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Wirkungsgrad der Wärmepumpe: Maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit

Wärmepumpen zählen zu den Hoffnungsträgern für ein nachhaltigeres Heizen. Die Wärmeenergie, die diese Systeme nutzen, besteht nämlich zu einem großen Teil aus kosten- und emissionsfrei nutzbarer Umweltenergie. Dennoch kommen auch diese Geräte nicht ohne eine weitere Energieform aus: Strom. Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe gibt an, wie viel Strom diese einsetzen muss, um eine bestimmte Menge Wärmeenergie bereitzustellen. Die Kennzahl zeigt also, wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet.

Inhaltsverzeichnis

  1. Die Wärmepumpe nutzt zwei Energiequellen
  2. Wirkungsgrad Wärmepumpe: Verhältnis von elektrischer Energie zu Wärmeenergie
  3. Von welchen Faktoren der Wirkungsrad bei der Wärmepumpe abhängt
  4. Diese Kennzahlen geben die Effizienz einer Wärmepumpe an
  5. So optimieren Sie den Wirkungsgrad Ihrer Wärmepumpe
Wirkungsgrad Wärmepumpe: WOLF CHA

Die Wärmepumpe nutzt zwei Energiequellen

Lokal emissionsfrei heizen und dabei einen kostenlosen und unerschöpflichen Energievorrat nutzen: Das klingt als wäre die Zukunft des Heizens gesichert. Obwohl es in der Praxis nicht immer ganz so einfach ist, kann die Wärmepumpe die Energieeffizienz beim Heizen deutlich steigern.

Funktionsweise einer Wärmepumpe

Das Prinzip hinter der Wärmepumpe ist nicht neu: Es geht darum, Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aufzunehmen und dieses Niveau unter Zuhilfenahme elektrischer Energie soweit zu erhöhen, dass die Wärme auf das Heizwasser übergehen kann. Sie kann demnach 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 kann ein elektrisch betriebener Verdichter das gasförmige Kältemittel komprimieren und so die Temperatur weiter anheben. Nach diesem Schritt muss das Temperaturniveau in der Wärmepumpe über dem des Heizungssystems 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, dann verflüssigt es sich wieder und ein Ventil übernimmt den Druckabbau.

Wirkungsgrad Wärmepumpe: Verhältnis von elektrischer Energie zu Wärmeenergie

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

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

Eine Beispielrechnung:

  • 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 Heizungssystem erreichen muss, sodass sich der Austausch rechnet.

  • Ausgehend von einem Strompreis von 20,0 Cent pro kWh und einem Heizöl-Preis von 5,8 Cent pro kWh beschreibt die Leistungszahl der Wärmepumpe ein Verhältnis von etwa 3,4.

  • Die Wärmepumpe sollte im Betrieb mit einer Einheit Strom also mindestens 3,4 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 Förderangebote für die Wärmepumpe (für das Beispiel neue Wärmepumpe im Austausch gegen alte Ölheizung sind es 45%!) in die Vergleichsrechnung ein.

Von welchen Faktoren der Wirkungsrad bei der Wärmepumpe abhängt

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 von 30°C bis 35°C zu erreichen, müssen Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen entsprechend weniger elektrische Energie aufwenden. Hier erfahren Sie mehr über die unterschiedlichen Arten von Wärmepumpen.

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Diese Kennzahlen geben die Effizienz einer Wärmepumpe an

Für die Angabe des Wirkungsgrads von Wärmepumpen haben sich zwei Kennzahlen mit unterschiedlichen Aussagen etabliert: Der Coefficient of Performance (COP), auch Leistungszahl genannt, und die Jahresarbeitszahl (JAZ).

COP: Effizienzpotenzial und Wirkungsgrad der Wärmepumpe

Der COP beschreibt die Qualität der internen Prozesse der Wärmepumpe. 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.

Wirkungsgrad Wärmepumpe: Beispielhafter COP-Verlauf Grafik
Die Grafik zeigt einen beispielhaften Verlauf des COP einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Auf der y-Achse ist die Leistungszahl abgebildet. Die Außenlufttemperatur ist auf der x-Achse dargestellt.

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

Nun variiert bei der Luftwärmepumpe 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.

Basis für Kennzahl-Angaben

Art der Wärmepumpe
COP-Angabe (Leistungszahl)
Temperatur der Wärmequelle (°C)
Vorlauftemperatur (°C)
Luft/Wasser-Wärmepumpe

A7/W35

7

35

Luft/Wasser-Wärmepumpe
A2/W35
2
35
Sole/Wasser-Wärmepumpe
B0/W35
0
35
Wasser/Wasser-Wärmepumpe
W10/W35
10
35

 

JAZ: Effizienz der Wärmepumpenheizung im praktischen Gebrauch

Auch die Jahresarbeitszahl setzt den Stromaufwand und den Wärmeertrag ins Verhältnis — allerdings nicht für einzelne Wertepaare aus Temperatur der Wärmequelle und Vorlauf. Stattdessen repräsentiert die Jahresarbeitszahl den Mittelwert des Wirkungsgrades der Wärmepumpe über ein Betriebsjahr hinweg.

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

Bestimmte Mindestwerte für die JAZ sind eine Bedingung für einige Förderangebote für Wärmepumpenheizungen, zum Beispiel bei den BAFA Fördermitteln. Dafür müssen Sie selbst jedoch keine Messungen vornehmen. Stattdessen gibt es ein genormtes Verfahren (VDI 4650) zur Bestimmung der JAZ aus den Herstellerangaben zum COP der Wärmepumpe.

Möchten Sie prüfen, ob sich ein bestimmtes Wärmepumpen-Modell für eine BAFA-Förderung qualifiziert? 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: Die für die BAFA relevante Zahl sehen Sie unten rechts. In diesem Beispiel steht hier eine JAZ von 4,6.

Folgende Schwellenwerte müssen Sie prinzipiell erreichen, um finanzielle Unterstützung beim BAFA in Anspruch zu nehmen:

Bestandsbau:

  • Mindestens 3,5 bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe
  • Mindestens 3,8 bei einer Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Neubau:

  • Mindestens 4,5 bei allen Wärmepumpen

Das Beispiel-Modell der WOLF CHA-Monoblock Luft/Wasser-Wärmepumpe mit 7 kW erfüllt also die Bedingungen sowohl im Neubau als auch Bestandsgebäude. 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. 

Effizienzwerte, Kosten und mehr der verschiedenen Wärmepumpen-Arten

Beschreibung
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Wärmequelle
Umgebungsluft
Erdreich
Grundwasser
Erschließung
Keine
Tiefenbohrung oder Flächenkollektoren
Zwei Brunnen
Aufstellung
 Innen und außen
Innen
Innen
Typische JAZ

2,9
(einige auch 4-5)

3,9
5
Gesamtkosten
ab zirka 15.000 Euro
18.000 bis 22.000 Euro
ab zirka 25.000 Euro

 

So optimieren Sie den Wirkungsgrad Ihrer Wärmepumpe

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 Heizungssystem, 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.

Nutzen Sie die regelmäßige Wartung Ihrer Wärmepumpe, bei der ein Heizungsbauer 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.

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Andreas Wurm,
M.Sc.

Über den Autor

Andreas Wurm absolvierte seinen Bachelor of Science in Maschinenbau an der RWTH Aachen University und schloss einen Master in Energietechnik (Spezialisierung Erneuerbare Energien) an derselben Universität an. Nach seinem Studium war er von 2014 bis 2016 Projektingenieur in der Branche Heizungs- und Klimatechnik.

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