Jahresarbeitszahl: Die Effizienz einer Wärmepumpe bestimmen

11. Oktober 2021
Wärmepumpen wandeln Umweltenergie in Wärmeenergie um. Für den Antrieb ihres Kompressors benötigen sie allerdings Strom. Die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe hängt daher von dem Verhältnis der zugeführten Strommenge zur erzeugten Wärmemenge ab. Dieses bestimmt man durch die Berechnung der sogenannten Jahresarbeitszahl, kurz JAZ. Deren Höhe wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst.
Dieser Artikel wurde von
Ariane Müller für www.Heizungsfinder.de verfasst.
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Inhalt

Berechnung der Jahresarbeitszahl

Die Jahresarbeitszahl stellt die wohl wichtigste Kennzahl einer Wärmepumpe dar. Sie gibt Auskunft über die Energieeffizienz der Heizanlage, indem sie das Verhältnis von gelieferter Wärme und elektrischer Antriebsenergie beschreibt. Um diese Werte zu erhalten, bedarf es eines Wärmemengenzählers und eines gesonderten Stromzählers. Anhand derer Daten lässt sich dann die Jahresarbeitszahl berechnen:

JAZ = Heizenergie : elektrische Energie

Beide Größen werden in Kilowattstunden angegeben, wodurch die Jahresarbeitszahl selbst ohne Einheit bleibt. Konkret heißt das: Erzeugt eine Wärmepumpe 20.000 kWh Heizenergie unter Zuhilfenahme von 5.000 kWh elektrischer Energie, beträgt ihre Jahresarbeitszahl 4. Sie kann also viermal mehr Wärme bereitstellen als sie an Strom verbraucht. Allgemein gilt: Je höher die Jahresarbeitszahl, desto effizienter das Heizsystem. Denn bei einer hohen Jahresarbeitszahl gewinnt die Wärmepumpe einen Großteil der benötigten Energie aus der Umwelt (in diesem Fall 75%).

Eine hohe Jahresarbeitszahl zeigt an, dass die Wärmepumpe nur wenig elektrische Energie benötigt. | Bildquelle: © Adobe Stock / ristaumedia.de

Mit der Jahresarbeitszahl den Stromverbrauch bestimmen

Im Umkehrschluss heißt das: Kennt man die Jahresarbeitszahl, kann man mit ihr den ungefähren jährlichen Stromverbrauch der Wärmepumpe errechnen. Dazu gibt es folgende Formel:

Die Heizleistung ist dabei von der Größe und dem Dämmzustand des Gebäudes sowie der Anzahl der Bewohner abhängig. Während moderne Energieeffizienzhäuser maximal einen Heizwärmebedarf von 30 kWh/m2a haben dürfen, kann dieser bei unsanierten Altbauten durchaus bei um die 300 kWh/m2a liegen. Bei den Heizstunden beträgt der deutsche Durchschnittswert 2.000 pro Jahr.

Ginge man von einem Einfamilienhaus mit 150 kWh/m2a und einer Wohnfläche von 120 m2 aus, ergäbe sich daraus eine benötigte Heizleistung von 18 kW. Der Stromverbrauch sehe dann wie folgt aus:

  • mit Luft-Wasser-Wärmepumpe (JAZ = 2,5): 18 kW : 2,5 x 2.000 h/a = 14.400 kWh/a
  • mit Sole-Wasser-Wärmepumpe (JAZ = 3,6): 18 kW : 3,6 x 2.000 h/a = 10.000 kWh/a
  • mit Wasser-Wasser-Wärmepumpe (JAZ = 5): 18 kW : 5 x 2.000 h/a = 7.200 kWh/a

Diesen Stromverbrauch der Wärmepumpen kann man nun mit dem jeweiligen Strompreis je kWh multiplizieren, um die Heizkosten zu erhalten. Dabei gilt aber zu bedenken, dass die Jahresarbeitszahl die Energie für die Verteilung der Wärmeenergie und den Betrieb eines Heizstabes sowie auftretende Verluste nicht berücksichtigt. Somit dürfte der tatsächliche Strombedarf stets etwas höher liegen.

Es empfiehlt sich daher, die Wahl eines speziellen Wärmepumpentarifs in Betracht zu ziehen. Diese sind stets einige Cent günstiger als herkömmlicher Haushaltsstrom, erfordern aber einen gesonderten Stromzähler für die Wärmepumpe. Den braucht man aber ja auch für die Bestimmung der Jahresarbeitszahl. Allerdings können Sie bei Bezug eines Wärmepumpentarifes zeitweise von einer EVU-Sperre betroffen sein. Noch geringer fallen die Heizkosten aus, wenn für den Betrieb der Wärmepumpe Solarstrom aus der eigenen PV-Anlage zum Einsatz kommt.

Jahresarbeitszahlen der einzelnen Wärmepumpentypen

Wie man an den Rechenbeispielen sehen kann, hängt die Höhe der Jahresarbeitszahl auch von der Art der Wärmepumpe ab. Jede arbeitet mit Umweltenergie aus einer anderen Quelle. So wird Sonnenwärme in Luft, Erde oder Grundwasser gespeichert. Da die Wärmespeicherfähigkeit der drei Quellen unterschiedlich hoch ist, unterscheiden sich auch die durchschnittlich zu erreichenden Jahresarbeitszahlen der einzelnen Wärmepumpentypen:

Wärmepumpentyp

Jahresarbeitszahl

Luft-Wärmepumpe

2,5 - 3

Sole-Wasser-Wärmepumpe (Flächenkollektoren)

3,5 - 4

Sole-Wasser-Wärmepumpe (Erdsonden)

4 - 4,5

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

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So sollte eine Wärmequelle eine möglichst hohe Temperatur haben. Denn je niedriger diese ist, desto mehr Arbeit hat die Wärmepumpe, um sie auf das für die Heizung benötigte Temperaturniveau zu bringen. Das wiederum erfordert mehr Antriebsenergie, wodurch die Jahresarbeitszahl sinkt.

Bei der Luftwärmepumpe ist die JAZ geringer als bei den anderen Modellen, da sie wegen der abgekühlten Außenluft im Winter nur recht niedrige Quellentemperaturen zur Verfügung hat. Besser sieht es da beim Erdreich aus. Dieses kann auf zwei Arten einer Sole-Wasser-Wärmepumpe als Wärmequelle dienen: Bei der einen platziert man Flächenkollektoren in die oberen Bodenschichten. Deren Temperaturniveau sinkt im Winter ebenfalls, allerdings nicht so stark wie das der Außenluft. Noch weniger von saisonalen Temperaturschwankungen sind die tieferen Bodenschichten betroffen. Zu diesen gelangt man durch das Bohren von Sonden. Die beste Wärmequelle stellt das Grundwasser dar, da es ganzjährig hohe Temperaturen aufweist. Daher ist die Jahresarbeitszahl einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe auch am höchsten.

Hierbei muss aber angemerkt werden, dass nicht jede Wärmequelle überall zur Verfügung steht. Insbesondere das Grundwasser kann nur selten für den Betrieb einer Wärmepumpe genutzt werden. Denn dafür bedarf es einer Genehmigung der Wasserbehörde, der Möglichkeit, Tiefenbohrungen durchführen zu lassen, und der richtigen chemischen Zusammensetzung des Grundwassers. Eine Luftwärmepumpe dagegen lässt sich an fast allen Orten aufstellen. Die Quellentemperatur ist zwar ein wichtiges Kriterium, wenn es um die Höhe der Jahresarbeitszahl geht. Doch wenn alle anderen Bedingungen gegeben sind, kann auch eine Wärmepumpe mit niedrigeren Ausgangswerten noch gute Ergebnisse liefern.

Was die Jahresarbeitszahl noch beeinflusst

So spielt neben der Temperatur der Wärmequelle auch die Vorlauftemperatur der Heizung eine wichtige Rolle. Sie sollte möglichst gering sein, damit die Differenz zwischen den beiden, die die Wärmepumpe ausgleichen muss, nicht allzu groß ist. Ideal sind 35 °C. Am ehesten erreicht man dies im Neubau mit Flächenheizungen und im Altbau mit Niedertemperaturheizkörpern.

Auch die Höhe des Wärmebedarfs - also wie viel Heizenergie benötigt wird - hat einen Einfluss auf die Jahresarbeitszahl. Beeinflusst wird er zum einen durch das Nutzerverhalten - also ob bewusst geheizt und gelüftet wird oder man die Räume überhitzen bzw. auskühlen lässt. Zum anderen ist auch die Dämmung des zu beheizenden Hauses von entscheidender Bedeutung. So kann eine Wärmepumpe, die im Labor nicht sehr effizient arbeitete, in einem gut gedämmten Gebäude eine bessere Jahresarbeitszahl erzielen als eine unter Normbedingungen effizientere Wärmepumpe in einem schlecht gedämmten.

Unterschied von JAZ, COP und SCOP

Neben der JAZ gibt es nämlich noch eine zweite Größe, die in Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad einer Wärmepumpe von Bedeutung ist: die Leistungszahl - meist einfach nur "COP" (ausgehend vom englischen Begriff "Coefficient of Performance") genannt. Sie wird im Labor ermittelt und gibt an, welche Leistung eine Wärmepumpe unabhängig von äußeren Einflüssen erbringt.

Berechnet wird der COP, indem die man die abgegebene thermische Leistung durch die aufgenommene elektrische Leistung dividiert. So ergeben beispielsweise 30 kW Wärme aus 10 kW Strom einen COP von 3. Gemessen werden diese Werte jeweils nur zu einem bestimmten Betriebspunkt, also einer festgelegten Kombination aus Quellen- und Vorlauftemperatur.

Unter realen Bedingungen bekommt es eine Wärmepumpe jedoch mit verschiedenen Betriebspunkten zu tun, da weder die Quellentemperatur noch der Wärmebedarf ganzjährig auf dem gleichen Niveau sind. Bei der Ermittlung der JAZ wird genau dem Rechnung getragen, indem Strom- und Wärmemenge erst nach einem Jahr Betrieb gemessen werden und somit die saisonalen Schwankungen schon beinhalten.

Um diese auch auf theoretischer Ebene abzubilden, gibt es neben dem COP noch den SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), auch "jahreszeitlicher Leistungskoeffizient" genannt. Für diesen misst man die Effizienz einer Wärmepumpe nicht nur zu einem Betriebspunkt, sondern zu vier verschiedenen, welche die in Europa vorkommenden Klimabedingungen repräsentieren. Damit finden dann auch die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen Eingang in die Berechnung.

Allerdings betrachtet der SCOP, genau wie der COP, nur allein die Wärmepumpe; die JAZ hingegen die gesamte Heizanlage. Dies lässt die Jahresarbeitszahl stets geringer ausfallen als die beiden Leistungszahlen. Durch das Einbeziehen der Gegebenheiten am Anwendungsort und die dort tatsächlich zu erreichenden Werte ist sie dafür aber umso aussagekräftiger.

JAZ jetzt kein Förderkriterium mehr

Bis Ende 2020 war die Jahresarbeitszahl daher auch Kriterium für eine Förderung des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA). So wurden nur Wärmepumpen gefördert, die über eine Mindest-JAZ verfügten. Dies sollte eine Mindesteffizienz und einen damit verbundenen Mindestanteil erneuerbarer Energien bei der Wärmeerzeugung gewährleisten. Denn je höher die JAZ, desto mehr Energie wird aus Wasser, Erde oder Luft gewonnen.

Doch genau das, was für Wärmepumpen-Betreiber ihren Nutzen darstellt - die Abbildung ortsabhängiger Messwerte -, macht die Jahresarbeitszahl andererseits weniger geeignet für eine objektive Betrachtung. Daher gilt seit Einführung der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) die jahreszeitbedingte Raumheizungsenergieeffizienz, ausgedrückt mit dem ηS-Wert (ETAs), als die neue Fördervoraussetzung für Wärmepumpen. Berechnet wird sie, indem man den Quotienten aus SCOP und Primärenergiefaktor (PEF) mit 100 multipliziert:

ηS = SCOP : PEF x 100

Mit der Einbeziehung des Primärenergiefaktors wird auch ein Fokus auf die Art der Quellenergie gelegt. So sollte eine Heizung nicht nur effizient sein, sondern nach Möglichkeit auch mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Dies ist bei der Wärmepumpe durch den hohen Anteil an verwendeter Umweltenergie gegeben.

Primärenergiebedarf von Wärmepumpe und Brennwertkessel

Eine Wärmepumpe mit hoher Jahresarbeitszahl und Solarstrom als Antriebsenergie verbraucht im Gegensatz zu Brennwertkesseln kaum Primärenergie. | Abbildung: © Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.

Für den zum Antrieb des Kompressors verwendeten Strom gilt ein PEF von 2,5 (entsprechend des europäischen Strommix; in Deutschland läge er eigentlich bei 1,8). So kommen bei der Stromerzeugung nicht nur fossile Brennstoffe zum Einsatz, es geht auch viel Energie verloren. Viel umweltfreundlicher ist da Solarstrom. Als Form erneuerbarer Energie hat er einen PEF von 1. Eine Kombination der Wärmepumpe mit einer Photovoltaikanlage spart somit nicht nur Stromkosten, sondern wirkt sich auch positiv auf den ηS-Wert aus.

Um eine BEG-Förderung zu erhalten, müssen Wärmepumpen nämlich folgende Effizienz-Mindestwerte erreichen:

Wärmequelle

ηS-Wert bei 35 °C

ηS-Wert bei 55 °C

Luft

135 %

120 %

Erde

150 %

135 %

Wasser

150 %

135 %

Weitere Informationen zu den Fördervoraussetzungen sowie eine Liste mit allen förderfähigen Wärmepumpen finden sich auf der Internetseite des BAFA.

Entscheidet man sich für eine von diesen darf man sich nicht nur über eine Förderung freuen, sondern sich auch sicher sein, dass sie unter den richtigen Bedingungen eine gute Jahresarbeitszahl hervorbringen wird. Genauere Informationen kann Ihnen da ein Fachbetrieb geben. Dieser bezieht bei der Berechnung der Wirtschaftlichkeit nicht nur alle Aspekte des Heizsystems mit ein, sondern analysiert auch, ab welcher JAZ sich für Sie eine Wärmepumpe lohnt und ob der entsprechende Typ bei Ihnen realisierbar ist.

Weiterlesen zum Thema "COP-Wert & SCOP-Wert"

Erfahrungen & Fragen zum Thema Jahresarbeitszahl

Frage zur Messung der PV-Erträge

Ich habe eine Frage zur Messung der PV-Erträge bzw. zur genauen Messung der einzelnen Strommengen. (Einspeisung, Netzbezug und Eigenverbrauch) Die Anlage ist z.Zt. noch in der Planung, wird aber voraussichtlich Anfang Oktober in die Tat umgesetzt. Die Anlage wird eine Leistung von 9,6 kwp haben und einen e3dc Speicher mit netto 8,5 kwh betrieben werden. Ich gehe davon aus, dass ein Zweirichtungszähler zur Erfassung der eingespeisten und vom VNB bezogenen Strommenge montiert wird. Meine Frage zielt dahin, wie ich die eigenverbrauchte Strommenge erfassen kann. Mit einem weiteren (geeichten ?) Zähler ? Des Weiteren wird mit der PV Anlage und dem Speicher , außer einem "normalen" Haushalt, auch noch eine Wärmepumpe betrieben. Die jährlichen Strommengen werden sich bei ca. 11600 kwh/a bewegen, 4500 kwh/a für den Haushalt und ca. 7100 kwh/a für die Wärmepumpe Sowohl für den Haushalt als auch für die Wärmepumpe möchte ich den Verbrauch, möglichst über je einen einzelnen Zähler, ermitteln. Besonders die Messung der Gesamtmenge des Wärmepumpenstroms ,sowohl aus der PV - Anlage als auch die Menge die aus dem Netz bezogen wurde, ist für mich zur Ermittlung Jahresarbeitszahl der WP wichtig . Wenn irgendwie möglich sollten alle Strommengen über Zähler erfasst werden ! Gibt es eine Lösung zu meiner Frage ? (Vielleicht sogar eine Art von Schaltplan ?) Für Ihre Mühe schon einmal vielen Dank im Voraus
Antwort von W.D. Düllmann GmbH & Co. KG - Gesellschaft für Hoch- und Niederspannungsanlagen

Die gesamte Erzeugung ergibt sich aus der Anlagensteuerung bzw. Überwachung, bei SMA dem HomeManager 2.0.
Die Wärmepumpe kann nicht über einen separaten WP-Zähler betrieben werden. Soll sie mit PV versorgt werden, gibt es deshalb keinen WP-Tarif.
Unterzähler sind natürlich immer möglich! D.h. Zähler in Reihe ja, parallel nicht!
Die Eigenverbrauchsquote ergibt sich aus der Differenz zwischen Gesamtertrag (HomeManager) und Einspeiseleistung auf dem Zweirichtungszähler des Stromversorgers.

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