Effizienz von Wärmepumpen: Leistungszahl, Jahresarbeitszahl und Wirtschaftlichkeit.
Wärmepumpen nutzen Strom, um Wärme aus der Umgebung für Heizung und Warmwasser bereitzustellen. Wie viel Wärme sie im Verhältnis zum eingesetzten Strom erzeugen, hängt von der Wärmequelle, der erforderlichen Vorlauftemperatur und den Bedingungen im Gebäude ab.
Inhaltsverzeichnis
Effizienz von Wärmepumpen: Leistungszahl und Jahresarbeitszahl
Wärmepumpen nutzen Strom, um Wärme aus der Umgebung auf ein für Heizung und Warmwasser geeignetes Temperaturniveau zu bringen. Die bereitgestellte Wärme setzt sich damit aus der aufgenommenen Umweltwärme und der eingesetzten elektrischen Energie zusammen.
Ein klassischer Wirkungsgrad ist zur Bewertung von Wärmepumpen wenig geeignet. Stattdessen werden vor allem die Leistungszahl, auch Coefficient of Performance (COP), der Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) und die Jahresarbeitszahl (JAZ) verwendet. Der COP beschreibt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeleistung und der aufgenommenen elektrischen Leistung an einem festgelegten Betriebspunkt. Ein COP von 4 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpe unter den angegebenen Prüfbedingungen mit einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Wärme bereitstellt. Die Differenz stammt aus der genutzten Umweltwärme.
Coefficient of Performance (COP)
Der COP beschreibt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeleistung und der aufgenommenen elektrischen Leistung an einem festgelegten Betriebspunkt. Ein COP von 4 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpe unter den angegebenen Prüfbedingungen mit einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Wärme bereitstellt. Die Differenz stammt aus der genutzten Umweltwärme.
Die Formel für die Leistungszahl lautet:
- COP = abgegebene Wärmeleistung (kW) / aufgenommene elektrische Leistung (kW)
Der COP gilt nur für die jeweils angegebenen Temperaturbedingungen, beispielsweise für eine Außenlufttemperatur von 7 Grad Celsius und eine Vorlauftemperatur von 35 Grad Celsius. Für den Vergleich verschiedener Wärmepumpen müssen deshalb Werte betrachtet werden, die unter denselben Bedingungen ermittelt wurden.
Seasonal Coefficient of Performance (SCOP)
Der SCOP bildet die Leistung einer Wärmepumpe unter verschiedenen festgelegten Außentemperaturen über eine angenommene Heizperiode ab. Anders als der COP bezieht er sich daher nicht nur auf einen einzelnen Betriebspunkt. Ein SCOP von 4 bedeutet, dass die Wärmepumpe unter den zugrunde gelegten saisonalen Prüfbedingungen durchschnittlich vier Kilowattstunden Wärme je Kilowattstunde Strom bereitstellt.
Der SCOP eignet sich für den Vergleich verschiedener Geräte unter einheitlichen Normbedingungen. Er bildet jedoch nicht den tatsächlichen Betrieb in einem konkreten Gebäude ab.
Jahresarbeitszahl (JAZ)
Wie effizient eine Wärmepumpe im tatsächlichen Betrieb arbeitet, zeigt die Jahresarbeitszahl. Sie setzt die über ein Jahr bereitgestellte Wärmemenge ins Verhältnis zum dafür benötigten Strom:
- JAZ = bereitgestellte Wärmemenge pro Jahr (kWh) / eingesetzte Strommenge pro Jahr (kWh)
Eine Jahresarbeitszahl von 4 bedeutet, dass die Anlage im Jahresdurchschnitt mit einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Wärme bereitstellt. Die tatsächliche Jahresarbeitszahl hängt unter anderem von der Wärmequelle, der erforderlichen Vorlauftemperatur, dem Wärmebedarf des Gebäudes, der Anlagenplanung und dem Betriebsverhalten ab.
Leistungszahl und Wirkungsgrad: der Unterschied
Der direkte Vergleich mit dem Wirkungsgrad einer Öl- oder Gasheizung ist nur eingeschränkt aussagekräftig. Verbrennungsheizungen wandeln die im Brennstoff enthaltene Energie in Wärme um. Wärmepumpen führen dagegen zusätzlich zur eingesetzten elektrischen Energie Wärme aus der Umgebung in das Heizsystem. Deshalb können ihre Leistungszahl, ihr SCOP und ihre Jahresarbeitszahl über 1 liegen, ohne dass physikalisch mehr Energie erzeugt als eingesetzt wird.
Bild mit KI erstellt.
Leistungszahl von Wärmepumpen und Wirkungsgrad anderer Heizsysteme
Wärmepumpen nutzen neben dem eingesetzten Strom Wärme aus der Umgebung. Ihr Verhältnis von bereitgestellter Wärme zu eingesetztem Strom wird deshalb nicht mit dem klassischen Wirkungsgrad, sondern mit Kennzahlen wie der Leistungszahl und der Jahresarbeitszahl beschrieben. Verbrennungsheizungen wandeln dagegen die im Brennstoff enthaltene Energie in Wärme um. Ein direkter Vergleich der Kennzahlen ist daher nur eingeschränkt möglich.
Die folgende Übersicht zeigt typische Werte zur Orientierung:
| Heizsystem | Kennzahl und typischer Wertebereich |
|---|---|
| Wärmepumpe | Leistungszahl: 2,5 bis 5,5 |
| Gasheizung | Wirkungsgrad: 85 bis 100 Prozent |
| Ölheizung | Wirkungsgrad: 85 bis 95 Prozent |
Leistungszahl von Wärmepumpen und Wirkungsgrad anderer Heizsysteme.
Die tatsächlichen Werte hängen bei allen Heizsystemen von der eingesetzten Technik, der Auslegung und den Betriebsbedingungen ab. Bei Wärmepumpen beeinflussen insbesondere die Temperatur der Wärmequelle und die benötigte Vorlauftemperatur die Leistungszahl. Bei Gas- und Ölheizungen spielen unter anderem das Alter und die Bauart der Anlage eine Rolle.
Wie unterscheiden sich die Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpenarten?
Die verschiedenen Arten von Wärmepumpenerreichen unterschiedliche Jahresarbeitszahlen. Das liegt vor allem daran, dass sie unterschiedliche Wärmequellen wie Außenluft, Erdreich und Grundwasser nutzen, deren Temperaturniveaus sich unterscheiden. Wir fassen die Effizienz von Wärmepumpen je nach Typ im Folgenden zusammen.
Effizienz von Luft-Wasser-Wärmepumpe
Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Außenluft Wärme und bringen diese mithilfe von Strom auf ein für Heizung und Warmwasser geeignetes Temperaturniveau. Im Jahresverlauf schwanken die Temperaturen der Außenluft erheblich. Eine Wärmepumpe muss mehr Energie aufwenden, um Luft mit einer Temperatur von 2 Grad Celsius zu erwärmen.
Beträgt die Außentemperatur 8 Grad Celsius, benötigt sie dagegen weniger Strom, da die Differenz zur benötigten Vorlauftemperatur der Heizung geringer ist.
Die Jahresarbeitszahl von Luft-Wasser-Wärmepumpen hängt von den Betriebsbedingungen ab. Die untersuchten Anlagen erreichten in einer Studie des Fraunhofer-Instituts von 2020 durchschnittlich eine Jahresarbeitszahl von 3,1. Zwar haben Luft-Wasser-Wärmepumpen eine geringere Effizienz als andere Wärmepumpensysteme, sie sind jedoch in den meisten Häusern zu realisieren, einfach zu installieren und am kostengünstigsten in der Anschaffung.
Effizienz von Erdwärmepumpen
Für Erdwärmepumpen werden Erdsonden oder Erdkollektoren bei Bohrungen in die Erde eingebracht. Flächenkollektoren werden ab etwa 1,5 Meter unter der Erde verlegt, wo der Boden nicht mehr gefriert. Erdsonden können bis über 100 Meter tief in den Boden hineinreichen, wo über das ganze Jahr konstante Temperaturen von etwa 10 Grad Celsius herrschen.
Da das Temperaturniveau des Erdreichs im Jahresverlauf vergleichsweise konstant ist, erreichen Erdwärmepumpen häufig höhere Jahresarbeitszahlen als Luft-Wasser-Wärmepumpen. Die genannte Studie ermittelte einen Durchschnittswert von 4,1. Ihrem niedrigen Stromverbrauch stehen allerdings hohe Kosten in der Anschaffung gegenüber, je nachdem wie tief die Bohrungen sein müssen.
Effizienz von Wasser-Wasser-Wärmepumpen
Wasser-Wasser-Wärmepumpen, auch Grundwasser-Wärmepumpen genannt, nutzen die Wärme des Grundwassers für die Heizwärmeerzeugung. Dieses hat eine Temperatur von 8 bis 10 Grad, unabhängig von der Jahreszeit. Wasser-Wasser-Wärmepumpen können bei geeigneten Bedingungen hohe Jahresarbeitszahlen von bis zu 5 erreichen. Auch für Wasser-Wasser-Wärmepumpen fallen hohe Kosten für die Erschließung der Wärmequelle an. Ihr Einsatz setzt unter anderem eine ausreichende Grundwassermenge, eine geeignete Wasserqualität und eine wasserrechtliche Genehmigung voraus.
Jahresarbeitszahlen verschiedener Wärmepumpenarten im Vergleich
Die Effizienz von Wärmepumpen hängt auch vom Gebäudetyp ab. Die Tabelle zeigt typische Jahresarbeitszahlen verschiedener Wärmepumpenarten unter unterschiedlichen Gebäude- und Standortbedingungen.
| Wärmepumpentyp | Gebäudetyp | Durchschnittliche JAZ |
|---|---|---|
| Luft-Wasser-Wärmepumpe | Neubau mit Flächenheizung | 3,2 bis 4,0 |
| Luft-Wasser-Wärmepumpe | Altbau ohne Dämmung | 2,5 bis 3,24 |
| Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdsonde) | Neubau oder gut sanierter Altbau | 4,0 bis 4,5 |
| Wasser-Wasser-Wärmepumpe (Grundwasser) | geeigneter Standort erforderlich | 4,5 bis 5,0 |
Wärmepumpe, Gebäudetyp und durchschnittliche Jahresarbeitszahl
Wie effizient ist eine Wärmepumpe bei Minusgraden?
Viele fragen sich, ob eine Wärmepumpe auch an besonders kalten Wintertagen, wenn die Temperaturen weit unter den Nullpunkt fallen, ausreichend heizt. Ob eine Luft-Wasser-Wärmepumpe bei Temperaturen bis etwa minus 20 Grad Celsius ausreichend Wärme bereitstellt, hängt von ihrer Auslegung und der Heizlast des Gebäudes ab. Bei niedrigen Außentemperaturen kann ein elektrischer Heizstab zusätzliche Wärme bereitstellen. Dadurch steigt der Stromverbrauch vorübergehend.
In solchen Betriebsphasen steigt der Stromverbrauch der Wärmepumpe vorübergehend. Alternativ lässt sich eine Wärmepumpe auch als Hybrid-Anlage zusammen mit einer Gasheizung betreiben. An besonders kalten Tagen liefert dann die Gasheizung die benötigte Wärme. Bei Erdwärmepumpen und Wasser-Wasser-Wärmepumpen spielen niedrige Lufttemperaturen nur eine untergeordnete Rolle.
Einfach und kostengünstig zur neuen Wärmepumpe
Luft-Wasser-Wärmepumpen können sowohl in Neubauten als auch in vielen Bestandsgebäuden eingesetzt werden. Ob sie für ein Gebäude geeignet sind, hängt unter anderem vom Wärmebedarf, den erforderlichen Vorlauftemperaturen, den vorhandenen Heizflächen und den Aufstellmöglichkeiten ab.
Häufige Fragen zur Effizienz von Wärmepumpen
Welche Wärmepumpenart erreicht die höchste Jahresarbeitszahl?
Wasser-Wasser-Wärmepumpen können aufgrund der ganzjährig relativ konstanten Grundwassertemperatur hohe Jahresarbeitszahlen erreichen. Ihr Einsatz setzt jedoch geeignete Grundwasserverhältnisse, wasserrechtliche Genehmigungen und die Erschließung über Brunnen voraus.
Auch Sole-Wasser-Wärmepumpen erzielen häufig hohe Jahresarbeitszahlen, erfordern aber Erdsonden oder Erdkollektoren.
Luft-Wasser-Wärmepumpen erreichen meist niedrigere Werte, lassen sich dafür in vielen Gebäuden mit geringerem Erschließungsaufwand installieren. Welche Wärmepumpenart im Einzelfall am effizientesten arbeitet, hängt vom Standort, vom Gebäude und von der Auslegung der Anlage ab.
Funktioniert eine Wärmepumpe auch bei Minusgraden zuverlässig?
Eine Wärmepumpe kann auch an sehr kalten Wintertagen Wärme bereitstellen. Bei sinkenden Außentemperaturen benötigt insbesondere eine Luft-Wasser-Wärmepumpe jedoch mehr Strom. Falls erforderlich, unterstützt ein elektrischer Heizstab die Wärmeerzeugung vorübergehend.
Wie hoch ist die Leistungszahl einer Wärmepumpe?
Wärmepumpen erreichen je nach Bauart und Betriebsbedingungen häufig Leistungszahlen zwischen 2,5 und 5. Das bedeutet: Mit einer Kilowattstunde Strom stellen sie etwa 2,5 bis 5 Kilowattstunden Wärme bereit. Die zusätzliche Wärmeenergie stammt aus der Umgebung. Für die Bewertung des tatsächlichen Betriebs über ein Jahr ist die Jahresarbeitszahl aussagekräftiger. Ein direkter Vergleich mit den Wirkungsgraden von Öl- und Gasheizungen ist aufgrund der unterschiedlichen Funktionsprinzipien nur eingeschränkt sinnvoll.