Was Sie über den Wirkungsgrad von Wärmepumpen wissen sollten

• Was drückt der Wirkungsgrad aus?
• Wie Wärmepumpen für Wärme sorgen
• Erklärung für den hohen Wirkungsgrad von Wärmepumpen
• Warum bei einer Wärmepumpe der Wirkungsgrad von Temperaturen abhängt
• Den maximalen Wirkungsgrad einer Wärmepumpe bestimmen
• Kennzahlen, die anstelle des Wirkungsgrads bei Wärmepumpen verwendet werden
• Fazit: Ihr besonderer Wirkungsgrad hebt Wärmepumpen von anderen Heizsystemen ab
• FAQ

Der Wirkungsgrad gibt bei Maschinen das Verhältnis von zugeführter Energie zu nutzbarer Wärme an. So lassen sich Heizsysteme mit seiner Hilfe dahingehend vergleichen, wie effizient die Energieumwandlung bei ihnen abläuft. Denn je höher ihr Wirkungsgrad ausfällt, desto geringer sind die dabei anfallenden Energieverluste.

Ermittelt wird der Wirkungsgrad mit folgender Formel:

(Beispiel: Eine Gasheizung, die 20.000 kWh Energie (entspricht rund 2.000 Litern Erdgas) in 18.000 kWh Wärme umwandelt, hat einen Wirkungsgrad von 0,9 bzw. 90 %.)

Der Wirkungsgrad verschiedener Wärmeerzeuger unterscheidet sich allgemein aufgrund von deren Alter, der zum Einsatz kommenden Technik und dem verwendeten Energieträger. So lässt die Leistungsfähigkeit eines Heizkessels mit fortschreitender Betriebstätigkeit immer weiter ab, da ihm im Laufe der Verschleiß zusetzt. Im Durchschnitt können Sie mit folgenden Werten rechnen:

Wie Sie der Tabelle entnehmen können, kommen Brennwertheizungen und Wärmepumpen auf einen Wirkungsgrad von über 100 %. Das soll nicht bedeuten, dass sie die zugeführte Energie vermehren. Der hohe Wirkungsgrad resultiert aus den technischen Besonderheiten, den diese Heizungsformen gegenüber herkömmlichen Heizkesseln haben. So nutzen Brennwertheizungen nicht nur die Wärmeenergie, die beim Verbrennen von Öl, Gas oder Pellets frei wird, sondern auch die, die in den Abgasen steckt. An letztere gelangen sie durch deren Kondensation.

Bei Wärmepumpen kommt der Wirkungsgrad von über 100 dadurch zustande, dass in ihnen keine Verbrennung eines einzelnen Brennstoffs stattfindet, sondern aufgenommene Umweltenergie mithilfe von elektrischer Energie das erforderliche Niveau an Wärmeenergie gebracht wird. So wird in der Außenluft, dem Erdboden und dem Grundwasser Sonnenenergie gespeichert. Eine Wärmepumpe gewinnt diese je nach Art auf andere Weise: Eine Luftwärmepumpe saugt die Außenluft mit Ventilatoren ein. Eine Erdwärmepumpe gelangt mittels unter der Erdoberfläche vergrabener Kollektoren oder in die Tiefe versenkter Sonden an die im Erdboden befindliche Energie. Und eine Grundwasser-Wärmepumpe verfügt über Brunnen, mit denen sie das warme Grundwasser nach oben befördert, um ihm dort die Energie entnehmen zu können.

Im nächsten Schritt wird die gewonnene Umweltwärme auf ein Kältemittel übertragen, das dadurch gasförmig wird. Anschließend sorgt ein Kompressor dafür, dass es weitere Wärme aufnimmt und seine Temperatur weiter ansteigt. Sobald diese über der vom Heizsystem geforderten Vorlauftemperatur liegt, wird sie auf das Heizwasser übertragen, das dann über die Rohrleitungen zu Heizkörpern oder Fußbodenheizung fließt, welche es zur Erwärmung der Räume nutzen. Das Kältemittel wird anschließend wieder dekomprimiert, damit es den Kreislauf erneut durchlaufen kann.

Es ist die Komprimierung, die die Zufuhr zusätzlicher Energie erfordert. Bei privat betriebenen Wärmepumpen wird dafür Strom eingesetzt. Je stärker das Kältemittel komprimiert werden muss, desto höher ist der Stromverbrauch der Wärmepumpe und desto höher der Anteil der elektrischen Energie an der entstehenden Nutzwärme. So beträgt der Wirkungsgrad einer Luft-Wärmepumpe selbst an kalten Tagen rund 250 %. Damit liegt er nicht nur über 100 %, sondern ist auch um einiges höher als die Wirkungsgrade aller anderen Heizsysteme.

Mit einer Wärmepumpe lässt sich jedoch noch mehr erreichen. Denn bei den anderen Arten ist meist weniger Komprimierung und somit weniger Stromeinsatz erforderlich. Dann setzt sich die resultierende Nutzwärme zum Großteil aus der gewonnenen Umweltenergie zusammen. So kann bei einer mit Grundwasser arbeitenden Wasser-Wasser-Wärmepumpe der Wirkungsgrad unter den richtigen Bedingungen über 500 % betragen.

Das liegt daran, dass Sie für eine Wärmepumpe den Wirkungsgrad berechnen, indem Sie die Menge an von ihr im Jahr bereitgestellter Heizenergie nur mit der Menge an dafür benötigtem Strom ins Verhältnis setzen. Die Menge an dabei eingesetzter Umweltenergie bleibt außen vor, da diese ja kostenfrei zur Verfügung steht und die Ermittlung der Energiekosten der Grund für die Berechnung des Wirkungsgrads ist. Auch bei Wärmepumpen findet dabei die Formel Anwendung. So kommt beispielsweise eine Erdwärmepumpe, die mittels 5.000 kWh Strom eine Wärmemenge von 20.000 kWh bereitstellt, auf einen Wirkungsgrad von 4 bzw. 400 % (20.000 kWh / 5.000 kWh = 4).

Durch die Verwendung von Umweltenergie kommt eine Wärmepumpe somit auf einen Wirkungsgrad von weit über 100 %. Doch sind diesem auch nach oben hin Grenzen gesetzt? Ja, denn bei einer Wärmepumpe ist der Wirkungsgrad von einer Temperaturdifferenz abhängig – und zwar der zwischen Quelltemperatur und Vorlauftemperatur.

Bei der Quelltemperatur handelt es sich um die Temperatur, die die Wärmepumpe der jeweiligen Wärmequelle entziehen kann. Bei der Außenluft schwankt diese im Jahresverlauf stark. Im Winter, der Hauptheizzeit, fällt sie eher niedrig aus. Herrscht Frost, liegt sie teils sogar im Minusbereich. So ist bei einer Luft-Wärmepumpe der Wirkungsgrad stark von der Außentemperatur abhängig und liegt bei durchschnittlich 2,5–3,5 (bzw. 250–350 %); kann aber auch unter 2 (bzw. 200 %) sinken.

Kollektoren, die nur wenige Meter unter der Erdoberfläche verlegt wurden, sind ebenfalls gewissen Temperaturschwankungen ausgesetzt ­– allerdings weniger stark. Sonden, die 50 oder mehr Meter tief in die Erde reichen, stehen dafür das ganze Jahr über rund 10 °C zur Verfügung. Der Wirkungsgrad einer Sole-Wasser-Wärmepumpe ist also umso größer, je geringer die Abhängigkeit von der Außentemperatur. Im Durchschnitt beträgt er 4–4,5 (bzw. 400–450 %).

Völlig unabhängig von der Außentemperatur ist das Grundwasser. Ganzjährig weist es warme 12 °C auf. So hat dann auch eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe den besten Wirkungsgrad. Wie bereits erwähnt, können Sie Werte von über 5 (bzw. 500 %) erreichen.

Neben der Quelltemperatur spielt für den Wärmepumpen-Wirkungsgrad auch die Vorlauftemperatur eine entscheidende Rolle. Wie oben beschrieben, ist das die Temperatur, auf die das Heizwasser erwärmt werden muss. Ihre Höhe hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Dämmzustand: Je schlechter die Gebäudehülle (Außenwände, Dach, Türen u. Fenster) gedämmt ist, desto höher die anfallenden Wärmeverluste. Zu diesen kommt es auch, wenn die Heizungsrohre nicht isoliert sind. Denn dann geben diese schon auf dem Weg zu den Heizflächen Wärme ab. Um diese Verluste auszugleichen, muss die Vorlauftemperatur dann entsprechend hoch ausfallen. Deshalb bekommt es eine Wärmepumpe in einem Altbau, der seit Errichtung noch nicht energetisch nachgerüstet wurde, mit Vorlauftemperaturen von bis zu 90 °C zu tun. Einer Wärmepumpe im Neubau genügen dagegen oft schon 30 °C, um diesen warm zu halten.
• Heizflächen: Auch womit die Wärme in den Raum gelangt, beeinflusst auf die Höhe der Vorlauftemperatur. So kommt eine über den gesamten Raum verteilte Fußbodenheizung meist mit 35 °C oder weniger aus (u. a. davon abhängig, wie eng die Heizschleifen verlegt sind). Ein an nur einer Raumseite angebrachter Heizkörper benötigt dagegen oft 50 °C oder mehr.
• Nutzungsart: Ebenfalls für die Vorlauftemperatur einer Wärmepumpe von Bedeutung ist, ob diese allein für Wärme im Haus sorgt oder Teil einer Hybridheizung ist. Denn wird zum Beispiel die Wärmepumpe mit einer Gasheizung kombiniert, kann diese den Betrieb an Tagen mit besonders hohem Wärmebedarf übernehmen. Muss sie bei sehr niedrigen Außentemperaturen nicht mehr zum Einsatz kommen, benötigt die Wärmepumpe keine so hohe Vorlauftemperatur. Denn diese wird so ausgelegt, dass das Heizsystem an den zu erwartenden kältesten Tagen des Jahres für ausreichend Wärme im Haus sorgen kann. Je höher also die tiefste Arbeitstemperatur der Wärmepumpe angesetzt wird, desto niedriger ist die erforderliche Vorlauftemperatur.

Dass die Vorlauftemperatur möglichst niedrig sein sollte, liegt daran, dass das Kältemittel umso stärker komprimiert werden muss, je höher sie ausfällt. Ab einer bestimmten Höhe ist ihr dies technisch nicht mehr möglich. So können die meisten Wärmepumpen nur maximal eine Vorlauftemperatur von 55 °C bereitstellen. Muss Sie in Ihrem Haus aufgrund fehlender oder unzureichender Dämmung höher ausfallen, benötigen Sie entweder eine Hybridheizung oder eine Hochtemperatur-Wärmepumpe. Deren Wirkungsgrad ist dann aber entsprechend niedriger. So ist sie zwar technisch zu der stärkeren Komprimierung in der Lage (z. B. durch Verwendung von zwei hintereinander geschalteten Kältemittelkreisläufen); braucht dafür dann aber auch mehr Strom.

Allgemein gilt: Soll bei einer Wärmepumpe der Wirkungsgrad hoch ausfallen, muss die auszugleichende Temperaturdifferenz niedrig sein. Denn je größer diese ist, desto mehr muss sie leisten und desto mehr Strom ist erforderlich. Am effizientesten arbeitet eine Wärmepumpe also mit einer Kombination aus hoher Quelltemperatur und niedriger Vorlauftemperatur. Soll sie beispielsweise die 12 °C, die sie dem Grundwasser entzogen hat, auf eine Vorlauftemperatur von 30 °C bringen, hat sie lediglich einen Temperaturhub von 18 K (Kelvin) zu überwinden. Steht ihr als Wärmequelle hingegen nur -7 °C kalte Außenluft zur Verfügung, welche sie auf 45 °C erwärmen muss, beträgt er schon 52 K. Was den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe zusätzlich mindert, ist, dass bei Minusgraden der Einsatz eines Heizstabs erforderlich ist, welcher den Stromverbrauch zusätzlich in die Höhe treibt.

Da die Quell- und die Vorlauftemperatur die Leistungsfähigkeit einer Wärmepumpe begrenzen, lässt sich mit ihnen auch deren maximaler thermische Wirkungsgrad ermitteln. Grundlage dafür bietet der Carnotsche Kreisprozess. Mit diesem Gedankenexperiment demonstrierte der französische Physiker Nicholas Léonard Sadi Carnot den optimalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine (z. B. ein Verbrennungsmotor), welche thermische in mechanische Energie umwandelt. Dabei fällt immer auch Abwärme an. Je höher deren Anteil, desto geringer ist der Wirkungsgrad. Damit dieser hoch ist, muss die Temperatur der eingesetzten Wärme möglichst hoch und die der Abwärme möglichst niedrig sein. Berechnet wird der Carnot-Wirkungsgrad (h_C), indem der Quotient aus der kühleren Abwärme-Temperatur (T_u) und der höheren Temperatur der Wärmequelle (T_o) von 1 subtrahiert wird: h_C = 1 – T_u/T_o

Nun handelt es sich bei einer Wärmepumpe jedoch nicht um eine Wärme-Kraft-Maschine, sondern um eine Kraft-Wärme-Maschine. Denn sie sorgt ja mittels eines mechanischen Antriebs (Kompressor) dafür, dass Wärme von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres gebracht wird. Es bedarf daher des Kehrwerts des Carnot-Wirkungsgrads, um für eine Wärmepumpe den maximalen thermischen Wirkungsgrad (e_th) auszurechnen:

T_o entspricht dabei der Vorlauftemperatur, während T_u für die Quelltemperatur steht. Beide Angaben müssen in Kelvin erfolgen (0 °C = 273,15 K). Soll beispielsweise der Wirkungsgrad einer Luft-Wärmepumpe bei 0 Grad Celsius kühler Außenluft und einer benötigten Vorlauftemperatur von 45 Grad Celsius ermittelt werden, sieht die Rechnung wie folgt aus:

318,15 K / (318,15 – 273,15 K) = 7,07

Da bei einer Quelltemperatur von 0 °C die Vorlauftemperatur auch der Temperaturdifferenz entspricht, lässt sich damit der Wärmepumpen-Wirkungsgrad in folgendem Diagramm veranschaulichen:

Nun mag die Leistungszahl (= Wirkungsgrad (mehr dazu gleich)) auf den ersten Blick sehr hoch erscheinen. Dass eine Luftwärmepumpe einen Wirkungsgrad von 10 oder mehr im Winter erreicht, scheint nicht sehr realistisch. Wie jedoch eingangs erwähnt, handelt es sich hierbei um einen theoretischen Wirkungsgrad. Als Maschinen verzeichnen auch Wärmepumpen immer Energieverluste. Möchte man den realen Wirkungsgrad einer Wärmepumpe erhalten, braucht man die Gütezahl. Diese gibt das Verhältnis des tatsächlichen zum idealen Wirkungsgrad der Wärmepumpe an. Sie liegt im Bereich von 0,45–0,55. Ergibt der Carnot-Wirkungsgrad z. B. 10, hat die Wärmepumpe in Wirklichkeit nur einen etwa halb so hohen Wirkungsgrad von 4,5–5,5.

Der Wirkungsgrad kann als systemübergreifende Effizienzangabe verstanden werden, mit der sich verschiedene Wärmeerzeuger miteinander vergleichen lassen. Aufgrund ihrer speziellen Funktionsweise haben Wärmepumpen aber auch eigene Kennzahlen, welche den Einfluss von Quell- und Vorlauftemperatur berücksichtigen.

Mithilfe der Leistungszahl, auch COP („Coefficient of Performance“) genannt, können Sie schon vor dem Kauf einer Wärmepumpe verschiedene Modelle miteinander vergleichen. Wie der Wirkungsgrad sagt auch diese aus, in welchem Verhältnis die entstehende Heizleistung zur dafür aufgewendeten elektrischen Leistung steht: COP = abgegebene Wärmeleistung / zugeführte elektrische Leistung

Die Ermittlung des COP erfolgt immer zu einem bestimmten Betriebszustand, bestehend Quell- und Vorlauftemperatur. Verwendet werden dabei u. a.:

Lautet die Herstellerangabe im Datenblatt also z. B. B0/W35 = 4, bedeutet das, dass die Erdwärmepumpe bei einer Quelltemperatur von 0 °C (gemessen am Anfang des Kältemittelkreislaufs) und einer Vorlauftemperatur von 35 °C auf einen COP von 4 kommt.

Der Nachteil des COP ist, dass seine Angabe sich auf einen Betriebszustand beschränkt, welchen der Hersteller selbst bestimmen kann. Er stellt also einen Idealwert dar, der nicht berücksichtigt, dass eine Wärmepumpe im Jahresverlauf verschiedenen Temperaturen ausgesetzt ist. Um dem Rechnung zu tragen, gibt es inzwischen eine weiterentwickelte Form des COP, den SCOP („Seasonal Coefficient of Performance“).

Dessen Grundlage ist die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe zu gleich vier Außentemperaturen: -7 °C, 2 °C, 7 °C und 12 °C. Das Ergebnis wird dann entsprechend der europäischen Klimazonen gewichtet. Auf diese Weise lässt sich auch der Teillastbetrieb einer Inverter-Wärmepumpe abbilden.

Des Weiteren fließen Faktoren wie Standby-Verbrauch und die Leistung des elektrischen Heizstabs mit in die Berechnung ein. Der SCOP vermittelt somit ein realistischeres Bild von der Effizienz einer Wärmepumpe als der COP.

Bei beiden handelt es sich unter genormten Laborbedingungen ermittelte Werte. Sie bieten damit nur eine grobe Orientierung, welcher Wirkungsgrad sich mit einem bestimmten Wärmepumpen-Modell erzielen lässt. Wie es um diesen dann vor Ort bestellt ist, verrät erst die Jahresarbeitszahl, kurz JAZ. Denn nur, wenn die Wärmepumpe schon eine Weile in Betrieb ist, lässt sich erkennen, wie leistungsfähig sie wirklich ist.

So gibt es einige Faktoren, die sich negativ auf den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe auswirken können:

• Unterdimensionierung: Entspricht ihre Leistung nicht dem Bedarf, muss die Wärmepumpe mehr arbeiten als erwartet und braucht dann auch mehr Strom. Daher sollte bei der Planung auf eine korrekte Auslegung geachtet werden.
• Falsches Heizverhalten: Wenn Sie häufig das Thermostat voll aufdrehen (Stufe 5 führt zu einer Raumtemperatur von 28 °C!), es auch während des Lüftens nicht abdrehen sowie Räume übermäßig heizen, die Sie zurzeit gar nicht nutzen, muss Ihre Wärmepumpe mehr leisten, als wenn Sie sich an die Vorgaben zur optimalen Raumtemperatur halten.
• Ungleichmäßige Wärmeverteilung: Ist Ihr Wärmeverteilsystem nicht hydraulisch abgeglichen, bekommen die Heizkörper oder Fußbodenheizungen, die sich weiter von der Wärmepumpe entfernt befinden, nicht genug Heizwasser ab. Um jene Räume dennoch warm zu bekommen, ist dann eine höhere Vorlauftemperatur erforderlich. Auch bei zu viel Luft in den Heizkörpern können diese nicht die gewünschte Raumtemperatur liefern. Dieses Problem lässt sich allerdings durch ein Entlüften der Heizkörper leicht lösen.
• Veraltete Heizungspumpe: Alte Umwälzpumpen laufen im Dauerbetrieb und verbrauchen daher viel Strom. Besser für den Wirkungsgrad der Wärmepumpe ist die Nutzung einer modernen Hocheffizienzpumpe, welche nur bei Bedarf zum Einsatz kommt.

Und auch die Wärmegewinnung hat einen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe, welcher bei COP und SCOP nicht berücksichtigt wird. So wird für die Luft-Ansaugung, Sole-Umwälzung oder Grundwasser-Förderung ebenfalls Strom benötigt. Wie hoch Stromverbrauch und Wärmebedarf letztlich ausfallen, wird mithilfe von einem separaten Stromzähler sowie einem Wärmemengenzähler ermittelt. Anhand dieser Daten lässt sich nach Ablauf eines Jahres die Jahresarbeitszahl ausrechnen. Sie bildet somit den durchschnittlichen Wirkungsgrad, den die Wärmepumpe unter realen Bedingungen erreichen kann, ab. Dadurch, dass jedes Haus andere Voraussetzungen mit sich bringt, eignet sich die Jahresarbeitszahl jedoch nicht für einen Wärmepumpenvergleich.

Da sich die Funktionsweise einer Wärmepumpe von denen anderer Heizsysteme unterscheidet, weist auch ihr Wirkungsgrad eine Besonderheit auf. Denn da sie das Heizwasser nicht durch Verbrennung auf Temperatur bringt, sondern dafür Umweltenergie mittels Strom in nutzbare Wärme umwandelt, kommt eine Wärmepumpe auf einen Wirkungsgrad von über 100 %, was an sich dem Prinzip des Wirkungsgrads widerspricht.

Daher wird die Effizienz von Wärmepumpen eher mit eigenen Kennzahlen angegeben. Während COP und SCOP im Labor ermittelt werden und so einen Vergleich verschiedener Modelle erlauben, stellt die JAZ deren tatsächliche Leistungsfähigkeit im realen Betrieb dar. Je nach Art, Modell und Einbausituation liegen diese Werte bei durchschnittlich 2,5 bis 5. Dabei gilt: Je höher der Wert ausfällt, desto geringer ist der Anteil des Stroms an der entstehenden Wärmemenge. Die Hauptfaktoren dabei sind die Quell- und die Vorlauftemperatur. Denn je größer die Differenz zwischen ihnen ist, desto mehr Strom benötigt der Kompressor, um diese zu überwinden.

Vor dem Kauf einer Wärmepumpe sollten Sie daher von einem Heizungsfachbetrieb analysieren lassen, ob und wenn ja in welcher Form sich eine Wärmepumpe zur Beheizung Ihres Hauses eignen würde. So kommt eine Wärmepumpe nur unter den richtigen Voraussetzungen auf einen Wirkungsgrad, der auch bei hohen Strompreisen einen wirtschaftlichen Betrieb garantiert.