Viele Wärmepumpen haben im Vergleich mit Heizung und Klimaanlage den Vorteil, dass sie sowohl kühlen als auch heizen können und dabei auch noch nachhaltig sind. Klingt fast schon zu gut, um wahr zu sein. Da stellt sich die Frage, wie effizient Wärmepumpen eigentlich sind. Tatsächlich können Wärmepumpen sehr effizient sein. Dafür müssen jedoch die richtigen Voraussetzungen erfüllt sein.
Effizienz von Wärmepumpen: Welche Faktoren sind wichtig?
Vergleicht man Wärmepumpen mit Öl-Kesseln oder Gas-Anlagen, stellt man fest, dass Wärmepumpen einen deutlich höheren Nutzungsgrad haben. Eine neue Öltherme hat einen Wirkungsgrad von 80-90 Prozent und eine neue Gastherme ist mit über 90 Prozent auch ganz gut dabei. Eine Wärmepumpe kann je nach Art, aber auf 250-500 Prozent kommen. Im Fall von Wärmepumpen spricht man statt vom Wirkungsgrad vom Nutzungsgrad, da die von der Wärmepumpe genutzte Umweltenergie nicht durch den Wirkungsgrad wiedergegeben wird.
Hier wird die in der Umwelt vorhandene Wärme durch Verdichten auf die zum Heizen erforderliche Temperatur gebracht. Dafür wird elektrische Energie in Form von Strom für den Verdichter benötigt. So lassen sich aus 10 kWh Strom gut 30-40 kWh Wärme erzeugen.
Wärmepumpen an sich sind daher schon sehr effizient. Natürlich sind dies theoretische Werte, die in der Praxis auch abweichen können. Wie effizient eine Wärmepumpe am Ende wirklich ist, hängt davon ab, wie viel Strom verbraucht wird, um eine definierte Menge Wärme zu erzeugen. Das wird von zwei Faktoren beeinflusst:
- Den technischen Eigenschaften des Geräts wie Leistungszahl und Jahresarbeitszahl.
- Dem Zustand des Gebäudes.
Für die Effizienz einer Wärmepumpe sind verschiedene Faktoren relevant.
Kenngrößen von Wärmepumpen
Die beiden Kenngrößen, die im Zusammenhang mit Wärmepumpen von Relevanz sind, ist die Leistungszahl (COP) und die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie finden sich in den Herstellerangaben und sind Werte, die auf Berechnungen beruhen. Die reale Effizienz wird aber auch durch die Gegebenheiten des Gebäudes beeinflusst, daher können diese Werte in der Realität abweichen.
COP-Wert
Die Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) drückt das Verhältnis der Wärmeleistung und der notwendigen elektrischen Energie, also dem Strom aus. Die Leistungszahl wird jeweils für bestimmte Temperaturen angegeben und setzt sich daher aus zwei Teilen zusammen: der Temperatur der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur. Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur, auf die das Wasser des Heizkreislaufes erwärmt wird.
Hier ein Beispiel für die Angabe einer Leistungszahl: B0/W35=4. Der COP dieser Wärmepumpe ist also 4.
Der erste Buchstabe steht für “brine”, was „Sole“ bedeutet. Ein „A“ stünde für „Luft (Air)“ und „W“ für „Wasser“. Dieser Buchstabe gibt an, ob es sich um eine Luft-, Erd- oder Wasserwärmepumpe handelt. Bei einer Temperatur der Wärmequelle von 0 °C erreicht man also eine Vorlauftemperatur von 35 °C. Um die notwendigen Temperaturen zu erreichen, muss elektrische Energie, also Strom, aufgewendet werden. Möchte man den Zusammenhang mit einer Formel ausdrücken, lässt er sich so beschreiben:
COP = Erzeugte Heizwärme (kWh) / Benötigter Strom (kWh)
Unsere Wärmepumpe mit einem COP-Wert von 4 braucht also für eine Heizleistung von 15 kWh 3,75 kWh elektrische Energie (15/4=3,75). Die übrigen 11,25 kWh stammen aus dem Erdreich. Anhand der Rechnung sieht man: Je höher der COP-Wert ist, desto weniger Strom wird benötigt, um auf die gewünschte Wärme zukommen und desto effizienter das Gerät. Bei einem COP-Wert von 5 beispielsweise würde die Strommenge auf 3 kWh sinken.
Jahresarbeitszahl
Eine weitere Größe ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Auch diese gibt den Zusammenhang zwischen benötigter elektrischer Energie (Strom) und der erzeugten Wärme wieder. Allerdings wird hier der Zeitraum des gesamten Jahres betrachtet, während die COP sich auf bestimmte Temperaturen bezieht. Die Jahresarbeitszahl berechnet sich wie folgt:
JAZ = Erzeugte Heizwärme pro Jahr (kWh/a) / Benötigten Strom pro Jahr (kWh/a)
Auch hier gilt also: Je größer die Zahl, desto effizienter die Wärmepumpe, da entsprechend der genutzten Umweltenergie weniger Strom zur Umwandlung benötigt wird. Wie genau sich die Jahresarbeitszahl auf den Stromverbrauch auswirkt, lässt sich an den folgenden Beispielen nachvollziehen. Wir gehen von einem Wärmebedarf von 10.000 kWh pro Jahr aus.
310.000 kWh/Jahr (Wärme) : 3 = 3.333 kWh/Jahr (Strom))410.000 kWh/Jahr (Wärme) : 4 = 2.500 kWh/Jahr (Strom)510.000 kWh/Jahr (Wärme) : 5 = 2.000 kWh/Jahr (Strom)
| Jahresarbeitszahl | Theoretischer Stromverbrauch pro Jahr |
|---|---|
| 2 | 10.000 kWh/Jahr (Wärme) : 2 = 5.000 kWh/Jahr (Strom) |
Einfluss des Gebäudes
Wie effizient eine Wärmepumpe am Ende aber in der Praxis wirklich ist, hängt noch von weiteren Faktoren ab:
- Art der Wärmepumpe
- Vorlauftemperatur
- Temperatur der Wärmequelle
- Dämmung des Gebäudes
- Größe der Heizkörper
Einfluss auf die Effizienz einer Wärmepumpe hat die Vorlauftemperatur . Vergleicht man verschiedene Vorlauftemperaturen, zeigt sich, dass es besonders günstig ist, wenn mit einer niedrigen Temperatur im Vorlauf gearbeitet werden kann, also das Wasser in der Heizung weniger stark erwärmt werden muss. Denn je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur ist, desto weniger Strom wird zum Erwärmen des Wassers benötigt. Besonders effizient sind Wärmepumpen mit einer Vorlauftemperatur von 35 bis 45 °C.
Auch die Art und Größe der Heizkörper beeinflusst die Effizienz einer Wärmepumpe. Besonders effizient sind hierbei Fußboden- und Wandheizungen, da sie eine große Oberfläche haben und mit niedrigen Temperaturen heizen können.
Doch auch wenn Sie nicht über eine Fußboden- oder Wandheizung verfügen, können Sie eine Wärmepumpe sparsam betreiben. Hierfür können Sie alte Heizkörper gegen speziell für Wärmepumpen geeignete Heizkörper austauschen. Herkömmliche Heizkörper haben im Unterschied zu einer Fußboden- oder Wandheizung eine kleinere Oberfläche. Für Wärmepumpen gilt jedoch: Je größer die Oberfläche des Heizkörpers, desto geringer kann die Vorlauftemperatur sein. Daher kann es sinnvoll sein, alte Heizkörper auszutauschen.
Ebenfalls einen großen Einfluss hat der Sanierungsstand des Gebäudes. Ist ein Gebäude energetisch saniert, geht weniger Wärme über Fenster und Türen verloren und die Räume müssen nicht so stark beheizt werden. Dadurch wird weniger Heizleistung benötigt.
In einigen Fällen, etwa in denkmalgeschützten Gebäuden, können Heizkörper nicht so leicht ausgetauscht werden. In diesem Fall kann man auf Wärmepumpen mit einer etwas höheren Vorlauftemperatur von 45 bis 55 °C zurückgreifen. Zudem reicht die Größe der alten Heizkörper auch oft aus. Des Weiteren gibt es Hochtemperatur-Wärmepumpen, die speziell für den Betrieb mit höheren Vorlauftemperaturen (ab 65 °C) entwickelt wurden. Diese arbeiten jedoch weniger effizient, da um auf eine höhere Vorlauftemperatur zu kommen, auch mehr Strom eingesetzt werden muss. Die Jahresarbeitszahl ist entsprechend geringer.
Ob sich ein Austausch der Heizkörper bzw. eine Wärmepumpe mit höherer Vorlauftemperatur unter Berücksichtigung der individuellen Gegebenheiten auf die Effizienz auswirkt, sollte von einem Fachbetrieb berechnet werden. Kommt ein Austausch der Heizkörper infrage, gibt es Wärmepumpenheizkörper, auch Niedertemperatur-Radiatoren genannt, die speziell auf die Nutzung mit einer Wärmepumpe abgestimmt sind. Durch den einfachen Austausch der Heizkörper halten sich die Baumaßnahmen in Grenzen und Sie profitieren trotzdem von einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis.
Besonders effizient ist eine Wärmepumpe, wenn sie mit einer Photovoltaikanlage kombiniert wird.
Effizienz von Wärmepumpen im Winter: Umweltwärme macht den Unterschied
Wärmepumpen sind besonders effizient, wenn die Differenz zwischen Außen- und Innentemperatur besonders gering ist. Dies ist an kühlen Herbst und Frühlingstagen der Fall. Aber was, wenn im Winter ein größeres Temperaturgefälle herrscht? Keine Sorge: Auch im Winter können Wärmepumpen betrieben werden. Denn das eingesetzte Kühlmittel kann sich schon bei -30 °C in einen gasförmigen Zustand versetzen. Dadurch ist die Funktionsfähigkeit auch bei sehr niedrigen Temperaturen gegeben.
Voraussetzung ist allerdings, dass die Heizlast des Gebäudes auf die Leistung der Wärmepumpe abgestimmt ist. Das bedeutet, dass die zum Heizen benötigte Wärmemenge zur Größe und Sanierungsstand des Gebäudes passen muss. Ist die Wärmepumpe zu klein, wird es im Haus nicht richtig warm und es muss durch eine weitere Komponente nachgeheizt werden, etwa durch eine Kombination aus Wärmepumpe und Gasheizung oder durch einen im Heizsystem integrierten Heizstab. Ist sie jedoch zu groß, wird mehr Strom verbraucht und es wird teurer.
Grundsätzlich muss zwischen drei verschiedenen Arten von Wärmepumpen unterschieden werden:
- Erdwärmepumpe
- Grundwasserwärmepumpe
- Luftwärmepumpe
Alle drei funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip: Es wird thermische Energie in Form von Wärme aus der Umgebung aufgenommen und auf ein Kältemittel übertragen. Dieses wird dabei gasförmig und durch einen Kompressor komprimiert, wodurch es sich auf die Vorlauftemperatur erwärmt. Diese Wärme wird dann an das Heizwasser übertragen und gelangt über die Heizungsrohre im Haus in die verschiedenen Räume. Erdwärmepumpen nehmen Energie aus dem Erdreich auf, Wasserwärmepumpen aus dem Grundwasser und Luftwärmepumpen aus der Umgebungsluft.
Betrachtet man die verschiedenen Arten von Wärmepumpen im Vergleich, zeigt sich, dass besonders Erd- und Grundwasserwärmepumpen im Winter effizient arbeiten. Das liegt daran, dass sowohl das Grundwasser als auch der Erdboden ganzjährig relativ konstante Temperaturen haben. Der Erdboden in etwa 2 Metern Tiefe hat eine Temperatur von 4 bis 6 °C, die über Flachkollektoren aufgenommen wird. In einer Tiefe von 100 Metern beträgt die Temperatur etwa 12 °C und wird über Erdsonden aufgenommen. Und auch die Temperatur des Grundwassers ist bei 12 bis 15 °C. Dadurch ist die Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und Vorlauftemperatur geringer und die Wärmepumpe effizienter.
Luftwärmepumpen verwenden die Wärme aus der Umgebungsluft. Hier kann die Temperatur sehr schwanken. An sehr kalten Wintertagen muss der Kompressor der Wärmepumpe länger laufen, um auf die entsprechende Vorlauftemperatur zu kommen als an warmen Tagen. Dabei wird mehr Strom verbraucht. Sind draußen beispielsweise -10 °C und die Vorlauftemperatur ist 35 °C muss die Wärmepumpe eine Differenz von 45 K ausgleichen. Sind draußen dagegen +10 °C, beträgt die Temperaturdifferenz lediglich 25 K, um eine Vorlauftemperatur von 35 °C zu erreichen. Da die Winter in Deutschland jedoch vielerorts nicht mehr so kalt sind, werden diese Spitzen meist nur an wenigen Tagen im Jahr erreicht.
An den meisten Wintertagen können auch Luftwärmepumpen effizient arbeiten, sofern die Leistung gut auf das Gebäude abgestimmt ist. Auch die Kopplung von Photovoltaik und Wärmepumpe kann im Winter dazu beitragen, weniger Strom kaufen zu müssen und somit die Betriebskosten zu reduzieren, sofern es genug sonnige Tage gibt.
Effizienz von Wärmepumpen im Sommer: Kühlen erhöht Stromverbrauch
Im Sommer wird die Wärmepumpe genutzt, um warmes Wasser bereitzustellen. Luftwärmepumpen arbeiten bei 10 bis 35 °C besonders effizient, wodurch sich das Wasser kostengünstig erwärmen lässt. Hier können sogar Arbeitszahlen von 5 oder mehr erreicht werden.
Die meisten Wärmepumpen sind echte Multitalente und halten im Sommer das Haus schön kühl. Hierbei arbeitet die Wärmepumpe im Grunde umgekehrt. Der Raumluft wird Wärme entzogen, die dann nach draußen geleitet wird. Grundsätzlich lässt sich in aktives und passives Kühlen unterscheiden.
Wichtig: Nicht jedes Gerät kann zum Kühlen verwendet werden. Dies sollten Sie beim Einbau einer Wärmepumpe berücksichtigen.
Passives Kühlen verbraucht nur sehr wenig Energie, ist allerdings nur mit Erdwärmepumpen möglich. Hierbei wird die Wärme aus dem Haus aufgenommen und in die Erde geleitet, wo sie abkühlen kann. In der passiven Variante wird ohne den Kompressor gearbeitet und die Wärme direkt in die Erde geleitet. Da hierbei lediglich die Umwälzpumpen laufen, ist der Stromverbrauch minimal. Zwar ist diese Variante sehr günstig, jedoch ist die Kühlleistung geringer als bei der aktiven Kühlung. Es ist lediglich möglich, das Haus um circa 3 K abzukühlen.
Jede Wärmepumpe kann im Sommer zum Kühlen verwendet werden.
Die Alternative zum passiven Kühlen ist das aktive Kühlen. Dabei wird der normalerweise zum Heizen verwendete Kreislauf umgedreht. Anstatt der Umwelt Wärme zu entziehen und dann damit das Haus zu heizen, wird hier dem Haus Wärme entzogen und in die Umwelt geleitet.
Während beim passiven Kühlen dem Haus also lediglich Wärme entzogen wird, wird beim aktiven Kühlen auch Kälte dem Haus wieder zugeführt. Das funktioniert jedoch nur mit Fußboden- oder Wandflächenheizungen. Empfohlen wird auch der Einbau sogenannter Gebläsekonvektoren, deren Optik an Klimaanlagen erinnert. Sie erzielen die höchste Kühlleistung. Aktives Kühlen funktioniert mit allen Wärmepumpenarten (Luft, Wasser, Erdwärme) und hat eine deutlich größere Kühlleistung.
Setzen Sie die Wärmepumpe zum aktiven Kühlen im Sommer ein, müssen Sie mit höheren Stromkosten im Vergleich zur reinen Warmwasserbereitstellung rechnen, da die Wärmepumpe weiterhin in Betrieb ist. Somit lohnt sich auch im Sommer die Kopplung mit einer Photovoltaikanlage, um die Wärmepumpe mit eigenem Strom zu betreiben und so die Stromkosten zu senken.
Fazit: Worauf sollte man bei der Effizienz von Wärmepumpen achten?
Um die Effizienz von Wärmepumpen im Vorfeld zu beurteilen, sollte man also sowohl die technischen Eigenschaften des Geräts berücksichtigen, aber auch die individuellen Gegebenheiten des eigenen Hauses. Denn diese beeinflussen maßgeblich, wie effizient eine Wärmepumpe in der Praxis wirklich ist. Um zu ermitteln, ob sich eine Wärmepumpe für Sie und Ihre Wohnsituation lohnt, ziehen Sie am besten einen Fachbetrieb zurate. Denn diese können auf Basis der Größe und des Zustandes des Gebäudes ermitteln, welche Wärmepumpe sich eignet und mit welcher Effizienz zu rechnen ist.
Im Allgemeinen lässt sich sagen, dass Wärmepumpen effizient sind, wenn
- die Jahresarbeitszahl und die Leistungszahl möglichst hoch
- und die Vorlauftemperatur möglichst gering ist.
Außerdem sind Erd- und Wasserwärmepumpen meist effizienter als Luftwärmepumpen, da bei Letzterer die Temperatur der Wärmequelle (Luft) starken jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt. Allerdings sind die Investitionskosten (Kauf, Erschließung und Montage) von Erd- und Wasserwärmepumpen auch deutlich höher. Ist eine Luftwärmepumpe jedoch gut auf das Gebäude abgestimmt und stimmen die weiteren Voraussetzungen, können diese trotzdem auch im Winter effizient betrieben werden.