Der Wirkungsgrad ist ist ein Mass dafür, wie effizient eine technische Anlage arbeitet. Nehmen wir als Beispiel eine klassische Dampfmaschine. Hier wird Energie in Form von Wärme zugeführt und daraus mechanische Antriebsenergie erzeugt. Bei solchen Umwandlungsprozessen geht immer etwas Energie in Bezug auf das gewünschte Ergebnis verloren.
Als Beispiel wird bei der Dampfmaschine durch die zugeführte Wärme nicht nur das Wasser erhitzt und in Dampf umgewandelt, der dann einen Kolben antreibt. Gleichzeitig werden auch Teile der Maschine erwärmt. Und das ist nur eine Verlustquelle. Der Wirkungsgrad definiert sich nun als Quotient aus der erzeugten Antriebsenergie und der zugeführten Wärmeenergie und ist durch die auftretenden Verluste immer kleiner als 1 bzw. kleiner als 100%. Je grösser der Wirkungsgrad, desto besser wird die eingesetzte Energie in Bezug auf das gewünschte Ergebnis genutzt. Eine klassische Dampfmaschine hat einen Wirkungsgrad von nur ca. 3 – 10%.
Wie eine Wärmepumpe funktioniert, haben wir schon in anderen Artikeln hier detailliert erklärt. Deshalb genügt uns jetzt als grobe Erklärung, dass Wärme aus einer Quelle mit relativ niedriger Temperatur entnommen und unter Zuführung von Energie auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und an eine Heizungsanlage übergeben wird. Die Zuführung der notwendigen Energie erfolgt meist als elektrischer Strom. Als Wärmequelle dienen Erdwärme, die Wärme im Grundwasser oder in der Umgebungsluft.
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird in Fachkreisen auch als COP Wärmepumpe bezeichnet, wobei das, genau genommen, nicht ganz korrekt ist. Um den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe zu berechnen, nimmt man den Quotient aus abgegebener Nutzleistung und zugeführter Leistung, unter der der genutzte elektrische Strom verstanden wird. Ein solches Verhältnis wäre aufgrund der auch hier auftretenden Verluste kleiner eins. Die ebenfalls zugeführte natürliche Wärmeenergie wird nicht betrachtet, da sie kostenlos zur Verfügung steht.
Der COP Wärmepumpe ist die Abkürzung für Coefficient of Performance. Er definiert sich als Quotient aus abgegebener Wärmeenergie zu aufgenommener elektrischer Antriebsenergie. Hierin ist auch die elektrische Hilfsenergie für Nebenaggregate wie zum Beispiel Förderpumpen für das Grundwasser enthalten. Der COP Wärmepumpe ist also ein wenig genauer als der allgemeine Wirkungsgrad einer Wärmepumpe.
Eine weitere Kennziffer ist die Leistungszahl einer Wärmepumpe. Nach DIN EN 255 ist das ein Momentanwert, der unter Normbedingungen auf einem Prüfstand ermittelt wird. Die Leistungszahl definiert sich als Quotient aus der abgegebenen thermischen Leistung der Wärmepumpe und der zugeführten elektrischen Energie für Verdichter und Hilfsantriebe. Allerdings werden elektrische Hilfsaggregate, die nicht unmittelbar zum Wärmepumpenprozess gehören (z.B. Heizungsumwälz- und Grundwasserförderpumpen), nicht betrachtet. Die Leistungszahl ist immer grösser als 1. Eine Leistungszahl 3 drückt daher aus, dass die Wärmepumpe pro 1 kW zugeführter elektrischer Leistung eine Wärmeleistung von 3 kW erzeugt.
Die Schwierigkeit bei der Betrachtung der Effizienz oder des Wirkungsgrads einer Wärmepumpe besteht darin, dass er nicht nur von der Qualität der technischen Anlage selbst, sondern auch von der natürlichen Wärmequelle abhängt. Je höher die Temperatur der Wärmequelle bzw. je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und der nötigen Vorlauftemperatur der nachgeschalteten Heizungsanlage, desto weniger Elektroenergie muss zugeführt werden. Um die Effizienz einer Wärmepumpe im praktischen Betrieb wirklich einschätzen zu können, wurde daher noch die Jahresarbeitszahl als Kennziffer eingeführt. Man kann sie auch als tatsächliche Leistungszahl im Betrieb ansehen. Die Jahresarbeitszahl basiert auf Messungen der über ein Jahr zugeführten elektrischen Arbeit am Stromzähler (Verdichter, Wärmequellenpumpe) und der am Wärmemengenzähler abzulesenden thermischen Arbeit über ein Jahr. Sie ist der Quotient aus Heizarbeit und elektrischer Arbeit.
Die Jahresarbeitszahl ist eine im Betrieb ermittelte reale Kennziffer der Effizienz einer Wärmepumpe und, neben anderen technischen Daten, zumindest in Deutschland auch Grundlage für die Beantragung von Fördermitteln. Je nach Wärmepumpenart muss die Jahresarbeitszahl für die Gewährung von Fördermitteln mindestens zwischen 3,5 und 4,0 liegen. Damit ist die Jahresarbeitszahl auch eine gute Grundlage für die Entscheidung eines Bauherren oder Hausbesitzers für oder wider Wärmepumpenheizung. Ein guter Energieberater kann anhand der konkreten Bedingungen vor Ort und seiner Kenntnis über bereits installierte Anlagen einschätzen, welche Jahresarbeitszahl mit welcher Wärmepumpenart realistisch erreichbar ist und ob sich also eine Wärmepumpenheizung lohnt.
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