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Wirkungsgrad einer Wärmepumpe: Deutlich effizienter als andere Systeme

In Sachen Wirkungsgrad schneidet die Wärmepumpe mit Werten von durchschnittlich 2,5 bis 5,0 weit besser als jedes andere Heizsystem ab, selbst bei Minusgraden im Winter. Was der genannte Wirkungsgrad bedeutet, wie er berechnet wird und welche Faktoren ihn beeinflussen, liest du hier.
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7 min

Das Wesentliche in Kürze

  • 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. 

Was bedeutet „Wirkungsgrad“?

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.

Welchen Wirkungsgrad erreichen andere Heizungen?

Heizung:Wirkungsgrad:
Alter Heizkessel, Konstant- oder Niedertemperatur:0,7
Neue Ölheizung:0,8 bis 0,9
Scheitholz-Kessel: 0,8 bis 0,95
Pelletheizung mit oder ohne Brennwert:0,85 bis 1,03
Neue Gasheizung:0,9
Brennwert-Heizung auf Basis von Gas oder Öl:1,0 bis 1,11
Wärmepumpe je nach Art:2,5 bis 5,0

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Wie wird der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe berechnet?

Grundsatz vom Carnot’schen Kreisprozess…

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. 

Funktonsweise Wärmepumpe

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.

…mit letztendlich anderen Kennzahlen bei der Wärmepumpe

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

Leistungszahl CoP

Der CoP bildet die Leistungszahl der Wärmepumpe unter genormten Labor-Bedingungen ab. Hier sind zwar ebenfalls die zuvor beschriebenen Temperaturen entscheidend, doch letztendlich werden die Nutzleistung in kWh und der Strombedarf in kWh ins Verhältnis gesetzt. Genauer: Nutzleistung durch Strombedarf. (Beispielsweise würde eine Nutzleistung von 20.000 kWh und ein Strombedarf von 5.000 kWh eine Leistungszahl beziehungsweise einen Wirkungsgrad von 4,0 ergeben.) 

Leistungszahl SCoP

Der SCoP ist der „realistischere“ Coefficient of Performance, auch, wenn wir weiterhin von genormten Labor-Bedingungen sprechen. Er bezieht auch saisonale Temperaturunterschiede mit ein, denen die Wärmepumpe im Realbetrieb ausgesetzt ist. Außerdem bezieht der SCoP den Stromverbrauch im Standby und den Verbrauch bei Betrieb des elektrischen Heizstabs mit ein, der bei Minusgraden ins Spiel kommt.

Klassenwert ETA

Die Energieeffizienzklasse nimmt sich den Labor-berechneten SCoP vor und teilt diesen durch den europäischen Primär-Energiefaktor für Strom. Dieser beträgt 2,5. Bedeutet: Wenn eine Wärmepumpe einen SCoP von beispielsweise 3,5 hat, ergibt sich eine ETA von 1,4 beziehungsweise 140 %. Dieser Klassenwert unterstreicht noch einmal auf andere Weise, dass die Wärmepumpe für eine Kilowattstunde Wärmeleistung weniger als eine Kilowattstunde Strom braucht und damit äußerst effizient ist. Gute ETA-Werte reihen sich bei 120 % bis 150 % ein. 

Leistungszahl JAZ

Doch wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe im tatsächlichen Betrieb, bei dir im Garten? Darüber klärt die Jahresarbeitszahl auf, die sozusagen der Jahresdurchschnitt des CoP beziehungsweise SCoP unter realen Bedingungen ist. Hier wird im Gegensatz zum CoP und SCoP auch der komplette Stromverbrauch einbezogen, also inklusive Verbrauch für die Wärmeförderung und weitere Komponenten. Die JAZ lässt sich ab frühestens einem Jahr nach Inbetriebnahme der Wärmepumpe ermitteln.

Wieso ist der Wirkungsgrad von Wärmepumpen so viel höher?

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.  

Beispiel: Wärmepumpe versus Gasheizung

Wirkungsgrad Wärmepumpe

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.

Wovon wird der Wirkungsgrad und die Effizienz beeinflusst?

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

Einfluss der Temperatur der Wärmequelle

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: 

Art der WärmepumpeQuellentemperaturRealistischer Wirkungsgrad
LuftwärmepumpeVon -15 bis 35 °C2,5 bis 3,5 je nach Außentemperatur
Erdwärmepumpe mit FlächenkollektorVon 0 bis 20 °C3,5 bis 4,0 je nach Bodentemperatur
Erdwärmepumpe mit Erdsonde (Bohrtiefe 10 Meter)Konstant ca. 10 °C4 bis 4,5
Grundwasser-WärmepumpeKonstant ca. 12 °C5,0

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. 

Einfluss der zu erzielenden Vorlauftemperatur

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.

Einfluss durch weitere Faktoren

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

Wärmepumpe allein nach Wirkungsgrad auswählen?

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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