Das letzte Teil des Eingabepuzzles für geothermische Simulationen ist die Effizienz Ihrer Wärmepumpe und Ihres Wärmetauschers. Diese Informationen werden benötigt, um die Gebäudelast umzurechnen (die wir in unser vorheriges Kapitel) auf die endgültige Entnahme- und Einspeiselast des Erdreichs. Doch wie hoch ist dieser Wirkungsgrad, und wie werden saisonale Schwankungen und modulierende Wärmepumpen berücksichtigt?
Was ist Effizienz?
Die Effizienz einer Wärmepumpe kann sowohl durch die Leistungszahl (COP) als auch durch die Jahresarbeitszahl (SCOP) ausgedrückt werden. Beide werden im Folgenden erläutert.
Leistungskoeffizient (COP)
Eine Wärmepumpe nutzt Strom, um Wärme von einer Niedrigtemperaturquelle (in unserem Fall das Erdreich) in unser Gebäude zu übertragen. Dieser Strom wird zum Antrieb eines Kompressors in der Wärmepumpe verwendet, der die endgültige Effizienz des Systems bestimmt. Der Wirkungsgrad kann wie folgt definiert werden: $$COP=\frac{\dot{Q}_h}{\dot{E}}$$wobei $\dot{Q}_h$ die an das Gebäude abgegebene Wärme in (kW) und $\dot{E}$ in (kW) der dafür benötigte Strom ist. Die dem Bohrlochfeld entnommene Leistung $\dot{Q}_c$ kann somit wie folgt definiert werden: $$\dot{Q}_h=\dot{E}+\dot{Q}_c$$
Dieser COP-Wert variiert im Laufe der Zeit und ist eine Funktion sowohl der Quelle (d.h. der Flüssigkeitstemperatur des Bohrlochs) als auch der Emissionstemperatur (z.B. 35°C im Falle einer Fußbodenheizung oder 55°C für Warmwasser). Obwohl eine detaillierte Herleitung den Rahmen dieses Kurses sprengen würde, wird der theoretische und maximale COP (Carnot-Wirkungsgrad genannt) wie folgt definiert: $$COP=\frac{T_h}{T_h-T_c}$$wobei $T_h$ die Temperatur der Emission in (°K) ist und $T_c$ die Temperatur der Quelle in (°K).
In dieser Formel wird ein Schlüsselprinzip von Wärmepumpen deutlich: Je größer der Unterschied zwischen der erforderlichen Emissionstemperatur $T_h$ und der Quellentemperatur $T_c$ ist, desto geringer ist die Effizienz Ihrer Wärmepumpe, was zu einem höheren Stromverbrauch führt. Dies ist der Grund, warum, wie in Kapitel 1 dieses Teils erläutert, eine Erdwärmepumpe in der kältesten Zeit des Jahres einen besseren Wirkungsgrad hat als ihr Gegenstück, das mit Luft betrieben wird. Die $T_c$ der letzteren ist nämlich die Umgebungstemperatur, die weit unter 0°C liegen kann, während es sich bei der GSHP um die Flüssigkeitstemperatur im Bohrfeld handelt.
Saisonale Leistungszahl (SCOP)
Die Leistungszahl drückt die Effizienz der Wärmepumpe zu einem bestimmten Zeitpunkt aus. Da jedoch sowohl die Bodentemperatur als auch die erforderliche Emissionstemperatur im Laufe der Zeit schwanken, ändert sich die Leistungszahl erheblich (wie weiter unten erläutert wird). Daher wurde das Maß der saisonalen Leistungszahl (SCOP) eingeführt. Diese kann wie folgt definiert werden: $$SCOP=\frac{Q_h}{E}$$wobei nun die $Q_h$ die an das Gebäude abgegebene Energie und die $E$ die dafür benötigte Elektrizität ist. Diese Formel ist somit das Energieäquivalent des COP, der als Durchschnittswert für eine ganze Saison angesehen werden kann. Daher ist ein SCOP normalerweise höher als ein COP-Wert.
Es gibt auch Wärmepumpen, die keinen Strom benötigen, wie (Gas-)Absorptionswärmepumpen. Hier wird der Kompressor in unserer herkömmlichen Wärmepumpe durch einen Adsorptions- und Desorptionszyklus ersetzt, der von einer Wärmequelle mit höherer Temperatur angetrieben wird, wie das gestrichelte Rechteck in der Abbildung unten zeigt. Der Wirkungsgrad ist hier definiert als die abgegebene Wärmeenergie $Q_h$ geteilt durch die benötigte Energie (bei hoher Temperatur) $Q_s$, die in den Desorber geht.
Während eine normale Wärmepumpe nur zwei thermische Anschlüsse hat (einen auf der heißen Seite der Wärmepumpe, dem Kondensator, und einen auf der kalten Seite, dem Verdampfer), gibt es bei einer Absorptionswärmepumpe einen dritten Anschluss am Absorber. Damit der Absorptions-Desorptions-Kreislauf funktionieren kann, muss der Absorber gekühlt werden. Diese Leistung, $\dot{Q}_a$, kann zusammen mit der Energie des Verflüssigers an das Gebäude abgegeben werden.
Diese Wärmepumpen sind in der Regel recht groß, von 200 kW bis 10 MW, und werden in Fernwärme- und Fernkältenetzen sowie in Gebäuden mit hohem Energiebedarf, wie z. B. Krankenhäusern, eingesetzt.
Energie-Effizienz-Verhältnis (EER) und jahreszeitlicher Energie-Effizienz-Verhältnis (SEER)
In den obigen Abschnitten wurde die Effizienz einer Wärmepumpe im Heizbetrieb erörtert, aber ein ähnliches Konzept lässt sich auch für den Kühlbetrieb erstellen. In diesem Fall wird der Energieeffizienzgrad (EER) wie folgt definiert: $$EER=\frac{\dot{Q}_c}{\dot{E}}$$wobei $\dot{Q}_c$ nun die dem Gebäude entzogene Energie ist. In ähnlicher Weise ist SEER definiert als $$SEER=\frac{Q_c}{E}$$Die in das Bohrfeld eingespeiste Energie $Q_h$ ist also $$Q_h=E+Q_c$$
Ähnlich wie beim Heizbetrieb kann auch ein theoretischer EER wie folgt berechnet werden:$$EER=\frac{T_c}{T_h-T_c}$$wobei $T_c$ die Temperatur des Gebäudes und $T_h$ die Temperatur des Bodens ist.
Modulierende Wärmepumpen
Auch wenn Wärmepumpen äußerlich ähnlich aussehen, kann es im Inneren erhebliche Unterschiede geben. Ein wesentlicher Unterschied besteht zwischen ein- und ausschaltbaren Wärmepumpen und modulierenden Wärmepumpen.
Bei einer On-Off-Wärmepumpe ist Ihr System, wie der Name schon sagt, immer entweder ganz an oder ganz aus. Das heißt, wenn Ihr Gebäude nur einen geringen Heizbedarf hat, schaltet sich Ihre Wärmepumpe mit voller Leistung ein, läuft eine kurze Zeit und schaltet sich dann ab. Dieses zyklische Verhalten belastet den Kompressor stark, weshalb immer mehr Hersteller auf modulierende Wärmepumpen umsteigen.
Wenn Ihre Wärmepumpe modulierend arbeitet, kann sie mit 100 Prozent ihrer Leistung arbeiten, aber auch mit 70 Prozent oder manchmal sogar mit 30 Prozent. Das bedeutet, dass sich die Wärmepumpe bei geringem Bedarf in Ihrem Gebäude mit einer viel geringeren Leistung einschalten und dem Bedarf des Gebäudes genauer folgen kann. Daher haben modulierende Wärmepumpen weniger Start-Stopps, weniger Verschleiß am Kompressor und sind im Allgemeinen leiser.
Wenn eine modulierende Wärmepumpe im Teillastbetrieb arbeitet (d. h. mit einer geringeren als der maximalen Leistung), ergibt sich ein weiterer großer Vorteil. Streng genommen sind die internen Komponenten der Wärmepumpe jetzt im Verhältnis zum Heizbedarf überdimensioniert, so dass die Effizienz höher ist. Daher sind modulierende Wärmepumpen in der Regel effizienter und haben einen höheren SCOP-Wert als On-Off-Wärmepumpen, da beide Typen von den Quell- und Emissionstemperaturen abhängig sind (wie oben beschrieben), aber die modulierende Wärmepumpe hat den zusätzlichen Vorteil des Teillastbetriebs.
Effizienz bei der Bohrlochgestaltung
Bei der Planung von Erdwärmesonden mit Gebäudelast muss diese auf die eine oder andere Weise in eine Erdlast umgewandelt werden (d.h. Entnahme und Einspeisung von Wärme). Dies geschieht üblicherweise mit den Werten SCOP und SEER, die in den technischen Datenblättern für einen bestimmten Temperaturbereich zu finden sind. Im Falle einer Fußbodenheizung kann beispielsweise der SCOP-Wert verwendet werden, der bei B0/W35 (d. h. 0 °C beim Eintritt in das Bohrfeld und 35 °C beim Austritt aus dem Gebäude) angegeben ist. Für Brauchwasser oder Heizkörper gibt es B0/W55-Werte.
Die Verwendung der SCOP- und SEER-Werte ist recht einfach, birgt aber auch einige Herausforderungen, die im Folgenden erläutert werden.
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Wenn Sie das SCOP verwenden, um die Spitzenleistung der Heizung in eine Entnahmespitzenleistung umzuwandeln, überschätzen Sie die Spitzenleistung, da der COP unter Spitzenbedingungen in der Regel niedriger ist als der des SCOP. Dies kann zu einem überdimensionierten Bohrlochfeld führen.
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Die Verwendung eines SCOP bei B0/W35 zur Umwandlung des Heizungs- und Warmwasserbedarfs in Grundlast setzt voraus, dass die Temperatur in unserer Wärmepumpe 0°C beträgt. In den meisten Konstruktionen tritt diese Temperatur jedoch frühestens nach einigen Jahren auf, was bedeutet, dass die Durchschnittstemperatur höher ist. Daraus ergibt sich eine höhere SCOP, so dass die Verwendung eines B0/W35-Wertes eine Unterschätzung der tatsächlichen Effizienz und damit des Ungleichgewichts darstellt, was zu einem unterdimensionierten Bohrloch führen kann.
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Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe hängt von der Flüssigkeitstemperatur ab, die aus dem Bohrloch kommt, und ändert sich daher je nach Auslegung. Da die SCOP jedoch in der Regel ein Eingang und nicht ein Ausgang eines Bohrlochs ist, ändert sich die SCOP nicht, wenn sich die Auslegung ändert. Dies ist eher kontraintuitiv.
Es sollte klar sein, dass es eine ganze Reihe von Herausforderungen und Unsicherheiten gibt, wenn nur ein SCOP für die Bohrlochplanung verwendet wird. Deshalb werden wir uns bei der Erörterung fortgeschrittener Erkenntnisse zur Bohrlochauslegung auf das Teillast-Wirkungsgradmodul in GHEtool konzentrieren, um genauere Simulationen zu ermöglichen.
Fazit
In diesem letzten Kapitel haben wir die verschiedenen Effizienzkonzepte (COP, SCOP, EER, SEER usw.) für Wärmepumpen besprochen und wie sie miteinander in Beziehung stehen. Damit ist der letzte Teil der erforderlichen Eingabedaten bekannt und wir verfügen über das nötige Hintergrundwissen, um in Teil 2 über die Physik der geothermischen Bohrfelder zu sprechen.
Fragen
Literaturverzeichnis
- https://en.wikipedia.org/wiki/Absorption_heat_pump [zuletzt besucht: 23/01/2026]
- Peere, W. (2025). Integration von temperatur- und teillastabhängigem COP im oberflächennahen geothermischen Bohrfeld Design. In Tagungsband des Deutschen Geothermiekongresses DGK 2025. Frankfurt (Deutschland), 18-20 November 2025.