Wärmepumpensysteme gewinnen in der Heizungstechnik weiter zunehmend an Bedeutung und insbesond die Frage ihrer Effizienz ist von großem Interesse. Die Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V. ASUE hat sich intensiver mit dieser Frage beschäftigt.
Energieeffizienz unterschiedlicher Heizsysteme Quelle: ASUE
Zur Beschreibung der Effizienz von Energietechniken werden zumeist Wirkungs- oder Nutzungsgrade angegeben. Bei Wärmepumpen wird u. a. in Deutschland die Jahresaufwandzahl angegeben. Im angloamerikanischen Sprachraum ist es üblich, den COP-Wert (= Coefficient of Performance) anzugeben, der ebenfalls in den Unterlagen von Wärmepumpenherstellern zu finden ist. Welche Aussagekraft dieser Wert hat, beschreibt der nachfolgende Artikel der ASUE.
Wärmepumpen und Kältemaschinen arbeiten mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, der in vier Schritten abläuft:
- Verdichten des Kältemittels im Kompressor
- Wärmeabgabe vom Kältemittel (dabei Kondensation des Kältemittels)
- Entspannen des Kältemittels in der Drossel
- Wärmezufuhr an das Kältemittel (dabei Verdampfung des Kältemittels)
Der COP-Wert ist ein Maß für die Effizienz dieser Technik. Er gibt das Verhältnis zwischen Nutzenergie oder -leistung (z. B. Kälteleistung), – bezogen auf die eingesetzte Energiemenge (z. B. zugeführte Gasleistung oder elektrische Leistung) – an und nimmt i.d.R. Werte > 1 an. Er entspricht dem Wirkungs- beziehungsweise Nutzungsgrad, wie er beispielsweise auch in der Heiztechnik verwendet wird. Ein COP-Wert von 1,4 besagt somit, dass bei einem Energieeinsatz von 100 Prozent zusätzlich 40 Prozent-Punkte aus der Umgebung gewonnen werden. Umgerechnet bedeutet dieses, dass annähernd 30 Prozent der eingesetzten Energie gegenüber einer konventionellen Beheizung eingespart werden können.
Primärenergiebilanz Der COP-Wert allein macht jedoch noch keine Aussage über den Primärenergieeinsatz oder die spezifischen CO2-Emissionen. Er beschreibt lediglich die Effizienz des Gerätes selbst. Das ist insbesondere bei Wärmepumpen zu berücksichtigen. Beispielsweise die für den Betrieb von Elektrowärmepumpen notwendige Sekundärenergie Strom kann nur mit Verlusten aus einer Primärenergie umgewandelt werden. Da in Deutschland durchschnittlich 64 Prozent der bei der Stromproduktion eingesetzten Primärenergie durch Abwärme, Umwandlungs- und Verteilverluste verloren gehen, ergibt sich hier ein Wirkungsgrad von nur 36 Prozent! Dies muss bei der Primär-energiebilanz einer Elektrowärmepumpe natürlich berücksichtigt werden: Bei einem angenommenen COP-Wert von 3 im Gerät ergäbe sich also ein angenommener „Primär-COP-Wert“, der auch die Primärenergie berücksichtigt, von 0,36 x 3 = 1,08.
Wird eine Primärenergie wie Erdgas zum Antrieb des Kompressors mit einem Gasmotor eingesetzt, so sind Förderungs-, Transport, Umwand-lungs- und Verteilverluste sowie der Energieaufwand für den Transport des Gases zu berücksichtigen. In Deutschland sind das etwa sechs Prozent – die übrigen 94 Prozent erreichen den Verbraucher. Bei Gaswärmepumpen wird die im Motor anfallende Abwärme wie bei einem Blockheizkraftwerk i.d.R. zu Heizzwecken genutzt. Um einen vergleichbaren „globalen COP-Wert“ zu erreichen, der den Primärenergieeinsatz berücksichtigt, müsste also der COP-Wert im Gasgerät 1.08/0,94 = 1,15 betragen.
Der COP-Wert einer elektrischen Wärmepumpe muss also größere Werte erreichen als der einer Gaswärmepumpe. Der Faktor beträgt COPWP Elektro/COPWP Gas = 3/1,15 = 2,61. Der COP-Wert einer Elektrowärmepumpe müsste also um den Faktor 2,61 höher sein als der einer Gaswärmepumpe, damit beide Geräte die gleiche Menge an Primärenergie verbrauchen.
Abhängigkeit des COP-Wertes von Umgebungsgrößen Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass der COP-Wert keine konstante Größe sein muss. Er hängt oft von der Umgebungstemperatur ab. Bei der Auswahl – beispielsweise einer Wärmepumpe – ist darauf zu achten, dass insbesondere in den typischen Betriebspunkten hohe COP-Werte erreicht werden. Erreicht eine Wärmepumpe bei einer Temperatur oberhalb von 15 °C einen COP-Wert von bis zu 6, so ist dieser sehr gute Wert vom Verbraucher leider nur bedingt nutzbar. Die größten Energie-mengen werden benötigt, wenn niedrige Umgebungstemperaturen vor-herrschen (Heizfall). Hier werden von vielen Geräten nur noch deutlich kleinere COP-Werte erreicht, die z. T. bei 50 Prozent des Maximalwertes liegen können. Bei der Auswahl einer Wärmepumpe ist dies zu beachten.
Berücksichtigt man die Investitionen in Kraftwerke zur Stromerzeugung, so kann ein flächendeckender Einsatz von Gaswärmepumpen eine sinnvolle Alternative sein. In Japan wurden aus diesem Grund in den vergangenen Jahren mehr als 600.000 motorische Gaswärmepumpen mittlerer Leistung zum Heizen (und Kühlen) installiert.