Wirkungsgrad der Wärmepumpe: Maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe gibt an, wie viel Strom diese einsetzen muss, um eine bestimmte Menge Wärmeenergie bereitzustellen. Vereinfacht zeigt die Kennzahl also, wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet.

Im Gegensatz zu konventionellen Heizsystemen liegt der Wirkungsgrad von Wärmepumpen dabei immer über 100% – meist sogar zwischen 300 und 500%. Das liegt daran, dass Wärmepumpen nicht nur Strom zur Wärmeerzeugung nutzen, sondern zusätzlich kostenlose Umweltenergie aus Luft, Erde oder Wasser gewinnen.

Ob der Betrieb einer Wärmepumpe optimal ist, hängt davon ab, wie viele Einheiten Heizwärme (Nutzleistung) sie mit einer Einheit Strom (zugeführte Leistung) erzeugt.

Wirkungsgrad = Heizwärme (Nutzleistung) / Strom (zugeführte Leistung)

• Sie überlegen, ob Sie in Ihrem Altbau die bestehende Ölheizung durch eine Wärmepumpe ersetzen sollten.

• Sie können sich die Entscheidung vereinfachen, indem Sie bestimmen, welchen minimalen Wirkungsgrad das neue Heizsystem erreichen muss, sodass sich der Austausch rechnet.

• Ausgehend von einem Strompreis von 27 Cent pro kWh und einem Heizöl-Preis von 10 Cent pro kWh beschreibt die Leistungszahl der Wärmepumpe ein Verhältnis von minimalen 2,7.

• Die Wärmepumpe sollte im Betrieb mit einer Einheit Strom also mindestens 2,7 Einheiten Wärme erzeugen, sodass sie wirtschaftlich effizienter arbeitet als die bestehende Ölheizung.

Diese Betrachtung beschränkt sich allerdings auf die laufenden Kosten. Bei der detaillierten Beratung bezieht Ihr Heizungsbauer auch die notwendige Investitionssumme und die Förderangebote für die Wärmepumpe in die Vergleichsrechnung ein.

Der theoretische Carnot-Wirkungsgrad stellt die physikalische Obergrenze für die Effizienz einer Wärmepumpe dar. Benannt nach dem französischen Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot zeigt er das Maximum dessen, was unter idealen Bedingungen möglich wäre.

Die Formel lautet: ηc = Th / (Th - Tk)

• Th: absolute Vorlauftemperatur in Kelvin

• Tk: absolute Temperatur der Wärmequelle in Kelvin

Beispiel: Eine Wärmepumpe nutzt Außenluft von 0°C (273,15 K) und erzeugt eine Vorlauftemperatur von 35°C (308,15 K):

308,15 K / (308,15 K - 273,15 K) = 308,15 / 35 = 8,8

Dies bedeutet: Unter idealen Bedingungen könnte die Wärmepumpe einen Wirkungsgrad von 880% erreichen. In der Realität erreichen moderne Wärmepumpen etwa 40 bis 50% dieses theoretischen Maximums, was zu den bekannten Wirkungsgraden von 300 bis 500% führt.

Die Hauptaufgabe der Wärmepumpe ist es, den Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und erforderlicher Vorlauftemperatur zu überbrücken. Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe entscheidet, wie effizient die Wärmepumpe dabei arbeitet.

Unabhängig von der Qualität der Wärmepumpe selbst haben in Sachen Wirkungsgrad daher die Geräte einen Vorteil, welche die Umweltenergie auf einem höheren Temperaturniveau erschließen können. Während die Lufttemperatur an kalten Tagen unter 0°C liegt, bleibt die Temperatur von Erdreich und Grundwasser ganzjährig auf einem verhältnismäßig hohen Niveau von bis zu 12°C. Um die üblichen Vorlauftemperaturen zu erreichen, müssen Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen entsprechend weniger elektrische Energie aufwenden. Hier erfahren Sie mehr über die unterschiedlichen Wärmepumpen-Arten.

Für die Angabe des Wirkungsgrads von Wärmepumpen haben sich mehrere Kennzahlen mit unterschiedlichen Aussagen etabliert: Der Coefficient of Performance (COP), auch Leistungszahl genannt, der SCOP (Seasonal COP), die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe (JAZ) und die jahreszeitbedingte Raumheizungsenergieeffizienz (ETAs).

Der COP der Wärmepumpe beschreibt die Qualität der internen Prozesse dieses Heizsystems. Für jedes Wertepaar aus Temperatur der Wärmequelle und Vorlauf gibt es eine Verhältniszahl für Stromaufwand und Wärmegewinn. Dieser Wert beschreibt also eine konstante Eigenschaft und seine Ermittlung findet messtechnisch unter genormten Bedingungen (DIN EN 14511 und DIN EN 255) statt.

Wie stark die Leistungszahl zum Beispiel bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe vom gewählten Wertepaar abhängt, zeigt die Grafik. Niedrige Vorlauftemperaturen sorgen allgemein für eine höhere Leistungszahl, ebenso wie höhere Außenlufttemperaturen.

Die Werte basieren auf typischen Herstellerangaben moderner Luftwärmepumpen und können je nach Modell und Hersteller variieren.

Bei der Luftwärmepumpe variiert die Temperatur der Wärmequelle besonders stark. Daher ist eine Herstellerangabe des COP für die beiden Außentemperaturen (A) von 7°C und 2°C üblich. Die Vorlauftemperatur beträgt dabei stets 35°C. Für Wärmepumpen, die Erdreich (B) oder Wasser (W) als Wärmequelle nutzen, ist jeweils nur eine Angabe gebräuchlich.

Der Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) gibt an, wie effizient eine Wärmepumpe über eine gesamte Heizperiode arbeitet. Er berücksichtigt dabei unterschiedliche Außentemperaturen und deren Auftreten im Jahresverlauf. Der SCOP ist also praxistauglicher als der COP unter Laborbedingungen.

Auch die JAZ (Jahresarbeitszahl) beschreibt den Wirkungsgrad der Wärmepumpe – allerdings auf Basis realer Betriebsdaten über ein gesamtes Jahr. Sie berücksichtigt nicht nur festgelegte Temperaturwerte, sondern sämtliche Bedingungen im tatsächlichen Heizbetrieb.

Dabei spielen die sich ständig ändernden Betriebsbedingungen eine wichtige Rolle. Dazu erfasst ein Messgerät kontinuierlich die reellen Werte für Stromverbrauch und Wärmemenge. Die JAZ gibt also an, welchen Wirkungsgrad die Wärmepumpe in einem individuellen Heizsystem erreicht.

Die JAZ ist folglich ein wichtiges Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe. Es gibt daher ein genormtes Verfahren (VDI 4650) zur Bestimmung der JAZ aus den Herstellerangaben zum COP der Wärmepumpe.

Möchten Sie wissen, welche JAZ ein bestimmtes Wärmepumpen-Modell hat? Dann besuchen Sie den JAZ-Rechner des Bundesverband Wärmepumpe e.V. Wählen Sie im Dropdown zum Beispiel den Hersteller WOLF, die Wärmequelle Luft und das Modell CHA-07 aus. Klicken Sie nun auf „aktualisieren“, um die JAZ errechnen zu lassen. In diesem Beispiel steht hier eine JAZ von 4,6.

Das Beispiel-Modell der WOLF CHA-Monoblock Luft/Wasser-Wärmepumpe mit 7 kW erfüllt die Anforderungen an die jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz (dazu später mehr). Diese hängt eng mit dem Wirkungsgrad zusammen. Höhere Wärmepumpen-Wirkungsgrade sind folglich nicht nur förderlich für langfristig geringe Betriebskosten, sondern ermöglichen Ihnen schon bei der Investition eine Finanzspritze.

In folgender Tabelle finden Sie eine Übersicht über die verschiedenen Wärmepumpen-Arten. Dabei sehen Sie unter anderem eine ungefähre Angabe der Investitionskosten (Gerät plus Installationskosten) sowie typische JAZ-Zahlen.

Die jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz (ETAs oder ηs) ist eine EU-weit genormte Kennzahl, die auf der Ökodesign-Richtlinie basiert. Sie gibt an, wie viel Wärme eine Raumheizung aus einem Energieträger gewinnt und berücksichtigt dabei auch die benötigte Hilfsenergie (zum Beispiel Strom für Pumpen und Regelungen).

Mathematisch ist die ETAs der Quotient aus dem Raumheizungsbedarf und dem jährlichen Energieverbrauch. Bei Wärmepumpen fließt der SCOP in die Berechnung ein. Da Wärmepumpen mehr Wärmeenergie bereitstellen, als sie an Strom verbrauchen, erreichen sie ETAs-Werte von über 100%.

Die ETAs ist die Grundlage für die bekannten EU-Energielabel. Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit 35°C Vorlauftemperatur benötigt beispielsweise eine ETAs zwischen 115 und 123%, um das Label A zu erhalten. Die meisten modernen Wärmepumpen erreichen jedoch A+ oder A++, was einer noch höheren Effizienz entspricht.

Die Kennzahlen für den Wirkungsgrad sind nicht nur entscheidend bei der Auswahl der Wärmepumpe. Sie zeigen auch im späteren Betrieb deutlich auf, ob Optimierungspotenzial besteht. Möchten Sie die Effizienz Ihrer Wärmepumpe erhöhen, dann können Sie an verschiedenen Stellen ansetzen.

• Vor allem bei älteren Wärmepumpen ist der Einsatz eines effizienteren Kompressors erfolgsversprechend.

• Verbesserungsmaßnahmen am übrigen Heizsystem, also vor allem am Wärmespeicher, an Rohrleitungen und Heizflächen sowie Dämmmaßnahmen verändern nicht direkt den Wirkungsgrad der internen Wärmepumpenprozesse. Allerdings senken sie den Wärmebedarf.

• Größere Heizflächen ermöglichen die Reduzierung der Vorlauftemperatur. Sinkt die Temperatur um 5°C, kann dies die Jahresarbeitszahl um 10% erhöhen. Der Einbau zusätzlicher Heizkörper oder der Austausch einzelner Heizkörper lohnt sich dadurch in Bestandsgebäuden häufig.

Nutzen Sie die regelmäßige Wartung der Wärmepumpe, bei der ein Heizungsprofi aus Ihrer Region die Anlage überprüft und bei Bedarf anpasst. Denn oft sind ungünstige Einstellungen schuld daran, dass Heizanlagen die Erwartungen nicht erfüllen. Die Belohnung für Ihre Mühen: Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe erhöht sich und davon profitieren Ihre Finanzen und die Umwelt gleichermaßen.

Lokal emissionsfrei heizen und dabei einen kostenlosen und unerschöpflichen Energievorrat nutzen: Das klingt nicht nur gut – es ist auch gut. Richtig geplant und eingestellt, kann die Wärmepumpe die Energieeffizienz beim Heizen deutlich steigern.

Das Prinzip hinter der Wärmepumpe ist nicht neu: Vorhandene Wärme wird auf einem niedrigen Temperaturniveau aufgenommen und unter Zuhilfenahme elektrischer Energie so weit erhöht, dass sie auf das Heizwasser übergehen kann. So kann sie Ihre Räume heizen und Warmwasser zur Verfügung stellen.

Dazu bedient sich die Wärmepumpe eines Kreisprozesses, der zwischen zwei Wärmetauschern abläuft. Den Transport der Wärmeenergie übernimmt ein Kältemittel, das in Rohrleitungen zirkuliert. Es nimmt im ersten Wärmetauscher die Wärme aus der Umwelt, also aus der Luft, dem Wasser oder dem Erdreich auf. Die wichtigste Eigenschaft des Kältemittels ist, dass bereits diese niedrigen Temperaturen ausreichen, um es verdampfen zu lassen.

Nun komprimiert der elektrisch betriebene Verdichter das gasförmige Kältemittel und hebt so die Temperatur weiter an. Nach diesem Schritt muss das Temperaturniveau in der Wärmepumpe über dem des Heizsystems liegen. Nur unter dieser Bedingung kann die Wärme vom Kältemittel im zweiten Wärmetauscher auf das Heizwasser übergehen.

Wie hoch die Hürde liegt, bestimmt die Vorlauftemperatur. Dieser Wert lässt sich an der Heizungssteuerung einstellen und gibt an, mit welcher Ausgangstemperatur das Heizungswasser vom Wärmeerzeuger aus zu den einzelnen Heizkörpern oder Flächenheizungen fließt. Hat das Kältemittel seine Energie abgegeben, verflüssigt es sich wieder und ein Ventil übernimmt den Druckabbau.