Die bessere Alternative?
Im Zuge unserer Serie über die Wärmepumpe haben wir bereits geklärt, was eine Wärmepumpe ist, wie sie funktioniert und woher sie ihre eigentlich die Wärme bezieht, die sie an den Haushalt abgibt. Doch bei der Entscheidung, welches Heizsystem im Eigenheim zum Einsatz kommen soll, können nicht einzig und allein bloße Konstruktionsmerkmale und ökologische Aspekte den Ausschlag geben. Die Heizung muss vor allem auch genügend Leistung für den erforderlichen Bedarf erbringen und sie sollte sich dabei tunlichst rentieren. Denn Wärmepumpen machen eine hohe Investition vonnöten – Geld, das später über die reduzierten Ausgaben im Verbrauch wieder hereinkommen muss.
Deshalb soll es nun darum gehen, die energetischen Aspekte des Ganzen genauer zu beleuchten. Nur so lässt sich verstehen, wie bei der Wärmepumpe Verbrauch und Leistung zu bewerten sind. Tatsächlich gehört auch die Wärmepumpe zu den elektrischen Verbrauchern im Haushalt. Und es hängt maßgeblich von ihrer Effizienz ab, ob hierbei ein lohnenswertes Ergebnis im Verhältnis zur erzeugten Wärme entsteht. Eine wichtige Hilfe, um hier einen ersten Überblick zu gewinnen, bieten die Wärmepumpen-Kennzahlen.
Die Leistungszahl als Momentaufnahme
Der schnellste, aber nicht unbedingt verlässlichste Weg, um die Effizienz einer Wärmepumpe bewerten zu können, erfolgt über die sogenannte Leistungszahl LZ, auch unter der englischen Abkürzung COP (Coefficient of Performance) geläufig. Hierbei wird die Effizienz an einem vorbestimmten Betriebspunkt unter Normbedingungen festgestellt. Diese Normierung drückt sich in der genauen Bestimmung des Betriebspunktes aus. Dieser ist durch Art und Temperatur der Wärmequelle auf der einen Seite sowie Art und Temperatur des Heizkreislaufmediums auf der anderen Seite definiert. So bezeichnet etwa die Kennzahl A0/W35 einen Betriebspunkt mit der Wärmequelle Luft bei 0 Grad und dem Heizkreislaufmedium Wasser bei 35 Grad. Da jedoch Temperaturwerte gerade für die Außenluft in der Realität beständig schwanken können, wird sofort klar, dass es sich bei dem Betriebspunkt um eine zeitabhängige Momentaufnahme unter Laborbedingungen handelt.
An dem vorbestimmten Betriebspunkt wird nun die gewonnene Heizleistung der Wärmepumpe durch die zugeführte elektrische Leistung geteilt, um die LZ zu erhalten. Üblich sind dabei Quotienten zwischen 3,5 bis 5,5. Für letzteren Fall hieße das, die Wärmepumpe gibt fünfmal so viel Wärmeenergie ab, wie sie zu deren Erzeugung an elektrischer Energie benötigt. Für die elektrische Leistung werden dabei allerdings nur Verbraucher berücksichtigt, die direkt dem Wärmepumpenkreislauf zuzuordnen sind, hier vornehmlich der Kompressor. Zusätzliche Verbraucher wie Förderpumpen, Enteiser oder Umwälzpumpen werden nicht berücksichtigt. Der Charakter der Momentaufnahme sowie die mangelnde Berücksichtigung aller Verbraucher erklärt, warum die LZ nur eine erste Orientierung bieten kann. Ohne die Angabe der Betriebspunktwerte ist die Nennung einer Leistungszahl im Übrigen wertlos.
Richtwerte für den COP
Die folgenden Richtwerte stellen die Mindestanforderungen an den COP für das Europäische Gütesiegel für Wärmepumpen mit Stand 2013 dar:
|
Wärmepumpensystem |
Betriebspunkt |
minimaler COP |
|
Luft/ Wasser (Luftwärmepumpe) |
A2/ W35 |
3.10 |
|
Sole/ Wasser (Erdwärmepumpe) |
B0/ W35 |
4.30 |
|
Direktverdampfer/ Wasser (Erdwärmepumpe) |
E4/ W35 |
4.30 |
|
Wasser/ Wasser (Grundwasserwärmepumpe) |
W/10/ W35 |
5.10 |
Quelle: Heinrich Huber, u.a., Wärmepumpen zur energieeffizienten Wärmeversorgung, Wien 2014.
Die Jahresarbeitszahl und der Verbrauch
Um die Leistung der Wärmepumpe in einem realistischeren Verhältnis zum tatsächlichen Verbrauch zu bringen, muss die Arbeit der Wärmepumpe anhand mehrerer Messpunkte über ein ganzes Jahr ermittelt werden. Alle involvierten Energieverbraucher sind dabei mit einzubeziehen, also auch z.B. Enteisungsvorrichtungen für Splitanlagen, Solepumpen oder andere Hilfsaggregate. Letztlich wird dabei die im Verlaufe eines Jahres abgegebene Wärmemenge durch die im Laufe eines Jahres verbrauchte Energie geteilt. Das Resultat stellt die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) dar. Im Gegensatz zur Momentaufnahme des COP bietet die JAZ einen akkurateren Einblick in tatsächliche Leistung und Verbrauch der Wärmepumpe. Da bei der JAZ alle Verbraucher des Heizkreislaufsystems berücksichtigt werden, fällt ihr Wert im Vergleich zum COP üblicherweise etwas ab. Der Quotient liegt hier im Schnitt zwischen 2 und 4.
Unter den Wärmepumpen-Kennzahlen erlaubt die JAZ eine bessere Einordnung der Wärmepumpe bzgl. Verbrauch und Leistung. Da verlässliche Messwerte dabei naturgemäß erst nach Einrichtung der Anlage zur Verfügung stehen und so nur nachträgliche Aufklärung bieten könnten, lässt sich zur vorausschauenden Einschätzung auch auf simulierte Werte zurückgreifen. Hierbei sind die spezifischen Eigenschaften der Anlage sowie die natürlichen Voraussetzungen des geplanten Standorts (klimatische Bedingungen, Bodenschichten, Grundwasserschwankungen, etc.) zu berücksichtigen. Da eine Berücksichtung so vieler Variablen im Regelfall schwerfällt, kann die JAZ als Modellrechnung ebenfalls keine letzte Sicherheit geben. Doch sie hilft, zwischen verschiedenen Modellen der Wärmepumpe Verbrauch und Leistung einigermaßen zuverlässig vergleichen zu können.
Jahresarbeitszahlen im Vergleich
Nach Auswertung verschiedener fachbezogener Studien ergeben sich für die Jahresarbeitszahlen verschiedener Wärmepumpensysteme aktuell folgende Durchschnittswerte:
|
Wärmepumpensystem |
durchschnittliche JAZ |
maximale JAZ |
|
Luft/ Wasser (Luftwärmepumpe) |
2,8 |
4,7 |
|
Sole/ Wasser (Erdwärmepumpe) |
3,5 |
5,2 |
|
Direktverdampfer/ Wasser (Erdwärmepumpe) |
4,3 |
5,5 |
|
Wasser/ Wasser (Grundwasserwärmepumpe) |
3,8 |
6,4 |
Quelle: Klima-Innovativ e.V., www.jahresarbeitszahlen.info
Die Effizienz der Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ist eine ökologisch schonende Alternative zur Wärmeerzeugung im Haushalt. Leistungszahl und Jahresarbeitszahl bieten dabei als Wärmepumpen-Kennzahlen Wegweiser zur besseren Einschätzung der Möglichkeiten, aber auch des Verbrauchs der Wärmepumpe. Ehrlicherweise muss in diesem Zusammenhang gesagt werden, dass sich eine Wärmepumpe nicht in jedem Haushalt als Herz des Heizungssystems lohnt. Denn so erstaunlich es auch ist, dass z.B. Luftwärmepumpen selbst bei Außentemperaturen um die 0 Grad noch Wärme aus der Luft gewinnen können – erkauft wird diese Innovation mit einer im Vergleich zu anderen Heizarten geringen Heizleistung.
Entscheidenden Einfluss auf die Effizienz des Systems hat die Differenz zwischen Wärmequellentemperatur und Heizwasseraustrittstemperatur. Je höher die Temperatur der Wärmequelle, also z.B. der Außenluft, ist und je niedriger die Vorlauftemperatur im Heizkreislauf, desto größer ist die Leistungszahl und umso effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Größere Schwankungen in diesem Bereich haben folglich auf lange Sicht starke Auswirkungen auf die Effizienz des Systems. Hierin liegt etwa die vergleichsweise geringe Effizienz von Luftwärmepumpen begründet.
Worauf ist zu achten?
Wärmequellen, die über das Jahr gesehen eine relativ konstante Temperatur halten (Erde, Grundwasser) erlauben eine sehr viel genauere Leistungsprognose als unstete Medien wie die Außenluft. Ausgerechnet in sehr kalten Wintern verlieren Luftwärmepumpen an Leistung und die Heizung ist zwingend auf zusätzliche elektrische Heizaggregate angewiesen. Die Höhe der Wärmebereitstellung ist dagegen bei allen Wärmepumpenarten begrenzt. Bei einer effektiven Vorlauftemperatur von gerade einmal 35 Grad Celsius kommen als Heizungssysteme eigentlich nur Niedertemperaturheizungen, also Boden- und Wandheizungen, infrage. Sie gleichen ihre niedrige Lauftemperatur durch eine besonders große Strahlungsfläche aus. Auch Passivhäuser bieten sich für Wärmepumpen an, da nur geringe Temperaturunterschiede auszugleichen sind. Davon abgesehen bliebe allenfalls der Einsatz einer Wärmepumpe unabhängig zur Heizung, speziell zur Warmwasseraufbereitung, denkbar. Doch auch hier erreichen nicht alle Wärmepumpen die keimtötende Mindesttemperatur von 60 Grad.