Wärme zur Wärmesenke bewegt wird. Diese Wärme setzt sich aus der von der Wärmequelle entnommenen Wärme und der zugeführten Energie zusammen. Daher wird der kombinierte Wert von Wärmeentnahme plus Energiezufuhr über die Energiezufuhr betrachtet.

COP_heizen = Q _h / E = (Q_k + E) / E = COP _kühlen + 1

Wobei

• _Qh die der Wärmesenke zugeführte Wärme ist
• E die zugeführte Energie ist

Die Wärme, die der Wärmesenke zugeführt wird, ist größer als die Wärme, die der Wärmequelle entnommen wird. Daher hängt der COP einer Wärmepumpe davon ab, ob das System zum Kühlen oder Heizen verwendet wird, und der COP beim Heizen ist stets um eins größer als der COP beim Kühlen.

Anwendungen

Der COP ist eine wichtige Kennzahl für die Bewertung der Effizienz thermodynamischer Maschinen. Er bietet einen objektiven Maßstab für den Vergleich verschiedener Modelle. Ein höherer COP bedeutet niedrigere Betriebskosten, eine geringere Umweltbelastung, einen höheren Benutzerkomfort und einen effizienteren Betrieb bei unterschiedlichen Laststufen.

Notation

Viele Hersteller geben den COP ihrer Geräte an. Das gängige Format zeigt den COP-Wert in Abhängigkeit von der Wärmequelle, der Temperatur der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur:

[COP-Wert] = [Wärmequelle][Wärmequellentemperatur] / [Wärmesenke][Vorlauftemperatur]

Die Wärmequelle und die Wärmesenke werden mit einem Buchstaben abgekürzt, wobei:

• A steht für Luft
• B für Erdreich
• W für Wasser

Die Temperaturwerte werden in Grad Celsius angegeben. 

Bei dieser Schreibweise würde für eine Wasser Wärmepumpe („W“), die bei einer Wärmequellentemperatur von 2 Grad Celsius (°C) und einer Vorlauftemperatur von 40°C einen COP von 4,0 hat, Folgendes notiert werden:

COP = 4,0 = W2 / W40

Bewertungen

Energy Star (USA): Um sich für den Energy Star (ein US-Effizienz-Rating) zu qualifizieren, gibt das US-Energieministerium die folgenden Mindest-COP-Werte zwischen 3,1 und 4,1 an, je nach Art der Wärmepumpe:

• Geothermie, geschlossener Wasser-Luft-Kreislauf: 3,6 COP
• Geothermie, offener Kreislauf, Wasser/Luft: 4,1 COP
• Geothermie, geschlossener Kreislauf, Wasser/Wasser: 3,1 COP
• Geothermie, offener Kreislauf Wasser-Wasser: 3,5 COP
• Geothermie, direkter Geotausch: 3,6 COP

Richtlinie über energieverbrauchsrelevante Produkte (ErP) (EU) : Seit 2015 müssen Heizgeräte, die in der Europäischen Union verkauft werden, ihre Energieeffizienzklasse angeben, die von A++ (am effizientesten) bis G (am wenigsten effizient) reicht. Die Klasse wird durch den Energieeffizienzindex eines Systems bestimmt, eine Kennzahl, die auch den COP berücksichtigt.

Einflussfaktoren

Der COP hängt stark von externen Faktoren ab. Daher gibt er nur die Effizienz eines Systems unter bestimmten Bedingungen wieder. Und er ändert sich, sobald sich diese Bedingungen ändern. Zu diesen Faktoren gehören:

• Temperaturunterschied – Im Allgemeinen sinkt der COP, wenn der Temperaturunterschied zwischen der Wärmesenke und der Wärmequelle zunimmt. Das liegt daran, dass größere Temperaturunterschiede mehr Energie für die Wärmeübertragung über das Gefälle hinweg erfordern.
• Betriebsbedingungen – Der COP kann sich in Abhängigkeit von der Last oder dem Bedarf des Systems ändern. Systeme, die mit Teillast betrieben werden (d. h. das System arbeitet nicht mit voller Kapazität), haben eine geringere Wärmeabgabe und wahrscheinlich auch ein geringeres Verhältnis von Wärmeabgabe zu Energiezufuhr (COP) im Vergleich zum Volllastbetrieb.
• Umweltbedingungen – Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit, Luftqualität und Höhenlage können den COP ebenfalls beeinflussen.

Verwandte Metriken

Der COP wird zuweilen als veraltete Skala angesehen, da er wenig Aufschluss über die tatsächliche Leistung über das ganze Jahr gibt. Neuere Metriken nehmen sich diesem Problem an:

• Saisonale Leistungszahl (SCOP) – Der SCOP berücksichtigt Schwankungen der Betriebsbedingungen im Laufe eines Jahres. Darüber hinaus berücksichtigt er auch unterschiedliche Betriebszeiten (z. B. Teillastbetrieb, An- und Ablauf). Dies macht die Berechnung des SCOP weitaus komplexer, liefert aber auch eine realistischere Bewertung der Leistung des Geräts im Jahresverlauf.
• Saisonale Energieeffizienz-Kennzahl – Die SEER wird für Kühlsysteme verwendet, um die Kühlleistung pro eingesetzter Energieeinheit über die gesamte Kühl-Saison zu quantifizieren. Genau wie der SCOP berücksichtigt er eine Reihe von Betriebsbedingungen und -arten. Daher ermöglicht er realistischere Vergleiche zwischen verschiedenen Kühlsystemen.