Wirkungsgrad der Wärmepumpe: Das sagt er aus
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Geht es um die Bewertung der Effizienz eines Heizsystems, spielt der Wirkungsgrad eine wichtige Rolle. Denn er gibt an, wie viel der zugeführten Energie tatsächlich nutzbar ist. Während Öl- oder Gasheizungen Ergebnisse von unter 100 Prozent erreichen, liegt der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe häufig weit darüber. Wie das möglich ist und wie Sie die Effizienz Ihrer Wärmepumpe verbessern, erklären wir in den folgenden Abschnitten.
Einheitlicher Kennwert für die Effizienz von Heizsystemen
Der Wirkungsgrad (η) ist ein Kennwert, mit dem sich die Effizienz von Prozessen und Maschinen beschreiben lässt. Er wird in Prozent angegeben und hängt von der zugeführten und der nutzbaren Energie ab. Dabei gilt: Je höher sein Betrag ausfällt, umso effizienter arbeitet ein System. Optimal ist ein Wert von 100 Prozent, da dann die gesamte zugeführte Energie tatsächlich nutzbar ist.
Beispiel Gasheizung: Strömt hier Gas mit einem Energieinhalt von 100 Kilowattstunden zum Brenner und lassen sich 95 Kilowattstunden im Heizsystem nutzen, beträgt der Wirkungsgrad 95 Prozent (η = 95/100 * 100 = 95 %). Die übrigen fünf Prozent sind Verluste, die im Wärmeerzeuger auftreten.
Wirkungsgrad über 100 Prozent
Anders als bei Gasheizungen liegt der Wirkungsgrad von Wärmepumpen weit über 100 Prozent. Je nach System sind etwa 300 bis 500 Prozent möglich. Das bedeutet allerdings nicht, dass die zugeführte Energie wie von Zauberhand vervielfacht wird. Begründen lässt sich der hohe Wert mit der Funktionsweise und den gewählten Bezugsgrößen.
Funktionsweise der Heizung ermöglicht hohe Effizienzkennwerte
Nimmt eine Wärmepumpe ihren Betrieb auf, überträgt sie Umweltwärme aus der Luft, der Erde oder dem Wasser auf ein spezielles Medium. Das sogenannte Kältemittel verdampft dabei, bevor ein elektrisch angetriebener Verdichter dessen Druck anhebt. Letzteres sorgt für eine Temperaturerhöhung und die erzeugte Wärme geht auf das Heizungswasser über. Als Formel lässt sich das wie folgt darstellen:
- Heizenergie = Umweltenergie + elektrische Energie
Geht es nun um den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe, berücksichtigt man in der Regel nur die über den Verdichter zugeführte elektrische Energie und die abgeführte Heizenergie. Die Umweltenergie, die dem Prozess an anderer Stelle auch zugeführt, jedoch nicht abgerechnet wird, bleibt außer Acht. Es ergibt sich also für den Wirkungsgrad der Wärmepumpe die Formel:
- Wärmepumpen-Wirkungsgrad = zugeführte elektrische Energie / abgeführte Heizenergie
Die Wahl der Bezugsgrößen liefert dabei in der Regel Werte von über 100 Prozent.
Theorie: Der Carnot-Wirkungsgrad von Wärmepumpen
Experten sprechen auch vom Carnot-Wirkungsgrad oder vom Carnot-Faktor, wenn es um die Wärmepumpe geht. Dabei handelt es sich um einen theoretischen Wert, der die höchste Effizienz eines idealen Kreisprozesses markiert. Der Kreisprozess ist dabei der immer wieder ablaufende Vorgang, mit dem die Wärmepumpe Energie aus der Umwelt zum Heizen nutzbar macht (Kältemittel verdampfen, verdichten, verflüssigen, entspannen, erneut verdampfen etc.). Um den Wert zu berechnen, betrachten Experten die Temperaturen der Wärmequelle und des Heizsystems in Kelvin. Berechnen lässt sich der Carnot-Faktor mit folgender Formel:
- Carnot-Wirkungsgrad = Temperatur im Vorlauf / (Temperatur im Vorlauf – Temperatur der Umweltwärmequelle)
Wichtig ist dabei, dass Sie die Werte in Kelvin angeben. Dazu addieren Sie 273 zur Grad-Celsius-Temperatur hinzu (Temperatur in Grad Celsius + 273 = Temperatur in Kelvin).
Vom Ergebnis können Verbraucher in der Regel wenig ableiten. Es lässt sich aber nutzen, um die bei vorherrschenden Bedingungen mindestens aufzuwendende elektrische Energie zu ermitteln. Da an verschiedenen Stellen im Prozess Verluste auftreten, ist der Strombedarf in der Praxis meist höher. Er ist allerdings nie niedriger als mit dem Carnot-Wirkungsgrad der Wärmepumpe berechnet.
Wärmepumpe Wirkungsgrad: Vergleich nach Wärmequellen
Der Carnot-Faktor zeigt, dass die Effizienz einer Wärmepumpe von den Temperaturverhältnissen abhängt. Dabei gilt: Je kleiner der Unterschied zwischen Quell- und Vorlauftemperatur, umso höher ist der Wirkungsgrad. Denn dann muss der Verdichter weniger leisten, um das Temperaturniveau der Umweltwärme auf ein nutzbares Niveau anheben zu können. Der Stromverbrauch der Wärmepumpe sinkt und die Effizienz nimmt zu. Darstellen lässt sich das bei einer Wärmepumpe im Wirkungsgrad-Diagramm wie folgt:
Geht es um die Beheizung eines Gebäudes, lässt das auch eine weitere Schlussfolgerung zu. Denn: Sind sonst alle Eigenschaften gleich, hängt der Effizienzkennwert vor allem im Winter von der eingesetzten Umweltenergie ab. Die folgende Tabelle zeigt das am Vergleich von Luft-Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpe.
Der Vergleich zeigt, dass der Wirkungsgrad einer Luft-Wasser-Wärmepumpe im Winter niedriger ist, da die Anlage dann auf die kältere Umweltenergiequelle zugreift. Sole-Wasser-Wärmepumpen, die Wärme aus dem Erdboden gewinnen, schneiden im Vergleich besser ab. Denn hier ist der Unterschied zwischen Quell- und Vorlauftemperatur in der Heizsaison geringer. Der Wärmepumpen-Mythos, dass die Anlagen im Winter nicht funktionieren, lässt sich damit widerlegen.
Alternative Kennwerte für die Effizienz der Umweltheizung
Neben dem Wirkungsgrad von Wärmepumpen gibt es eine Reihe weiterer Effizienzkennwerte. Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten:
- COP: Der Coefficient of Performance (COP) ist ein Kennwert für die Effizienz an einem definierten Punkt (Beispiel: Lufttemperatur 2 Grad Celsius und Vorlauftemperatur 35 °C). Er wird auf dem Prüfstand ermittelt, indem Experten die abgegebene Heizleistung durch die aufgebrachte elektrische Leistung dividieren.
- SCOP: Der Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) lässt sich wie der COP auf dem Prüfstand ermitteln. Er berücksichtigt allerdings die Effizienz bei verschiedenen klimatischen Bedingungen und ist somit noch aussagekräftiger.
- JAZ: Die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe setzt, genau wie der Wirkungsgrad, COP und SCOP, Nutzen und Aufwand ins Verhältnis. Relevant sind dabei jedoch gemessene Energiemengen (abgegebene Wärme und Stromverbrauch), weshalb der Kennwert eine Aussage über die Effizienz im Betrieb zulässt.
- ETAs: Die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz berücksichtigt auch den Primärenergiefaktor der eingesetzten Energie, der für die Ermittlung des Kennwertes durch den SCOP geteilt werden muss. Wichtig ist das vor allem für die Förderung der Wärmepumpe. Denn hier sind bestimmte ETAs-Grenzwerte einzuhalten.
Praxistipps: Den Wärmepumpen-Wirkungsgrad verbessern
Ist der Wirkungsgrad von Wärmepumpen niedrig, benötigen die Anlagen mehr Strom und die Heizkosten steigen. Um das zu verhindern, sollten Sie den Effizienzkennwert bereits bei der Planung optimieren. Das Ziel aller Maßnahmen ist es dabei, den Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur zu minimieren. Folgende Möglichkeiten gibt es dazu:
- Wärmequelle günstig auswählen: Wenn mehrere Wärmequellen zur Auswahl stehen, sorgt die wärmste bei sonst gleichen Bedingungen für die höchste Effizienz. Im Wirkungsgrad-Vergleich stehen dabei Erd- vor Luft-Wasser-Wärmepumpen.
- Große Heizflächen installieren: Steht die Art der Wärmequelle fest, lässt sich in vielen Fällen die Vorlauftemperatur absenken. Besonders effektiv ist dabei die Installation von großen Heizkörpern, Niedertemperaturheizkörpern oder Flächenheizsystemen. Bekommen Sie eine Förderung für die Wärmepumpe, können Sie die Kosten der Heizflächen dabei mit angeben.
- Heizsystem optimieren: Auch eine Optimierung der Wärmeverteilung hilft, den Wirkungsgrad Ihrer Wärmepumpe zu optimieren. Möglich ist das zum Beispiel mit einem hydraulischen Abgleich, durch den die Vorlauftemperatur sinkt. Heizen Sie bereits mit der Wärmepumpe, vergibt der Staat eine Förderung für die Heizungsoptimierung.
- Wärmepumpe einstellen: Arbeitet Ihre Heizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur, optimieren Sie die Effizienz auch durch das Einstellen der Heizkurve. Diese gibt vor, wie hoch die Vorlauftemperatur bei verschiedenen Außentemperaturen sein muss. Bei einer Raumtemperatur geführten Regelung hilft es, die Raumtemperaturen optimal zu wählen.
Neben den Arbeiten an der Heizung können Sie auch Dämmmaßnahmen durchführen oder die Fenster austauschen. Durch die Maßnahmen sinkt der Wärmebedarf und die Vorlauftemperatur lässt sich reduzieren. Im Vergleich zu Arbeiten an der Heizung sind Aufwand und Kosten dabei jedoch meist höher.