COP und JAZ: Was bedeuten die Leistungszahlen einer Wärmepumpe?

Die Effizienz ist das grundlegende Kriterium für Wärmepumpen als zukunftsweisendes Heizsystem. Eine Erklärung zu den Hauptbegriffen Coefficient of Performance und Jahresarbeitszahl und mehr erhalten Sie hier.

 

 

COP und JAZ im Vergleich

Die Leistungszahl, bekannt als COP (coefficient of performance), bezeichnet den Wirkungsgrad von Wärmepumpen zu einem bestimmten Betriebspunkt. Sie gibt das Verhältnis von erzeugter Kälte- oder Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung an. Neben der Leistungszahl ist für Hausbauer vor allem die Jahresarbeitszahl (JAZ) interessant. Sie spiegelt nämlich den Wirkungsgrad im praktischen Gebrauch, also im Haus, unter Berücksichtigung aller Bauteile sowie über einen längeren Zeitraum, wider.
Kurz ausgedrückt: die beiden Werte COP und JAZ sind die wichtigsten Zahlen zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe.
Der ideale gedachte Prozeß für die Leistungszahl ist der sogenannte Carnot Prozeß.  Hierbei wird der theoretisch größte Wirkungsgrad eines Wärme-Arbeitsprozess dargestellt, im Falle der Wärmepumpe die größte Leistungszahl Ec. Dieser Wirkungsgrad ist allerdings in der Praxis nicht zu erzielen, denn bei der Berechnung wird die reine Temperaturdifferenz zwischen der warmen Seite T und der kalten Seite Tberücksichtigt. Andere Faktoren, wie zum Beispiel der Temperaturabfall zwischen Verdampfer und Verflüssiger auf das Heizungswasser fließen in diese Berechnungen nicht ein. Deshalb ist es unmöglich, im praktischen Gebrauch den theoretisch ermittelten Wert zu erreichen.

 

COP und JAZ stellen das Verhältnis des Energiebedarfs einer Wärmepumpe dar. Eine JAZ von 4 bedeutet, dass 25 % der Gesamtenergie aus Strom und 75 % aus der Umwelt gewonnen wird – hier grafisch dargestellt. Je höher die Werte, desto höher die Effizienz

 

Leistungszahlen einordnen und berechnen:

von ineffizent bis effizient, von unwirtschaftlich bis wirtschaftlich

Eine Leistungszahl von 4 bedeutet, dass 1 kW Strom 4 kW Heizleistung liefert, 3 kW kommen kostenlos von Sonne und Umwelt oder aus dem Erdreich. Schwache Wärmepumpen erzielen eine Jahresarbeitszahl von 3,5, sehr gute erreichen Werte von über 4,5. Eine Jahresarbeitzahl unter 3 ist nicht nur unwirtschaftlich, sondern mit Strom aus fossilen Brennstoffen auch nicht mehr umweltschonend.

Die Berechnung der Leistungszahl Eerfolgt nach:
Ec = T / T- T0
T ist hierbei die Temperatur der Umgebung, an die die Wärme abgegeben werden soll (das Haus) und T0 die Temperatur der Umgebung, aus der die Wärme entnommen werden soll (der Garten). Alle Werte werden in Kelvin berechnet.

Anhand der Carnot-Formel lassen sich zwei Dinge zur Leistungszahl klar darstellen:
1. Warum Erdwärmepumpen effizienter als Luftwärmepumpen sind und
2. Warum großflächige Fußbodenheizungen effizienter als kleine Heizkörper sind.

 

Warum Erdwärmepumpen effizenter als Luftwärmepumpen sind
Luft/Wasser Wärmepumpen arbeiten im Normalfall mit Außenluft. Die Lufttemperaturen liegen im Winter oft deutlich unter 0 °C

Ein Beispiel hierzu:
T  =  -12 °C = 261 K
T=  55 °C  = 328 K
Leistungszahl der Wärmepumpe = 328K / 67 K  = 4,9

Die Leistungszahl der Luft/Wasser Wärmepumpe ist umso niedriger, je niedriger Außentemperatur. Bei einer Erdwärmepumpe ist dieser Effekt weniger vorhanden, weil die Temperaturen im Erdreich relativ konstant warm sind.

Warum großflächige Fußbodenheizungen effizienter als kleine Heizkörper sind
Bei einer Außentemperatur T von  ca. 7 °C = 280 K und einer Heizwasser Vorlauftemperatur von T0 55 °C = 328 K  (typische Temperaturen  bei Heizkörpern) ergibt sich eine theoretische Leistungszahl der Wärmepumpe nach Carnot von ca. 6,8. Berücksichtigt man nun eine Fußbodenheizung, deren Vorlauftemperatur bei 30°C liegt, ergibt sich für diese Berechnung eine Leistungszahl der Wärmepumpe von ca. 13. Dieser Wert ist deutlich höher, die Wärmepumpe somit effizienter.

 

Die Effizienz einer Wärmepumpe: Eine Frage der Jahresarbeitszahl

Möchte man den Mindestwert ermitteln, ab dem eine Wärmepumpe effizient ist, geht man wie folgt vor: man nimmt den aktuellen Strompreis, den Vergleichsheizpreis (in unserem Beispiel der Gaspreis) und teilt den Strompreis durch den Heizpreis. Das Ergebnis ist der kleinste Wert der Jahresarbeitszahl, den die Wärmepumpe erreichen muss.

Strompreis: 25 Cent
Gaspreis: 7 Cent
Strompreis/Gaspreis=25 Cent/7 Cent
=3,57

Eine Wärmepumpe sollte unter diesen Bedingungen also eine Jahresarbeitszahl von ca. 3,57 vorweisen. Wärmepumpen erreichen nach dem heutigen Stand der Technik Jahresarbeitszahlen zwischen 3,5 und 4,5. Unter optimalen Bedingungen können aber auch Jahresarbeitszahlen von bis zu 6 erreicht werden.

 

Die Wärmepumpen-Effizienz erhöhen

Die Effizienz der Wärmepumpe lässt sich auch mit verschiedenen Möglichkeiten erhöhen. Einerseits kann dies durch einen Austausch von Einzelkomponenten wie einem neuen Verdichter oder Speicher möglich (sofern sich die Modernisierung lohnt), andererseits durch die Minderung der Wärmepumpen-Vorlauftemperatur. Zu guter Letzt kann man vor allem bei veralteten Luftwärmepumpen ein kompletter Wechsel einer von Luft-Wasser-Wärmepumpe auf Erdwärme sinnvoll sein, um die Effizienz zu steigern. Zwar entstehen dadurch Investitionskosten, jedoch dauert es nur wenige Jahre, bis diese amortisiert sind.

 

Effizienz für die Umwelt

Eine Wärmepumpe, die mit konventionellem Strom betrieben wird, ist bereits heute gut für die Umwelt, denn sie verbraucht in einem Durschnittshaus wesentlich weniger CO2 (4732 kg/Jahr) als Vergleichssysteme, die Gas (7014 kg/Jahr) oder gar Öl (9402 kg/Jahr) nutzen. Wird grüner Strom verwendet, sind die Emissionen sogar bei 0.

 

Leistungzahl und Förderung

Für Wärmepumpen gibt es vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (kurz: BAFA) Förderungen. Eine Bedingung hierfür  ist ein Nachweis des COP-Wert, auf dessen Grundlage die JAZ ermittelt werden kann. Dieser muss von einem unabhängigen Prüfinstitut erbracht werden, alternativ wird aber auch das Wärmepumpen-Gütesiegel  (EHPA) anerkannt. Je nachdem, ob ein Neubau entsteht oder ein Bestandshaus umgebaut, welche Art der Wärmepumpe eingebaut wird und ob weitere Maßnahmen geplant sind, vergibt die BAFA pro Projekt Förderungen von mehreren Tausend Euro. Mit dem Förderrechner erhält man hier eine Übersicht für verschiedene Szenarien, auf dieser Seite einen Überblick zum Thema Förderung.