Welche Faktoren führen zu einer Verringerung der Effizienz einer Wärmepumpe?
Wärmepumpen gelten als Schlüssellösung zur Ablösung fossiler Brennstoffe und werden weltweit rasch eingesetzt. Da jedoch viele Anlagen im Praxisbetrieb die theoretischen Wirkungsgrade nicht erreichen, werden die zugrundeliegenden Ursachen genauer untersucht.
Eine Umfrage des britischen Energy Saving Trust (EST) ergab eine überraschende Tatsache: 83 % der in Großbritannien installierten Wärmepumpen erbringen keine ausreichende Leistung, wobei 87 % die Mindestanforderungen an die Energieeffizienz von 3 Sternen nicht erfüllten.
In einer Studie der ETH Zürich, die in Zusammenarbeit mit mehreren Universitäten durchgeführt wurde, wurden die realen Betriebsdaten von 1.023 Wärmepumpen in zehn mitteleuropäischen Ländern analysiert. Dabei stellten sie fest, dass die Leistung der einzelnen Einheiten unter identischen Temperaturbedingungen erheblich abweicht. Der Leistungskoeffizient (COP) Unterschied zwischen einigen Geräten erreichte das 2-3-facheDiese Erkenntnis hat die Industrie dazu veranlasst, die entscheidenden Faktoren, die die Effizienz von Wärmepumpen beeinflussen, erneut zu untersuchen.
01 Geräte- und Installationsprobleme
Die Hauptursachen für die geringe Effizienz von Wärmepumpen liegen in der Ausrüstung selbst und der Qualität der Installation. Die EST-Umfrage ergab unorganisiertes Industriemanagement im Installationssektor als Kernproblem.
Simon Green, Leiter der Geschäftsentwicklung bei EST, erklärte offen: „Bei richtiger Installation und Nutzung könnte die Wärmepumpentechnologie die CO₂-Emissionen Großbritanniens deutlich reduzieren. Die aktuelle Situation weicht jedoch erheblich von unseren Schätzungen ab.“
In Großbritannien hat der Heating and Hotwater Industry Council (HHIC), der für die Installation von Wärmepumpen in Wohngebäuden zuständig ist, öffentlich anerkannt, Mangel an ausreichendem Personal, um den Verbrauchern bei der Auswahl geeigneter Produkte zu helfenDieser Mangel an fachkundiger Beratung führt häufig zu Auswahlfehlern und führt dazu, dass Benutzer oft Geräte kaufen, die nicht zu den Eigenschaften ihres Gebäudes passen.
Die Alterung der Geräte ist ein weiterer Effizienzkiller. Moderne Hersteller von Luftwärmepumpen weisen in ihren Wartungsanleitungen darauf hin, dass Schlüsselkomponenten wie Kompressoren und Wärmetauscher verschleißen mit der ZeitEine schlechte Abdichtung führt zu Kältemittellecks und verringert so die Heiz-/Kühlleistung, während alternde elektrische Systeme die Betriebsstabilität direkt beeinträchtigen.
02 Umwelt- und Designfaktoren
Die Umgebungsbedingungen sind die zweite wichtige Variable, die die Effizienz beeinflusst. Die Umgebungstemperatur beeinflusst maßgeblich die Heizleistung von Luftwärmepumpen – niedrigere Temperaturen führen zu deutlich reduzierter Effizienz.
Der Installationsort ist ebenso entscheidend. Die Platzierung in der Nähe von Wärmequellen oder Heizkörpern schränkt den Luftstrom ein und beeinträchtigt somit direkt die Wärmeaustauscheffizienz. Luftfeuchtigkeit und Luftqualität im Raum wirken sich ebenfalls negativ auf die Heizleistung aus.
Eine groß angelegte Datenanalyse der ETH Zürich ergab, dass Erdwärmepumpen erreichten einen durchschnittlichen COP von 4,90 und lagen damit weit über dem Durchschnitt von 4,03 für Luftwärmepumpen.. Entscheidend ist, dass die Effizienz von Erdwärmekraftwerken weniger durch Temperaturschwankungen im Freien beeinträchtigt wird und somit eine stabilere Leistung aufweist.
Die Untersuchung deckte auch einen wesentlichen Konstruktionsfehler auf: ca. 7-11 % der Wärmepumpensysteme sind überdimensioniert, während etwa 1 % unterdimensioniert sindDiese Größenfehlanpassung verhindert den Betrieb unter optimalen Bedingungen und führt zu Energieverschwendung.
03 Unsachgemäße Bedienung und Wartung
Der Wartungszustand einer Wärmepumpenanlage wirkt sich direkt auf deren langfristige Effizienz aus. Regelmäßige Wartung ist der Schlüssel zur Gewährleistung eines normalen Betriebs, doch diese Grundvoraussetzung wird in der Praxis oft vernachlässigt.
Mangelhafte Wartung kann zu Verstopfungen oder Schäden an Bauteilen führen, während nicht standardmäßige Wartungsmethoden neue Probleme verursachen. Falsche Kältemittelfüllmengen – ob zu viel oder zu wenig – verringern die Heizleistung erheblich. Auch die Verwendung ungeeigneter Reinigungsmittel für Wärmetauscher beeinträchtigt die Leistung.
Europäische Untersuchungen zeigen, dass Durch eine Reduzierung der Heizkurveneinstellung um 1 °C kann die durchschnittliche Effizienz der Wärmepumpe um 0,11 COP gesteigert und der Energieverbrauch des Haushalts um 2,61 % gesenkt werden.Viele Benutzer sind sich solcher Optimierungsmethoden nicht bewusst, was zu einem längeren suboptimalen Betrieb führt.
Probleme mit dem Kältemittel sind eine weitere häufige Ursache für Effizienzverluste. Eine unzureichende Wärmeleitfähigkeit des Kältemittels verringert den effektiven Wärmeaustausch pro Zyklus. Manche Hersteller verwenden minderwertige Kältemittel, um Kosten zu sparen, oder es kommt während des Transports zu Leckagen, wodurch die vorgesehene Wassertemperatur nicht erreicht wird.
04 Probleme mit der Systemkonfiguration und -größe
Eine ungeeignete Systemkonfiguration ist eine der Hauptursachen für Ineffizienz. Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung weisen deutlich niedrigere COP-Werte auf als solche zur Raumheizung, weil Warmwasser benötigt höhere VorlauftemperaturenDieser Unterschied in den Energiebedarfseigenschaften wird bei der Konstruktion häufig übersehen.
Die Dimensionierungsprobleme sind besonders akut bei Wohnanwendungen. Das Team der ETH Zürich entwickelte Nutzungsmetriken zur Beurteilung der Angemessenheit der Dimensionierung und stellte fest, dass Über- oder Unterdimensionierte Systeme sind bemerkenswert häufig.
In der Industrie haben Systemintegrationsmethoden einen entscheidenden Einfluss auf die Gesamteffizienz. Studien zu CO₂-Abscheidungsprojekten in Zementwerken zeigen, dass Durch die Integration von Hochtemperatur-Wärmepumpen können die zusätzlichen Klinkerkosten um 32 % gesenkt werden. Das Erreichen einer solchen Optimierung erfordert jedoch eine präzise Systemkonstruktion und Integrationsfähigkeiten, was für viele Installateure eine Herausforderung darstellt.
Chinas beliebte Doppelversorgungssysteme (integrierte Kühlung und Heizung) steigern die Gesamtenergieeffizienz durch innovatives Design. Im Sommer wird das Kühlmittel über wandmontierte Innengeräte verteilt; im Winter zirkuliert Warmwasser durch Fußbodenheizungen, ganz im Sinne des traditionellen chinesischen Gesundheitsprinzips: „Warme Füße, kühler Kopf“. Optimierte Konfigurationen führen zu deutlichen Effizienzsteigerungen.
05 Lösungen & Zukunftsausblick
Um die Herausforderungen im Bereich der Wärmepumpeneffizienz zu bewältigen, sind sowohl technologische Innovationen als auch politische Anpassungen erforderlich. Ein Durchbruch der Forscher der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) betrifft die elastische Legierung Ti₇₈Nb₂₂, wobei eine 20-mal höhere Temperaturänderungseffizienz als bei herkömmlichen Metallen erreicht wird und 90 % der Carnot-Effizienzgrenze erreicht werden.
Dieses Material erwärmt und kühlt durch elastische Verformung und eröffnet damit neue Wege für die Festkörper-Wärmepumpentechnologie. Das Team entwickelt derzeit einen Prototyp einer industriellen Wärmepumpe auf Basis dieser Legierung.
Betriebsüberwachung und intelligente Anpassung bieten praktische Effizienzgewinne. Europäische Forscher empfehlen die Einrichtung standardisierte Verfahren zur Leistungsbewertung nach der Installation und die Entwicklung digitaler Tools zur Optimierung der Einstellungen. Einfache Anpassungen, wie das Absenken der Heizkurve, führen zu erheblichen Energieeinsparungen.
Die Politikgestaltung muss verbessert werden. Die deutsche Erfahrung zeigt, dass Hohe Strompreise können die Einführung von Wärmepumpen behindern. Sinnvolle Anpassungen der Energiesteuerstrukturen, die Strom gegenüber Erdgas wettbewerbsfähiger machen, würden den Ersatz fossiler Brennstoffe für die Heizung beschleunigen.
Industrielle Anwendungen bergen enormes Potenzial. CO₂-Abscheidungsprojekte in Zementwerken mit integrierten Hochtemperatur-Wärmepumpen zeigen, dass diese Technologie Emissionen reduzieren und gleichzeitig die Klinkerkosten um 32 % senken kann. Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien und der Weiterentwicklung der Hochtemperatur-Wärmepumpentechnologie könnten solche Lösungen zu zentralen Dekarbonisierungstechnologien für energieintensive Industrien werden.
Der zukünftige Entwicklungspfad der Wärmepumpentechnologie wird immer deutlicher. Die von den Materialwissenschaftlern der HKUST entwickelte elastische Ti₇₈Nb₂₂-Legierung zeigt im Labor außergewöhnliche Ergebnisse. Die Industrie erschließt neue Grenzen. Projekte zur Kohlenstoffabscheidung in Zementwerken, die Hochtemperatur-Wärmepumpen mit mechanischer Dampfkompression (MVR) kombinieren, haben die CO₂-Abscheidungskosten belaufen sich auf 125,90 € pro TonneWenn diese Innovationen vom Labor auf den Markt gelangen, werden Wärmepumpen zu einer echten Schlüsselkraft in der globalen Energiewende.