Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Der COP macht einzelne Wärmepumpen bei genau definierten Betriebszuständen vergleichbar. Er wird unter Laborbedingungen ermittelt und berücksichtigt daher nicht die gesamte Heizungsanlage.
■ Die berechnete JAZ wird unter standardisierten Randbedingungen ermittelt. Trotzdem ist ihre Aussagekraft aufgrund verschiedener Einflussfaktoren begrenzt.
■ Die gemessene Jahresarbeitszahl (SPF) macht eine wirkliche Aussage über die Effizienz der Wärmepumpe vor Ort. Hier werden alle Einflussfaktoren berücksichtigt.
■ Die einzelnen Bilanzräume berücksichtigen mehr oder weniger Verbraucher. Daraus ergeben sich zum Teil sehr unterschiedliche Jahresarbeitszahlen.
■ Der SCOP berücksichtigt im Verlauf des Jahres mehrere Messpunkte und gewichtet diese. Er ist daher aussagekräftiger als der COP.
■ Der ETAs drückt aus, wie viel Primärenergie für 1 kWh Wärme benötigt wird. So lassen sich verschiedene Wärmeerzeuger vergleichen.
■ Die ETAs-Werte sind auch Grundlage für das ErP-Label. Aber Achtung: Eine bessere Effizienzklasse bedeutet nicht automatisch auch geringere Heizkosten.
Bei Wärmepumpen gibt es viele unterschiedliche Kennwerte, um die Effizienz zu beurteilen, unterschiedliche Hersteller vergleichbar zu machen und eine Aussage über zu erwartende Betriebskosten zu erlangen. Hierbei ist es wichtig, die Definition und den Bilanzraum und die Bilanzgrenzen zu kennen.
Leistungszahl (COP – Coefficient of Performance)
Der COP bestimmt das Verhältnis bei bestimmten Betriebsbedingungen vom abgegebenen Nutzwärmestrom bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung. Bei der eingesetzten elektrischen Leistung finden der Antrieb des Verdichters, die Hilfsantriebe und die Regelung Beachtung.
In der Praxis erfolgt die Ermittlung unter Laborbedingungen, indem man die Heizleistung (in kW) und die Antriebsleistung (in kW) der Verdichter und anteilig der Pumpen zur Durchströmung der Wärmepumpe zueinander ins Verhältnis setzt. Der COP ist dimensionslos.
Der COP wird im Katalog unter vordefinierten Bedingungen angegeben. Die gleiche Wärmepumpe hat bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen auch unterschiedliche COP-Werte. Der COP macht somit eine Aussage über die Effizienz der Wärmepumpe bei einem bestimmten Betriebspunkt. Er macht aber keine Aussage über die Effizienz der Wärmepumpenheizungsanlage (WPHA) mit den Antriebsleistungen für Wärmequellen und Wärmeabnehmer, Verteilung und Hydraulik.
Die Normbedingungen der Leistungszahlen werden in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Wärmequellen und Bauarten in der DIN EN 14511: 2019-07 „Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen für die Raumbeheizung und -kühlung und Prozess-Kühler mit elektrisch angetriebenen Verdichtern – Teil 2: Prüfbedingungen“ definiert. Hieraus leitet sich folgende Nomenklatur ab:
Die DIN EN 14511 unterscheidet zwischen Norm-Nennbedingungen und Betriebs-Nennbedingungen. So ist etwa unter den Norm-Nennbedingungen A7/W35 im ersten Teil die Wärmequelle definiert. A steht für Air, also für Luft. Die 7 gibt die Trockenkugeltemperatur am Eintritt (Außenluft) von 7 °C an. Danach folgt die Nutzseite. Hier steht W für Water, also Wasser. Die 35 gibt die Austrittstemperatur von 35 °C an.
Der COP ist somit eine statische Größe, die Wärmepumpen bei genau definierten Betriebszuständen vergleichbar macht. Leider wird aber über das Teillastverhalten und die auftretende Häufigkeit unterschiedlicher Umgebungstemperaturen keine Aussage getroffen.
Berechnete Jahresarbeitszahl (JAZ)
Bei der dimensionslosen Jahresarbeitszahl (JAZ) wird zwischen der berechneten JAZ und der gemessenen JAZ, dem sogenannten SPF (Seasonal Performance Factor), unterschieden.
Die berechnete JAZ ist das vor der Installation berechnete Verhältnis der im Jahr abgegebenen Nutzwärme einer Elektrowärmepumpe bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie für den Antrieb des Verdichters, die Hilfsantriebe und die Regelung. Die Ermittlung erfolgt anhand der COP-Werte unter Festlegung standardisierter Randbedingungen, z. B. nach der VDI-Richtlinie 4650.
Der Bundesverband Wärmepumpe stellt einen Onlinerechner zur Berechnung der JAZ zur Verfügung (www.waermepumpe.de/jazrechner). Die unterschiedlichen Hersteller haben dort ihre Baureihen mit entsprechenden Datenreihen hinterlegt. Die Berechnung findet in Abhängigkeit von Standort (Normaußentemperatur), Betriebsweise, System-Auslegungstemperaturen, Art und Anteil der Warmwassererzeugung und Speichertemperatur statt.
Jetzt könnte man denken: Je höher die JAZ, umso effizienter ist die Wärmepumpe? Leider ist es nicht ganz so einfach. Denn eine Luft/Wasser-Wärmepumpe hat unter gleichen Voraussetzungen im Niedrigenergiehaus eine geringere JAZ als im Altbau. Wie kann das sein?
Im Altbau ist die Heizgrenztemperatur mit 15 °C definiert, im Niedrigenergiehaus erst ab 10 °C. Da eine Luft/Wasser-Wärmepumpe bei 15 °C effizienter als mit 10 °C Quellentemperatur arbeitet, sorgt dieser Anteil für eine höhere JAZ (Bild A).
Bild: Keller
Trotz höherer berechneter JAZ hat der Altbaubesitzer am Ende des Jahres aber eine höhere Stromrechnung als der Niedrigenergiehausbesitzer. Dieses Beispiel ist natürlich stark vereinfacht, da die Transmissionswärmeverluste im Altbau deutlich höher sind. Es zeigt aber gut auf, dass die Aussagekraft der berechneten JAZ auch nur begrenzt anwendbar ist.
Ein weiterer Einflussfaktor ist der Anteil der Trinkwassererwärmung am gesamten Heizwärmebedarf. Als Erfahrungswert dienen hier 18 %. Dies mag in der Vergangenheit ein realistischer Wert gewesen sein, jedoch verschiebt sich dieser mit sinkendem Heizwärmebedarf prozentual nach oben.
Bei Niedrigenergiehäusern ist somit der Anteil für die Trinkwassererwärmung höher. Da hierfür von der Wärmepumpe höhere Temperaturen als für die Heizung erzeugt werden müssen, läuft die Wärmepumpe in diesem Bereich mit einer geringeren Leistungszahl und zieht dadurch die Jahresarbeitszahl nach unten.
Gemessene Jahresarbeitszahl (SPF – Seasonal Performance Factor)
Die gemessene Jahresarbeitszahl SPF (Seasonal Performance Factor) ist das Verhältnis der im Jahr abgegebenen, mit Messgeräten ermittelten Nutzwärme einer Elektrowärmepumpe bezogen auf die ebenfalls gemessene eingesetzte elektrische Energie für den Antrieb des Verdichters, die Hilfsantriebe und die Regelung.
Somit macht die gemessene Jahresarbeitszahl eine wirkliche Aussage über die Effizienz der installierten und betriebenen Wärmepumpe vor Ort. Warum weicht nun die berechnete von der gemessenen JAZ ab? Hierfür gibt es mehrere Gründe:
Die Quellentemperatur ist stark abhängig von der Art der Wärmequelle. Bei Erdreich und Grundwasser kann eine gewisse Konstanz mit geringen Abweichungen über den Jahresverlauf angenommen werden. Anders ist dies bei der Wärmequelle Außenluft, da diese direkt von den anzutreffenden Temperaturbedingungen abhängig ist. Obwohl Temperaturdaten aus Testreferenzjahren als Basis dienen, kommt es hier zu Abweichungen. Witterungsbedingten Unterschieden ist unbedingt Rechnung zu tragen. Die Systemtemperatur auf der Wärmenutzungsseite (Wärmesenke) ist durch den Nutzer beeinflussbar. Zudem besteht auch eine Abhängigkeit zur Installationsqualität.
Dieser Punkt ist auch direkt abhängig vom vorherigen Punkt Klimabedingungen. Die Heizgrenztemperatur bezeichnet die Tagesmitteltemperatur, ab der ein Gebäude beheizt wird. Sie ist stark vom Energieeffizienzstandard bzw. der Dämmung des Gebäudes abhängig. Aber auch hier ist das Wärmeempfinden des Verbrauchers ausschlaggebend, der mit seinem Verhalten diesen Punkt beeinflusst. Ist die Heizgrenze zu hoch eingestellt, hat dies gerade in der Übergangszeit einen nicht notwendigen Energieverbrauch zur Folge.
Als Grundlage der Berechnung dienen bekannte Vergleichswerte. Der wirkliche Warmwasseranteil ist aber primär abhängig vom Nutzerverhalten. Somit ist dies ein externer Faktor, der für eine große Abweichung sorgen kann. Auf diesen Aspekt wurde bereits weiter oben eingegangen.
Durch die Installation einer kontrollierten Wohnraumlüftung (KWL) mit integrierter Wärmerückgewinnung kann das Lüftungsverhalten des Nutzers energieeffizient gestaltet werden. Trotzdem ist eine Beeinflussung durch Fensterlüftung gegeben. Ein weiterer Grund sind Abweichungen zwischen Planung und Ausführung der Heizungsinstallation (z. B. hydraulischer Abgleich, Verlegeabstand bei Fußbodenheizung), welche die Effizienz negativ beeinflussen.
Bilanzgrenze berechnete und gemessene JAZ
Um die Effizienzkennzahlen besser verstehen zu können, werden die Wärmepumpe (WP), die Wärmepumpenanlage (WPA) und Wärmepumpenheizungsanlage (WPHA) in Bilanzräume unterteilt. Es werden also mehr oder weniger Verbraucher bilanziert. Bild B verdeutlicht die unterschiedlichen Bilanzgrenzen laut VDI 4650.
Bild: VDI Verein Deutscher Ingenieure e. V.
Dieser Bilanzraum berücksichtigt die Arbeitszahl der eigentlichen Wärmepumpe mit der elektrischen Energie für Verdichter, die Regelung sowie die thermische Energie unmittelbar hinter der Wärmepumpe. Fabrikatbedingte integrierte kleine Pufferspeicher sind hier bei der Bilanzierung üblicherweise enthalten.
Sie besteht aus Wärmepumpe (WP) und Wärmequelle (WQA). Dieser Bilanzraum berücksichtigt die thermische Energie nach Wärmepumpe und Heizstab im Verhältnis zu elektrischer Energie für Verdichter, Regelung, Wärmequellenpumpenantrieb (bzw. Wärme-quellenventilatorantrieb bei Luftwärmepumpen) und elektrischem Nacherhitzer/Heizstab.
Sie besteht aus Wärmepumpenanlage (WPA) und Wärmenutzungsanlage (WNA). Dieser Bilanzraum beinhaltet die thermische Nutzenergie am Ausgang der gebäudespezifischen Heizwasserpuffer- und Trinkwarmwasserspeicher und berücksichtigt neben der elektrischen Energie für den Bilanzraum WPA auch die elektrische Energie für die heiz- und trinkwarmwasserbedingten Umwälz- oder Ladepumpen sowie die auftretenden Speicherverluste.
Wie wird nun aber der wirklich anfallende elektrische Energiebedarf für eine Wärmepumpenheizungsanlage (WPHA) ermittelt? Hierfür wird der Bilanzraum WPHA als Grundlage genommen. Dies sind die Kosten, welche der Betreiber zahlen muss. Die VDI 4650 definiert jedoch für die berechnete Jahresarbeitszahl (JAZ) nur die Bilanzgrenze WPA. Wird die Jahresarbeitszahl für die Bilanzgrenze WPHA erstellt, so ist diese immer geringer als für die Bilanzgrenze WPA. Dieser Unterschied wird am Beispiel der Rechnung in Bild C deutlich.
Bild: Prof. Werner Schenk, Hochschule München
Jahreszeitbedingte Leistungszahl (SCOP)
Noch aussagekräftiger als der COP-Wert, der nur einen fixen Betriebspunkt ohne Gewichtung angibt, ist der sogenannte Seasonal Coefficient of Performance (SCOP). Er geht bei der Berechnung von mehreren Messpunkten aus. Für die Bewertung von Wärmepumpen wird Europa darüber hinaus in die drei Klimazonen Nord, Mittel und Süd unterteilt.
In Deutschland orientieren wir uns an den durchschnittlichen Temperaturen von Straßburg (Referenzpunkt) und gehören somit der mittleren Zone an. Um hier einen realistischen SCOP zu erhalten, werden die Ergebnisse in Abhängigkeit der Häufigkeit gewichtet. Der SCOP-Wert wird vom Hersteller berechnet und angegeben.
Wie kann es nun sein, dass ein und dieselbe Wärmepumpe unterschiedliche SCOP-Werte hat? In Deutschland ist dies nicht möglich. Wird jedoch die Wärmepumpe in Spanien eingesetzt, so ist dies die Klimazone Südeuropa mit höheren Referenztemperaturen.
Da höhere Umgebungstemperaturen vorteilhafter für die Effizienz einer Wärmepumpe sind, ist somit auch der SCOP-Wert höher als beim Einsatz in Deutschland oder Österreich (Klimazone Mitteleuropa). Eine kompakte Übersicht hierzu zeigt der Ausschnitt von Herstellerdaten in Bild D.
Quelle: Keller / Viessmann
Jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz η S (ETAs)
Die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz η S wird vom Hersteller gemeldet. Sie bezeichnet den Quotienten aus dem von einem Raumheizgerät, einem Kombiheizgerät oder einer Verbundanlage gedeckten Raumheizungsbedarf in einer bestimmten Heizperiode und dem jährlichen Energieverbrauch zur Deckung dieses Bedarfs in Prozent. Sie ist dimensionslos.
Vereinfacht gesagt: Der ETAs drückt aus, wie viel Primärenergie für 1 kWh Wärme benötigt wird. Dadurch werden verschiedene Heiztechniken mit unterschiedlichen Brennstoffen miteinander vergleichbar gemacht.
Der Wert errechnet sich aus der jahreszeitbedingten Leistungszahl (SCOP) durch Division mit 2,5. Anschließend werden für den elektrischen Leistungs- bzw. Arbeitsbedarf der Geräteregelung noch pauschal 3 % abgezogen. Es wird dabei ein Primärenergiefaktor für Strom mit 2,5 angenommen. Da dieser in Deutschland jedoch bei 1,8 liegt (Österreich 1,91), besitzen Wärmepumpen in Deutschland und Österreich eine bessere Ausbeute der Primärenergie.
Wird der Strom gebäudenah aus Photovoltaik oder Windkraft erzeugt, beträgt der Faktor sogar 0. Die unterschiedlichen Faktoren sind im Gebäudeenergiegesetz (GEG) in Anlage 4 definiert, stehen aber seit Längerem betreffend Strom in Diskussion. Verschiedene Gutachten gehen in Deutschland von einem realen Primärenergiefaktor von 1,4 aus.
Was bedeutet der ETAs für die Förderung von Wärmepumpen?
Hier werden Mindesteffizienzwerte gefordert und es erfolgt eine Unterscheidung zwischen der Beheizung mit Wasser und der Beheizung mit Luft. Der ETAs gemäß Ökodesign-Richtlinie muss bei durchschnittlichen Klimaverhältnissen und Beheizung über Wasser mindestens die in Bild E dargestellten Werte bei Mitteltemperaturanwendung (55 °C) und Niedertemperaturanwendung (35 °C) erreichen. Wärmepumpen, die gemäß Ökodesign-Richtlinie als Niedertemperatur-Wärmepumpen gelten, müssen nur die Effizienzanforderungen bei 35 °C erfüllen.
Bild: Lars Keller / BEG
Die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz ηs (ETAs) bzw. der Raumheizungs-Jahresnutzungsgrad ηs,h (ETAs,h) gemäß Ökodesign-Richtlinie muss bei durchschnittlichen Klimaverhältnissen und Beheizung über Luft mindestens die in Bild F dargestellten Werte erreichen.
Bild: Lars Keller / BAFA
Wichtig: Kein Handwerker muss den ETAs-Wert einer Wärmepumpe berechnen. Steht die Wärmepumpe auf der Bafa-Liste, ist sie grundsätzlich förderfähig, unabhängig vom Einsatzort oder von anderen individuellen Bedingungen.
Und wie ist die Korrelation mit dem ErP-Label?
Die ETAs-Werte sind auch Grundlage für die Erlangung der unterschiedlichen ErP-Label. Leider sind die Vorgaben der Förderung und der Effizienzklassen nicht deckungsgleich. Als Faustregel gilt: Jede Wärmepumpe für wassergeführte Verteilsysteme mit Einstufung in A++ oder A+++ im Heizungsbereich für 35 °C und 55 °C Vorlauftemperatur ist förderfähig (Bild G).
Bild: ITM
Bei einer Einstufung A+ kann sie förderfähig sein, wenn der ETAs-Grenzwert im mittleren bis oberen Bereich des dafür vorgegebenen ETAs-Korridors der Effizienzklasse liegt. Bild G zeigt eine Übersicht der Effizienzklassen nach Ökodesign-Richtlinie.
Grundsätzlich bemängeln Kritiker, dass diese Zertifizierung irreführend ist. So denken viele Verbraucher, dass sie mit einem A++-Gerät immer Heizkosten im Vergleich zu einem Gerät mit der Effizienzklasse A sparen. Diese Annahme kann aber falsch sein.
Anders als bei Elektrogeräten (Kühlschrank, Waschmaschine usw.) werden beim Energieeffizienzlabel für Heizungsanlagen verschiedene Energieträger (Öl, Gas, Biomasse, Strom usw.) mit unterschiedlichen Kosten pro kWh verglichen. Folglich zeigt die Effizienzklasse allein nicht auf, welches System im Betrieb das günstigere ist. Auch Investitionskosten werden außen vorgelassen, was für den Verbraucher ebenfalls einen wichtigen Entscheidungspunkt darstellt.
Zudem erfolgt die Einordnung auf Basis von Prüfbedingungen, die nicht mit der realen Einbausituation und dem Betrieb gleichgesetzt werden können. Diese beiden Punkte haben jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die Betriebskosten, die keine Berücksichtigung im Effizienzlabel finden. In der Praxis kann das beispielsweise bedeuten, dass eine Luft/Wasser-Wärmepumpe der Klasse A++ über den Stromverbrauch durchaus höhere Kosten verursachen kann als ein Gas-Brennwertkessel der Klasse A mit dem Gasverbrauch.
Effizienzkennzahlen sind also wichtig, um unterschiedliche Geräte, Energieträger und Betriebsbedingungen zu erfassen. Es muss aber unbedingt verstanden werden, welcher Kennwert über welchen Bereich eine Aussage trifft, und dies ist fachlich zu bewerten.
SBZ-Serie: Grundlagen Wärmepumpe
500 000 installierte Wärmepumpen pro Jahr ab 2024 – auf diese Zielmarke haben sich Hersteller, Verbände und Politik auf dem zweiten Wärmepumpengipfel Ende 2022 geeinigt. Bis dahin ist noch viel zu tun und es werden sich noch viele SHK-Betriebe auf die eigentlich gar nicht so neue Technik einstellen müssen.
In dieser Artikelserie vermitteln die Fachbuchautoren Markus Heigele und Lars Keller dazu neutrale, grundlegende Informationen. Der Fokus liegt hierbei auf Anwendungen im Ein- und Zweifamilienhaus. Häufige Fragen werden geklärt und so eine Brücke für den Einstieg geschlagen. Aber auch wer sich bereits mit der Wärmepumpe beschäftigt hat, kann sein Wissen auffrischen und die ein oder andere Lücke füllen.
Teil 1: Effizienzzahlen (in dieser Ausgabe)
Der erste Teil definiert die gängigen Effizienzzahlen wie COP, SCOP, SPF, Jahresarbeitszahl und ErP-Gruppierung und erläutert, welche Einflussfaktoren hier mit reinspielen. Anschaulich wird auf die Effektivität und Effizienz eingegangen.
Teil 2: Photovoltaik und Wärmepumpe (SBZ 02.23)
Im zweiten Teil wird das Zusammenspiel von Photovoltaik und Wärmepumpe näher betrachtet. Was sagt der Primärenergiefaktor aus und wie verändert sich der ökologische Fußabdruck bei Betrieb der Wärmepumpe, wenn der „Brennstoff“ Strom aus dem Netz kommt oder selber erzeugt wird? Weitere Informationen zum Stichwort Sektorenkopplung werden aufgezeigt.
Teil 3: Auslegung gemäß VDI 4645 (SBZ 03.23)
Im dritten Teil widmen sich die Autoren der korrekten Auswahl einer Wärmepumpe und zugehöriger Pufferspeicher, da dies die Basis eines effizienten und störungsfreien Betriebs darstellt. Als Grundlage dient hier die VDI 4645, eventuelle Sperrzeiten vom EVU finden Berücksichtigung. Zusätzlich wird die Frage geklärt, welche Möglichkeiten zur effizienten Trinkwassererwärmung bestehen.
Teil 4: Hydraulik und Regelung (SBZ 04.23)
Der vierte Teil wendet sich wieder der Effizienz zu und legt dar, wie hydraulische Schaltungen diese beeinflussen können. Was sind die Effizienzkiller einer Wärmepumpe und in welchen Bestandssystemen ist eine Wärmepumpe die falsche Wahl (Einrohrheizung). Warum sind Wärmepumpen über die Heizkurve und nicht über Thermostate zu regeln und welchen Einfluss hat der Betreiber?
Leitfaden für Wärmepumpenanlagen
Bild: ITM
Der „Leitfaden für Wärmepumpenanlagen“ bietet wertvolle Informationen für die effiziente und betriebssichere Auslegung und Planung von Wärmepumpenanlagen. Autoren sind Markus Heigele und Lars Keller.
Zum Inhalt: Bei den Grundlagen liegt ein Fokus auf der Kältetechnik, um die internen Abläufe einer Wärmepumpe verständlich zu machen und diese „Blackbox“ zu öffnen. Der „Brennstoff Strom“ wird mit Zunahme der regenerativen Energien immer wichtiger und verbessert die CO2-Bilanz deutlich, die gesetzlichen Rahmenbedingungen werden erklärt.
Bei der Planung finden die Betriebsweise sowie die Auswahl der geeigneten Wärmequelle Beachtung. Damit Installateure einen störungsfreien und effizienten Betrieb erreichen, wird auf die hydraulische Verschaltung und die Einbindung der Trinkwassererwärmung eingegangen. Schlussendlich werden Inbetriebnahme, hydraulischer Abgleich und Reglereinstellung erklärt.
Wichtige Impulse zum Fachbuch kommen von Prof. Dr. Werner Schenk von der Fachhochschule München, der seine jahrzehntelange Erfahrung rund ums Thema in das Buch miteinfließen ließ. Im Mitgliederbereich der Homepage des Autors Lars Keller (www.tga-lars-keller.de) stehen weitere Zusatzinformationen wie Projektberichte, Checklisten etc. zur Verfügung. Die Anmeldung ist für Leser reserviert, die den Zugangshinweis im Buch finden.
Der Leitfaden ist im ITM-Verlag erschienen und u. a. für 49 Euro über den Autor erhältlich.
Weitere Infos auf www.sbz-online.de
Neugierig geworden? Mehr rund um das Thema Wärmepumpe erfahren Sie in unserem Online-Dossier unter
www.bit.ly/sbz_wp
Bild: Keller
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