Wirkungsgrad der Wärmepumpe verstehen
Wärmepumpen gelten als eine der effizientesten Technologien zur Beheizung von Gebäuden. Der Wirkungsgrad ist dabei ein entscheidender Faktor. Er bestimmt, wie effizient ein Heizsystem Energie in nutzbare Wärme umwandelt. Erfahren Sie bei Bosch, was es mit dem Wirkungsgrad von Wärmepumpen auf sich hat und warum er viel höher ausfällt als bei anderen Heizsystemen.
Wirkungsgrad einer Wärmepumpe liegt über 100
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe gibt an, wie viel nutzbare Wärme sie im Verhältnis zur zugeführten Energie liefert. Im Unterschied zu herkömmlichen Heizsystemen liegt der Wirkungsgrad von Wärmepumpen immer über 100 Prozent beziehungsweise über 1. Das liegt daran, dass sie nicht nur Strom zur Wärmeerzeugung nutzen, sondern zusätzlich Wärme aus der Umwelt gewinnen, die kostenlos zur Verfügung steht. Effiziente Wärmepumpen erreichen Wirkungsgrade von 300 bis 500 Prozent – da kann kein anderer Wärmeerzeuger mithalten!
Öl- oder Gasheizungen wandeln lediglich die im fossilen Brennstoff enthaltene Energie in Wärme um, was physikalisch nicht mehr als 100 Prozent ergeben kann. Ist ein Wirkungsgrad unter 1, deutet es darauf hin, dass Energie während der Umwandlung verloren geht. Alte Heizkessel lassen rund 30 Prozent der zugeführten Energie ungenutzt liegen, was sie ineffizient macht. Moderne Gasbrennwertheizungen, die auch die im Abgas enthaltene Energie verwerten, setzen hingegen über 90 Prozent in Nutzwärme um. Auch sind elektrisch betriebene Wärmepumpen effizienter als herkömmliche Elektroheizungen, die Strom eins zu eins in Wärme umsetzen, was wesentlich teurer ist.
| Wärmeerzeuger | Wirkungsgrad |
|---|---|
| Alter Heizkessel |
|
| Pelletheizung |
|
| Brennwertheizung |
|
| Elektroheizung |
|
| Wärmepumpe |
|
Mit Solarunterstützung lässt sich die Energieeffizienz einer Wärmepumpe auf bis zu 600 Prozent steigern! Solarthermie-Kollektoren speisen zusätzliche Wärme in den Speicher ein oder führen diese der Wärmequelle zu. Eine Photovoltaikanlage produziert kostenlos grünen Strom, mit dem die Wärmepumpe angetrieben wird. Ergänzen Sie Ihre PV-Wärmepumpe mit einem smarten Energiemanager, lässt sich das ganze System noch effizienter betreiben.
Was beeinflusst den Wirkungsgrad von Wärmepumpen?
Dazu ist es wichtig, die grundlegende Funktionsweise einer Wärmepumpe zu verstehen. In der Wärmepumpe zirkuliert ein flüssiges Kältemittel, welches die vorhandene Wärmeenergie aus der Umwelt aufnimmt und verdampft. Diese Gradzahl bildet die Ausgangslage für den weiteren Prozess. Der zugeführte Strom treibt den Kompressor in der Wärmepumpe an, welcher wiederum das Kältemittel komprimiert, um das Temperaturniveau zu erhöhen. Wie stark die Komprimierung ausfällt, wird durch zwei Faktoren beeinflusst:
- Quellentemperatur (wie warm die natürliche Umweltquelle ist)
- Vorlauftemperatur (Temperatur, auf die das Heizwasser erhitzt wird)
Diesen sogenannten Temperaturhub gilt es zu überwinden. Er wird in Kelvin, auch Delta T (ΔT) genannt, angegeben. Zum Beispiel beträgt die zu überwindende Hürde bei 10 °C Erdwärme und 35 °C im Vorlauf bei einer Fußbodenheizung 25 Kelvin. Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto höher fällt der Stromverbrauch einer Wärmepumpe aus und desto geringer ihr Wirkungsgrad. Sinkt der Temperaturunterschied um 1 Kelvin, führt dies zu einer Effizienzsteigerung um 2,5 Prozent! Stets vorteilhaft sind eine möglichst niedrige Vorlauftemperatur der Wärmepumpe unter 55 °C und eine hohe Quellentemperatur.
Berechnung basiert auf dem Carnot-Wirkungsgrad
Der Carnot-Wirkungsgrad ηc, auch Carnot-Faktor genannt, beschreibt den maximalen Wirkungsgrad, den eine Wärmepumpe erreichen kann. Oder anders gesagt, wie effizient könnte eine Wärmepumpe im Idealfall arbeiten? In der Praxis ist dieser theoretische Wirkungsgrad durch reale Wärmeverluste im System jedoch nicht vollständig erreichbar. In der Regel liegt der tatsächliche Wirkungsgrad bei etwa der Hälfte des höchstmöglichen Wirkungsgrades.
Berechnen lässt sich der Carnot-Wirkungsgrad einer Wärmepumpe mit folgender Formel:
ηc = Th / (Th - Tk).
Dabei steht Th (heiß) für die absolute Vorlauftemperatur des Heizsystems und Tk (kalt) für die absolute Temperatur der Wärmequelle, zum Beispiel die Außenluft oder Erdwärme. Die Angaben erfolgen in Kelvin (K). Sie rechnen °C in K um, indem Sie 273,15 zur Celsius-Temperatur addieren. Beispielrechnung: Bei einer Außentemperatur von 0 °C und einer Vorlauftemperatur von 45 °C beträgt der Temperaturunterschied 45 Kelvin (45 - 0 = 45 °C; 45 + 273,15 K = 318,15 K; 318 K / 45 K = 7,07). Der maximale Wirkungsgrad beträgt 7,07.
Zurückzuführen ist das Prinzip auf den französischen Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot, der ein Experiment zum optimal verlaufenden thermodynamischen Zyklus einer Wärmekraftmaschine durchführte, die thermische Energie in mechanische Energie umwandelt. Ein Beispiel sind Verbrennungsmotoren bei Autos. Allerdings arbeitet eine Wärmepumpenheizung genau entgegengesetzt als Kraftwärmemaschine. Sie nutzt also mechanischen Antrieb mittels des Kompressors beziehungsweise elektrische Energie, um thermische Energie aus einer Wärmequelle von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben. Bei Wärmepumpen versteht sich der Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrads als die minimal aufzuwendende Menge an Strom.
Kennzahlen zum Vergleich der Effizienz von Wärmepumpen
Es gibt neben dem theoretisch idealen Wirkungsgrad weitere Kennzahlen, die für die Effizienz von Wärmepumpen von Relevanz sind und stattdessen herangezogen werden:
- COP: Der Wirkungsgrad von Wärmepumpen wird allgemein als Leistungszahl ausgedrückt, der Coefficient of Performance (COP). Dieser Wert gibt an, dass eine Wärmepumpe bei einem beispielhaften COP von 4 aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme erzeugt. Sie erzeugt also viermal so viel Wärme, wie sie Strom benötigt. Gute COP-Werte liegen bei 3 bis 5. Der COP-Wirkungsgrad dient bei der Kaufentscheidung dazu, die unter genormten Laborbedingungen ermittelte Energieeffizienz verschiedener Wärmepumpen zu vergleichen.
- SCOP: Der Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) ist noch genauer und sagt aus, wie sich die Wärmepumpe bei vier Außentemperatur-Messpunkten, also in verschiedenen Betriebszuständen, verhält. Auch die Leistung des elektrischen Heizstabs und weitere Faktoren fließen mit ein.
- JAZ: Geht es um die unter realen Bedingungen gemessene Effizienz im laufenden Betrieb der Wärmepumpe, so ist die Jahresarbeitszahl (JAZ) das entscheidende Kriterium. Der Effizienzwert kann erst rund ein Jahr nach Einbau der Anlage bestimmt werden. Mit ihr lassen sich auch die jährlichen Stromkosten errechnen. Zur Ermittlung benötigen Sie einen Wärmemengenzähler und einen separaten Stromzähler.
-
Luft-Wasser-Wärmepumpe
Quellentemperatur -15 bis +35 °C Durchschnittliche JAZ 2,5 bis 3 -
Sole-Wasser-Wärmepumpe
Quellentemperatur ca. 10 °C (abhängig von der Tiefe) Durchschnittliche JAZ 3,5 bis 4,5 -
Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Quellentemperatur ca. 12 °C (abhängig von der Tiefe) Durchschnittliche JAZ 5
Etwa 10 bis 20 Prozent des Energieverbrauchs einer Heizung entfällt auf die Warmwasserbereitung. Oft wird eine höhere Vorlauftemperatur benötigt, etwa 55 °C, um hygienische Temperaturen im Warmwasserspeicher zu erreichen. Eine speziell entwickelte Warmwasser-Wärmepumpe nutzt die Umgebungswärme, um das Wasser effizient zu erwärmen. Sie verbraucht bis zu 70 Prozent weniger Energie als herkömmliche Boiler. Auch der Einsatz einer Zirkulationspumpe trägt bei richtiger Einstellung zur Effizienzoptimierung bei.
Sichern Sie sich jetzt Ihre neue Bosch Wärmepumpe!
Wirkungsgrad der Luftwärmepumpe Außentemperatur-abhängig
Die Effizienz einer Luftwärmepumpe hängt stark von der Außentemperatur ab, die im Jahresverlauf schwankt. Bei milden Plusgraden erreichen Luftwärmepumpen einen hohen Wirkungsgrad. Auch im Winter arbeitet die Anlage noch effizient, jedoch nimmt die Effizienz mit sinkender Temperatur ab. Bei Außentemperaturen um 0 °C fällt der COP vieler Luftheizungen auf etwa 2 bis 3. Bei extremen Minusgraden, wie -15 °C, sinkt der Wert sogar noch weiter ab.
Eine ungünstige Ausgangslage ist, wenn die Außentemperatur niedrig und die zu erreichende Vorlauftemperatur hoch ist. Das trifft etwa in einem schlecht isolierten Altbau mit Wärmepumpe und bei alten Heizkörpern zu. In diesem Fall muss die Wärmepumpe sehr viel Energie aufwenden, um das Gebäude warm zu heizen. Im Notfall schaltet sich ein elektrischer Heizstab bei Spitzenlasten zu, um den kurzfristig hohen Wärmebedarf zu decken.
Es gibt heutzutage aber auch Propan-Wärmepumpen mit dem natürlichen Kältemittel R290, welches höhere Systemtemperaturen von noch 65 °C bei -10 °C Umgebungstemperatur erreicht und einen hohen Wirkungsgrad erzielt aufgrund hervorragender thermodynamischer Eigenschaften.
Typische COP-Werte bei Luftwärmepumpen
| Außentemperatur der Luft | Vorlauftemperatur 35 °C (Fußbodenheizung) | Vorlauftemperatur 45 °C (Niedertemperaturheizkörper) | Vorlauftemperatur 55 °C (Standardheizkörper) |
| +7 °C | 4,5–5,0 | 3,5–4,0 | 3,0–3,5 |
| 0 °C | 3,5–4,0 | 2,8–3,3 | 2,2–2,8 |
| -7 °C | 2,5–3,0 | 2,0–2,5 | 1,8–2,2 |
| -15 °C | 2,0–2,5 | 1,5–2,0 | 1,3–1,7 |
Es handelt sich um beispielhafte Werte, die in der Praxis variieren.
Erreichen Sie noch mehr Effizienz, indem Sie Ihre Heizungsanlage um die zentrale Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung V 5001C von Bosch erweitern. Die energieeffiziente Lösung gewinnt bis zu 90 Prozent der in der Abluft enthaltenen Wärme zurück, die sonst beim Lüften nach außen entweicht. Dadurch reduzieren Sie Ihre Heizkosten deutlich.
Ganzjährig hoher Wirkungsgrad bei Geothermie und Grundwasser
Grundwasserwärmepumpen und Erdwärmepumpen sind die effizientesten Wärmepumpen und erreichen den besten Wirkungsgrad. Sogar in kalten Wintern bieten sie eine hohe thermische Leistung. Das liegt daran, dass die Temperatur im Erdreich und im Grundwasser das ganze Jahr über stabil bleibt, typischerweise zwischen 8 bis 12 °C. Je tiefer die Erdsonde oder der Brunnen installiert ist, desto wärmer ist es dort. Durch den konstant hohen Wirkungsgrad müssen diese Systeme weniger Energie aufwenden, um das Temperaturniveau für Heizzwecke anzuheben. Dadurch erreichen sie COP-Werte von 4 bis 5, was bedeutet, dass sie das Vier- bis Fünffache der eingesetzten elektrischen Energie als Wärme liefern.
Etwa lassen sich Erdwärmepumpen als leistungsstarke Großwärmepumpen einsetzen, denn die ganzjährig stabile Temperatur des Erdreichs macht sie besonders effizient für größere Gebäude. Durch Tiefenbohrungen oder Erdwärmekollektoren lassen sich auch große Wärmemengen gewinnen, ideal für Mehrfamilienhäuser oder Industrieanlagen.
Doch was sind die Nachteile einer Wärmepumpe? Bedenken Sie insbesondere bei Erd- und Grundwasserwärmepumpen, dass die Installation kostenintensiv und nicht überall möglich ist durch den hohen Platzbedarf. Tiefenbohrungen sind außerdem genehmigungspflichtig.
Wärmepumpe LIVE – Tag der offenen Tür bei Bosch Home Comfort
Demnächst auch in Ihrer Nähe: Erleben Sie die Bosch Wärmepumpen, Heizungen und Klimageräte live vor Ort und informieren Sie sich im persönlichen Austausch mit Bosch Fachpartnerbetrieben und Bosch Experten!
FAQ zum Thema Wirkungsgrad von Wärmepumpen
Sind Hochtemperatur-Wärmepumpen weniger effizient?
Was bedeutet thermische Leistung bei einer Wärmepumpe?
Bei welcher Temperatur ist eine Wärmepumpe am effektivsten?
Schadet es, wenn eine Wärmepumpe ständig läuft?
Bei welcher Temperatur stoppt die Wärmepumpe?