Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist eine der wichtigsten Kennzahlen, um ihre Effizienz zu bestimmen. Was genau hinter dem Wirkungsgrad steckt, wie Du ihn berechnen kannst, und welche Tipps es gibt, um den Wirkungsgrad Deiner Wärmepumpe zu verbessern, erfährst Du in unserem umfassenden Ratgeber.
Der Wirkungsgrad einfach erklärt
Der Wirkungsgrad eines Systems beschreibt generell das Verhältnis zwischen der nutzbaren Energie, die ein System abgibt, und der Energie, die zu dessen Betrieb aufgewendet wird. Bei herkömmlichen Heizsystemen wie Öl- oder Gasheizungen liegt der maximale Wirkungsgrad im Idealfall bei 100 Prozent. Das bedeutet, dass die gesamte aufgebrachte Energie in nutzbare Wärme umgewandelt wird.
Wird z. B. Holz in einem Ofen verbrannt, wird die Energie des Holzes in Wärmeenergie umgewandelt, wobei jedoch ein Teil der Energie durch Abgase verloren geht. Bei einem Wirkungsgrad von 100 Prozent wäre die gesamte Energie des Holzes vollständig in Wärme übergegangen.
Warum der Wirkungsgrad von Wärmepumpen über 100% liegt
Bei Wärmepumpen wird jedoch nicht der gesamte Energieverbrauch zur Berechnung des Wirkungsgrads herangezogen. Stattdessen wird nur die elektrische Energie, die der Verdichter der Wärmepumpe benötigt, betrachtet. Da Wärmepumpen zusätzlich zur eingesetzten elektrischen Energie auch Umweltenergie nutzen – zum Beispiel aus der Luft, dem Wasser oder dem Erdreich – kann der Wirkungsgrad bei Wärmepumpen weit über 100 Prozent liegen.
Die elektrische Energie wird hauptsächlich genutzt, um ein Kältemittel zu komprimieren und dadurch die Temperatur zu erhöhen. In einem thermodynamischen Kreislauf wird die dabei gewonnene Wärmeenergie auf das Heizsystem übertragen. Da die Umweltenergie kostenlos zur Verfügung steht, wird sie in der Berechnung des Wirkungsgrads nicht als Energieaufwand betrachtet. Dies führt zu scheinbar „über 100 Prozent“ Wirkungsgraden, weil der Nutzen (die erzeugte Wärme) höher ist als die aufgebrachte elektrische Energie.
Praktische Werte
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird oft auch als „Coefficient of Performance“ (COP) bezeichnet. Dieser Wert beschreibt, wie viele Kilowattstunden (kWh) Wärmeenergie aus einer kWh Strom erzeugt werden können. Ein COP-Wert von 3 bedeutet beispielsweise, dass mit 1 kWh Strom 3 kWh Wärme erzeugt werden. In der Praxis erreichen Wärmepumpen je nach Typ und Quelle Wirkungsgrade zwischen 300 und 500 Prozent. Das heißt, sie können das 3- bis 5-fache der eingesetzten elektrischen Energie als Wärme bereitstellen.
Der hohe Wirkungsgrad macht Wärmepumpen zu einer besonders energieeffizienten und umweltfreundlichen Option für die Beheizung von Gebäuden. Je effizienter die Wärmepumpe arbeitet, desto höher ist ihr Wirkungsgrad und desto mehr Heizkosten können eingespart werden.
Die Formel zur Berechnung des Wirkungsgrads
In der Theorie kann dieser Wirkungsgrad durch den Carnot-Wirkungsgrad dargestellt werden, welcher eine obere Grenze für die Effizienz einer Wärmepumpe unter idealen Bedingungen definiert. In der Praxis jedoch wird die Effizienz einer Wärmepumpe eher durch die sogenannten Leistungszahlen ausgedrückt: den Coefficient of Performance (COP) und die Jahresarbeitszahl (JAZ).
Formel für den Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird oft durch das Verhältnis der nutzbaren Wärmeleistung zur zugeführten elektrischen Energie beschrieben:
Wirkungsgrad = Nutzleistung / Zugeführte Leistung
- Nutzleistung ist die tatsächliche Wärmeenergie, die die Wärmepumpe an das Heizsystem abgibt.
- Zugeführte Leistung ist die elektrische Energie, die die Wärmepumpe benötigt, um Wärme aus der Umwelt aufzunehmen und zu übertragen.
Diese Formel zeigt, wie viel Wärmeenergie pro Einheit elektrischer Energie erzeugt wird. Zum Beispiel: Wenn eine Wärmepumpe aus 1 kWh Strom 4 kWh Wärme erzeugt, liegt der Wirkungsgrad bei 400 %.
Der Carnot-Kreisprozess
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe lässt sich theoretisch mit der Carnot-Formel berechnen. Diese basiert auf dem Verhältnis der höchsten (Th) und der niedrigsten (Tn) Temperatur im Prozess. Die Formel lautet:
ηc = 1 – (Tn / Th)
Dabei werden die Temperaturen in Kelvin angegeben. Der Carnot-Wirkungsgrad zeigt, dass je größer das Temperaturgefälle zwischen der Wärmequelle (Th) und der Senke (Tn) ist, desto höher ist der Wirkungsgrad. Besonders wichtig ist dabei, dass die untere Temperatur Tn möglichst niedrig ist, um die Effizienz zu maximieren.
Diese Formel zeigt, dass der Wirkungsgrad steigt, wenn die Differenz zwischen den beiden Temperaturen klein ist. Beispielsweise hat eine Wärmepumpe, die mit einer geringen Vorlauftemperatur arbeitet und eine milde Außenluft als Wärmequelle nutzt, einen höheren Wirkungsgrad als eine Wärmepumpe, die hohe Vorlauftemperaturen benötigt oder in einem sehr kalten Klima betrieben wird.
Wirkungsgrad im Vergleich nach Heizsystemen
Beim Vergleich der Wirkungsgrade verschiedener Heizsysteme wird deutlich, dass Wärmepumpen im Vergleich zu anderen Heiztechnologien wie Pelletheizungen, Gasthermen oder Brennstoffzellen besonders gut abschneiden.
Pelletheizungen
Pelletheizungen stehen oft in der Kritik, zur Feinstaubbelastung beizutragen und den Regenwald zu gefährden. Moderne Pelletheizungen sind jedoch mit fortschrittlicher Verbrennungs- und Filtertechnologie ausgestattet, wodurch ihre Feinstaubemissionen sehr gering ausfallen. Im Vergleich zu Wärmepumpen haben Pelletheizungen einen niedrigeren Wirkungsgrad von etwa 70 % bis 90 %.
Gasthermen und Brennstoffzellen
Diese Systeme sind weit verbreitet, haben jedoch im Vergleich zu Wärmepumpen deutlich geringere Wirkungsgrade. Eine Gastherme, auch als Gasbrennwertheizung bekannt, kommt auf einen Wirkungsgrad von etwa 90 % bis 98 %, abhängig von der Effizienz des Systems und der Nutzung von Brennwerttechnik. Brennstoffzellen hingegen können neben Wärme auch Strom erzeugen und erreichen dabei Wirkungsgrade von bis zu 85 %. Trotz dieser Effizienz sind sie aufgrund der hohen Anfangsinvestitionen und der Betriebskosten weniger attraktiv als Wärmepumpen.
Photovoltaik und elektrische Direktheizungen
Photovoltaikanlagen auf Dächern wandeln Sonnenenergie in Strom um, der direkt zur Versorgung von elektrischen Heizsystemen wie Wärmepumpen genutzt werden kann. Kombiniert man eine PV-Anlage mit einer Wärmepumpe, erreicht man einen besonders hohen Wirkungsgrad, da die Umwandlungsverluste minimal sind. Wenn der Strom hingegen für Systeme wie Heizkessel oder zur Umwandlung in Wasserstoff verwendet wird, sinkt der Wirkungsgrad, da zusätzliche Energieverluste durch die Umwandlung entstehen.
Tabelle: Vergleich der Wirkungsgrade verschiedener Heizsysteme
| Heizsystem | Wirkungsgrad (%) | Anmerkungen |
| Wärmepumpe | 300 % – 500 % | Hoher Wirkungsgrad durch Nutzung von Umweltwärme; besonders effizient bei direkter Stromnutzung. |
| Pelletheizung | 70 % – 90 % | CO₂-neutral, geringe Feinstaubemissionen; abhängig von nachhaltiger Forstwirtschaft und Biomasse. |
| Gasbrennwerttherme | 90 % – 98 % | Nutzt fossile Brennstoffe; weniger effizient als Wärmepumpen und abhängig von Brennstoffpreisen. |
| Brennstoffzelle | 85 % | Erzeugt auch Strom; höhere Investitionskosten, aber weniger attraktiv wegen Betriebskosten. |
| Photovoltaik + Direktheizung | 60 % – 70 % | Effizienz abhängig von PV-Ausbeute und direkter Stromnutzung; weniger effizient als Wärmepumpen. |
Es gibt viele Missverständnisse über die Eignung und Effizienz verschiedener Heizsysteme, die durch Medien und unsachliche Berichterstattung verstärkt werden. Es ist wichtig zu verstehen, dass jedes System seine Vor- und Nachteile hat und die Wahl des richtigen Systems von den spezifischen Gegebenheiten des Gebäudes und den Bedürfnissen der Nutzer abhängt. Eine pauschale Aussage, welches Heizsystem das „Beste“ ist, kann nicht getroffen werden. Eine fundierte Beratung durch einen Fachmann ist unerlässlich, um die richtige Entscheidung zu treffen.
Lass Dich von unseren Experten beraten und finde die optimale Lösung für Dein Zuhause. Fülle einfach unser kostenloses Formular aus und erhalte eine unverbindliche Beratung und bis zu 4 maßgeschneiderte Angebote von regionalen Fachbetrieben – unkompliziert und ganz auf Deine Bedürfnisse abgestimmt!
Faktoren, die den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe beeinflussen
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, die entscheidend dafür sind, wie effizient das System arbeitet. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass die Wärmepumpe weniger Strom benötigt, um die gleiche Menge an Wärme zu erzeugen. Hier sind die wichtigsten Einflussfaktoren:
Vorlauftemperatur des Heizsystems
Eine der entscheidendsten Größen für den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist die Vorlauftemperatur – das Temperaturniveau, auf das das Heizwasser im System gebracht wird. Je niedriger die Vorlauftemperatur, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Wärmepumpen, die mit Fußbodenheizungen arbeiten, benötigen nur eine niedrige Vorlauftemperatur von etwa 35 bis 45 °C. Dies verringert den Strombedarf und erhöht den Wirkungsgrad. Im Gegensatz dazu sind höhere Vorlauftemperaturen, die für herkömmliche Heizkörper notwendig sind, weniger effizient und können den Wirkungsgrad erheblich senken.
Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizung
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird stark von der Differenz zwischen der Temperatur der genutzten Wärmequelle und der Vorlauftemperatur beeinflusst. Je kleiner diese Differenz ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Bei einer hohen Differenz, etwa wenn die Außentemperatur –10 °C beträgt und das System auf 20 °C heizen muss, wird mehr Energie verbraucht, was den Wirkungsgrad reduziert.
Effizienz des Kältemittels
Das in der Wärmepumpe verwendete Kältemittel spielt ebenfalls eine wichtige Rolle für den Wirkungsgrad. Ein gutes Kältemittel verdampft und kondensiert schnell und hat geringe Wärmeverluste, wodurch der Energieverbrauch minimiert wird. Wärmepumpen mit optimierten Kältemitteln können daher effizienter arbeiten und einen höheren Wirkungsgrad erreichen.
Temperatur der Wärmequelle
Die Temperatur der genutzten Wärmequelle beeinflusst direkt den Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Je höher die durchschnittliche Quellentemperatur über das Jahr ist, desto effizienter arbeitet das System. Beispielsweise haben Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die konstant 12 °C Grundwassertemperatur nutzen, einen höheren Wirkungsgrad als Luftwärmepumpen, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
Systemdimensionierung und Wärmequelle
Die Dimensionierung und Optimierung der genutzten Wärmequelle ist ebenfalls entscheidend. Eine optimal dimensionierte Wärmequelle mit konstanter Temperatur kann den Wirkungsgrad der Wärmepumpe verbessern. Sinkt die Temperatur der Quelle um nur 1 °C, kann dies den Wirkungsgrad und die Jahresarbeitszahl (JAZ) um etwa 2 bis 4 % reduzieren. Daher ist eine sorgfältige Planung und Auslegung der Anlage von großer Bedeutung.
Insgesamt zeigen diese Faktoren, dass der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe von vielen technischen und betrieblichen Parametern abhängt. Durch die richtige Kombination von niedrigen Vorlauftemperaturen, einer optimierten Wärmequelle und dem Einsatz effizienter Kältemittel kann die Effizienz einer Wärmepumpe maximiert werden.
Tipps zur Optimierung des Wirkungsgrads Deiner Wärmepumpe
Um effizient und kostensparend mit einer Wärmepumpe zu heizen, ist es wichtig, den Wirkungsgrad des Systems zu maximieren. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe möglichst viel Heizenergie aus wenig Strom erzeugt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die Effizienz einer Wärmepumpe zu steigern. Hier sind 5 Tipps, die Du beachten kannst:
1. Wähle die richtige Wärmequelle
Bereits bei der Planung einer Wärmepumpe ist die Wahl der Wärmequelle entscheidend. Wärmequellen wie Erdreich oder Grundwasser bieten das ganze Jahr über relativ konstante Temperaturen, was für einen höheren Wirkungsgrad sorgt. Erdwärmepumpen und Wasserwärmepumpen sind daher besonders effizient, da sie mit weniger Strom mehr Wärme erzeugen können. Je besser die Wärmequelle, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.
2. Große Heizflächen im Haus verwenden
Die Vorlauftemperatur der Heizung hat einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Je niedriger diese Temperatur ist, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten. Größere Heizflächen wie Fußbodenheizungen oder spezielle Niedertemperatur-Heizkörper ermöglichen eine niedrigere Vorlauftemperatur und verbessern somit die Effizienz. Wenn Du Dein Heizsystem auf größere Heizflächen umstellst, kannst Du die Wärme gleichmäßiger verteilen und die Effizienz steigern.
3. Heizsystem hydraulisch abgleichen lassen
Ein hydraulischer Abgleich sorgt dafür, dass die Wärme im Haus gleichmäßig verteilt wird. Wenn das Heizungswasser optimal durch alle Heizkörper fließt, kann die Vorlauftemperatur reduziert werden, was den Wirkungsgrad der Wärmepumpe erhöht. Ein professioneller hydraulischer Abgleich stellt sicher, dass keine Räume über- oder unterversorgt werden und die Heizung effizient arbeitet.
4. Heizkurve richtig einstellen
Die Heizkurve bestimmt, welche Vorlauftemperatur die Wärmepumpe bei unterschiedlichen Außentemperaturen erzeugen soll. Eine gut eingestellte Heizkurve sorgt dafür, dass die Wärmepumpe nicht unnötig hohe Temperaturen produziert, was Energie spart. Die Kurve sollte möglichst flach verlaufen und auf die tatsächlichen Bedürfnisse des Hauses abgestimmt sein, um den Wirkungsgrad zu maximieren.
5. Gute Dämmung
Neben Optimierungen an der Wärmepumpe selbst, kann auch eine bessere Dämmung des Hauses den Wirkungsgrad beeinflussen. Wenn das Haus gut gedämmt ist und weniger Wärme verloren geht, muss die Wärmepumpe weniger arbeiten, um eine angenehme Temperatur zu halten.
Jede dieser Schritte trägt dabei, dass Deine Wärmepumpe effizienter arbeitet und Du das Beste aus Deiner Heizlösung herausholt.
Zusammenfassung der wichtigsten Punkte
Wärmepumpen haben einen beeindruckenden Wirkungsgrad von 300 % bis 500 %, da sie nicht nur Strom, sondern auch kostenlose Umweltenergie wie Luft, Wasser oder Erdreich nutzen. Dies bedeutet, dass sie deutlich mehr Wärme erzeugen, als sie an elektrischer Energie verbrauchen.
Die Effizienz der Wärmepumpe wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst:
- Vorlauftemperatur: Je niedriger die Vorlauftemperatur – wie z. B. bei Fußbodenheizungen – desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.
- Temperatur der Wärmequelle: Wärmepumpen sind effizienter, wenn die genutzte Umweltwärme eine höhere Temperatur hat. Erdwärme und Grundwasser bieten konstante Temperaturen, was den Wirkungsgrad erhöht.
- Kältemittel: Die Effizienz wird auch durch die Wahl des Kältemittels bestimmt. Ein hochwertiges Kältemittel minimiert Wärmeverluste und verbessert den Wirkungsgrad.
Im Vergleich zu anderen Heizsystemen schneiden Wärmepumpen besonders gut ab:
- Pelletheizungen haben einen Wirkungsgrad von 70 % bis 90 %, was deutlich niedriger ist als bei Wärmepumpen.
- Gasthermen und Brennstoffzellen erreichen Wirkungsgrade von 90 % bis 98 % (Gasthermen) und etwa 85 % (Brennstoffzellen).
Um den Wirkungsgrad Deiner Wärmepumpe weiter zu steigern, kannst Du folgende Tipps beachten:
- Wähle eine optimale Wärmequelle.
- Nutze große Heizflächen.
- Führe einen hydraulischen Abgleich durch.
- Optimiere die Heizkurve.
- Verbessere die Dämmung Deines Hauses.
Jetzt hast Du einen guten Überblick über den Wirkungsgrad Deiner Wärmepumpe. Wenn Du mehr Informationen benötigst oder Dich entschieden hast, eine Wärmepumpe zu kaufen, lass Dich von unseren Experten beraten!
