Die Effizienz einer Wärmepumpe
Der Coefficient of Performance (COP) ist eine zentrale Kennzahl bei Großwärmepumpen, die die Effizienz der Anlage beschreibt. Er gibt das Verhältnis von nutzbarer Heizleistung ($Q_{\text{h}}$) zu eingesetzter elektrischer Antriebsleistung ($P_{\text{el}}$) an.
$$COP = \frac{Q_{\text{h}}}{P_{\text{el}}}$$
Demnach wird beispielsweise bei einem COP von 3 das Dreifache der aufgewendeten Antriebsleistung als nutzbare Wärmeleistung bereitgestellt.
COP-Rechner
Der COP-Rechner hilft Ihnen die Effizienz einer Großwärmepumpe für Ihren Anwendungsfall abzuschätzen.
Großwärmepumpen sind besonders effizient, wenn sie in einem optimalen Temperaturbereich arbeiten. Der COP wird stark von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle (z.B. Geothermie, Abwärme oder Umgebungsluft) und dem Heizsystem (z.B. Fernwärmenetz oder Prozesswärme) beeinflusst. Je geringer diese Differenz ist, desto höher fällt der COP aus.
Zudem hängt die Effizienz vom Betriebsverhalten ab, sodass ein Betrieb nahe des Auslegungspunkts angestrebt werden sollte. Um einen möglichst hohen COP zu erreichen, ist es daher wichtig, die Wärmepumpe so auszulegen, dass sie optimal zu den gegebenen Bedingungen von Wärmequelle und -senke passt. Dabei spielen die Wahl der Verdichtertechnologie, das verwendete Kältemittel und die Kreislaufverschaltungen eine entscheidende Rolle. Um die tatsächliche Effizienz unter realen Betriebsbedingungen zu bewerten, wird zusätzlich die Jahresarbeitszahl (JAZ) als praxisnahe Kenngröße verwendet. Sie gibt den über ein Jahr gemittelten COP wieder.
Bestimmung des COPs
Für eine Abschätzung des COP reichen Informationen über die Temperaturniveaus von Quelle und Senke aus. Es gibt zwei gängige Ansetze für die Bestimmung des COP:
Der theoretisch maximal mögliche Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ergibt sich aus dem Verhältnis der Senkentemperatur TS zum Temperaturhub $\Delta_{\text{Hub}}$ zwischen Quelle und Senke. Dieser wird als Carnot-COP bezeichnet:
$$COP_{\text{Carnot}} = \frac{T_S}{\Delta T_{\text{Hub}}}$$
Alternativ lässt sich der COP über den Lorenz-Ansatz bestimmen. Hierbei werden die senken- und quellenseitig Temperaturänderungen in den Wärmeübertragern berücksichtigt, was eine genauere Exergieanalyse ermöglicht. Auf Basis der mittleren Temperaturen $T_{i,m}$, die sich jeweils aus den Vor- und Rücklauftemperaturen ergeben, lässt sich der Lorenz-COP wie folgt berechnen:
\(COP_{\text{Lorenz}} = \frac{T_{S,m}}{T_{S,m} - T_{Q,m}}, \text{ mit } T_{i,m} = \frac{T_{i,\text{ein}} - T_{i,\text{aus}}}{\ln\left(\frac{T_{i,\text{ein}}}{T_{i,\text{aus}}}\right)}\)
Die Verluste, die bei einer realen Wärmepumpe auftreten, werden durch den Gütegrad \(\eta\) erfasst. Daraus ergibt sich die tatsächliche Leistungszahl \(COP = \eta \cdot COP_{\text{Carnot}} \text{ bzw. } COP = \eta \cdot COP_{\text{Lorenz}}\). Die meisten Großwärmepumpen auf dem Markt haben Gütegrade von 40 % bis 60 %, wobei Systeme mit offenen Stufen tendenziell höhere Gütegrade aufweisen.
