Projekt Wärmepumpe – Erste Erkenntnisse zu Effizienzkennzahlen

Wie ich bereits berichtet habe, überlege ich, unsere Gasheizung gegen eine Wärmepumpe auszutauschen. Im ersten Schritt versuche ich daher, mir ein Grundwissen zu erarbeiten, um die Technik sowie die Vor- und Nachteile der Wärmepumpentechnik besser verstehen zu können. Bei einer so großen Investition möchte ich schon eine für uns möglichst ideale Lösung realisieren und die unterschiedlichen Angebote selbst ein wenig bewerten können.

Je mehr man sich mit den Wärmepumpen beschäftigt, stellt man fest, wie komplex das Thema eigentlich sein kann. Beim Austausch der Gasheizung, vor etwas über 4 Jahren, hatte ich mir nicht so viele Gedanken gemacht. Hier war es mir nur wichtig, das wir die neueste Technik nutzen. Daher wurde natürlich eine Brennwerttechnik verwendet. Gegenüber unserer alten Heizung hat das bereits eine Ersparnis von ca. 30% gebracht.

Da der Umstieg hin zu einer Wärmepumpe dieses Mal nicht durch den Austauch einer alten oder defekten Anlage ausgelöst wird, ist es um so wichtiger die Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu betrachten. Schließlich sollte die Anlage inkl. der Verbrauchskosten über die nächsten 15-20 Jahre in etwa den Verbrauchskosten der aktuellen Anlage entsprechen oder nur minimal darüber liegen. Ob das gelingen kann, werde ich demnächst dann noch in einer genauen Berechnung simulieren.

Bei der Beschäftigung mit einer Wärmepumpe kommt man dann mit diversen Kennzahlen zur Effizienz in Kontakt. Das Thema Aufstellungsort, insbesondere in Verbindung mit gesetzlichen Vorgaben und der Geräuschentwicklung ist bei Wärmepumpen auch nicht zu unterschätzen. Interessant sind dann weiterhin die Umweltbedingungen, bei denen Wärmepumpen möglichst effizient arbeiten (nicht zu kalt). Auch bei der Erzeugung von Warmwasser muß man sich wohl etwas „umgewöhnen“. In Verbindung mit einer PV-Anlage ergeben sich weitere Überlegungen. Nachfolgend werde ich zunächst auf diverse Kennzahlen eingehen, die in der Betrachtung einer Wärmepumpe zu berücksichtigen sind oder sogar für eine Förderung eine wichtige Rolle spielen. Die weiteren Aspekte werde ich dann in folgenden Artikeln beleuchten.

Kennzahlen einer Wärmepumpe

Bei den Kennzahlen einer Wärmepumpe lernt man zunächst die Leistungszahl COP (coefficient of performance) und die Jahresarbeitszahl kennen. Dabei ist gerade die Jahresarbeitszahl eine wichtige Kennzahl, die im praktischen Einsatz der Wärmepumpe interessant ist und idealerweise die Planungsdaten bestätigt. Der Wert ETA ist mittlerweile ein wichtiger Wert für die Förderung und die Heizlast wird für die Auslegung der Wärmepumpe benötigt.

Coefficient of Performance – COP Wert einer Wärmepumpe

Der COP beschreibt das Verhältnis von erzeugter Kälte- oder Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Energie. Ein COP von 4 bedeutet also, dass man zur Erzeugung von 4kWh Wärmeenergie 1kWh Strom benötigt. Die restlichen 3kWh Energie kommen aus der Wandlung der Umweltenergie (Erde, Wasser, Luft). COP-Werte sind in erster Linie dazu da, Wärmepumpen untereinander besser vergleichen zu können, ähnlich, wie dieses bei Autos mit den Verbrauchsangaben der Fall ist.

Der COP-Wert ist ein Wert, der von den Herstellern unter bestimmten Normbedingungen ermittelt wird und damit eher ein standardisierter Wert ist, der nicht direkt etwas mit den realen Werten in der Praxis zu tun haben muß. Der Wert bezieht sich rein auf die Eigenschaften des Geräts und berücksichtigt keine weiteren Einflußfaktoren. Ein schöner Vergleich sind die WLTP Angaben von Elektroautos. Sie geben die Reichweite unter standardisierten Bedingungen an. Die tatsächliche Reichweite hängt dann u.a. aber von der eigenen Fahrweise, den Temperaturen oder dem Streckenprofil ab.

Bei der Wärmepumpe beeinflusst insbesondere der Temperaturunterschied zwischen der Umweltenergie und der zu erzeugenden Vorlauftemperatur die Effizienz der Wärmepumpe. Je größer dieser Unterschied ist, desto mehr Energie wird für die Umwandlung benötigt. Der COP-Wert wird daher meist in einer Kombination aus drei Informationen angegeben. Mit einem Buchstaben wird die Art der Wärmepumpe, also die verwendete Wärmequelle, definiert (A=Luft, W=Wasser, B=Erde). Als nächstes wird die Temperatur der Wärmequelle angegeben und schließlich die erzeugte Vorlauftemperatur.

Bei Luftwärmepumpen ist es wohl Standard, die Angabe des COP bei einer Temperatur von 2 Grad Celsius anzugeben. Manchmal werden aber auch höhere Temperaturen verwendet um damit einen besseren COP-Wert zu suggerieren. Die Angabe von COP = 3,75 = A2 / W35 bedeutet demnach, dass bei einer Außentemperatur von 2 Grad und einer benötigten Vorlauftemperatur von 35 Grad ein COP von 3,75 erreicht wird. Manche Hersteller geben auch mehrere COP-Werte an. Man sollte hier also genau auf die jeweiligen Werte schauen, wenn man mehrere Anlagen miteinander vergleicht.

SCOP-Wert als saisonale Abbildung des COP und Basis für ETA

Wie gerade erläutert, bildet der COP-Wert in erster Linie die Effizienz einer Wärmepumpe bei definierten Bedingungen ab. Über das Jahr hinweg variieren diese Bedingungen in der Praxis natürlich entsprechend der Jahreszeiten. Daher wurde der sogenannte Seasonal COP eingeführt. Dieser Wert berücksichtigt vier verschiedene Temperaturen und versucht so, die Leistungsunterschiede über das Jahr hinweg abzubilden. Darüber hinaus werden drei Klimazonen in Europa berücksichtigt (Nord, Mittel, Süd). In der mittleren Zone, zu der Deutschland gehört, wird Straßburg als Referenz für den mittleren Temperaturverlauf heran gezogen.

Der Wert wird gewichtet aus den Temperaturen 12, 7, 2 und -7 Grad Celsius ermittelt und wird von immer mehr Herstellern in den Datenblättern angegeben. Für die Ermittlung der Effizienz einer Wärmepumpe und den Vergleich mit anderen Herstellern ist dies also der bessere Wert.

Im Rahmen der Förderung kommt dann noch eine weitere Kennzahl ins Spiel, die sich durch den SCOP berechnen lässt. Gemeint ist die Kennzahl „jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz“ (ETA). Diese wird ermittelt, in dem der SCOP-Wert durch den Primärenergiefaktor dividiert wird. Der Primärenergiebedarf für Strom in Europa wird aktuell mit 2,5 definiert. Für Wärmepumpen müssen bei der Förderung zwei ETA-Werte für Vorlauftemperaturen von 35 Grad und 55 Grad Celsius ermittelt werden.

Die unteren Werte liegen bei elektrischen Luft-Wärmepumpen bei 135% bzw. 125%. Auch dieser Wert wird oft von den Herstellern bereits in den Datenblättern angegeben. Die Berechnungsformel sieht wie folgt aus:

ETA = SCOP / 2,5 * 100 (Beispiel: 3,85 SCOP / 2,5 * 100 = 154%)

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Die Jahresarbeitszahl ist eine weitere Kennzahl, die die Effizienz einer Wärmepumpe im tatsächlichen Praxisbetrieb darstellt. Dieser Wert war in der Vergangenheit auch ein Kriterium für die Förderungen, die nun durch den ETA-Wert abgelöst wurde. Die Jahresarbeitszahl kann nach VDI 4650 als theoretischer Wert ermittelt werden. Tatsächlich ist es aber ein Wert, der über einen längeren Zeitraum das gesamte Heizsystems eine Hauses bewertet. Hierzu gehört im Prinzip auch das eigene Lüftungsverhalten, die Wunschtemperaturen, Nutzung von Warmwasser, Einbindung von Solarenergie und alles, was das Heizverhalten beeinflusst.

Am Ende eines Jahres lässt sich die JAZ relativ einfach ermitteln, wenn man den Strombedarf der Wärmepumpe kennt und die erzeugte Heizenergie ausgewertet werden kann. Der Strombedarf kann entweder über einen eigenen Zähler für die Wärmepumpe ermittelt werden oder idealerweise über entsprechende Infos direkt aus der Anlage. Auch die Wärmeerzeugung sollte so ermittelt werden können. Wenn ich es richtig sehe, mussten entsprechende Wärmemengenzähler in der Vergangenheit für die Förderung auf jeden Fall eingebaut werden. Mit Umstellung auf den ETA-Wert scheint dies aber wohl nicht mehr der Fall zu sein oder ich habe in dem Bafa-Dschungel noch nicht die richtigen Infos gefunden. Der Installateur sollte es hoffentlich wissen, wobei ich selbst natürlich schon nachvollziehen möchte, wie Effizient meine Heizungsanlage im realen Betrieb ist und die Werte dann sogar gerne über meine Haussteuerung auswerten möchte.

Die Jahresarbeitszahl ermittelt sich aus folgender Formel:

JAZ = Heizenergie / Strombedarf 
(Beispiel: JAZ = 12.000kWh Heizenergie / 4.000 kWh Strom = 3)

Mit diversen Online-Rechner, wie z.B. den vom Bundesverband Wärmepumpen, kann man seine mögliche Jahresarbeitszahl auch simulieren.

Die Heizlast als Basis für die Auslegung der Wärmepumpe

Zum Schluß möchte ich noch auf die Heizlast eingehen. Das ist die Wärmeenergie, die im eigenen Haus für die Heizung und die Warmwasseraufbereitung benötigt wird. Eine detaillierte Berechnung kann von einem Energieberater oder dem Heizungsinstallateur vorgenommen werden und hängt u.a. von der Art der Heizungen (Fußboden, Wandheizkörper), dem Dämmzustand des Hauses sowie dem Bedarf an Warmwasser ab.

Diese Kennzahl ist auch die Basis für die Auslegung der Wärmepumpe, also die Energie, die diese liefern sollte, damit das Haus entsprechend geheizt werden kann. Der Wert lässt sich zunächst auch in ersten Annäherungen auf Basis des bisherigen Verbrauchs von Gas oder Öl ermitteln. Wenn man dann aber noch andere Maßnahmen, wie den Austausch von Fenstern oder die Dämmung der Fassade plant, ist dieser Wert zu hoch und müsste entsprechend korrigiert werden.

Idealerweise kann man aus dem eigenen Verbrauch ermitteln, wie viel Energie pro Jahr für die Heizung benötigt wird und wie viel für die eigentliche Heizung. Die Berechnung ist natürlich recht ungenau und liefert nur einen groben Hinweis. Daher hilft es auch, wenn man die Werte für mehrere Jahre hat und einen Mittelwert bilden kann.

Die Heizlast bzw. Heizleistung kann durch folgende Formel ermittelt werden:

(Jahresverbrauch * Heizwert) / Vollbenutzungsstunden = Heizleistung

Der Heizwert dient der Umrechnung des Verbrauchs in den Energiewert in kWh. Für den Bezug von Gasheizungen findet man den Wert u.a. auf der Rechnung. Er liegt grob gerechnet bei etwa 10 kWh pro Kubikmeter Gas. Streng genommen benötigt man beim Gas auch noch die Zustandszahl, die auch auf der Rechnung zu finden ist. Wir nehmen hier den groben Wert 1 an.

Für die Ermittlung der Heizlast wird nun noch die Anzahl der Vollbenutzungsstunden benötigt. Diesen Wert darf man nicht mit den Betriebsstunden verwechseln und wird statistisch ermittelt, wodurch natürlich eine weitere Ungenauigkeit in der Berechnung entsteht. Die Vollbenutzungsstunden gibt die Dauer in Stunden an, die die Heizung bei ständiger Volllast für die Heizleistung benötigen würde. Bei modulierenden Heizungen, die meist viele Betriebsstunden mit einer sehr niedrigen Leistung laufen, würde dieser Wert also deutlich niedriger sein, als die entsprechenden Betriebsstunden.

In einem Einfamilienhaus, welches nur beheizt wird, geht man von ca. 1.500 bis 1.800 Stunden pro Jahr aus. Kommt noch die Warmwasseraufbereitung dazu, dann rechnet man mit etwa 1.800 bis 2.100 Stunden. Bei unserem mittleren Verbrauch inkl. Warmwasser von ca. 2.000 Kubikmeter Gas der letzten drei Jahre ergibt sich somit in etwa folgende Heizlast:

(2.000 cbm * 10 kWh/cbm) / 2.000 h = 10kW

Ganz grob kann man nun sagen, dass ich eine Wärmepumpe mit einer Leistung von um die 10 kW benötige. Wie gesagt, dass ist nur ein grober Annäherungswert und sollte mit einer detaillierten Heizlastberechnung verifiziert werden. Übrigens zeigt mir das, dass unsere aktuelle Heizung wahrscheinlich etwas zu groß ausgelegt wurde. Ein Grund, warum es nicht schaden kann, sich mit solchen Themen zu beschäftigen und dem Heizungsinstallateur ein paar „schlaue“ Fragen stellen zu können ;-).

Soweit zu meinen Erkenntnissen bezüglich der Effizienz von Wärmepumpen, die euch hoffentlich auch ein paar interessante Infos vermittelt haben. Vielleicht habt ihr ja noch Fragen oder Anregungen für weitere Themenstellungen, die für das Projekt Wärmepumpe von Interesse sein können.