Die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen: Eine ganzheitliche Betrachtung

Im Kontext der Bewertung des Wirkungsgrades von Wärmepumpen stellt die Jahresarbeitszahl (JAZ) eine der essenziellsten Kenngrößen dar. Diese gibt das Verhältnis der erzeugten Heizenergie zum dafür aufgewendeten Stromverbrauch an. Ein höherer JAZ-Wert zeugt somit von einer gesteigerten Betriebseffizienz der jeweiligen Wärmepumpe. Im Folgenden wird detailliert dargelegt, wie die Jahresarbeitszahl zu ermitteln ist, welche signifikante Rolle die jeweilige Wärmepumpenart dabei spielt und welcher Wert als erstrebenswert einzustufen ist.

Die Aussagekraft der JAZ im Detail

Die Jahresarbeitszahl verdeutlicht die Relation der eingesetzten elektrischen Energie zur dabei erzeugten Heizwärme. Erreicht ein Wärmepumpensystem eine JAZ von vier, so impliziert dies, dass es mittels einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Heizwärme generiert. Beträgt die JAZ etwa 3,5, so werden aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie dreieinhalb Kilowattstunden Wärmeenergie gewonnen. Demnach gilt: Je höher der Wert ausfällt, umso ökonomischer ist der Betrieb der Wärmepumpe.

Über den Zeitraum eines Jahres hinweg variiert der Wirkungsgrad einer Wärmepumpenheizung. Die Relation der generierten thermischen Energie zur verbrauchten Elektrizität wird umso vorteilhafter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der angestrebten Innentemperatur und der vorherrschenden Außentemperatur ist. Folglich erbringt die Wärmepumpe in den Sommermonaten eine höhere Leistung als in den Wintermonaten. Um solche Schwankungen zu nivellieren und den Wirkungsgrad über das gesamte Jahr hinweg quantifizierbar zu gestalten, ist die Jahresarbeitszahl auf den jährlichen Mittelwert ausgelegt. 

Infolgedessen differiert die JAZ vom COP (Coefficient of Performance), welcher ebenso regelmäßig zur Einschätzung der Leistungsfähigkeit von Wärmepumpen herangezogen wird. Der COP erfasst, analog zur JAZ, die Proportion der zugeführten Elektroenergie zur hieraus gewonnenen Wärmeenergie. Im Gegensatz zur Jahresarbeitszahl reflektiert der COP allerdings nur die aktuelle Effizienz unter definierten Testbedingungen, jedoch nicht den jährlichen Durchschnittswert.

Die Ermittlung der Jahresarbeitszahl: Eine detaillierte Erläuterung der Berechnungsgrundlage

Die JAZ repräsentiert die Proportion der erforderlichen Elektrizität zur resultierenden Heizwärme. Zur Bestimmung dieser Kennzahl erweisen sich folglich zwei Messgrößen als ausschlaggebend. Dies sind einerseits die benötigte elektrische Energie und andererseits die produzierte Wärmeenergie. Die generierte Wärmeenergie lässt sich mithilfe eines Wärmemengenzählers exakt erfassen. Er registriert präzise die dem Heizungs- und Brauchwasserkreislauf zugeführte thermische Energie. Um den Elektrizitätsverbrauch der Wärmepumpe festzustellen, ist die Installation eines gesonderten Stromzählers unerlässlich. Der herkömmliche Hausstromzähler eignet sich dafür nicht, da er auch den Verbrauch sämtlicher weiterer Elektrogeräte im Haushalt mitmisst.

Sobald die Messwerte für den Jahresstrombedarf der Wärmepumpe und die generierte Heizwärme verfügbar sind, kann die JAZ mithilfe der nachfolgenden Formel ermittelt werden:

JAZ = Gelieferte Wärme in Kilowattstunden / Verbrauchter Strom in Kilowattstunden

Exempel: Der Wärmemengenzähler indiziert, dass die Wärmepumpe im Verlauf eines Jahres 10.000 Kilowattstunden (kWh) an Wärme für Heizungs- und Warmwasserzwecke produziert hat. Hierfür wurden gemäß dem Stromzähler 2.500 kWh Elektrizität konsumiert. Die Berechnung ergibt sich demzufolge: 10.000 kWh generierte Heizwärme, dividiert durch 2.500 kWh konsumierten Strom, resultiert in einer JAZ von vier. Das Wärmepumpensystem erreicht folglich eine Jahresarbeitszahl von vier.

Gegenüberstellung der verschiedenen Wärmepumpenarten

Ein maßgeblicher Einflussfaktor auf den Wirkungsgrad ist die jeweils genutzte Energiequelle. Entsprechend der jeweiligen Wärmepumpenart bezieht das System thermische Energie entweder aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Hierbei erreichen Erd- und Grundwasserwärmepumpen in der Regel signifikant höhere Jahresarbeitszahlen als Luft-Wasser-Wärmepumpen. Dies begründet sich darin, dass die thermische Energie im Erdreich sowie im Grundwasser eine erheblich konstantere Verfügbarkeit aufweist als die Wärme der Außenluft. Insbesondere während der Wintermonate erfordert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe einen spürbar höheren Stromaufwand, um die Umgebungsluft auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Infolgedessen nimmt die Gesamteffizienz des Systems ab. Die nachstehende Tabelle veranschaulicht, welche JAZ-Werte je nach verwendetem Wärmepumpentypus erreichbar sind.

Wärmepumpen in Bestandsgebäuden

Die mögliche Jahresarbeitszahl eines Wärmepumpensystems ist, abgesehen vom jeweiligen Wärmepumpentyp, insbesondere von den baulichen Gegebenheiten des Gebäudes abhängig. Ein entscheidender Faktor ist in diesem Zusammenhang die Vorlauftemperatur. Diese kennzeichnet die Temperatur des Heizungswassers, bevor es in den primären Heizkreislauf eingespeist wird. Bestandsgebäude verfügen zumeist über Radiatoren, welche eine höhere Vorlauftemperatur (fünfundfünfzig Grad Celsius) erfordern, im Vergleich zu einer Fußbodenheizung (fünfunddreißig Grad Celsius).

Diese Gegebenheit, kombiniert mit dem oft geringeren Dämmstandard, bedingt, dass Wärmepumpen in Bestandsgebäuden im Regelfall eine niedrigere JAZ erzielen als in neu errichteten Gebäuden. Nichtsdestotrotz erweisen sich Wärmepumpensysteme selbst in Altbauten häufig als eine lohnende Investition. Ein Feldtest des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE bestätigt dieses Ergebnis, indem er aufzeigt, dass Wärmepumpen sogar in Bestandsimmobilien zwischen siebenundzwanzig und einundsechzig Prozent weniger Kohlenstoffdioxid (CO2) emittieren als konventionelle Gasbrennwertheizungen.