COP engl. Coefficient of performance = Leistungszahl ε_WP (gesprochen: Epsilon)

Die Leistungszahl (der COP) von Elektrowärmepumpen ist das Verhältnis des bei bestimmten Betriebsbedingungen abgegebenen Nutzwärmestroms bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung für den Antrieb des Verdichters und der Hilfsantriebe (nach DIN EN 14511 / DIN EN 255-3). Die Leistungszahl kann nur bei konstanten Betriebsbedingungen – im sogenannten „Beharrungszustand“ – gemessen werden, was nur im Labor möglich ist, aber niemals in der Heizungsanlage im Haus, wo ständig wechselnde Betriebsbedingungen herrschen.

Typische Werte sind:

B0/W35: B = Brine (engl. für Sole) mit 0 °C bei einer Temperatur von 35 °C des Heizwassers (W = engl. Water) am Austritt aus der Wärmepumpe (auch als Heizwasser-Vorlauftemperatur bezeichnet)

W10/W35: Temperatur des Grundwassers von 10 °C bei einer Temperatur des Heizwassers am Austritt aus der Wärmepumpe von 35 °C

E4/W35: E = Erdreich 4 °C für direktverdampfendes Kältemittel bei einer Heizungswasservorlauftemperatur von 35 °C

A2/W35: Air, Lufttemperatur von 2 °C bei einer Heizungswasservorlauftemperatur von 35 °C

Gerne werden gerade bei Luft/Wasser-Wärmepumpen Angaben zu A7/W35 gemacht, sehen die Werte dadurch deutlich besser aus, entsprechen aber nicht dem gebräuchlichem Standard.

Die Leistungszahl wird nach 2 Normen definiert: der DIN EN 255 und der DIN EN 14511. Die DIN EN 255, eigentlich für die Warmwasserbereitung konzipiert, wird bei einer Spreizung auf der Verflüssigungsseite von 10 K gemessen und stimmt mit den tatsächlichen Bedingungen bei einer Flächenheizung nicht unbedingt überein. Bei nur 25 °C Rücklauftemperatur ist eine Heizsituation kaum mehr gegeben, aber die gemessenen Werte sind besser als bei der DIN EN 14511, hier wird mit einer Spreizung von 5 °K gemessen. Die Leistungszahl wird dadurch etwa 8 % schlechter.

Grundsätzlich gilt: Angaben zur Leistungszahl bzw. zum COP ohne Betriebspunkte und Norm sind nicht brauchbar!

Angaben von Herstellern alleine bergen ein Manko: Nur ein kalibrierter Prüfstand mit konditionierten Betriebsbedingungen führt zu vergleichbaren Ergebnissen. Darüber verfügen aber nur die wenigsten Hersteller. Angaben zum COP beruhen daher oft auf Simulationsprogrammen mit frei interpretierbaren Werten, Lob gebührt denjenigen, die sich freiwillig einem neutralen Test wie etwa dem EHPA Gütesiegel stellen. Zur Verifizierung müsste anderenfalls letztlich der Nutzer selbst sein Gerät auf eigene Kosten von einem Prüfinstitut überprüfen lassen.

Eine hohe Leistungszahl bzw. COP führt auch zu einer hohen Jahresarbeitszahl. Vom COP kann nicht auf die JAZ geschlossen werden, da der COP nur für die Wärmepumpe allein gilt und die JAZ aber auf die gesamte Hausheizanlage, bei der die Heizflächen samt benötigten Temperaturen, das Warmwasser (falls dies von der Heizungs-Wärmepumpe übernommen wird), das Benutzerverhalten und letztlich das Wetter mit einfließen.

Der SCOP "Seasonal"-COP basiert auf dem COP, wird aber um 4 Betriebspunkte erweitert um damit die Jahreszeiten oder unterschiedliche klimatische Verhältnisse besser abbilden zu können. Zudem berücksichtigt der Wert auch Leistungsregelungen, im Teillastbetrieb ist der COP höher. Auch ein Heizstab fliesst in den Wert ein, unter dem Strich kommen höhere COP heraus. Allerdings werden die Geräte damit nicht besser...

Eine weitere Ergänzung ist ETA-s oder ηs-Wert, er beschreibt die Jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz. Dabei wird der europäische Primärenergiefaktor (Strommix) berücksichtigt, dieser Faktor beträgt 2,5 durch den der SCOP nach EN 14825 geteilt wird. Der Wert zeigt also, wie viel Primärenergie für eine Kilowattstunde Wärme benötigt wird. Er dient auch als Förderkriterium der neuen Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) und wird vom Hersteller ermittelt.

Erzeugte Heizwärme geteilt durch den dafür benötigten Strom für den Zeitraum eines ganzen Jahres ergibt nur scheinbar eine Jahresarbeitszahl.

Das oft genannte Verhältnis 75% Umweltenergie und 25% Strom ergibt eine JAZ (=Jahresarbeitszahl) von 4.

JAZ = kWh/a Wärme : kWh/a Strom (a steht für anno = Jahr)

Für das obige Beispiel bedeutet dies: 3 Teile Umweltenergie plus 1 Teil Strom ergeben 4 Teile Wärme, die das Haus erhalten hat. Diese 4 Teile dividiert durch 1 Teil Strom ergibt die JAZ 4. Zur Ermittlung werden ein Stromzähler und Wärmemengenzähler benötigt. Wärmemengenzähler erfassen die ans Heizungs- und Brauchwasser abgegebene Wärmemenge. Der Stromzähler erfasst den von der Wärmepumpe verbrauchten Strom.

Das BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWI angehörig) definiert die Jahresarbeitszahl wie folgt:
"Danach ist die Jahresarbeitszahl bei elektrisch angetriebenen Wärmepumpen das Verhältnis aller abgegebenen Wärmemengen zu der eingesetzten Strommenge einschließlich der Strommenge für den Betrieb der peripheren Verbraucher, insbesondere der Grundwasserpumpe, der Soleumwälzpumpe, des Notheizstabes und der Regelung (aber nicht der Heizungsumwälzpumpe). Es wird jedoch auch akzeptiert, wenn der Stromverbrauch für die Regelung nicht von dem Stromzähler der Wärmepumpe erfasst wird. Dies gilt ebenso für Gaswärmepumpen, bei denen die Ermittlung der Jahresarbeitszahl eigentlich auch unter Berücksichtigung des Stromverbrauchs für die Regelung erfolgen soll."

Demnach ist es zur Einhaltung der Förderrichtlinie zulässig, die Verdichterheizung (Ölsumpfheizung des Verdichters) sowie die Steuerung nicht zu berücksichtigen. Auch wenn dies nicht den Anforderungen an eine Jahresarbeitszahl entspricht.

Denn welche Verbraucher wie berücksichtigt werden, bestimmen die Systemgrenzen.

Wie ist die Jahresarbeitszahl zu bewerten? Sie ist ein individueller Wert, kann nur als Richtwert gelten und ist nicht reproduzierbar. Sie ist abhängig vom Gebäude, der klimatischen Lage, der Bauweise und der Dämmung des Hauses, der Wärmequelle, der Raumheizung mit Warmwasser, dem Nutzerverhalten und dem Wetter. Deshalb kann das Erreichen einer bestimmten Jahresarbeitszahl auch nicht garantiert werden!

Auch kann sie nicht zum Vergleich verwendet werden, sondern liefert nur einen relativen Wert, der zur Einschätzung des Heizsystems in einem bestimmten Haus unter Berücksichtigung der Heizgewohnheiten seiner Bewohnern dient.

Als direkter Vergleich kann der Kraftstoffverbrauchs eines Autos gesehen werden. Dieser Wert ist für jeden Fahrer unterschiedlich und zudem von ebenso vielen Faktoren abhängig, der Fahrweise, der Beladung, den Reifen samt Luftdruck bis hin zur Strecke, Autobahn, Landstraße oder Innerorts.

Jahresarbeitszahl ist nicht gleich Jahresarbeitszahl!

Es werden unterschiedliche Systemgrenzen bei der Betrachtung der Jahresarbeitszahl verwendet, so auch bei der FAWA-Studie. Dort gelten folgende Einteilungen:

- JAZ 1: Wärmepumpe mit Steuerung, Verdichterheizung, Wärmequellenerschließung mit Förder- und Zirkulations- und Entladepumpen
- JAZ 2: Wie JAZ 1, zusätzlich Speicherverluste der Heizung
- JAZ 3: Wie JAZ 2, zusätzlich E-Heizstab und Umwälzpumpen der Heizungsanlage

Die in der FAWA-Studie verwendete Systemgrenze ist die JAZ 2, bei der E-Heizstab nicht mit in die Bilanz eingeht. Wird die von ihm abgegebene Wärme mit eingerechnet, sein Stromverbrauch (nahezu gleich) aber nicht abgezogen, wird das Ergebnis kurios: Je mehr der E-Heizstab im Betrieb ist, desto besser wird dabei die Arbeitszahl der Wärmepumpe! Deshalb muss der Verbrauch des E-Heizstabes unbedingt berücksichtigt werden, schon alleine weil er Bestandteil der Anlage ist!

Die JAZ 3 wäre eigentlich die richtige Betrachtungsweise. Der Vergleichbarkeit halber nicht gerechnet werden nach der DIN V 4701-10 - Jahresarbeitszahl für Heizungswärmepumpen, die Heizungsumwälzpumpen, diese werden auch bei fossilen Heizungen nicht berücksichtigt. Im eigentlichen Sinne gehören die Umwälzpumpen zum Heizsystem, da ohne sie ja die Wärme eines zentralen Erzeugers nicht verteilt werden kann.

Deshalb ist die zwar nicht dem tatsächlichen Verbrauch, aber der Vergleichgbarkeit dienliche Lösung:

- JAZ 4: Wie JAZ 2, zusätzlich E-Heizstab aber ohne Umwälzpumpen der Heizungsanlage

Die Jahresarbeitszahl beschreibt nicht die Güte einer Wärmepumpe, sondern geht weit darüber hinaus.

Eine Wärmepumpenheizung ist ein Zusammenspiel vieler Komponenten, ähnlich einem Orchester. Die richtige Auslegung der Wärmequelle, die Wärmepumpe selbst, die Wärmenutzungsseite, also Heizflächen und Warmwasser, die richtige Hydraulik sind nur ein Teil. Weitere Randbedingungen liegen außerhalb des Systems "Wärmepumpe": das Nutzerverhalten und der Gebäudestandard, der zwar nach EnEV berechnet wird, aber selten der Bauausführung und der Realität entspricht. Und dazu noch das jeweilige Wetter, welches in die Jahresarbeitszahl einfließt, dies alles kann nicht übertragen oder reproduziert werden. Betrachtet man die JAZ aber als Maßstab für die reine Effizienz eines Hauses mit seinen Nutzern, so macht sie durchaus Sinn.

Eine Vergleichbarkeit von Jahresarbeitszahlen ist nicht möglich. Selbst wenn man 2 identische, nebeneinander stehende Häuser mit identischer Anlagentechnik hätte, so müssten auch Bewohner mit dem gleichen Nutzverhalten darin wohnen. Toleranzen bei der Anlagentechnik müssten dabei sowieso unberücksichtigt bleiben.

Ein interessanter Aspekt, der die eingeschränkte Verwendbarkeit der Jahresarbeitszahl zeigt, ist die Bauweise eines Hauses: Ein Gebäude in schwerer Bauweise, also in massivem Mauerwerk, hat eine schlechtere Jahresarbeitszahl als ein leichtes Gebäude, z.B. in Holzständerbauweise. Allerdings ist der Stromverbrauch beim Massivhaus geringer.

Ein Widerspruch? Nein, denn die Speichermasse des massiven Hauses ist größer, deshalb hat es eine niedrigere Heizgrenztemperatur. Dadurch läuft die Wärmepumpe auch an Tagen mit Aussentemperaturen knapp unterhalb der Heizgrenze seltener. Diese Tage bringen aber eine bessere Arbeitszahl, da der Temperaturhub geringer ausfällt, was die bessere Jahresarbeitszahl des leichten Gebäudes erklärt. Dafür sind die Betriebsstunden des Massivhauses weniger, was sich im niedrigeren Verbrauch ausdrückt. Ein geringerer Stromverbrauch hat aber weniger Emissionen bei der Stromerzeugung zur Folge und ist damit wichtiger als eine höhere Jahresarbeitszahl.

Die Jahresarbeitszahl lässt auch keine Vergleiche mit anderen Heizsystemen zu. Bei fossilen Heizungen wird nur die Anlagentechnik betrachtet. Wegen des sehr geringen Einflusses des Temperaturniveaus der Heizung auf den Verbrauch können Gebäude und Nutzverhalten vernachlässigt werden. Ob z.B. der Brennwert-Effekt in der Praxis tatsächlich erreicht wird oder wie hoch die Effizienz einer thermischen Solaranlage (die auch Strom zur Lieferung von Wärme benötigt) ist, wird überhaupt nicht hinterfragt.

Obwohl die Jahresarbeitszahl als Maßstab für Wärmepumpenheizungen in der Praxis gedacht ist, taugt sie zur Beurteilung des Wärmepumpensystems nur bedingt. Die Jahresarbeitszahl alleine gestattet noch keine Aussage über die Betriebskosten. Beispielsweise verschlechtert sich die Jahresarbeitszahl während einer Austrocknungsphase nur minimal, weil die Reduzierung der JAZ durch die Trinkwassererwärmung infolge der höheren Heizlast geringer eingeht; aber die Betriebskosten steigen in diesem Fall sehr deutlich. Deshalb muss zusätzlich auch der Stromverbrauch betrachtet werden.

Zu beachten ist auch, ob die Jahresarbeitszahl nur für die Heizung ermittelt wurde oder ob auch das Warmwasser mit erfasst wurde. Gerade bei Gebäuden mit hoher Dämmung und Flächenheizungen, die ja mit einem niedrigen Temperaturniveau auskommen, kann der Anteil der Warmwasserbereitung leicht ein Drittel des Gesamtenergiebedarfs ausmachen.

Ein weiterer Punkt bei der Bewertung der Jahresarbeitszahl muss besonders hervorgehoben werden:

Hohe Jahresarbeitszahlen gibt es nicht für Umsonst!

Denn dafür ist ein höherer Aufwand als üblich notwendig, welcher sich in großzügig dimensionierten Wärmequellen und Wärmenutzungen sowie einer effizienten Wärmepumpe niederschlägt und natürlich entsprechende Kosten nach sich zieht.

In mehreren Feldstudien wurden Jahresarbeitszahlen für die verschiedenen Wärmepumpen ermittelt.

Eine Übersicht der Untersuchungen:

In der Schweiz wurde mit großem Aufwand die FAWA-Studie erstellt. Ihr Vorteil liegt neben einer hohen Anzahl von beteiligten Wärmepumpenanlagen in einer wissenschaftlich sehr exakten Methodik. So wird nicht nur die jeweilige Wärmepumpe betrachtet, sondern es auch die Wärmequelle und die Wärmenutzung zur Beurteilung heran gezogen.

FAWA-Studie:

E-on hat in seiner Feldstudie 29 Erdreich-Wärmepumpen untersucht:

e-on:

Eine vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderte Studie wird vom Fraunhofer Institut durchgeführt.

In einer Presseinformation des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg (ISE) vom 04.12.2008 heißt es: Die beteiligten Wärmepumpen-Hersteller sind Alpha-InnoTec, Bosch Thermotechnik, Hautec, NIBE, Stiebel Eltron, Vaillant und Viessmann. Die Energieversorger EnBW Energie AG und E.ON Energie AG unterstützen das Vorhaben. Das Bundeswirtschaftsministerium finanziert 50 % der Gesamtkosten des Projekts.

Bei dieser Feldstudie schneiden Wärmepumpen teils etwas besser als in anderen ab. Der Mittelwert der Arbeitszahlen liegt im Zeitraum November 2007 bis Oktober 2008 bei 3,7 für Erdreich, 3,0 für Luft und 3,5 für Grundwasser als Wärmequelle. Der Grund für die Verbesserung liegt aber auch in den Auswahlkriterien der Häuser, zugelassen waren nur "sehr gute Niedrigenergie-Häuser mit einem Jahresheizwärmebedarf von 20 bis 50 kWh/m2". Eine gute Dämmung bringt eine bessere Jahresarbeitszahl, ein repräsentativer Querschnitt des Dämmstandards bei Neubauten würde sehr wahrscheinlich zu ähnlichen Ergebissen wie bei den anderen Feldstudien führen.

Bewertung der Fraunhofer Studie:

Abschlussbericht Stand 21.02.2011 der Fraunhofer Studie:

Zusätzlich hat das Fraunhofer-Institut auch Wärmepumpen im Gebäudebestand untersucht.

Abschlussbericht Stand August 2010:

Die Agenda 21-Gruppe Lahr, hat ihren Schlussbericht zu einer 2-jährigen Untersuchung im Dezember 2008 veröffentlicht. Dabei kommt sie zum Ergebnis "Nicht jede Wärmepumpe trägt zum Klimaschutz bei". Allerdings weisst diese Studie Fehler und Schwächen auf und erweckt einen tendenziösen Eindruck. Es wird in pauschalen Aussagen nur die Güte einer Wärmepumpe beurteilt, die Einflussfaktoren Wärmequelle, Wärmenutzung, Nutzverhalten oder Klima werden aber ausgeblendet. Die Schlussfolgerung, dass eine Luft/Wasser-Wärmepumpe nicht zu vertreten sei, entbehrt jeder sachlichen Substanz. Die Rahmenbedingungen sind ein entscheidender Faktor, sind diese günstig, kann eine Luft/Wasser-Wärmepumpe durchaus auch eine höhere Jahresarbeitszahl als eine Erdreich-Wärmepumpe erreichen.

Schlussbericht Ziel 21 Lahr:

Da sich die Studien in Methodik, Technik und Schwerpunkten teils deutlich unterscheiden, sind die Ergebnisse nur bedingt vergleichbar. Im Grunde müssten zur Beurteilung weitere Faktoren einfließen: Gebäudestandard, Lage, Wärmequellenauslegung, Hydraulik, Vorlauftemperaturen, Warmwasserbereitung.

Als Fazit lässt sich feststellen: Zu viele Wärmepumpenanlagen schneiden unter ihren Möglichkeiten ab. Die Ursachen sind meist in zu gering dimensionierten Wärmequellen, mangelnder Hydraulik, hohen Vorlauftemperaturen oder gar zu großen Wärmepumpen, die die benötigte Heizlast deutlich überschreiten, zu suchen. Planern und Installateuren kommt hier eine besondere Verantwortung zu.

Bisher liegen die Jahresarbeitszahlen nach den Feldstudien etwa in folgendem Bereich:

COP engl. Coefficient of performance = Leistungszahl εWP (gesprochen: Epsilon)

Erzeugte Heizwärme geteilt durch den dafür benötigten Strom für den Zeitraum eines ganzen Jahres ergibt nur scheinbar eine Jahresarbeitszahl.

Jahresarbeitszahl ist nicht gleich Jahresarbeitszahl!

Die Jahresarbeitszahl beschreibt nicht die Güte einer Wärmepumpe, sondern geht weit darüber hinaus.

In mehreren Feldstudien wurden Jahresarbeitszahlen für die verschiedenen Wärmepumpen ermittelt.

COP engl. Coefficient of performance = Leistungszahl ε_WP (gesprochen: Epsilon)