Wirkungsgrad Wärmepumpe: So effizient arbeitet sie

Der Schlüssel zur Effizienz der Wärmepumpe liegt im Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist ein Maßstab, der die Effektivität der Energieumwandlung von einer Quelle in nutzbare Wärme beschreibt. 

Doch wie hoch ist eigentlich der Wirkungsgrad von Wärmepumpen und wie schneiden sie im Vergleich zu herkömmlichen Gas- und Ölheizungen ab?

In diesem Artikel beleuchten wir den Wirkungsgrad genauer. Wir entschlüsseln die Konzepte des Wirkungsgrades, des Coefficient of Performance (COP) und der Jahresarbeitszahl (JAZ). Außerdem zeigen wir auf, welche Wärmepumpe den höchsten Wirkungsgrad bietet und von welchen Faktoren dieser abhängt. Zudem informieren wir Sie über Möglichkeiten, den Wirkungsgrad zu optimieren.

Grundlagen des Wirkungsgrades

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist ein zentraler Indikator für ihre Effizienz und Leistungsfähigkeit. Einfach ausgedrückt, beschreibt der Wirkungsgrad das Verhältnis von abgegebener Heizleistung zur aufgenommenen elektrischen Energie. 

Je höher der Wirkungsgrad, desto effizienter ist die Wärmepumpe, da sie mehr Heizenergie im Verhältnis zur eingesetzten Energie gewinnt.

Zwei Schlüsselbegriffe, die oft im Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad von Wärmepumpen genannt werden, sind der Coefficient of Performance (COP) und die Jahresarbeitszahl (JAZ). 

Coefficient of Performance (COP)

Der COP gibt an, wie effizient eine Wärmepumpe unter spezifischen Testbedingungen arbeitet. Er definiert das Verhältnis der abgegebenen Heizleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung unter bestimmten Bedingungen. COP-Werte werden in der Regel von 2 bis 5 angegeben, wobei 5 den höchsten Wert darstellt. 

Ein COP von 3 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpe das Dreifache der eingesetzten elektrischen Energie als Heizenergie abgibt. Werte über 3 werden als gut bis sehr gut angesehen.  

Detaillierte Informationen finden Sie im separaten Artikel zum COP bei Wärmepumpen. 

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Die JAZ hingegen bietet einen umfassenderen Blick auf die Effizienz einer Wärmepumpe über ein ganzes Jahr hinweg. Sie berücksichtigt saisonale Schwankungen und unterschiedliche Betriebszustände. 

Eine hohe JAZ weist darauf hin, dass die Wärmepumpe auch unter variierenden klimatischen Bedingungen und über unterschiedliche Betriebsmodi hinweg effizient arbeitet. JAZ-Werte werden in der Regel von 2 bis 5 angegeben, wobei 5 den höchsten Wert darstellt.

Auch hier werden Werte über 3 als gut bis sehr gut angesehen.

Detaillierte Informationen finden Sie im separaten Artikel zum JAZ bei Wärmepumpen. 

Was ist der höchste Wirkungsgrad bei Wärmepumpen? 

Der Carnot-Wirkungsgrad ist eine theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe und hängt von den Temperaturen der Wärmequelle und dem Heizsystem ab.

Für eine Wärmepumpe, die Wärme von einer niedrigeren Temperaturquelle (z. B. Luft, Erde oder Wasser) auf eine höhere Temperatur überträgt, ist der Carnot-Wirkungsgrad durch folgende Formel definiert:

Carnot-Wirkungsgrad = 1 – Tkalt ÷ Twarm

• Tkalt = Temperatur der Wärmequelle (angegeben in Kelvin)
• Twarm = Temperatur des Heizsystems (angegeben in Kelvin)

Da die tatsächlichen Betriebsbedingungen von Wärmepumpen in der Regel nicht den idealen Bedingungen entsprechen, wird der Carnot-Wirkungsgrad in der Praxis selten erreicht. 

Moderne Wärmepumpen können jedoch oft nahe an diesen theoretischen Grenzwerten arbeiten, insbesondere bei optimalen Betriebsbedingungen.

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nimmt Wärme aus der Außenluft auf und überträgt diese in ein Gebäude. Typische Betriebstemperaturen sind etwa 0 °C (entspricht 273 Kelvin) für die Außenluft und 35 °C (308 Kelvin) für das Heizungssystem. Unter diesen Bedingungen beträgt der theoretische Carnot-Wirkungsgrad:

Carnot-Wirkungsgrad = 1 – 273 ÷ 308 = 0,85

Dies bedeutet, dass selbst unter idealen Bedingungen der maximale theoretische Wirkungsgrad einer solchen Wärmepumpe etwa 85 % beträgt. 

In der Praxis liegen die tatsächlichen Wirkungsgrade moderner Wärmepumpen oft etwas darunter, aber dennoch können sie sehr effizient sein.

Der Wirkungsgrad von Wärmepumpen im Vergleich zu Öl- und Gasheizungen

Moderne Wärmepumpen können COP-Werte von über 3 bis 4 erreichen. Dies bedeutet, dass sie mehr Wärme liefern, als Energie benötigt wird.

Gas- und Ölheizungen haben typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 80-95 %, was bedeutet, dass sie einen Großteil der Energie aus dem eingesetzten Brennstoff in Wärme umwandeln können.

Beispielhafter Vergleich: Wirkungsgrad einer Wärmepumpe (ausgedrückt als COP) vs. Wirkungsgrad von Gas- und Ölheizungen

Angenommen, wir haben eine Wärmepumpe mit einem COP von 4 und eine Gasheizung mit einem Wirkungsgrad von 90 %.

Wärmepumpe: Ein COP von 4 bedeutet, dass für jede verbrauchte Einheit elektrischer Energie vier Einheiten Wärme erzeugt werden. Das entspricht einer Effizienz von 400 % (4 * 100 %).

Gas- und Ölheizung: Ein Wirkungsgrad von 90 % bedeutet, dass 90 % der Energie des eingesetzten Brennstoffs in Wärme umgewandelt werden. Das entspricht einer Effizienz von 90 %.

Fazit: In diesem einfachen Beispiel ist die Effizienz der Wärmepumpe (400 %) deutlich höher als die Effizienz der Gasheizung (90 %). 

Dies verdeutlicht, wie Wärmepumpen aufgrund ihres Prinzips der Wärmeübertragung aus erneuerbaren Quellen oft einen höheren Wirkungsgrad haben können als traditionelle Gas- und Ölheizungen.

Wärmepumpen mit dem höchsten Wirkungsgrad

Die Effizienz einer Wärmepumpe wird maßgeblich von ihrem Wirkungsgrad bestimmt. Auf dem Markt finden sich verschiedene Arten von Wärmepumpen, deren Wirkungsgrad je nach Technologie und Einsatzbedingungen variiert. 

Um die Frage zu beantworten, welche Wärmepumpe den höchsten Wirkungsgrad hat, ist es wichtig, die verschiedenen Typen und ihre jeweiligen Vorteile zu verstehen.

Luft-Wasser-Wärmepumpen 

‍Vorteil:
Luft-Wasser-Wärmepumpen extrahieren Wärme aus der Außenluft und übertragen sie auf das Heizsystem des Hauses. Sie sind besonders beliebt, da sie relativ einfach zu installieren sind. Sie sind sowohl für Neubauten als auch zur Nachrüstung in bestehenden Gebäuden geeignet. ‍

Nachteil:
Der Wirkungsgrad kann bei sehr niedrigen Außentemperaturen abnehmen.

Luft-Luft-Wärmepumpen

‍Vorteil:
Luft-Luft-Wärmepumpen nutzen ebenfalls die Außenluft als Wärmequelle. Sie geben die gewonnene Wärme jedoch direkt an die Raumluft ab, anstatt sie in ein Wasserheizsystem einzuspeisen. Luft-Luft-Wärmepumpen eignen sich besonders gut zur Raumheizung und -kühlung und sind oft in Klimaanlagen integriert. Sie bieten eine effiziente Alternative, besonders in milderen Klimazonen oder in Fällen, in denen keine umfangreichen Installationen möglich oder gewünscht sind.
Luft-Luft-Wärmepumpen sind insbesondere für ihre Vielseitigkeit geschätzt, da sie nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen von Räumen eingesetzt werden können. Dies macht sie zu einer attraktiven Option für Haushalte, die eine ganzjährige Lösung suchen. ‍

Nachteil:
Ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu Wasser-Wasser- oder Erdwärmepumpen ist tendenziell niedriger. 

Erdwärmepumpen (Sole-Wasser-Wärmepumpen)

Vorteil:
Diese nutzen die im Erdreich gespeicherte Wärme, indem sie eine Solelösung durch Erdsonden oder -kollektoren zirkulieren lassen. Erdwärmepumpen bieten einen relativ konstanten Wirkungsgrad, da die Temperatur im Erdreich über das Jahr hinweg weitgehend stabil bleibt.

Nachteil:
Sie sind in der Anschaffung oft teurer, da die Installation umfangreiche Erdarbeiten erfordert.

Wasser-Wasser-Wärmepumpen 

Vorteil:
Sie gelten als die effizientesten Wärmepumpen. Sie beziehen die Wärme aus Grundwasser, das eine nahezu konstante Temperatur aufweist. 

Nachteil:
Diese Wärmepumpen erfordern den Zugang zu einem geeigneten Grundwasserleiter und sind in der Anschaffung oft teurer, bieten jedoch im Betrieb den höchsten Wirkungsgrad.

Von welchen Faktoren hängt der Wirkungsgrad ab?

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist nicht statisch, sondern wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, die sowohl die Effizienz der Energieumwandlung als auch die allgemeine Leistungsfähigkeit des Systems bestimmen.

• Außentemperatur: Da Wärmepumpen Wärme aus der Umgebung extrahieren, spielt die Außentemperatur eine wichtige Rolle. Insbesondere bei Luft-Wasser- und Luft-Luft-Wärmepumpen kann eine sehr niedrige Außentemperatur den Wirkungsgrad verringern, da mehr Energie zur Wärmeaufnahme benötigt wird.
• Wärmequelle: Die Art der Wärmequelle (Luft, Wasser, Erdreich) hat ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf den Wirkungsgrad. Wasser-Wasser- und Erdwärmepumpen basieren auf konstanten Temperaturen des Grundwassers oder des Erdreichs und bieten in der Regel einen höheren Wirkungsgrad als Luft-Wasser- oder Luft-Luft-Wärmepumpen.
• Isolierung und Gebäudezustand: Die Wärmedämmung des Gebäudes bestimmt, wie viel der erzeugten Wärme tatsächlich im Gebäude gehalten wird. Eine schlechte Isolierung führt zu höheren Wärmeverlusten und erfordert mehr Energieaufwand von der Wärmepumpe, um die gewünschte Raumtemperatur aufrechtzuerhalten.
• Anlagendimensionierung und Installation: Eine korrekte Dimensionierung der Wärmepumpe ist entscheidend für ihren effizienten Betrieb. Eine Über- oder Unterdimensionierung kann zu ineffizientem Betrieb und geringerem Wirkungsgrad führen. Ebenso ist eine fachgerechte Installation essentiell, um die optimale Leistung des Systems zu gewährleisten.
• Wartung und Betriebsbedingungen: Regelmäßige Wartung und sachgemäßer Betrieb der Wärmepumpe sind wichtig. Verschmutzungen oder Defekte können die Effizienz des Systems beeinträchtigen und sollten daher zeitnah behoben werden.

Wie beeinflusst der Wirkungsgrad die Kosten?

1. Betriebskosten: Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass die Heizungsanlage effizienter arbeitet und weniger Energie benötigt, um die gleiche Menge an Wärme zu erzeugen. Dadurch sinken die Betriebskosten, da weniger Brennstoff oder Strom verbraucht wird. Eine Wärmepumpe mit einem höheren COP-Wert beispielsweise kann mehr Wärmeenergie liefern, während sie weniger elektrische Energie verbraucht, was zu niedrigeren Betriebskosten führt.
2. Investitionskosten: Heizungsanlagen mit höheren Wirkungsgraden können oft teurer sein in der Anschaffung, sei es aufgrund ihrer technologischen Komplexität oder der verwendeten Materialien. Wärmepumpen mit besonders hohem Wirkungsgrad können zum Beispiel aufwändigere Technologien oder hochwertige Komponenten enthalten, die sich in höheren Kosten niederschlagen. Jedoch können diese höheren Investitionskosten durch die Einsparungen bei den Betriebskosten über die Lebensdauer der Anlage kompensiert werden.
3. Wartungs- und Reparaturkosten: Ein höherer Wirkungsgrad kann auch zu niedrigeren Wartungs- und Reparaturkosten führen, da die Anlage effizienter arbeitet und daher weniger Verschleiß unterliegt. Wärmepumpen haben oft weniger bewegliche Teile als konventionelle Heizungsanlagen, was zu einer geringeren Anfälligkeit für Störungen führen kann. Dadurch können sich die langfristigen Betriebskosten insgesamt reduzieren.

Wie erkenne ich im Alltag, dass der Wirkungsgrad nicht optimal ist?

Achte auf folgende Anzeichen:

• Erhöhte Energiekosten: Ein deutlicher Anstieg der Stromrechnung, obwohl sich deine Heizgewohnheiten nicht geändert haben, kann ein Indikator für einen verringerten Wirkungsgrad sein.
• Ungewöhnliche Betriebsgeräusche: Wenn die Wärmepumpe lauter als üblich arbeitet oder ungewöhnliche Geräusche macht. Das könnte auf Probleme mit dem Kompressor oder anderen Komponenten hinweisen, die den Wirkungsgrad beeinträchtigen.
• Unzureichende Heizleistung: Es dauert länger, die gewünschte Raumtemperatur zu erreichen oder bestimmte Bereiche des Hauses bleiben kühler. 
• Häufige Starts und Stopps: Wenn die Wärmepumpe häufiger startet und stoppt als normal, könnte dies auf ein Problem hinweisen, das den Wirkungsgrad beeinflusst, wie z. B. eine falsche Dimensionierung oder Probleme mit dem Thermostat.
• Eisbildung: Insbesondere bei Luft-Wasser-Wärmepumpen kann eine übermäßige Eisbildung auf der Außeneinheit darauf hinweisen, dass die Abtauzyklen nicht effizient funktionieren, was den Wirkungsgrad reduziert.
• Fehlermeldungen: Moderne Wärmepumpen verfügen oft über ein Diagnosesystem, das Fehlermeldungen anzeigt. Sie geben Fehlercodes oder Warnungen aus. Es ist wichtig entsprechend zu handeln.
• Ältere Anlagen: Wärmepumpen, die bereits viele Jahre in Betrieb sind, können aufgrund von Verschleiß oder veralteter Technologie einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen. In diesem Fall kann eine Wartung oder ein Upgrade erforderlich sein.

Praktische Tipps zur Optimierung des Wirkungsgrades im Alltag

• Regelmäßige Wartung: Überprüfen Sie Filter, Kältemittelkreisläufe und elektrische Verbindungen regelmäßig auf ihre Funktionsfähigkeit.

• Anpassung der Betriebsmodi: Moderne Wärmepumpen können auf unterschiedliche Bedürfnisse und Außentemperaturen abgestimmt werden. Experimentieren Sie mit diesen Einstellungen, um die effizienteste Konfiguration zu finden.
• Optimierung des Heizsystems: Stellen Sie sicher, dass das Heizsystem (Fußbodenheizung, Heizkörper usw.) richtig dimensioniert und eingestellt ist. 
• Niedrigere Vorlauftemperaturen: Sie sind in der Regel effizienter und verbessern den Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
• Verbesserung der Gebäudeisolierung: Eine hochwertige Isolierung reduziert den Wärmebedarf des Gebäudes erheblich. Investitionen in bessere Fenster, Dach- und Wandisolierung sind ratsam.
• Nutzung intelligenter Thermostate: Intelligente Thermostate helfen, die Raumtemperatur effizienter zu regeln. Sie passen sich an Ihre Gewohnheiten an und aktivieren die Heizung nur bei Bedarf.
• Berücksichtigung erneuerbarer Energien: Wenn möglich, kombinieren Sie den Betrieb Ihrer Wärmepumpe mit erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik-Anlagen.

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