Wirkungsgrad Wärmepumpe: Einfluss der Außentemperatur und Vergleich

Der Wirkungsgrad gibt an, wie effizient ein Prozess Energie beispielsweise in Arbeit oder Wärme umwandelt. Der Wirkungsgrad der meisten Prozesse, wie der Verbrennung innerhalb eines Motors, liegt unterhalb von 100 Prozent. Reibung und Abwärme führen dazu, dass mehr Energie verloren geht als neu entsteht. Dabei stellt die Wärmepumpe eine echte Besonderheit dar. So erzeugt sie mehr Energie in Form von Wärme als sie Strom verbraucht, weshalb sie einen formalen Wirkungsgrad von über 100 Prozent erreicht. Wie das funktioniert und welche Rolle die Außentemperatur dabei spielt, erklären die folgenden Abschnitte.

Inhalt der Seite

Ein Wirkungsgrad von über 100 Prozent

Der Carnot-Wirkungsgrad

Der Einfluss der Außentemperatur

Weitere Einflussfaktoren

Effizienzmessung von Wärmepumpen

Ein Wirkungsgrad von über 100 Prozent

Der Wirkungsgrad gibt an, wie effizient ein System eingesetzte Energie in nutzbare Energie umwandelt. Dabei liegt der Wirkungsgrad üblicherweise unterhalb von 100 Prozent, da bei den meisten Prozessen Energie durch Wärme, Reibung und Abgase verloren geht. Bei einer Glühbirne beispielsweise wird nur ein Teil des zugeführten Stroms zu Licht, der Rest wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben.

Auch Öl- und Gasheizungen erreichen einen Wirkungsgrad von maximal 100 Prozent. Sie verbrennen fossile Brennstoffe und nutzen die darin enthaltene Energie. Bei alten Heizkesseln geht bei diesem Umwandlungsprozess ein erheblicher Teil der Wärme verloren, weshalb sie auf einen Wirkungsgrad von etwa 60 bis 75 Prozent kommen. Moderne Brennwertheizungen arbeiten hier deutlich effizienter, da sie die im Abgas enthaltene Wärmeenergie verwerten. So kann eine Gas-Brennwertheizung einen Wirkungsgrad von bis zu 100 Prozent erzielen.

Doch geht es um die Effizienz, übertreffen Wärmepumpen selbst moderne Brennwertheizungen deutlich. So lässt sich durch das Heizen mit Umweltwärme ein thermischer Wirkungsgrad von weit über 100 Prozent erzielen. Das ist kein Verstoß gegen die Physik, sondern ein Resultat des technischen Prinzips. Demnach beschränkt sich die Funktion der Wärmepumpe nicht nur darauf, Wärme zu erzeugen. Vielmehr nutzt sie einen elektrisch betriebenen Kompressor, um bereits vorhandene Wärme aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser zu gewinnen. Damit kommt sie auf einen Wirkungsgrad von 300 bis 500 Prozent.

Der Carnot-Wirkungsgrad

Der namensgebende französische Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot hat mit dem Carnot-Wirkungsgrad eine grundlegende Theorie aufgestellt, die die maximal mögliche Effizienz einer Wärmepumpe beschreibt. Der Carnot-Wirkungsgrad ist eine theoretische Obergrenze dafür, wie effizient ein Prozess physikalisch sein kann. Für Wärmepumpen bedeutet das: Je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Umwelt (Kältequelle) und dem Heizsystem (Wärmesenke), desto effizienter kann die Wärmepumpe theoretisch arbeiten. Beim Carnot-Wirkungsgrad handelt es sich jedoch um einen theoretischen Bestwert, den Wärmepumpenheizungen in der Praxis nicht erreichen.

Der Einfluss der Außentemperatur

Ein entscheidender Einflussfaktor auf den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe ist die Temperatur des genutzten Wärmeträgers. Je kleiner der Unterschied zwischen der gewünschten Raumtemperatur und der Temperatur der Wärmequelle, desto geringer fällt der Stromverbrauch aus. Das bedeutet beispielsweise bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, dass sie bei einer Außentemperatur von 0 °C mehr Strom verbraucht als bei +10 °C.

Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die die Erdwärme beziehungsweise das Grundwasser als Energiequelle nutzen, haben hier einen Vorteil gegenüber Luftwärmepumpen. So sind die Temperaturen des Grundwassers und der Erde gegenüber der Außenluft vergleichsweise konstant und fallen auch im Winter kaum ab.

Weitere Einflussfaktoren

Während sich die Temperatur der Energiequelle nicht direkt beeinflussen lässt, gibt es durchaus Hebel, den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe gezielt zu erhöhen:

Wärmeverteilung: Wärmepumpen arbeiten effizienter bei niedrigen Vorlauftemperaturen von 30 bis 40 °C. Fußbodenheizungen benötigen solche niedrigen Temperaturen, während klassische Heizkörper oft höhere Temperaturen bis zu 70 °C erfordern.
Dämmung: Auch die Dämmung hat entscheidenden Einfluss auf die Vorlauftemperatur einer Wärmepumpe. Je besser eine Immobilie gedämmt ist, desto geringer ist ihr Wärmebedarf. Das führt dazu, dass die Wärmepumpe mit niedriger Leistung und Vorlauftemperatur arbeiten kann, was den Wirkungsgrad erhöht.
Kältemittel: Das Kältemittel überträgt die Wärme von der Energiequelle wie der Luft, der Erde oder dem Grundwasser auf den Heizkreis. Die Art des verwendeten Kältemittels beeinflusst ebenfalls die Effizienz einer Wärmepumpe. Kältemittel wie R290 (Propan) zeichnen sich durch sehr gute thermodynamische Eigenschaften aus und verbessern so das Verhältnis von eingesetztem Strom zur erzeugten Wärme.

Doch auch wenn die genannten Faktoren den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe positiv beeinflussen, bedeutet das im Umkehrschluss nicht, dass sich der Wechsel auf eine Wärmepumpe beispielsweise im Altbau nicht lohnt. Gegenüber alten Heizkesseln mit Wirkungsgraden zwischen 60 und 75 Prozent kommen Wärmepumpen auf einen deutlich höheren Wirkungsgrad von mindestens 200 Prozent. Zu diesem Ergebnis kam ein Feldtest des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, bei dem 75 Wärmepumpen in Bestandsgebäuden messtechnisch untersucht wurden.

Effizienzmessung von Wärmepumpen

Hersteller geben die Effizienz von Wärmepumpen üblicherweise nicht als Wirkungsgrad, sondern als COP (Coefficient of Performance) an. Ein COP von 4 beispielsweise bedeutet, dass eine Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Wärme erzeugt. Die eingesetzte Energie in Form von Strom erzeugt demnach die vierfache Menge an Wärmeenergie, was einem formalen Wirkungsgrad von 400 Prozent entspricht.

Neben dem COP, sind die Jahresarbeitszahl (JAZ) und der Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) weitere Kennzahlen, mit denen sich die Effizienz einer Wärmepumpe bewerten lässt. Alle drei Leistungskennzahlen messen das Verhältnis von Stromverbrauch zur erzeugten Wärmemenge. Was die Kennzahlen jedoch unterscheidet, sind die Umstände, unter denen die Messung erfolgt.

COP: Der Coefficient of Performance misst die Effizienz einer Wärmepumpe unter standardisierten Laborbedingungen. Dabei sind die Außentemperatur und die Vorlauftemperatur, zu denen die Messung zu erfolgen hat, per DIN-Norm vorgeschrieben. Das führt dazu, dass die Messergebnisse verschiedener Geräte und Hersteller objektiv miteinander vergleichbar sind.
SCOP: Da die Außentemperatur unter realen Bedingungen jedoch schwankt, berücksichtigt der Seasonal Coefficient of Performance die Leistung der Wärmepumpe bei verschiedenen Außentemperaturen. Auch diese Messpunkte bewegen sich entlang eines vordefinierten Klimaprofils, damit sich Ergebnisse untereinander vergleichen lassen.
JAZ: Anders als beim COP und SCOP handelt es sich bei der Jahresarbeitszahl um eine Kennzahl, deren Messung nicht unter Labor-, sondern Realbedingungen erfolgt. Dabei wird die Effizienz einer Wärmepumpe in einem konkreten Gebäude über ein gesamtes Jahr gemessen.