Wirkungsgrad Wärmepumpe: effizienter & nachhaltiger Heizen!

Wirkungsgrad Wärmepumpe: Was sagt er aus?

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Wärmepumpen nutzen Umweltenergie und wandeln sie mit Hilfe elektrischer Energie in nutzbare Wärme um. Der Wirkungsgrad spiegelt dabei das Verhältnis der gewonnenen thermischen und der eingesetzten elektrischen Energie wieder - er dient also dazu die Effizienz einzuschätzen.

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe liegt abhängig von Art, Modell und Hersteller bei etwa 2,5 bis 5,0. Das bedeutet, dass sie aus dem eingesetzten elektrischen Strom, das 2,5 bis 5 fache an Wärmeenergie gewonnen haben. Selbst mit den untersten dieser Werte weißen Wärmepumpen eine deutlich höhere Effizienz auf, als andere Heizsysteme - diese kommen zumeist nämlich nicht mal auf Werte von 1,0. Da Öl- oder Gasheizungen nur die in den fossilen Brennstoffen enthaltene Energie in Wärme umsetzten können, kann rein physikalisch betrachtet nicht mehr als 100 Prozent, also ein Wirkungsgrad von 1 erreicht werden. Während dem Umwandlungsprozess geht allerdings auch Energie verloren, weshalb der Wert bei den meisten Heizungen sogar unter 0 fällt. Angegeben wird der Wirkungsgrad entweder als Zahlenwert z.B. 3,5 bei einer Wärmepumpe oder In Prozent, was in diesem Fall 350% wären.

Vom sogenannten Nutzungsgrad ist die Rede, wenn der Wirkungsgrad in verschiedenen Betriebssituationen über einen längeren Zeitraum hinweg ermittelt wird. Dieser gibt an, wie viel der gewonnenen, nutzbaren Energie am Ende tatsächlich zur Beheizung der Räume genutzt wird. Weisen beide Größen hohe Werte auf, spricht das für einen geringeren Energieverbrauch und damit eine hohe Effizienz der Heizung.

Gut zu wissen: Wenn Sie sich für Anschaffung und Installation einer Wärmepumpe entscheiden, können Sie von staatlichen Fördermitteln profitieren - bis zu 70% Förderung der förderfähigen Kosten sind dabei möglich.  Seit 2024 gilt diese Regelung für alle Wärmepumpen mit einem Wirkungsgrad beziehungsweise einer Jahresarbeitszahl von 3,0 und mehr.

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Wirkungsgrade verschiedener Heizsysteme im Vergleich

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Wirkungsgrad Wärmepumpe

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Wärmepumpen nutzen Umweltenergie aus - je nach Art - Luft, Erdreich oder Grundwasser und wandeln sie mittels elektrischer Energie in nutzbare Wärme um. Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip des umgekehrten Kühlschranks und bringen eine kühlere Energiequelle auf ein höheren Temperatur- und Druckniveau. Um das dafür benötigte Kältemittel zu komprimieren wird Strom benötigt, wenn auch nur zu einem relativ geringen Anteil. Je nach Wärmepumpen-Typ liegt der Wirkungsgrad bei 250 bis 500 Prozent - es wird also 2,5 bis 5 mal so viel Energie erzeugt als zugeführt werden muss.

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Wirkungsgrad Gasheizungen

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Gasheizungen greifen auf fossile Brennstoffe zurück. Abhängig von der genutzten Technik  variiert der Wirkungsgrad zwischen 0,8 und 1,1. Während Konstant - und Niedertemperaturkessel lediglich die Verbrennung und Vergasung zur Wärmeabgabe haben, nutzen Anlagen mit Brennwerttechnik auch die Abgas-Kondensation, was die Effizienz erhöht. Doch auch sie sind abhängig von fossilen Brennstoffen und tragen zur Umweltverschmutzung durch CO2-Emission bei.

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Wirkungsgrad Ölheizung

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Auch Ölheizungen setzten auf den Einsatz fossiler Brennstoffe. In einem sogenannten Brenner wird das Heizöl verbrannt, wodurch Wärme frei wird. Da Sie weniger Effizient arbeiten als Gasheizungen und zudem mehr CO2 ausstoßen, fällt auch der Wirkungsgrad niedriger aus. Generell liegt dieser bei  0,7 bis 1,1 - Anlagen mit Nieder- oder Konstanttemperaturkessel weisen die geringsten Werte auf, jene mit Brennwertkessel die höchsten.

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Wirkungsgrad Wärmepumpe: Wie wird er berechnet?

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Prinzipiell beruht die Berechnung des Wirkungsgrades auf dem Carnot’schen Kreisprozess. Was wie ein Zungenbrecher klingt, geht auf den Physiker Nicholas Carnot zurück, der das Prinzip des Wirkungsgrades unter anderem an Verbrennungsmotoren demonstrierte. Komplett kann das Carnot Prinzip nicht adaptiert werden, da der Vorgang bei Wärmepumpen andersrum abläuft: Statt thermische Energie in mechanische umzuwandeln, wird mechanische bzw. elektrische Energie genutzt, um Wärme zu erzeugen.

Statt Wärme in Arbeit umzuwandeln, wird elektrische Energie genutzt, um Wärme von einer kälteren Umgebung (zum Beispiel der Außenluft) in einen wärmeren Raum (wie das Hausinnere) zu transportieren. Dieser umgekehrte Ablauf und die damit verbundenen unvermeidlichen Verluste in realen Anlagen führen dazu, dass der theoretisch errechnete Höchstwert in der Praxis nie erreicht wird. Zudem gilt: Je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und dem Zielort ist, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten.

Insgesamt liefert der theoretische Ansatz also einen nützlichen Richtwert, während der tatsächliche Wirkungsgrad von verschiedenen praktischen Faktoren, wie zum Beispiel technischen Verlusten, beeinflusst wird.

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Warum ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe so hoch?

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Die hohe Effizienz der Wärmepumpe ist ein großer Vorteil aus ökonomischer und ökologischer Sicht - aber warum ist der Wirkungsgrad eigentlich so viel höher als bei anderen Wärmeerzeugern?

Wärmepumpen verbrauchen Strom, jedoch nutzen sie zu 75 % erneuerbare Energie. Die in unserer Umwelt ohnehin vorhandenen Wärme, wird quasi in das Heizsystem des Hauses umgelagert, ganz ohne die Nutzung von fossilen Brennstoffen.

Zur Ermittlung des Wirkungsgrades spielt der isolierte Wert der Umweltenergie keine Rolle. Zwar fließt die Umweltenergie passiv in die Nutzleistung der Wärmepumpe ein – ohne den Anteil von 75 % wäre ihre Nutzleistung nicht realisierbar –, jedoch wird sie als einzelner Wert in der Berechnungsformel nicht berücksichtigt.Weil in der Rechnung die hohe Nutzleistung lediglich dem 25-prozentigen Stromverbrauch gegenübergestellt wird, resultiert daraus ein sehr hoher Wirkungsgrad. Im Gegensatz dazu weisen andere Systeme entweder ein Eins-zu-Eins-Verhältnis zwischen zugeführter und abgegebener Energie auf oder verbrauchen oft sogar mehr Energie, als sie liefern, wodurch Wärmepumpen deutlich bessere Ergebnisse erzielen.

Zwar unabhängig von der Effizienz, dennoch nicht außer acht zu lassen ist die kostenfreie und dauerhafte Verfügbarkeit der Energiequellen sowie die umweltfreundliche, nachhaltige Nutzung mit geringem CO2-Ausstoß. Gerade in Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage kann der Wärmeerzeuger nahezu ausschließlich mit erneuerbaren Energien betrieben werden.

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Welche Faktoren können den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe beeinflussen?

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Verschiedene Faktoren beeinflussen den tatsächlichen Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Insbesondere die Temperatur der Wärmequelle und die Vorlauftemperatur spielen hierbei eine zentrale Rolle.

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Die Temperatur der Wärmequelle

Die Komponente, die bei einer Wärmepumpe den höchsten Stromverbrauch verursacht, ist der Kompressor beziehungsweise Verdichter. Dieser komprimiert das zuvor verdampfte Kältemittel, wodurch dessen Druck ansteigt – und folglich auch dessen Temperatur bis hin zur gewünschten Vorlauftemperatur.

An dieser Stelle ein kurzer Einschub zur Funktionsweise der Wärmepumpe: Der Wärmeerzeuger arbeitet nach dem Prinzip des Kältekreislaufs. Ein Kältemittel nimmt in einem Verdampfer die Umgebungswärme auf und verdampft. Anschließend wird das gasförmige Kältemittel in einem Kompressor verdichtet, wodurch seine Temperatur steigt. In einem Wärmetauscher gibt es die aufgenommene Wärme an das Heizsystem ab und kühlt sich dabei ab, sodass es wieder verflüssigen kann. Dieser Kreislauf wiederholt sich kontinuierlich und ermöglicht so eine effiziente Nutzung der vorhandenen Umweltwärme.Wichtig ist hierbei: Je höher die Temperatur des Kältemittels an der Wärmequelle (wie Luft, Erde oder Grundwasser) bereits ist und desto geringer der Unterschied zur Vorlauftemperatur, desto weniger Arbeit muss der Kompressor leisten. Das führt zu einem geringeren Stromverbrauch und somit zu einem höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpe.Letztlich hängt der Wirkungsgrad maßgeblich davon ab, welche Wärmequelle genutzt wird und wie warm diese ist. Aus diesem Grund unterscheiden sich die Wirkungsgrade auch zwischen den verschiedenen Arten von Wärmepumpen. Mit einem Wirkungsgrad von 2,5 bis 3,5 - abhängig von der Außentemperatur- weisen Luft-Wasser-Wärmepumpen die geringsten Werte auf, womit sie andere Heizsysteme aber immer noch bei weitem übertreffen. Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind gelten als effektivsten mit einem Wirkungsgrad von bis zu 5 - der Anschaffungs- und Installationsaufwand ist hierbei aber deutlich höher als bei anderen Optionen.

Eine Frage die häufig aufkommt, betrifft die Effizienz der Wärmepumpe bei Minusgraden. Bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen und Sole-Wasser-Wärmepumpen ist das in der Regel kein Problem, da die Temperaturen des Grundwasser bzw. im Erdreich nicht unter Null sinken. Aber auch moderne Luft-Wasser-Wärmepumpen können noch bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten, auch wenn der Strom verbrauch ansteigt um die größere Differenz zur Vorlauftemperatur zu überbrücken.

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Die Vorlauftemperatur

Die Vorlauftemperatur hat dahingehend einen Einfluss, dass die Differenz zwischen der Temperatur außen und der im Vorlauf steigt, je höher die benötigte Vorlauftemperatur ausfällt. Idealerweise sollte sie bei etwa 35°C liegen. Das ist etwa der Fall bei Niedertemperatur Heizungen die am besten noch mit einer Flächenheizung z.B. einer Fußbodenheizung ausgestattet ist.

Andere Systeme benötigen höhere Vorlauftemperaturen, doch auch hier arbeitet die Wärmepumpe nicht ineffizient. Moderne Optionen erzielen auch bei höheren Temperaturen im Vorlauf noch immer hohe Wirkungsgrade.

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Weitere beeinflussende Faktoren

Vorlauftemperatur und die Temperatur der Wärmequelle sind die Faktoren die am meisten Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Effizienz der Wärmepumpe nehmen. Doch es gibt noch weitere Punkte, die den Wirkungsgrad mit beeinflussen:

• Die richtige Dimensionierung und Installation der Anlage
• Die Effizienz des Kompressors
• Eine korrekte Einstellung des Heizsystems
• Optimierung des eigenen Heizverhaltens
• Regelmäßige Wartungen der Wärmepumpe
• Die Gebäudedämmung
• Günstige Stromtarife und/oder die Nutzung von selbst generiertem Solarstrom

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Wichtige Kennzahlen zum Vergleich der Wärmepumpen Effizienz

Neben dem Wirkungsgrad spielen weitere Kennzahlen eine Rolle, wenn es um die Effizienz der Wärmepumpe geht:

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1. Der COP (Coefficent of Performance)

Der Wirkungsgrad von Wärmepumpen wird üblicherweise über die sogenannte Leistungszahl, auch als Coefficient of Performance (COP) bezeichnet, angegeben. Ein beispielhafter COP von 4 bedeutet, dass die Wärmepumpe aus 1 kWh eingesetztem Strom 4 kWh Wärme erzeugt – also viermal so viel Wärme liefert, wie an elektrischer Energie verbraucht wird. Werte zwischen 3 und 5 gelten dabei als gut. Bei der Kaufentscheidung hilft der COP-Wert, da er die unter standardisierten Laborbedingungen ermittelte Energieeffizienz verschiedener Wärmepumpen miteinander vergleicht.

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2. Der SCOP (Seasonal Coefficent of Performance)

Der SCOP gibt an, wie sich die Wärmepumpe in verschiedenen Betriebszuständen verhält. Dabei werden vier verschiedene Außentemperatur-Werte herangezogen. Die Leistung des elektrischen Heizstabs und weitere Faktoren fließen ebenfalls mit ein.

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3. Die JAZ (Jahresarbeitszahl)

Die Jahresarbeitszahl ist relevant, wenn es um die Wärmepumpen-Effizienz im laufenden Betrieb - also unter realen Bedingungen geht. Der Effizienzwert kann erst etwa ein Jahr nach der Inbetriebnahme der Anlage ermittelt werden. Anhand dieses Werts lassen sich auch die jährlichen Stromkosten berechnen. Für diese Messung benötigen Sie einen Wärmemengenzähler sowie einen separaten Stromzähler.

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Sollte ich die Wärmepumpe nur nach dem Wirkungsgrad auswählen?

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Ein höherer Wirkungsgrad steht zwar für mehr Effizienz – aber sollte man sich bei der Auswahl des Wärmeerzeugers ausschließlich daran orientieren? Die Antwort lautet: Nein. Zwar ist der Wirkungsgrad ein wichtiger Faktor, doch er sollte nicht das einzige Entscheidungskriterium sein.

So sind beispielsweise Luftwärmepumpen zwar weniger effizient als andere Varianten, bieten aber den Vorteil niedriger Anschaffungskosten und erfordern keine aufwändigen Vorbereitungs- oder Baumaßnahmen. Grundwasserwärmepumpen, die besonders hohe Effizienzwerte erreichen, können hingegen nicht überall eingesetzt werden, da ihr Betrieb häufig behördliche Genehmigungen benötigt. Zudem weisen alle Wärmepumpen – unabhängig von der gewählten Variante – im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen einen deutlich höheren Wirkungsgrad auf.

Lassen Sie sich deshalb von einem Energieeffizienz-Experten beraten, um die Wärmepumpe zu finden, die optimal zu Ihren Wünschen, Bedürfnissen und örtlichen Gegebenheiten passt.

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Fazit

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Wärmepumpen bieten mit einem Wirkungsgrad von 2,5 bis 5,0 eine weitaus höhere Effizienz als herkömmliche Heizsysteme, da sie aus 1 kWh eingesetztem Strom bis zu 5 kWh Wärme erzeugen können. Diese beeindruckende Leistung resultiert aus der Nutzung von Umweltenergie, die zu rund 75 % aus erneuerbaren Quellen stammt, und macht Wärmepumpen besonders umweltfreundlich und kosteneffizient – selbst bei niedrigen Außentemperaturen. Neben den hohen Effizienzwerten spielen Faktoren wie die Temperatur der Wärmequelle, die korrekte Dimensionierung und der individuelle Heizbedarf eine wichtige Rolle. Auch staatliche Förderprogramme unterstützen den Umstieg auf diese nachhaltige Technologie. Insgesamt stellen Wärmepumpen eine zukunftsweisende und wirtschaftliche Alternative zu fossilen Heizsystemen dar.

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