Der Wirkungsgrad eines Heizsystems ermöglicht eine Aussage darüber, wie effizient Energie in Wärme verwandelt wird. Wärmepumpen nutzen kostenfrei vorhandene Energie in der Umwelt (Luft, Erdreich, Grundwasser) und erhöhen diese Energie mithilfe eines Kompressors, der mit Strom angetrieben wird. Die Effizienz einer Wärmepumpe trifft also eine Aussage darüber, wie hoch der Stromverbrauch ist, der notwendig ist, um die erwünschte Heizwärme zu erreichen.
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Wirkungsgrad von Heizsystemen berechnen
Der Wirkungsgrad wird nach der Carnot’schen Formel berechnet.
Die Formel lautet: η= Enutz/Ezu=Ertrag/Aufwand
Dies ist die übliche Formel für die Berechnung des Wirkungsgrads bei Heizsystemen, denen ein Verbrennungsprozess zugrunde liegt, also zum Beispiel bei Gasheizungen.
Wirkungsgrad von Wärmepumpen berechnen
Bei Wärmepumpen ist die Berechnung des Wirkungsgrades schwieriger. Wärmepumpen arbeiten ja wie Kältemaschinen und benötigen zwei Energiequellen: die Umweltenergie und Strom, um die Umweltenergie auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Eine Aussage hierzu trifft der Carnot Wirkungsgrad.
Zur Berechnung kann folgende Formel herangezogen werden: ηCarnot = T/T-T0
Dabei ist T die Temperatur der wärmeren Seite der Kältemaschine – bei Wärmepumpenheizungen also die zu erreichende Vorlauftemperatur – und T0 ist die Temperatur der Energiequelle, beide Werte werden in Kelvin angegeben.
Da aber gerade die Kennzahl T von vielfältigen Faktoren abhängig ist und immer nur einen theoretischen Wert darstellt, haben sich zur Bewertung der Effizienz von Wärmepumpen andere Kennzahlen etabliert, die eine bessere Aussage ermöglichen.
Zu nennen sind hier die Kennzahlen JAZ (Jahresarbeitszahl), der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) und der Etas, die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz.
Die Jahresarbeitszahl JAZ
Mit folgender Formel wird die Jahresarbeitszahl einfach berechnet: JAZ= Wärme (kWh/Jahr)/Strom (kWh/Jahr)
Es wird also die während eines Jahres produzierte Wärme durch den dafür notwendigen Strom dividiert. Damit können verschiedene Wärmepumpen leicht verglichen werden.
Die Jahresarbeitszahl hängt also von der Art der Wärmepumpe und der genutzten Energiequelle ab. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Umweltenergie und der Vorlauftemperatur, umso höher ist die Jahresarbeitszahl. Durchschnittliche Jahresarbeitszahlen für die verschiedenen Wärmepumpen-Arten liegen bei:
| Wärmepumpe | JAZ |
|---|---|
| Luft-Wasser-Wärmepumpe | 2,8 bis 3,5 |
| Sole-Wasser-Wärmepumpe | 3,5 bis 4,5 |
| Wasser-Wasser-Wärmepumpe | 5 |
Die Berechnung der Jahresarbeitszahl erfolgt nach der VDI 4650. Der Bundesverband Wärmepumpen e.V. stellt auf seiner Homepage einen kostenfreien JAZ-Rechner zur Verfügung.
Allerdings wird die JAZ zunehmend von der Kennzahl SCOP abgelöst.
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Der Jahreszeitliche Leistungskoeffizient (SCOP)
Der SCOP, Seasonal Coefficient of Performance, soll die Effizienz der Wärmepumpen genauer darstellen, da verschiedene Betriebspunkte berechnet werden. Die Berechnung des SCOP erfolgt nach der Norm EN 14825. Es werden dabei auch noch vier verschiedene europäische Klimabedingungen zugrunde gelegt und die Faktoren unterschiedlich gewichtet, um die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad der Wärmepumpe vergleichbar zu machen.
Die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz ETAS
ETAS ist eine wichtige Kennzahl, wenn es um Fördermittel für Wärmepumpen geht, denn nur für Wärmepumpen mit Mindestwerten bei der jahreszeitbedingten Raumheizungs-Effizienz werden Fördermittel gewährt. Die ETAS wird aus dem SCOP berechnet, der durch den Primärenergiefaktor dividiert und mit 100 multipliziert wird. Der Primärenergiefaktor PEF ist ein Wert, der entwickelt wurde, um verschiedene Energieträger miteinander vergleichen zu können. Dabei werden auch Verluste in vorgelagerten Prozessen bei der Produktion der Energie berücksichtigt.
Der PEF zur Berechnung der ETAS wird auf 2,5 festgesetzt, da dieser Wert für den europäischen Strommix herangezogen wird.
Der Primärenergiefaktor verschiedener Energieträger ist im Gebäudeenergiegesetz festgelegt. Der PEF für Strom sind wie folgt:
| Primärenergiefaktor für Strom | |
|---|---|
| Gebäudenah erzeugter Strom (Photovoltaik oder Windkraft) | 0,0 |
| Netzbezogener Strom | 1,8 |
| Verdrängungsstrommix KWK | 2,8 |
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Wie lässt sich ein optimaler Wirkungsgrad der Wärmepumpe erreichen?
Es gibt verschiedene Stellhebel, wie sich der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe optimieren lässt.
- Kompressor der Wärmepumpe: Es sollte grundsätzlich ein höchst effizienter Kompressor eingebaut werden. Bei älteren, schon vorhandenen Wärmepumpen kann es sich unter Umständen lohnen, den Kompressor auszutauschen.
- Auslegung des Systems: Nur wenn die Wärmepumpe optimal ausgelegt ist, wird eine häufige Taktung vermieden (damit ist häufiges Anspringen und kurzes Laufen der Wärmepumpe gemeint). Häufiges Anspringen verringert den Wirkungsgrad.
- Vorlauftemperatur: Je niedriger die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe ausfällt, umso besser ist der Wirkungsgrad.
- Heizkörper: Wärmepumpen arbeiten mit großen Heizflächen am besten, denn dann kann wiederum die Vorlauftemperatur abgesenkt werden. Deshalb kann es durchaus sinnvoll sein, in Altbauten etwa zusätzliche Heizkörper anzubringen, wenn der Einbau einer Fußbodenheizung zu teuer oder technisch nicht realisierbar ist.
- Wärmepumpe mit Photovoltaik kombinieren: Betrachtet man die Berechnung der jahreszeitbedingten Raumheizungseffizienz ETAS wird direkt klar, dass durch die Kombination mit Photovoltaik deutlich bessere Werte erzielt werden können, da der PEF bei 0 liegt.
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