Wirkungsgrad einer Wärmepumpe: Deutlich effizienter als andere Systeme

• Der „Wirkungsgrad“ beschreibt das Faktor-Verhältnis, wie viel nutzbare thermische Energie aus der eingesetzten elektrischen Antriebsenergie gewonnen wird. Daraus leitet sich ab, wie effizient die Heizungsanlage ist.

• Für die Berechnung des Wirkungsgrades wird die angegebene Wärmeleistung der Anlage durch die dafür erforderliche Stromleistung dividiert.

• Schnelle Orientierung zum Wirkungsgrad bieten die Angaben des CoP (Coefficient of Performance) beziehungsweise des SCoP (Seasonal Coefficient of Performance) und im Betrieb die Angabe der JAZ (Jahresarbeitszahl).

• Der Wirkungsgrad wird insbesondere durch die Quellentemperatur und den Unterschied dieser zur Vorlauftemperatur beeinflusst. Verschiedene Arten von Wärmepumpen haben verschiedene Wirkungsgrade. 

Wärmepumpen wandeln mechanische beziehungsweise elektrische Antriebsenergie in thermische Energie um – kurzum also u.a. Strom in Wärme. Der Wirkungsgrad beschreibt dabei den Faktor, wie viel nutzbare Wärmeenergie aus dem eingesetzten Strom gewonnen wird. Er dient der Effizienz-Einschätzung. 

Der Wirkungsgrad von Wärmepumpen liegt durchschnittlich bei 2,5 bis 5,0 – sie erzeugen aus dem eingesetzten Strom also das 2,5- bis 5-Fache an nutzbarer Wärmeenergie. Das Interessante dabei: Die Mehrheit der anderen Heizsysteme kommen auf einen Faktor von nicht einmal 1,0. Nur moderne Brennwert-Heizungen auf Öl- oder Gas-Basis, die die in den Abgasen enthaltene Energie wiederverwenden, können auf einen Wirkungsgrad von etwas mehr als 1,0 kommen.

Bis zu 70 % Förderung, wenn die Wärmepumpe ein fossiles Heizsystem ersetzt: Förderfähig sind 2024 alle Wärmepumpen mit einem Wirkungsgrad (Jahresarbeitszahl) größer als 3,0. Bei Luftwärmepumpen muss die Geräuschemission mindestens 5 Dezibel unter den gesetzlichen Geräuschemissionsgrenzwerten liegen. Dein regionaler, inhabergeführter 1KOMMA5°-Meisterbetrieb unterstützt dich bei der Planung, Umsetzung, Inbetriebnahme und auch darüber hinaus. 

Grundsätzlich basiert die Berechnung auf dem sogenannten Carnot‘schen Kreisprozess. Seinerzeit demonstrierte der Physiker Nicholas Carnot anhand dieses Prozesses den Wirkungsgrad beispielsweise von Verbrennungsmotoren. Bei solchen Motoren wird thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt, wobei wiederum Abwärme entsteht. Der Wirkungsgrad wird hier berechnet, indem man die kühlere Abwärme-Temperatur durch die höhere Wärmequelle-Temperatur teilt und das Ergebnis von 1 abzieht – je höher der Wert, desto höher der Wirkungsgrad.

Bei Wärmepumpen funktioniert die beschriebene Carnot-Formel jedoch nicht, weil der Prozess umgekehrt abläuft. Hier wird nicht thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt, sondern mechanische / elektrische in thermische. 

1. Umweltwärme erhitzt das in der Wärmepumpe zirkulierende Kältemittel, das daraufhin verdampft. 

2. Der Verdichter komprimiert das verdampfte Kältemittel, erhöht so den Druck und erwärmt es weiter (auf Vorlauftemperatur).

3. Das erwärmt-verdichtete Kältemittel gibt seine Wärme an das in der Heizung zirkulierende Wasser ab. 

4. Das Entspannungsventil löst den Druck des Kältemittels auf, sodass es wieder flüssig wird und neue Umweltwärme aufnehmen kann. 

Für die Berechnung des Wirkungsgrades bedeutet das: Man müsste – hier in Kelvin statt Celsius – die höhere Vorlauftemperatur heranziehen und durch die Differenz dieser Vorlauftemperatur zur kühleren Quelltemperatur teilen. Nicht andersherum. 

Beispielsweise bei einer Luftwärmepumpe: 35 °C Vorlauftemperatur entspricht rund 308 °K; 5 °C Außentemperatur entspricht rund 278 °K. Wirkungsgrad = 308 durch (308 minus 278) = 10,2. 

Zu beachten ist jetzt nur noch, dass das Ergebnis der theoretische Wirkungsgrad ohne Einbezug der bei Wärmepumpen stets vorhandenen Energieverluste ist. Für den echten Wirkungsgrad zieht man daher die sogenannte Gütezahl zwischen 0,45 und 0,55 heran, die jene Energieverluste abbildet. Sprich: Der echte Wirkungsgrad in diesem Beispiel pendelt sich bei zwischen 4,62 und 5,64 ein.

Komplex, oder? Deshalb wird der Wirkungsgrad bei Wärmepumpen auch anders berechnet – mit den Kennzahlen des CoP, des SCoP, der ETA und der JAZ. 

• CoP = Coefficient of Performance

• SCoP = Seasonal Coefficient of Performance

• ETA = Energieeffizienzklasse

• JAZ = Jahresarbeitszahl

Wir haben gelernt: Wirkungsgrad von Wärmepumpen = Nutzleistung durch Stromverbrauch. Aber wie kann der Wirkungsgrad generell so viel höher als bei anderen Heizsystemen sein? 

Nun, die Antwort ist einfach: Die Wärmepumpe verbraucht zwar auch Strom. Primär, und zwar zu 75 %, wandelt sie aber kostenfreie Umweltenergie aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser um. Statt Wärme beispielsweise durch Verbrennung von Öl direkt zu erzeugen, verlagert eine Wärmepumpe die bereits in der Luft, in der Erde oder im Grundwasser vorhandene Wärme in das Heizsystem des Hauses.

Für die Berechnung des Wirkungsgrads ist die Umweltenergie als direkter Wert unerheblich. Die Umweltenergie fließt natürlich passiv in die Nutzleistung der Wärmepumpe hinein, weil jene ihre Nutzleistung ohne den 75 % großen Anteil an Umweltenergie gar nicht erbringen könnte. Aber als extrahierter Wert taucht die Umweltenergie in der Formel zur Berechnung nicht auf. 

Da die sehr hohe Nutzleistung in der Formel also nur dem 25-prozentigen Strombedarf gegenübersteht, ergibt die Rechnung einen entsprechend hohen Wirkungsgrad. Und weil andere Systeme entweder ein Eins-zu-Eins-Verhältnis aus zugegebener und abgegebener Energie haben oder meist sogar mehr Energie verbrauchen als sie abgeben, schneiden Wärmepumpen so viel besser ab.  

Dieses Beispiel zwischen Wärmepumpe und Gasheizung verdeutlicht den Unterschied. In Sachen Effizienz und Kosten ist das Prinzip der Wärmeübertragung dem Prinzip der Wärmeerzeugung durch Verbrennung eindeutig überlegen. Dazu kommt, dass der Betrieb fossil-basierter Heizanlagen in den kommenden Jahren absehbar weiter teurer wird - durch steigende Rohstoffpreise und steigende CO2-Preise. Die Luft-, Erd- und Grundwasserwärme bleibt uns dagegen dauerhaft kostenfrei erhalten.

Die realistisch zutreffende Jahresarbeitszahl und somit der tatsächliche Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird durch mehrere verschiedene Faktoren beeinflusst. Besonders entscheidend wirken sich die reale Temperatur der Wärmequelle und die zu erzielende Vorlauftemperatur aus. Dazu kommt eine Reihe an Drittfaktoren. 

Die Komponente, die bei der Wärmepumpe am meisten Strom verbraucht, ist der Kompressor beziehungsweise Verdichter. Er komprimiert das zuvor verdampfte Kältemittel und erhöht so dessen Druck, womit auch die Temperatur des Mittels zunimmt – bis hin zur gewünschten Vorlauftemperatur. 

Dabei gilt: Je wärmer das Kältemittel seitens der Wärmequelle bereits ist (Luft, Erde, Grundwasser) und je geringer somit die Differenz zur Vorlauftemperatur ausfällt, desto weniger muss der Kompressor powern und desto weniger Strom verbraucht er. Und: Je geringer der Stromverbrauch, desto höher der Wirkungsgrad der Wärmepumpe. 

Für den Wirkungsgrad kommt es also im Wesentlichen darauf an, welche Wärmequelle genutzt wird und wie warm diese ist. Deshalb haben verschiedene Arten von Wärmepumpen auch verschiedene Wirkungsgrade: 

Oft steht bei Wärmepumpen die Frage im Raum, ob sie bei Minusgraden denn nicht ineffizient seien und viel zu viel Strom verbrauchen. Und ja, sie verbrauchen dann mehr Strom, weil sie eine größere Differenz zur Vorlauftemperatur überbrücken müssen. Trotzdem ist der Wirkungsgrad noch weit höher als bei jedem anderen Heizungssystem. 

Und wer sich für eine Grundwasser-Wärmepumpe entscheidet, hat ohnehin kein Problem mit Minusgraden: Das Grundwasser hat eine konstante Temperatur von ca. 12 °C, womit die Differenz zur Vorlauftemperatur hier dauerhaft gering ist. 

Die Vorlauftemperatur selbst hat nur dahingehend einen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe, als dass sie idealerweise bei 35 °C liegen sollte. Das ist bei einer Niedertemperatur-Heizung der Fall, die idealerweise auch noch mit einem effizienten Flächenheizsystem wie beispielsweise einer Fußbodenheizung ausgestattet ist. 

Andere Heizungssysteme erfordern höhere Vorlauftemperaturen bis 55 °C, was bedeutet, dass eine höhere Differenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Quellentemperatur überbrückt werden muss. Selbst in diesem Fall ist eine Wärmepumpe aber nicht ineffizient. Wer sich hier etwa für eine Grundwasser-Wärmepumpe entscheidet, die konstant eine hohe Quellentemperatur hat, erzielt mit dem System zwar einen geringeren Wirkungsgrad, heizt aber immer noch hocheffizient.

Weitere Faktoren, die den Wirkungsgrad beeinflussen, sind: 

• Wärmepumpe richtig dimensionieren und fachgerecht installieren

• Einen besonders effizienten Kompressor einbauen

• Korrekte Einstellungen des Heizsystems vornehmen, auch hinsichtlich Kühlung und Warmwasserbereitung

• Eigenes Heizverhalten optimieren

• Wärmepumpe regelmäßig warten lassen / Verschleiß minimieren

• Dämmung des Gebäudes und der Heizrohre verbessern

• Eigenen, Solar-erzeugten Strom verwenden und / oder dynamischen Stromtarif nutzen

Nach all den Aufstellungen scheint es logisch: Natürlich entscheidet man sich für die Wärmepumpe mit dem höchsten Wirkungsgrad, heißt: dem niedrigsten Stromverbrauch gegenüber der ausgegebenen Nutzleistung. Aber: die Wärmepumpen kosten ja auch verschieden. 

Eine Luftwärmepumpe mag beispielsweise keinen so großen Wirkungsgrad wie eine Erdwärmepumpe oder eine Grundwasserwärmepumpe haben. Dafür ist sie aber auch deutlich preiswerter, weil es keine zusätzlichen Vorbereitungs- und Baumaßnahmen wie Bohrungen, Genehmigungen oder Grundwassermessungen braucht. 

Für welches System du dich entscheidest, hängt also auch davon ab, welche Investition du vornehmen möchtest und welche Förderung du ganz genau erhältst. Lass dir ein Angebot machen. Der Wirkungsgrad wird so oder so höher als bei jeder anderen Heizungsanlage sein, für die du dich entscheiden könntest.

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Wir bei 1KOMMA5° realisieren das Vorhaben: Unser inhabergeführter 1KOMMA5-Meisterbetrieb in deiner Region kümmert sich um die Planung, den Bau und die Inbetriebnahme – alles aus einer Hand und von einem Gewerk. (Und auch danach sind wir noch als dauerhafter Ansprechpartner für dich da.) 

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