COP, SCOP, ETA, JAZ

Verwirrung um die Effizienz von Wärmepumpen

Formeln

Wer sich damit beschäftigt, eine Wärmepumpe einzubauen, stolpert bald über eine Menge neuer Begriffe. In folgendem Artikel möchten wir ein paar davon erklären. Alle Begriffe werden auch systematisch in unserem Wärmepumpen-Berater erläutert, der Ihnen außerdem die Möglichkeit gibt, sie für Ihr Gebäude zu bestimmen.
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Vorlauftemperatur

Für die Regelung einer Heizungsanlage sind zwei Temperaturen entscheidend: Die Vorlauftemperatur und die Rücklauftemperatur.

  • Als Vorlauf (abgekürzt: VL) bezeichnet man den Wärmeträger bzw. die Leitung, die aus dem Wärmeerzeuger (= Heizung, d.h. Brenner, Wärmepumpe, Pufferspeicher, Ofen) hinausführt, bevor sie in den Heizkreis (das ist die Gesamtheit aus Rohrsystem und Heizflächen) läuft.
  • Als Rücklauf (abgekürzt: RL) bezeichnet man die Leitung, die vom Heizkreis zurück in den Wärmeerzeuger läuft.
  • Die Differenz zwischen den beiden Temperaturen (also Vorlauftemperatur minus Rücklauftemperatur) bezeichnet man als Spreizung. Der Wärmeerzeuger muss im Stande sein, den Temperaturverlust durch den Heizkreis auszugleichen, d.h. er muss die Rücklauftemperatur um genau die Spreizung anheben, nicht zu viel und nicht zu wenig. Sämtliche Verbrenner-Heizungen (Öl, Gas, Holz) haben allerdings eine sehr viel höhere Spreizung als benötigt wird, daher baut man Pufferspeicher und Mischer ein, welche die zusätzliche Wärme eine Zeitlang zwischenspeichern und die zu hohe Vorlauftemperatur durch Hinzumischen von Rücklaufwasser absenken.

Wärmepumpen nutzen die Wärmeenergie, die sich außerhalb des Hauses befindet und schaffen sie quasi nach innen in das Heizungswasser. Dafür kühlen sie eine große Menge des externen Wärmeträgers (Luft, Wasser oder Erdboden je nach Typ der Wärmepumpe) ab und erwärmen damit eine kleine Menge Heizungswasser. Durch diesen Mengenunterschied können sie eine sehr viel höhere Temperatur erzeugen als das externe Medium hat. Dies funktioniert auch dann, wenn das externe Medium unter 0°C warm ist (außer bei Wasser, weil dieses dann gefriert), denn bei Temperaturen über minus 273°C enthält z.B. Luft immer noch Wärmeenergie, d.h. sie kann noch weiter abgekühlt werden.

Weitere Informationen

COP

Da eine Wärmepumpe die Energie eines externen Mediums nutzt, kann sie aus einem Kilowatt elektrischer Leistung ein vielfaches an Wärmeleistung erzeugen. Wie viel mehr sie erzeugen kann beschreibt der sogenannte COP oder Coefficient of Performance, das ist einfach die erzeugte Wärmeleistung geteilt durch die aufgenommene elektrische Leistung. Der COP beschreibt also, das wievielfache an Wärmeenergie aus einem Kilowatt elektrischer Energie erzeugt werden kann. Er hängt von der Außentemperatur und der Vorlauftemperatur ab.

COP: Coefficient of Performance

Wie Sie in obiger Grafik sehen, ist der COP umso höher, je höher die Außentemperatur und je niedriger die Vorlauftemperatur ist. Das ist der Grund dafür, dass wirtschaftlichen Betrieb einer Wärmepumpe die Vorlauftemperatur daher 40°C – 50°C nicht überschreiten sollte – nicht weil die Wärmepumpe keine höheren Vorlauftemperaturen erzeugen könnte, sondern weil sie mit sinkender Vorlauftemperatur immer weniger Strom benötigt und somit günstiger im Betrieb wird.

Ähnlich wie die Leistung werden für Wärmepumpen die COP-Werte auf die folgende Weise angegeben:

A7W35 = 5,2

Bei den Angaben A7 und W35 handelt es sich um Temperaturangaben: 7°C und 35°C. Die erste Angabe ist die Temperatur des externen Mediums, die zweite die erzeugte Vorlauftemperatur. Die Buchstaben geben an, um welches Medium es sich handelt:

Buchstabe Bedeutung (englisch) Bedeutung (deutsch)
A Air Luft/Außen
B / S Brine Sole
W Water Wasser
E Earth Erdreich

A7W35 = 5,2 bedeutet also, dass die Wärmepumpe bei einer Lufttemperatur von 7°C und einer Vorlauftemperatur des Heizwassers von 35°C einen COP von 5,2 erreicht.

COP-Feld

Hat man mehrere solcher COP-Werte für dieselbe Wärmepumpe vorliegen, kann man daraus ein sogenanntes COP-Feld ableiten, welches für jede externe Temperatur (x-Achse) und jede Vorlauftemperatur (y-Achse) den zugehörigen COP liefert.

COP-Feld

Kennt man für unterschiedliche Wärmepumpen-Modelle dieses COP-Feld, so kann man die Leistung der unterschiedlichen Modelle bei verschiedenen Einsatzbereichen vergleichen. Der Youtuber bonotos hatte einen Algorithmus entwickelt, um aus fünf COP-Werten das COP-Feld abzuleiten und daraus einen Leistungsvergleich der verfügbaren Wärmepumpen entwickelt. In dieser Grafik ist der COP-Wert auf der y-Achse und die unterschiedlichen Vorlauftemperaturen durch die verschiedenen Kurven dargestellt.

COP-Feld

Die Ermittlung dieser COP-Werte wurde durch die Norm DIN EN 14511 vorgeschrieben – aber diese Norm wurde ersetzt, und die Hersteller geben diese Werte nicht mehr an, wodurch der Algorithmus nutzlos wurde. Der Grund für diese Änderung ist hauptsächlich die Komplexität der Angaben; denn um aus dem COP-Feld die erwartete Wirtschaftlichkeit über das Jahr zu ermitteln, muss man die Klimazone des Gebäudes und daraus abgeleitet die jahreszeitliche Dauer der unterschiedlichen Außentemperaturen sowie die Vorlauftemperatur kennen (welche ebenfalls mit der Außentemperatur schwankt – das ist die Heizkurve des Gebäudes).

SCOP

Daher wurde mit der Norm EN 14825 der sogenannte SCOP oder Saisonale COP entwickelt, welcher vier COP-Werte bei Aussentemperaturen von 12°, 7°, 2° und –7° Celsius und einer Vorlauftemperatur von 20°C über ein nach Jahreszeiten gewichtetes Mittel zu einem einzigen Wert zusammenfasst (es gibt sogar drei verschiedene SCOP-Werte für die Klimazonen Nord-, Mittel- und Südeuropa). Der Vorteil dieses Wertes ist eine bessere Vergleichbarkeit der Effizienz von unterschiedlichen Wärmepumpen – allerdings sind gegenüber den einzelnen COP-Werten viele Informationen verloren gegangen, so dass mit diesem Wert eine individuelle Beurteilung der Effizienz im eigenen Gebäude kaum mehr möglich ist.

η (Eta)

Um die Vergleichbarkeit aller Wärmeerzeuger möglich zu machen, nicht nur von Wärmepumpen, wurde mit der europäische Öko-Design-Richtlinie der SCOP erweitert zu einem neuen Wert η, die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz; Dieser berücksichtigt neben dem SCOP noch den sogenannten Primärenergiefaktor PEF, d.h. die Energieverluste entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Gewinnung über die Umwandlung, Transport und Speicherung bis hin zur Verteilung. Für Strom wird dieser Faktor aktuell auf 2,5 festgelegt (obgleich Strom in Deutschland derzeit durch vermehrte Einbindung erneuerbarer Energien laut GEG mit einem PEF von 1,8 versehen wird). Um den Wert η zu bestimmen, wird der SCOP also durch 2,5 geteilt – und obwohl Öl und Gas einen besseren PEF von 1,1 haben ist der resultierende Wert η für Wärmepumpen besser als für Öl- oder Gasheizungen. Der PEF wird für selbsterzeugten Solarstrom übrigens auf 0 festgelegt – das heißt η ist für Wärme, die aus Solarstrom erzeugt wurde unendlich.

ETA

In Folge dieser Änderungen werden Wärmepumpen zukünftig nicht mehr anhand der COP-Werte, sondern anhand der jahreszeitbedingten Raumheizungs-Energieeffizienz η verglichen.

Einen solchen Vergleich für ausgewählte Geräte bietet bonotos auf seiner Homepage zum Download an, sowie gegen eine Spende eine individuelle Beratung, um die beste Wärmepumpe und den besten Pufferspeicher (sofern erforderlich) für Ihr Gebäude zu bestimmen. Auf die Rolle eines Pufferspeichers im Heizungssystem gehen wir in diesem Artikel ein – er ist für die Effizienz von entscheidender Bedeutung.

Wärmepumpenvergleich von Bonotos

Auffällig ist, dass die bekannten asiatischen Klimaanlagen-Hersteller zu den ineffizientesten Anbietern gehören, obwohl diese sehr lange Erfahrung mit der Technik besitzen.

Die Liste aller Wärmepumpen ist in der GET-Datenbank zu finden. Zu Beginn werden die Geräte dort als Raster angezeigt, interessant ist aber der tabellarische Vergleich. Klicken sie dazu nach Auswahl der Gerätekategorie (Luft/Wasser, Sole/Wasser, etc) auf das kleine Tabellensymbol ganz rechts unten auf der Seite:

GET Datenbank tabellarische Darstellung umschalten

Die Tabelle enthält auch die η-Werte für Vorlauftemperaturen von 35°C und 55°C, mit deren Hilfe Sie einschätzen können, wie gut ein angebotenes Gerät ist. Falls Sie Ihre minimale Vorlauftemperatur kennen, betrachten Sie jenen Wert, der näher an Ihrer Vorlauftemperatur liegt. Als Daumenregel ist für reine Fußbodenheizungen der Wert für 35°C relevant, für Heizkörper jener für 55°C. Da man auf der Online-Tabelle nicht filtern kann, ist es uns gelungen, die Listen komplett als Excel herunterzuladen. Sie finden Sie hier.

JAZ

Um nun aber die Effizienz einer bestimmten Wärmepumpe für das eigene Gebäude zumindest abschätzen zu können, ist ein vierter Wert notwendig, die Jahresarbeitszahl. Sie wird nach der Vorschrift VDI 4650 genauso wie der COP definiert als das Verhältnis von zugeführter Energie zu erzeugter Wärmenergie, jedoch nicht bei einem festen Betriebspunkt wie beim COP, sondern es werden die jeweiligen Gesamtmengen während eines ganzen Jahres ins Verhältnis gesetzt.

COP und JAZ

Somit enthält die JAZ auch die Warmwassererzeugung, die speziellen baulichen und hydraulischen Gegebenheiten und das Verhalten der Nutzer und kann daher logischerweise nur nachträglich gemessen werden.

Der JAZ-Rechner des Bundesverbands Wärmepumpe versucht, über die Berücksichtigung der Vor- und Rücklauftemperaturen des Gebäudes sowie die Normaußentemperatur (die vom Standort des Gebäudes abhängt) und dem geschätzten Warmwasserverbrauch, die JAZ aus den COP-Werten der einzelnen Wärmepumpenmodelle zu schätzen. Unser Wärmepumpen-Berater hilft Ihnen, die notwendigen Angaben zu sammeln und das Ergebnis für eine Wirtschaftlichkeitsabschätzung auszuwerten.
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Über Thomas Rinneberg 21 Artikel
Diplom-Technomathematiker; Software-Architekt