Der Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist eine dimensionslose physikalische Kennzahl, die die Effizienz einer technischen Anlage beschreibt. Dabei definiert er das Verhältnis zwischen der nutzbaren, abgegebenen Leistung (Nutzen) und der zugeführten Leistung (Aufwand).
Während klassische Verbrennungsheizungen physikalisch bedingt immer einen Wirkungsgrad von unter 100 Prozent aufweisen (da bei der Umwandlung von Brennstoff in Wärme immer Verluste entstehen), arbeiten Wärmepumpen nach einem anderen Prinzip. Da sie thermische Energie aus der Umwelt aufnehmen und lediglich Strom für den Antriebsprozess benötigen, liegt ihr „Wirkungsgrad“ rechnerisch deutlich über 100 Prozent, weshalb man hier stattdessen von Leistungszahlen (COP) oder der Jahresarbeitszahl (JAZ) spricht.
Der Wirkungsgrad kurz erklärt
- Beschreibt das Verhältnis von Nutzen (Wärme) zu Aufwand (Energie)
- Wird bei Wärmepumpen als COP (Momentanwert) oder JAZ (Jahreswert) angegeben
- Liegt bei fossilen Heizungen unter 1 ( < 100%), bei Wärmepumpen oft über 3 ( > 300%)
- Hängt maßgeblich von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizsystem ab
Technischer Hintergrund und Kennzahlen
Physikalisch gesehen darf ein Wirkungsgrad in einem geschlossenen System laut Energieerhaltungssatz nicht größer als 1 sein. Dass Wärmepumpen scheinbare Wirkungsgrade von 300 bis 500 Prozent erreichen, liegt daran, dass die kostenlose Umweltwärme (aus Luft, Erde oder Wasser) in der energetischen Bilanz als „Input“ oft nicht mitgerechnet wird, da sie nicht bezahlt werden muss.
Um diese Effizienz vergleichbar zu machen, haben sich spezifische Begriffe etabliert, die genauer sind als der allgemeine Begriff Wirkungsgrad:
- COP (Coefficient of Performance): Dies ist der Wirkungsgrad zu einem exakten Zeitpunkt unter genormten Laborbedingungen (z. B. A2/W35 – Außenluft 2 °C, Vorlauf 35 °C). Er dient der Vergleichbarkeit von Geräten.
- JAZ (Jahresarbeitszahl): Sie ist der „Nutzungsgrad“ über ein ganzes Jahr betrachtet. Sie berücksichtigt schwankende Außentemperaturen und unterschiedliche Betriebszustände in der realen Anlage.
- SCOP (Seasonal Coefficient of Performance): Ein theoretischer Mittelwert, der die JAZ basierend auf europäischen Klimadaten simuliert und für das Energielabel verwendet wird.
Bedeutung für das Heizsystem
Der Wirkungsgrad ist keine starre Größe des Geräts, sondern stark abhängig von den Einsatzbedingungen. Ein entscheidender Faktor ist der Temperaturhub: Je geringer der Unterschied zwischen der Temperatur der Wärmequelle (z. B. Außenluft) und der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe im Heizsystem ist, desto weniger Arbeit muss der Verdichter leisten.
Das bedeutet in der Praxis:
- Eine niedrige Vorlauftemperatur (z. B. durch Fußbodenheizung oder großflächige Heizkörper) erhöht den Wirkungsgrad massiv.
- Eine hohe Quellentemperatur (z. B. Erdreich im Winter wärmer als Außenluft) wirkt sich ebenfalls positiv aus.
Ein schlecht eingestelltes System kann den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe deutlich mindern. Daher ist die korrekte Planung, etwa durch einen hydraulischen Abgleich, wichtig, um die theoretisch möglichen Werte auch wirklich zu erreichen. Dies gilt besonders, wenn eine Wärmepumpe im Altbau installiert wird, wo oft höhere Vorlauftemperaturen benötigt werden als im Neubau.
Vergleich mit fossilen Erzeugern
Klassische Heizkessel (Öl oder Gas) verbrennen chemische Energie. Selbst moderne Brennwertgeräte, die die Wärme im Abgas nutzen, kommen bezogen auf den Brennwert physikalisch kaum über 98% Wirkungsgrad hinaus. Sie wandeln also „nur“ die eingekaufte Energie um.
Die Funktionsweise der Wärmepumpe hingegen nutzt die Antriebsenergie nicht direkt zum Heizen, sondern zum „Pumpen“ von Wärme. Dieser Prozess ist thermodynamisch weitaus effektiver, was sich direkt in den Kosten einer Wärmepumpe niederschlägt: Wer aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme macht, zahlt pro kWh Wärme deutlich weniger als bei direkter Verbrennung, selbst wenn der Strompreis pro kWh höher ist als der Gaspreis.
Rechtlicher Kontext
Die Effizienzangaben von Wärmeerzeugern sind europäisch geregelt. Die Ökodesign-Richtlinie (ErP) schreibt vor, dass Heizgeräte mit einem Energielabel gekennzeichnet werden müssen. Für Wärmepumpen ist hier der SCOP maßgeblich. Da Wärmepumpen aufgrund ihres Wirkungsprinzips so effizient sind, erreichen sie in diesen Labels oft Spitzenwerte (A++ oder A+++), die mit fossilen Techniken physikalisch unerreichbar sind.
Auch die Förderung von Wärmepumpen ist an Mindesteffizienzwerte (JAZ oder ETAs) gekoppelt, um sicherzustellen, dass nur ökologisch sinnvolle Systeme bezuschusst werden.