Studie: Effizienz von Wärmepumpen

Von Louis-F. Stahl

(14. Januar 2019) Strombetriebene Wärmepumpen können unter bestimmten Voraussetzungen auch in Bestandsgebäuden effizient betrieben werden. Zu diesem Ergebnis kommen aktuelle Zwischenergebnisse der Studie „WPsmart im Bestand“, die vom Fraunhofer ISE zusammen mit Livedaten der teilnehmenden Anlagen und den Ergebnissen von vier bereits abgeschlossenen Studien im Internet veröffentlicht wurden.

Die in mindestens 20 Jahre alten Gebäuden installierten Wärmepumpen erzielen der Untersuchung zu Folge im Fall von Luft-Wasser-Wärmepumpen durchschnittlich eine Jahresarbeitszahl von 3,1 und im Fall von Anlagen mit Erdreichkollektor eine durchschnittliche Jahresarbeitszahl von 3,7. Die Jahresarbeitszahl gibt das Verhältnis der über das Jahr erzeugten Nutzwärme zur aufgenommenen elektrischen Energie an. Je höher die Arbeitszahl, desto effizienter die Wärmepumpe.

Die Untersuchung zeigt, dass die Effizienz der Anlagen ganz entscheidend von den Heizungswassertemperaturen abhängt. So erreichte eine Wärmepumpe mit einer mittleren Vorlauftemperatur von 54 °C und Radiator-Heizkörpern nur eine Jahresarbeitszahl von 1,8. Wohingegen bei einer mittleren Vorlauftemperatur von nur 31 °C bei einer Anlage mit Fußbodenheizung eine mehr als doppelt so hohe Jahresarbeitszahl von 4,1 erreicht wurde. Die Untersuchung zeigt aber auch, dass bei einem guten hydraulischen Abgleich, einer optimalen Einstellung der Anlage und der Absenkung der Vorlauftemperatur auf das zur Beheizung notwendige Niveau von im Mittel rund 40 °C auch ohne Fußbodenheizung mit großen Radiatorheizkörpern eine Jahresarbeitszahl von 3,7 möglich ist.

Jahresverwirrzahl

Hält eine Wärmepumpe, was sie verspricht? Selbst unter Fachleuten herrscht darüber häufig Unsicherheit: Ab welcher Jahresarbeitszahl arbeiten Elektro-Wärmepumpen in Deutschland -„besser" oder „energieeffizienter" als konventionelle Heizkessel? Das Problem: Je nach Standpunkt und Interessenslage variieren die Mindest-Jahresarbeitszahlen erheblich.

(13. September 2010) Unter der Jahresarbeitszahl JAZ einer Wärmepumpe versteht man das Verhältnis von jährlich erzeugter Wärme am Ausgang zum notwendigen Betriebsstrom für die Pumpe. Es gibt verschiedene Methoden, die JAZ zu ermitteln: Für die Werte der günstigeren Erzeuger-Jahresarbeitszahl EJAZ wird der Wärmegewinn direkt hinter der Wärmepumpe gemessen sowie der Strom für die Wärmepumpe selbst und für die Erschließung der Kaltquellen Luft, Grundwasser oder Erdreich.

Neutrale Tabelle hilft bei Bewertung

Die für die Energieeffizienz und den Klimaschutz maßgebliche System-Jahresarbeitszahl SJAZ berücksichtigt zusätzlich die folgenden Verlustquellen: Heizungspuffer- und Warmwasserspeicher, Abtauenergie des Lamellenverdampfers bei Luft-Wärmepumpen, Notheizstab und Speicher-Ladepumpen. Die SJAZ bilanziert also die Nutzenergien des Wärmepumpensystems.

Umstritten ist die Höhe der Jahresarbeitszahl, die mindestens erforderlich ist, um Elektro-Wärmepumpen als energieeffizient bezeichnen zu können. Je nach Interessenlage schwankt diese Zahl zwischen den Werten zwei und vier. Das hängt mit der Art der Stromerzeugung zusammen (hohe thermische Verluste) und dem Brennstoffmix (hoher Kohleanteil). Außerdem spielt der Bezug zu einem konventionellen Heizkessel eine Rolle. Dabei handelt es sich häufig um eine Erdgas-Brennwert-Therme. Doch nicht genug, dass die ermittelten Werte schwanken. Unterschiedliche Interessenvertreter nennen zudem verschiedene Werte, ab denen eine Wärmepumpe als energieeffizient gilt -(siehe Kasten).

Die geforderten Mindest-Jahresarbeitszahlen für Elektro-Wärmepumpen schwanken also um einen Faktor zwei. Eine JAZ von etwa zwei ist freilich dem Lobbyismus geschuldet: Die Hersteller wollen Wärmepumpen und die Energieversorger Strom verkaufen. De facto handelt es sich bei solch niedrigen Jahresarbeitszahlen um eine verkappte Stromheizung und eine offensichtliche Verschwendung von kostbarer Primärenergie. Es bleibt die Frage, wie die Europäische Union und die Bundesregierung die ehrgeizigen Klimaschutzziele erreichen wollen, bis zum Jahre 2020 30 Prozent des klimaschädlichen Treibhausgases Kohlendioxid einzusparen?

Realistischer sind da schon die geforderten Mindest-Jahresarbeitszahlen in der oben erwähnten Wärmepumpen-Fibel für „energieeffiziente" und „nennenswert energieeffiziente" Wärmepumpen in Höhe von 3,0 beziehungsweise 3,5. Es sind dann aber immerhin noch 33 beziehungsweise 29 Prozent des hochwertigen und teuren Stroms erforderlich, um ein Haus mit Wärme für die Heizung und das Brauchwasser zu versorgen. Umwelt- und Klimaschützer kritisieren deshalb die Forderung von dena und RWE als zu schwach.

Die Ergebnisse der Phase 2 „Innovative Wärmepumpensysteme“ sind seit Kurzem verfügbar. Die Ergebnisse lauten „Selters bis Sekt“, will sagen: Alles drin, von einer Arbeitszahl zwischen eins und zwei (fast Stromheizung) bis fünf (ausgezeichnet). Offenbar ist ein Teil der Innovationen doch nicht so erfolgreich wie erwartet.

Deren Forderung liegt bei einer Jahresarbeitszahl von mehr als vier, das heißt: Es sind nur noch 25 Prozent Strom erforderlich, um zusammen mit 75 Prozent Umweltwärme (Grundwasser und Erdreich) den Wärmebedarf von Häusern zu decken. Eine so hohe Jahresarbeitszahl erreichen Luft-Wärmepumpen in der Praxis jedoch nicht.

Um der großen Unsicherheit unter Fachleuten und Laien bei der Beurteilung der Energieeffizienz von Elektro-Wärmepumpen zu begegnen, hat die Lokale Agenda 21 - Gruppe Energie Lahr im Schwarzwald eine Klassifizierung und Bewertung von Jahresarbeitszahlen erstellt, die keine Marketing-Interessen, sondern den Beitrag zum Klimaschutz berücksichtigt.

Die Tabelle versucht, die Interessen der Hersteller und Energieversorger auf der einen Seite und die der Umwelt- und Klimaschützer auf der anderen Seite zu berücksichtigen. Es ist abzusehen, dass es von beiden Seiten Kritik geben wird.

Diese Bewertungen liegen den ersten Berichten der Phase 2 „Innovative Wärmepumpensysteme" des „Feldtests Wärmepumpen" zugrunde. Sie gelten nur für den deutschen Strommix. In Ländern wie Österreich und der Schweiz mit hohem Anteil an Wasserkraft und für die Schweiz Kernenergie verändert sich die Beurteilungstabelle erheblich.

Dr. Falk Auer
Lokale Agenda 21 - Gruppe Energie, Lahr (Schwarzwald)
Friedhofstraße 32/3
D-77933 Lahr
Tel. +49 7821 991601
eMail: nes-auer@t-online.de

Erdreich-Wärmepumpen zahlen sich aus

Wärmepumpen genießen einen guten Ruf. Doch wie alltagstauglich arbeiten sie? Die Lokale Agenda 21-Gruppe Energie im badischen Lahr hat genau nachgemessen und kommt zu dem Schluss, dass die Energieausbeute sehr stark davon abhängt, welche Wärmequelle man anzapft: Ergebnis: Nur die Erdreich-Wärmepumpen sparen wirklich Energie.

(22. März 2008) - "Mit 100 Prozent Sonne heizen", mit solchen Werbeversprechen locken die Hersteller von Wärmepumpen umwelt- und preisbewusste Kunden. Die Praxis sieht völlig anders aus. Das zeigt die Felduntersuchung in Lahr. Die lokale Agenda 21-Gruppe hat gemeinsam mit der Energieagentur Offenburg die Leistung von Wärmepumpen erfasst. Badenova und das E-Werk Mittelbaden unterstützen das Projekt finanziell.

Die Lahrer Forscher nahmen 33 Ein- und Zweifamilienhäuser mit Wärmepumpenheizung von elf Herstellern und fünf Wärmepumpen für die Warmwasserbereitung unter die Lupe. Schon nach dem ersten Messjahr kommt das Team zu interessanten Ergebnissen.

Die Jahresarbeitszahl

Wärmepumpen "pumpen" über einen Kältemittelkreislauf Niedertemperaturwärme aus der Umwelt, also beispielsweise aus der Luft, aus dem Grundwasser oder dem Erdreich, mit Hilfe von Strom auf ein höheres, für die Heizung und für die Bereitung von Warmwasser nutzbares Temperaturniveau. Entscheidend für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Arbeitszahl, also das Verhältnis der Wärme am Ausgang der Wärmepumpe zum erforderlichen Strom an deren Eingang. Dieses Verhältnis muss mindestens drei betragen, damit Elektro-Wärmepumpen überhaupt nennenswert zum Klimaschutz beitragen können, und um die erheblichen Mehrkosten gegenüber einem Brennwertkessel in Höhe von 7.000 bis 16.000 Euro zu rechtfertigen.

Ein Beispiel: Wenn die Werbung von einer Jahres-Arbeitszahl (JAZ) von vier spricht, dann sind 25 Prozent Strom erforderlich, um mit 75 Prozent Umweltwärme 100 Prozent Nutzwärme zu erzeugen. Eine so hohe Arbeitszahl erreichen unter realistischen Betriebsbedingungen aber nur wenige Grundwasser- und Erdsonden-Wärmepumpen.

Je geringer die benötigte Nutztemperatur ist, umso effizienter arbeitet eine Wärmepumpe. Deshalb sind gut gedämmte Häuser mit Fußbodenheizung klar im Vorteil. Denn eine Fußbodenheizung kommt mit wesentlich geringeren Heizwassertemperaturen aus. In schlecht gedämmten Häusern arbeiten die teuren Wärmepumpen deutlich ineffizienter, weil die Heizkörpertemperaturen dort deutlich höher liegen müssen. Die Agenda-Gruppe ermittelte bei Luft-Wärmepumpen mit Radiatorheizkörpern einen Strommehrverbrauch von etwa 25 Prozent gegenüber Fußbodenheizungen.

Erdwärmepumpen kommen auf eine Arbeitszahl von 3,4 - Luftwärmepumpen heizen zur Hälfte mit Strom.

Wärmequellen

Am besten schneiden die Erdreich-Heiz-Wärmepumpen ab: Ihre mittleren JAZ beträgt in Kombination mit einer Fußbodenheizungen 3,4. Zwei Anlagen übertreffen sogar die in der Werbung angegebene JAZ von 4. Grundwasser-Wärmepumpen in Kombination mit einer Fußbodenheizung schneiden mit einer JAZ von 3,0 deutlich schlechter ab. Schlusslicht bilden die Luft-Wärmepumpen mit einer JAZ von 2,8 bei Fußbodenheizungen; bei Radiatorheizkörpern sind es nur 2,3.

Betrachtet man das gesamte Heizsystem einschließlich Heizungspufferspeicher und Warmwasserbereitung, dann liegen die JAZ einer Wärmepumpe sogar noch um etwa 0,3-JAZ-Punkte niedriger. Der Betreiber muss also bei einer Luft-Wärmepumpe in Kombination mit Heizradiatoren - eine typische Situation in einem Altbau - mit einer JAZ von zwei die Hälfte seines gesamten Wärmebedarfes direkt mit teurer elektrischer Energie decken!

Bei diesem Ergebnis wird deutlich, dass sich auch die mit Luft betriebenen Klein-Warmwasser-Wärmepumpen mit einer mittleren Jahresarbeitszahl von lediglich 1,9 ökologisch nicht rechnen. Insgesamt zeigt sich, dass Wärmepumpen die vom neuen BAFA-Förderprogramm geforderten Jahresarbeitszahlen zwar rechnerisch nach VDI 4650 erreichen können. Im praktischen Einsatz wird dieses Ergebnis jedoch meist verfehlt.

Eine von der Heizung getrennte Warmwasserversorgung bringt übrigens keine ökologischen Vorteile gegenüber einer mit der Heizung kombinierten Lösung. Die ineffizienten Elektro-Standspeicher und separaten Wärmepumpen zur Erwärmung des Brauchwassers erhöhen lediglich die Kosten.

Empfehlungen

Erdreich-Wärmepumpen können im Mittel bis zu 25 Prozent Primärenergie und damit das schädliche CO2 einsparen. Ihr Einsatz trägt damit zum Klimaschutz bei. Bei Luft-Wärmepumpen trifft das dagegen nur bei wenigen Einzelfällen zu. Die mittlere System-Jahresarbeitszahl liegt selbst mit einer Fußbodenheizung mit 2,5 unter dem mindestens erforderlichen Wert von 2,7. Auch wenn das Wärmepumpensystem diesen Grenzwert erreicht, fragt sich ein potentieller Käufer zu Recht, warum er 7.000 Euro mehr im Vergleich zu einem Brennwertkessel ausgeben soll, wenn er mit einer Luft-Wärmepumpe keine Primärenergie einspart.

 Download Artikel Elektro-Wärmepumpen: Vorsicht Falle!   

 Download Tabelle Jahresarbeitszahlen Vergleich 

 Download Feldtest der Lokalen Agenda 21-Gruppe Lahr im Vergleich (1,26 MB)

 Download Umweltbezogener Vergleich 

 Download WP-Schlussbericht Zusammenfassung (13.03.09)

Wärmepumpen nachgemessen

Wärmepumpen sind noch immer heftig umstritten. In diesem Artikel wird versucht, eine Brücke zu bauen zwischen hartnäckigen Wärmepumpen-Gegnern und nicht weniger hartnäckigen Wärmepumpen-Befürwortern.
Von Hubert Westkämper

Ein wichtiges Beurteilungskriterium von Wärmepumpen ist die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ): Sie ist das Verhältnis aus jährlich gewonnener Nutzwärme zu jährlich aufgewendetem Strom. Eine Jahresarbeitszahl von vier bedeutet also, dass eine kWh Strom investiert werden muss, um vier kWh Nutzwärme zu produzieren. Drei kWh werden der Umwelt entzogen, z.B. der Luft, dem Boden oder dem Grundwasser. Gute Wärmepumpenanlagen erreichen JAZ von vier und mehr, schlechte Anlagen schaffen nur drei oder noch weitaus weniger.

Für die Ökobilanz einer Wärmepumpe ist ansonsten noch die Herkunft des Stroms von entscheidender Bedeutung. Um eine kWh Strom zu erzeugen, produziert ein Steinkohlekraftwerk ca. 1.000 g Kohlendioxid.
Wird dieser Strom in einer Wärmepumpe mit einer JAZ von drei eingesetzt, so werden also 333 g CO₂ pro kWh Nutzwärme produziert. Bei einer Anlage mit JAZ vier sind es dagegen "nur" 250 g.

Zum Vergleich: Ein Brennwertkessel produziert "nur" ca. 220 g CO₂ je kWh. Eine solche Wärmepumpe ist also dem Brennwertkessel unterlegen, was CO₂ anbelangt. Würde man Strom aus Wind oder Wasser (Ökostrom) einsetzen, hätte man einen schadstofffreien Wärmeerzeuger.

Für den Vergleich von Wärmepumpen mit anderen Heizsystemen nutzt man am besten die Daten von GEMIS (Gesamt-Emissionsmodell Integrierter Systeme des Öko-Instituts Darmstadt ), das im Juli 2001 aktualisiert wurde. Diese Daten liegen auch dem Diagramm zugrunde.

Die Zeitschrift Ökotest , auf die sich viele Wärmepumpenkritiker beziehen, geht davon aus, dass der Wärmepumpenstrom zu 85 % aus Kohlekraftwerken stammt und rechnet ansonsten mit den Daten von GEMIS . Denn der zusätzliche Stromverbrauch von Wärmepumpen kommt zu einem größeren Teil aus Kohlekraftwerken. Bei diesem Strommix schneiden Wärmepumpen in der Regel schlechter ab als herkömmliche Heizkessel, und Ökotest wertet sie entsprechend ab.

Wärmepumpen-Befürworter rechnen in der Regel mit dem bundesdeutschen Strommix (Kohle, Atom, Wasser, Wind etc.), wo pro kWh Strom etwa 600 g CO₂ abgegeben werden. Bei einer JAZ von vier hat die Wärmepumpe dann einen CO₂-Ausstoß von 150 g je kWh und ist damit besser als ein Erdgas-Brennwertkessel.

Wärmepumpen nachgemessen

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Wärme, die die Wärmepumpe produziert, natürlich nur so sauber ist wie der Strom, den man in die Maschine hineinsteckt. Steckt man den sogenannten "Egalstrom" in die Maschine, kommt natürlich auch nur "Egalwärme" dabei heraus. Setzt man dagegen teuren Ökostrom ein, ist eine schadstofffreie Wärmeerzeugung möglich.

Die Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen wurden in den letzten Jahren wesentlich verbessert, was auch die GEMIS-Autoren akzeptiert haben: Während in den alten Versionen (bis Version 3.0) nur mit JAZ von 2,4 gerechnet wurde, rechnet die neue Version jetzt mit den in der Tabelle angegebenen deutlich höheren Werten.

In der Tabelle finden sich auch die Jahresarbeitszahlen, die das Informationszentrum für Wärmepumpen und Kältetechnik an vorhandenen Anlagen mit Niedertemperaturheizsystem (Fußboden- oder Wandheizung) gemessen hat. In der Tabelle aufgeführt sind die Werte der neueren ab 1995 gebauten Anlagen. Ältere Anlagen und Anlagen an Mitteltemperaturheizungen haben deutlich geringere JAZ.

Treibhausgasemissionen (CO₂-Äquivalente) zur Bereitstellung von 1 kWh Nutzwärme nach GEMIS 4.07

Wichtig zu wissen ist ferner, dass der Stromverbrauch einer Wärmepumpe umso größer ist, je größer der Temperaturunterschied ist, den die Wärmepumpe überbrücken muss. Grundwasser hat in der Regel ganzjährig eine Temperatur von zehn Grad. Ist das Haus mit einer Fußboden- oder Wandheizung ausgestattet, so genügt eine Vorlauftemperatur von 35 °C aus, um das Haus auch an kalten Wintertagen zu beheizen.

Die JAZ mit Wärmequelle Grundwasser dürfte in diesem Fall etwa bei 4,5 liegen, da die Wärmepumpe nur 25 °C überwinden muss.

Ein anderer Extremfall ist eine Luftwärmepumpe, die an konventionellen Heizkörpern betrieben wird: Hier muss die Wärmepumpe an kalten Tagen eine Temperaturdifferenz von 50 °C oder mehr überbrücken, so dass die JAZ weit unter drei absinken kann!

Wärmepumpen doppelt so teuer wie Brennwertkessel

Eine effiziente Wärmepumpenanlage mit Niedertemperaturheizsystem ist beider Anschaffung größenordnungsmäßig doppelt so teuer wie z.B. ein Brennwertkessel an konventionellen Heizkörpern. Es entfallen jedoch Gasgrundgebühren, Schornsteinfegerkosten u.Ä.

Bei den derzeit noch subventionierten Preisen für Wärmepumpenstrom liegen die reinen Verbrauchskosten von Wärmepumpen unter denen einer Öl- oder Gasheizung.

Zusammenfassend kann man Folgendes sagen:

• Wärmepumpen ziehen bei guter Planung und Ausführung in der Energie-und Emissionbilanz mit Niedertemperatur- Brennwerttechnik gleich.
• Sie sind in der Anschaffung deutlich teurer, im Verbrauch aufgrund subventionierter Strompreise günstiger als Niedertemperatur-Brennwerttechnik.
• Eine Wärmepumpe sollte nur an einem Niedertemperaturheizsystem betrieben werden.
• Eine Wärmequelle mit ganzjährig möglichst hoher Temperatur sollte gewählt werden.
• Die Warmwasserbereitung sollte in den Sommermonaten über eine Solarkollektoranlage und im Winter über die Heizwärmepumpe erfolgen, wobei die Wassertemperatur nicht höher als 50 ° eingestellt werden sollte.
• Der Wärmebedarf des Hauses sollte durch Wärmedämmung minimiert werden, um die Wärmepumpenanlage klein zu dimensionieren.

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