Effizienz von Wärmepumpen: Kennzahlen und Einflussfaktoren

Bei der Förderung von Wärmepumpenanlagen (BEG EM) sind zur Qualitätssicherung Mindestwerte für die JAZ vorgegeben. Die Wärmepumpenanlage ist so auszulegen, dass mindestens eine Jahresarbeitszahl von 2,7 erreicht wird. Ab 01.01.2024 beträgt die Jahresarbeitszahl mindestens 3,0. Der Nachweis über die Jahresarbeitszahl erfolgt gemäß Berechnung nach VDI 4650 Blatt 1. Dabei sind die konkreten Randbedingungen vor Ort anzusetzen. Für Luft-Luft-Wärmepumpen ist die Berechnung einer JAZ für den Nachweis nicht notwendig.

Die tatsächliche Jahresarbeitszahl eines Heizsystems lässt sich aufgrund der vielen Einflüsse nicht im Voraus berechnen.

Für die Planung einer Wärmepumpe bestehen diverse Simulationstools, bei denen unter Eingabe der Rahmenbedingungen ein Richtwert für eine zu erwartende Jahresarbeitszahl ermittelt werden kann.

Ein statisches Berechnungsverfahren nach VDI 4650 erlaubt die Berechnung einer theoretischen Jahresarbeitszahl und den Nachweis der Fördervoraussetzung. Berücksichtigt werden Daten bezüglich folgender Faktoren:

• Wärmequellen (Temperaturen, ggf. Pumpenleistung)
• COP-Werte, Leistung des Wärmepumpengerätes
• Anteile weiterer Wärmeerzeuger entsprechend der Betriebsweise (monovalent/bivalent)
• Vorlauf- und Rücklauftemperatur der Wärmeverteilung
• Temperatur Wärmespeicherung
• Trinkwarmwasseranteil

Im JAZ-Rechner werden automatisch Daten aus Herstellerlisten eingefügt. Ebenso können die Daten im JAZ-Rechner individuell eingegeben werden. Die Jahresarbeitszahlen werden für den Heizbetrieb, das Trinkwarmwasser und als Gesamtwert berechnet.

Die theoretische JAZ berücksichtigt nicht die tatsächlichen Wetterbedingungen, das Regelverhalten der Wärmepumpenanlage und das Nutzungsverhalten im Gebäude. Diese sind nur bei Messungen der tatsächlichen JAZ im Betrieb enthalten.

Die Jahresarbeitszahl im laufenden Betrieb wird durch Wärmemengenzähler und Stromzähler gemessen. Sie gibt Auskunft über die tatsächliche Effizienz der Heizungsanlage unter realen Bedingungen wie dem Einfluss des Wetters, der Nutzung und technischen Einbausituation im Gebäude und dem Regelverhalten der Wärmepumpe. Entscheidend für die Vergleichbarkeit von Jahresarbeitszahlen ist die Bilanzgrenze und damit eine Definition davon, welche Verbraucher gemessen und in der JAZ berücksichtigt werden (z. B. Pumpenleistung, Speicherverluste, elektrischer Heizstab).

Felduntersuchungen in Deutschland an Wärmepumpen im realen Betrieb für 56 Anlagen in der Heizperiode 2018/2019 im Betriebsmodus Raumheizung (Quelle: Feldstudie des Fraunhofer ISE „WPsmart im Bestand”) zeigen eine große Bandbreite der Effizienz der Anlagen und weisen Effizienzwerte (Jahresarbeitszahlen JAZ) im Gebäudebestand im Mittel von 4,1 für Sole-Wasser-Wärmepumpen und im Mittel von 3,1 für Außenluftwärmepumpen auf (siehe auch Grafik).

In den technischen Mindestanforderungen der Förderung für Wärmepumpen (BEG EM) ist der Einbau einer Energieverbrauchs- und Effizienzanzeige gefordert. Die Umsetzung kann durch messtechnische Erfassung oder durch Berechnungen im Gerät erfolgen. Die Effizienzanzeige ist so zu gestalten, dass Energieverbräuche und erzeugte Wärmemengen mit den Werten vorheriger Heizperioden bzw. vergleichbarer Betriebszeiträume verglichen werden können. Die Umsetzung der Anforderung durch die Hersteller variiert hinsichtlich Erfassung, Aufbereitung und Darstellung der Daten.

Ein Leitfaden mit zahlreichen Empfehlungen und bewährten Anlagen-Konzepten für die korrekte Planung, Errichtung und den optimalen Betrieb von Wärmepumpenanlagen in Wohngebäuden ist die Richtlinie VDI 4645. Aufgeführt sind die erforderlichen Schritte von der Voruntersuchung und Konzepterstellung bis zur Detailplanung, Installation, Inbetriebnahme und Nutzereinweisung sowie Fehlersuche und Inspektionsarbeiten. Die Erläuterungen werden unterstützt durch Checklisten und Beispiele. Schulungen entsprechend der Richtlinie werden angeboten. Diese Qualifizierung ist freiwillig und ermöglicht Qualitätssicherung.

Eine Übersicht zu Weiterbildungen rund um das Thema Wärmepumpe ist auf der Themenseite "Wärmepumpen: Qualifikation" zu finden.

Wesentlichen Einfluss auf die Effizienz der Wärmepumpenanlage hat die Temperatur des Heizkreises (Vor- und Rücklauftemperatur). Je geringer die erforderliche Temperatur des Heizmediums (Wasser, Luft) ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Hohe Temperaturen von über 55 °C und bis 75 °C können von Hochtemperatur-Wärmepumpen auch ohne Heizstabeinsatz erreicht werden. Die Effizienz (COP-Werte) der Wärmepumpengeräte sinkt jedoch mit steigender Heizkreistemperatur. Die erforderlichen Heizkreistemperaturen erhöhen sich bei sinkender Außenlufttemperatur. Feldmessungen von Wärmepumpenanlagen des Fraunhofer ISE haben ergeben, dass der überwiegende Anteil der Heizwärme innerhalb eines Jahres wird bei Außenlufttemperaturen von 0 °C bis 10 °C bereitgestellt wird (siehe auch Grafik).

Eine Heizlastberechnung für das Gebäude und einzelne Räume ermöglicht die Prüfung der Dimensionierung von Heizflächen/Heizkörpern und eine mögliche Absenkung der Heiztemperaturen. Je größer die Heizfläche ist, desto mehr kann die Vorlauftemperatur gesenkt werden. Spezielle Niedertemperatur-Heizkörper ermöglichen geringe Vorlauftemperaturen. Maßnahmen zur Senkung der Heizlast (Optimierung der Gebäudehülle durch Dämmung, Fenstertausch) und Verringerung der Vorlauftemperatur (z. B. hydraulischer Abgleich, Heizkurve, Heizkörpertausch) sollten geprüft und berechnet werden.

Weitere Informationen zum Einsatz von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden können auf der Themenseite „Wärmepumpen: Umstellung im Bestand" abgerufen werden.

Die Temperatur der Wärmequelle (Erdreich, Wasser, Luft) hat einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz der Wärmebereitstellung. Je höher die Temperatur der Wärmequelle ist, desto weniger Strom muss im Verdichter zur Anhebung der Temperatur eingesetzt werden. Grundwasser und das Erdreich liefern konstante Temperaturen über das Jahr. Das Erdreich wird über Kollektoren in der Fläche oder Sonden in der Tiefe erschlossen. Die Außenlufttemperatur schwankt stark über das Jahr und bietet während der Heizperiode nur geringe Temperaturen. Deshalb erreichen Außenluft-Wärmepumpen im Mittel für gemessene Jahresarbeitszahlen geringere Werte als für Anlagen mit den Wärmequellen Erdreich oder Grundwasser.

Bei der Erschließung der Quellen sind Pumpen und Ventilatoren nötig, die je nach Zustand der Wärmequellenanlage einen erheblichen Einfluss auf den Stromverbrauch haben können. Eine Berechnung der JAZ für verschiedene Wärmequellenvarianten und Dimensionierungen ermöglicht eine Abschätzung des Strombedarfs und der Betriebskosten. Diese ist hilfreich für die Investitionsentscheidung bezüglich der Wärmequelle.

Weitere Informationen zu hilfreichen Tools bietet die Themenseite „Wärmepumpe: Auslegungssoftware".

Die Effizienz verschiedener Wärmepumpengeräte der Hersteller unterscheidet sich erheblich durch den Einsatz unterschiedlicher Komponenten und neuer Technologie-Entwicklungen. Die Effizienz der Geräte kann bewertet werden durch den Vergleich der Leistungszahlen (COP-Werte) für einzelne Betriebspunkte und durch die jahreszeitbedingte Leistungszahl SCOP, die die Hersteller angeben. Der SCOP findet sich im Wert ETAs wieder, der beim BAFA für verschiedene Modelle gelistet und ausgewiesen wird. Höhere Effizienz wird erreicht durch z. B. stufenlose Leistungsanpassung des Verdichters durch Inverter-Technologie und Propan als Kältemittel.

Die Reglereinstellungen, Heizkurvenwahl, gewählte Raumtemperatur, Lüftungsgewohnheiten und der Trinkwarmwasserbedarf haben Einfluss auf die Betriebsbedingungen der Wärmepumpe. Eine Anpassung der Werks-Reglereinstellung an die Gebäude- und Nutzerbedingungen sind bei der Inbetriebnahme unerlässlich. Nutzende bzw. Betreibende der Anlage benötigen eine Einweisung und Erläuterung, um Auswirkungen auf die Effizienz und Betriebskosten zu verstehen.

Eine besonders große Auswirkung kann der Heizstabeinsatz haben. Die Reglereinstellungen des Heizstabes sind besonders sorgfältig zu prüfen und der Betrieb sollte über die Energieverbrauchs- und Effizienzanzeige geprüft werden.

Gütesiegel: Technische, planerische sowie service-spezifische Qualitätsrichtlinien für Wärmepumpen werden in Gütesiegeln festgelegt, um eine hohe Energieeffizienz und Betriebssicherheit von Wärmepumpenanlagen zu gewährleisten. Informationen dazu und eine Übersicht gibt der Bundesverband Wärmepumpe.

Der Betrieb von Wärmepumpenanlagen sollte überwacht werden. Als Fördervoraussetzung (BEG EM) müssen Wärmepumpenanlagen und andere Wärmeerzeuger mit einer Energieverbrauchs- und Effizienzanzeige ausgestattet sein.  Messungen dürfen dabei durch Berechnungen ergänzt werden. Die Ausgestaltung dieser Anzeige variiert bei Herstellern bezüglich der Datenermittlung, Darstellung und Bewertung. Maßnahmen zur Optimierung der Effizienz erfolgen nicht automatisiert. Betreibende und Nutzende sollten bei der Betriebsüberwachung und Optimierung unterstützt werden. Einzelne Hersteller oder Dienstleister bieten Services an.