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.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Effizienz einer Wärmepumpe zeigt, wie viel Heizwärme sie aus einer Kilowattstunde Strom gewinnt.
- Wichtigste Praxiskennzahl ist die Jahresarbeitszahl (JAZ): je niedriger die Vorlauftemperatur, desto höher die JAZ.
- Erd- und Grundwasser-Wärmepumpen erreichen meist höhere Jahresarbeitszahlen als Luft-Wärmepumpen.
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Wirkungsgrad von Heizsystemen berechnen
Der Wirkungsgrad eines Heizsystems beschreibt allgemein das Verhältnis von nutzbarer Wärme zu zugeführter Energie. Die Carnot-Betrachtung ist dagegen ein theoretischer Grenzwert für Wärmepumpen und Kältemaschinen.
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.
Als theoretische Obergrenze kann die Carnot-Leistungszahl herangezogen werden: COP_Carnot = 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.
COP, JAZ, SCOP, ETAS – welche Kennzahl sagt was?
1COP – der Laborwert
Der Coefficient of Performance misst den Wirkungsgrad bei einem festen Betriebspunkt unter Idealbedingungen – ein Prüfstandswert, kein Alltagswert.
2JAZ – die Praxiskennzahl
Die Jahresarbeitszahl setzt die übers Jahr erzeugte Wärme ins Verhältnis zum verbrauchten Strom im echten Betrieb. Sie ist die aussagekräftigste Kennzahl für Ihr Haus.
3SCOP – genormter Vergleich
Der Seasonal COP nach Norm EN 14825 berücksichtigt mehrere Betriebspunkte und Klimazonen und macht Geräte untereinander vergleichbar.
4ETAS (ηs) – fürs Energielabel
Die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Effizienz wird aus dem SCOP berechnet und bestimmt die Energieeffizienzklasse auf dem EU-Label.
Fürs Datenblatt zählen SCOP und ETAS, im Alltag entscheidet die JAZ – sie zeigt, wie effizient die Wärmepumpe in Ihrem Haus wirklich heizt.
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 lässt sich vor allem der reale Betrieb einer konkreten Anlage bewerten; Geräte vergleichen Sie besser über SCOP-Werte unter gleicher Klimazone und gleicher Vorlauftemperatur.
Für die Heizkosten macht die Jahresarbeitszahl einen großen Unterschied: Eine Anlage mit einer JAZ von 4 verbraucht für dieselbe Wärmemenge rund ein Viertel weniger Strom als eine mit JAZ 3.
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 | Praxiswert JAZ |
|---|---|
| Luft-Wasser-Wärmepumpe | im Fraunhofer-Feldtest durchschnittlich 3,4; Bandbreite 2,6 bis 4,9 |
| Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdreich) | im Fraunhofer-Feldtest durchschnittlich 4,3; Bandbreite 3,6 bis 5,4 |
| Wasser-Wasser-Wärmepumpe | anlagenabhängig; Strom für Grundwasserpumpe und Hilfsantriebe in die JAZ einrechnen |
Die Berechnung der Jahresarbeitszahl erfolgt nach der VDI 4650. Der Bundesverband Wärmepumpen e.V. stellt auf seiner Homepage einen kostenfreien JAZ-Rechner zur Verfügung.
Für Datenblatt, Energielabel und Gerätevergleich ist der SCOP wichtig; für den realen Betrieb im eigenen Haus bleibt die JAZ die zentrale Praxiskennzahl.
Der Jahreszeitliche Leistungskoeffizient (SCOP)
Der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) macht die Effizienz von Wärmepumpen unter genormten Bedingungen vergleichbar. Die Berechnung erfolgt nach DIN EN 14825 mit festgelegten Teillast- und Klimaprofilen; wichtig ist, SCOP-Werte nur bei gleicher Klimazone und gleicher Vorlauftemperatur zu vergleichen.
Die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz ETAS
ETAS (ηs) ist eine wichtige Kennzahl, wenn es um Fördermittel für Wärmepumpen geht, denn förderfähige Geräte müssen technische Mindestwerte bei der jahreszeitbedingten Raumheizungs-Effizienz erreichen. Nach EU-Ökodesign wird ηs aus SCOP beziehungsweise SPER mit dem Umwandlungskoeffizienten CC = 2,5 berechnet und um definierte Beiträge wie Temperaturregelung sowie bei Wasser-/Sole-Wasser-Wärmepumpen Pumpenstrom berichtigt.
Für diese EU-Ökodesign-Berechnung wird der Umwandlungskoeffizient CC = 2,5 verwendet; er ist nicht identisch mit den Primärenergiefaktoren des GModG (bisher GEG).
Davon zu unterscheiden sind die Primärenergiefaktoren im Gebäudemodernisierungsgesetz (GModG, bisher GEG). Sie betreffen die Gebäudebilanz und den Vergleich verschiedener Energieträger, nicht die ETAS des einzelnen Wärmepumpen-Geräts; für Strom gelten im GModG unter anderem folgende Werte:
| Primärenergiefaktor für Strom | |
|---|---|
| Gebäudenah erzeugter Strom (Photovoltaik oder Windkraft) | 0,0 |
| Netzbezogener Strom | 1,8 |
| Verdrängungsstrommix KWK | 2,8 |
Wie lässt sich ein optimaler Wirkungsgrad der Wärmepumpe erreichen?
Es gibt verschiedene Stellhebel, wie sich der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe optimieren lässt.
- Geräteauswahl und Betrieb: Bei der Neuanschaffung zählt ein effizienter, passend dimensionierter Wärmeerzeuger. Bei vorhandenen Anlagen sollten Fachbetriebe zuerst Einstellung, Taktung, Hydraulik und Temperaturniveaus prüfen; ein Kompressortausch ist kein Standard-Tuning.
- 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: Die Kombination mit Photovoltaik senkt vor allem Netzstrombezug und Betriebskosten. Die ETAS der Wärmepumpe ändert sich dadurch nicht; sie bleibt eine genormte Gerätekennzahl nach EU-Ökodesign.
Die Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen Wärmepumpen stellen nicht nur im Neubaubereich eine hervorragende Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen dar, sondern Wärmepumpen eignen… weiterlesen
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