Jahresarbeitszahl: Die Effizienz einer Wärmepumpe bestimmen

• Berechnung der Jahresarbeitszahl
• Mit der Jahresarbeitszahl den Stromverbrauch bestimmen
• Jahresarbeitszahlen der einzelnen Wärmepumpentypen
• Was die Jahresarbeitszahl noch beeinflusst
• Unterschied von JAZ, COP und SCOP
• JAZ jetzt kein Förderkriterium mehr

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

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.

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:

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.

Dazu gibt es die meisten der obigen Systeme noch als Wärmepumpen mit Inverter. Inverter Wärmepumpen können ihre Leistung dem aktuellen Heizwärmebedarf einer Immobilie fließend anpassen. Unter Teillast arbeitet eine Wärmepumpe noch einmal deutlich effizienter und die Jahresarbeitszahl steigt an.

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 mit geeigneten Heizkörpern für Wärmepumpen: im Neubau mit Flächenheizungen und im Altbau mit Niedertemperaturheizkörpern. Inzwischen sind auch Hochtemperatur Wärmepumpen auf dem Markt erhältlich, jedoch leidet die Effizienz unter dem benötigten energetischen Mehraufwand.

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.

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 der Wärmepumpe.

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.

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.

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:

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.