Kennzahlen zur Energieeffizienz von Wärmepumpen
Die Energieeffizienz von Wärmepumpen lässt sich durch zwei wesentliche Kennzahlen beschreiben:
Die Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) gibt das Verhältnis der abgegebenen Nutzwärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung (beides in Kilowatt – kW) an, die für den Betrieb der Wärmepumpe erforderlich ist. Diese Zahl wird unter standardisierten Bedingungen auf Prüfständen ermittelt und bezieht sich immer nur auf einen spezifischen Betriebspunkt, der durch die Temperatur der Wärmequelle und die Vorlauftemperatur der Heizung bestimmt wird.
Die Jahresarbeitszahl hingegen gibt an, wie viel Wärmeenergie eine Wärmepumpe im Laufe eines Jahres im Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Energie (beides in Kilowattstunden – kWh) erzeugt. Diese Kennzahl wird entweder nach den Normen VDI 4650 oder DIN EN 14825 (Seasonal Coefficient of Performance – SCOP) berechnet oder direkt im Betrieb gemessen. In der Regel sind theoretische Berechnungen höher als die unter realen Bedingungen gemessenen Werte. Ein Beispiel: Eine Elektro-Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 3 produziert aus 1 kWh Strom und 2 kWh Umgebungswärme insgesamt 3 kWh Heizwärme. Für mit Brennstoff betriebene Wärmepumpen wird diese Kennzahl als Jahresheizzahl bezeichnet.
Je höher die Jahresarbeitszahl, desto effizienter, umweltfreundlicher und kostengünstiger arbeitet die Wärmepumpe im Jahresverlauf. Die Leistungszahl ist für solche langfristigen Betrachtungen weniger geeignet, da sie nur einen spezifischen Moment widerspiegelt und nicht die Schwankungen über das Jahr hinweg.
Eine hohe Jahresarbeitszahl wird erreicht, wenn:
- Die Wärmepumpe hohe Leistungszahlen erzielt und ihre Leistung flexibel an den aktuellen Wärmebedarf anpassen kann (modulierender Betrieb),
- Die Wärmequelle konstant eine hohe Temperatur liefert (z.B. Abwärme oder geothermische Wärme, die besser geeignet sind als Außenluft),
- Das Heizungssystem mit niedrigen Vorlauftemperaturen arbeitet (z.B. großzügig dimensionierte Fußbodenheizungen in gut gedämmten Gebäuden benötigen niedrigere Temperaturen als Heizkörper),
- Alle Komponenten der Wärmepumpenanlage optimal aufeinander abgestimmt und fachgerecht installiert sind.
Energieeffizienz von Wärmepumpen im Betrieb
Langjährige Feldtests zeigen, dass die Jahresarbeitszahlen von Elektro-Wärmepumpen stark variieren können. Während einige Anlagen eine sehr hohe Energieeffizienz aufweisen, arbeiten andere weniger effizient. Die Unterschiede hängen oft davon ab, in welchem Gebäudetyp die Wärmepumpe installiert ist – ob in Neubauten mit Fußbodenheizung oder in Altbauten mit Heizkörpern. Besonders Luft-Wärmepumpen zeigen in Neubauten durchschnittliche Jahresarbeitszahlen zwischen 2,6 und 3,3, können aber in Extremfällen Werte von 1,5 bis 4,3 erreichen. In Altbauten liegen die durchschnittlichen Werte etwas niedriger, zwischen 2,4 und 2,7. Dagegen schneiden Erd-Wärmepumpen besser ab, mit Jahresarbeitszahlen von 3,2 bis 4,3 in Neubauten und 2,9 bis 3,3 in Altbauten. Grundwasser-Wärmepumpen haben durch den Energieaufwand für die Pumpe leicht geringere Effizienzwerte, die jedoch mit denen der Erd-Wärmepumpen vergleichbar sind.
Die Bandbreite dieser Werte zeigt, dass viele Wärmepumpenanlagen im Betrieb noch optimiert werden können, um bessere Jahresarbeitszahlen zu erreichen. Auch in teilsanierten Altbauten können Wärmepumpen ausreichend effizient arbeiten, und nach weiteren Sanierungsmaßnahmen kann die Jahresarbeitszahl weiter steigen.
Die Ergebnisse der Feldtests stimmen gut mit den aktuellen Produktkennwerten für die Energieverbrauchskennzeichnung von Wärmepumpen überein, insbesondere bei Erd-Wärmepumpen. Bei Luft-Wärmepumpen liegen die Produktkennwerte allerdings oft über den in den Feldtests gemessenen Werten, und Grundwasser-Wärmepumpen werden häufig überschätzt.
Umweltfreundlichkeit von Wärmepumpen
Die Umweltwirkung von Wärmepumpen hängt maßgeblich davon ab, wie viel Strom oder Brennstoff sie verbrauchen, was wiederum von der Jahresarbeitszahl abhängt. Die eigentliche Umweltbelastung resultiert aus der Erzeugung und Bereitstellung des benötigten Stroms bzw. dem Verbrennen des Brennstoffs.
Für die Bewertung von elektrischen Wärmepumpen ist es angemessen, den Strommix als Grundlage zu nehmen. Obwohl rund 45 % des Stroms aus erneuerbaren Energien stammt und dieser Anteil weiter steigt, verursacht der verbleibende Anteil von Stein- und Braunkohle nach wie vor CO₂-Emissionen. Darüber hinaus gibt es weitere Umweltbelastungen, wie den Verbrauch nicht-erneuerbarer Ressourcen, Emissionen von Stick- und Schwefeloxiden sowie Feinstaub und anderen Schadstoffen.
Eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 3,0 benötigt für die Erzeugung von 100 kWh Heizwärme 67 kWh Umgebungswärme und 33 kWh Strom. Um diesen Strom bereitzustellen, sind 76 kWh Primärenergie notwendig, wovon 51 kWh aus nicht-erneuerbaren und 26 kWh aus erneuerbaren Energien stammen. Bei einer Jahresarbeitszahl von 4,0 reduziert sich der Primärenergiebedarf auf 58 kWh.
Die Jahresarbeitszahl, die eine Wärmepumpe erreichen sollte, hängt von verschiedenen Faktoren ab:
- Um den Einsatz fossiler Energieträger auszugleichen, genügt eine Jahresarbeitszahl von mindestens 1,6, dank des gestiegenen Anteils erneuerbarer Energien am Strommix.
- Um die CO₂-Emissionen der Stromerzeugung zu kompensieren, ist eine Jahresarbeitszahl von mindestens 2,0 erforderlich.
- Damit eine Wärmepumpe wirtschaftlich arbeiten kann, also die höheren Investitionskosten durch niedrigere Betriebskosten ausgeglichen werden, sollte die Jahresarbeitszahl über 3,2 liegen.
Wärmepumpen tragen oberhalb dieser Werte zum sparsamen Einsatz fossiler Energieträger, zum Klimaschutz und zur Reduzierung der Heizkosten bei. Der Vergleich mit den Feldtests zeigt, dass Wärmepumpen die ersten beiden Schwellen deutlich übertreffen und damit einen positiven Umwelteffekt haben. Lediglich die Anforderungen an die Jahresarbeitszahl für einen wirtschaftlichen Betrieb sind höher und stark abhängig von den Energiepreisen. Mittelfristig dürfte die CO₂-Bepreisung im nationalen Emissionshandel Wärmepumpen wirtschaftlicher machen, da die Kosten für Heizöl und Erdgas steigen und Strom günstiger wird. In jedem Fall ist eine professionelle Wirtschaftlichkeitsrechnung über die gesamte Lebensdauer der Anlage ratsam, ebenso wie die Nutzung von Fördermitteln.
Eine Kombination aus Wärmepumpe und Photovoltaikanlage kann die CO₂-Emissionen weiter reduzieren, indem der erzeugte Strom teilweise selbst genutzt wird. Allerdings ist die Deckung des Strombedarfs einer Wärmepumpe durch eine Photovoltaikanlage begrenzt, da die meiste Solarenergie im Sommer erzeugt wird, während der Heizbedarf im Winter am höchsten ist.
Im Jahr 2020 lieferten etwa 1,3 Millionen Wärmepumpen in Deutschland insgesamt rund 23,4 Terawattstunden Heizwärme. Nach Abzug der benötigten Hilfsenergie entspricht dies einer erneuerbaren Wärmemenge von etwa 16 TWh, was 1,4 % des gesamten Endenergieverbrauchs für Wärme in Deutschland ausmacht. Durch den Einsatz von Wärmepumpen konnten etwa 2 Millionen Tonnen Treibhausgase vermieden werden, was ihren Beitrag zum Klimaschutz unterstreicht. Zur Minderung von Schwefeldioxid- und Kohlenmonoxidemissionen tragen Wärmepumpen derzeit jedoch nicht bei.
Weitere Treibhausgasemissionen entstehen durch das Kältemittel in Wärmepumpen, das bei der Herstellung, im Betrieb oder bei der Entsorgung entweichen kann. Diese Kältemittel, meist teilfluorierte Kohlenwasserstoffe, haben ein Treibhauspotenzial, das bis zu 4.000-mal höher ist als das von CO₂. Daher ist es wichtig, diese Kältemittel möglichst umweltfreundlich zu handhaben und klimafreundlichere Alternativen wie Propan (R290) zu verwenden. Wärmepumpen mit R290, das auch in Kühlschränken eingesetzt wird, sind inzwischen von verschiedenen Herstellern erhältlich und bieten durch ihre günstigen thermodynamischen Eigenschaften hohe Wirkungsgrade.
Auch andere Umweltfaktoren sind zu berücksichtigen: Luft-Wärmepumpen benötigen im Winter, wenn die Außenluft wenig Energie enthält, einen höheren Luftdurchsatz, und ihre Verdichter können Schallemissionen erzeugen, die als störend empfunden werden. Daher sollte bei der Planung darauf geachtet werden, Lärm zu vermeiden, um Konflikte mit Nachbarn zu vermeiden. Leitfäden und Tools, wie der Schallrechner des Bundesverbands Wärmepumpe, können hier helfen.
Oberflächennahe Geothermie, die für den Betrieb von Erdsonden genutzt wird, kann zu einem thermischen Einfluss auf den Untergrund führen. Im Winter, wenn den Erdsonden Wärme entzogen wird, kann der Boden abkühlen, im Sommer hingegen erwärmt sich der Boden bei der Einspeisung von überschüssiger Solarwärme. Eine Regeneration des Untergrunds ist oft erwünscht. Ab einem bestimmten Niveau der geothermischen Nutzung können die Temperaturänderungen und die gegenseitige Beeinflussung der Anlagen negative Auswirkungen auf die Effizienz haben. Daher gibt es in einigen Bundesländern Vorgaben zur maximalen Entzugsleistung.