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Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen: Kennzahlen & Berechnung

Was sagt die Jahresarbeitszahl über die Effizienz von Wärmepumpen aus? Welche Wärmepumpen haben die höchste JAZ, welche die niedrigste? Wie berechnet man sie?

Die Jahresarbeitszahl ist definiert als das Verhältnis von jährlich erzeugter Wärmemenge am Ausgang der Wärmepumpe zum notwendigen Stromeinsatz an deren Eingang und wird als Quotient aus beiden Größen dargestellt. Sie gilt als der wichtigste Indikator für den Wirkungsgrad von Wärmepumpen. Als genauere Definitionen der Jahresarbeitszahl gelten die EJAZ und SJAZ.

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Erklärung und Bedeutung der Jahresarbeitszahl

Während die Leistungszahl beschreibt, wieviele Kilowattstunden Wärme aus einer Kilowattstunde Strom in einem bestimmten Betriebszustand erzeugt werden können, gibt die Jahresarbeitszahl (kurz JAZ) das Verhältnis von eingesetzter Strommenge und ausgehender Wärmemenge über das gesamte Jahr hinweg bei unterschiedlichen Betriebszuständen wieder.

Damit ist die Jahresarbeitszahl (engl.: seasonal peformance factor, SPF) das wichtigste Beurteilungskriterium für den Wirkungsgrad, die Effizienz und daraus resultierend für die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit der Wärmepumpe.

Im Vorwege einer Auswahlentscheidung für oder gegen eine spezielle Wärmepumpenart ist die Prognose der Jahresarbeitszahl jedoch äußerst schwierig. Daher werden in der Praxis VDI-Richtlinien herangezogen, die eine Aussage über Jahresarbeitszahlen unter bestimmten Betriebsbedingungen zulassen.

Schematische Darstellung des Vergleichs von JAZ und COP im Jahresverlauf (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Darstellung des Vergleichs von JAZ und COP im Jahresverlauf (Grafik: energie-experten.org)

Die Definition der JAZ wird teilweise noch unterteilt in EJAZ und SJAZ. Die sogenannte Erzeuger-Jahresarbeitszahl (EJAZ) wird direkt am Wärmeausgang (hinter der Wärmepumpe). DIE EJAZ berücksichtigt damit die Wärme am Ausgang der Wärmepumpe und die Abtauenergie bei Luft-Wärmepumpen sowie den Strom für die Wärmepumpe selbst und für die Erschließung der Kaltquellen Luft, Grundwasser oder Erdreich.

Im Gegensatz hierzu berücksichtigt die für die Energieeffizienz und den Klimaschutz maßgebliche System-Jahresarbeitszahl (SJAZ) auch noch weitere Verlustquellen wie Heizungspuffer- und Warmwasserspeicher, Notheizstab und Speicher-Ladepumpen. Die SJAZ bilanziert also die Nutzenergien des Wärmepumpensystems.

Richtwerte von Jahresarbeitszahlen nach Wärmepumpenarten

Die höchsten Jahresarbeitszahlen von etwa Fünf weisen Wasser/Wasser-Wärmepumpen auf, da das Grundwasser ganzjährig hohe Quellentemperaturen in großem Umfang liefern kann.

Dann folgen Erdwärmepumpen, die mit Erdsondenbohrungen betrieben werden. Diese weisen aufgrund des saisonal relativ unabhängigen Erdwärmetemperaturniveaus eine Jahresarbeitszahl je nach Gebäudeart von über Vier auf. Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Flächenkollektoren weisen in der Praxis etwas schlechtere Jahresarbeitszahlen von unter Vier auf, da das Temperaturniveau der oberen Bodenschichten sich im Winter abkühlt und die Temperaturregeneration von der Sommersaison abhängig ist.

Mit etwa 3 weisen Luftwärmepumpen die vergleichsweise niedrigsten Jahresarbeitszahlen auf, da sich die Außenluft im Winter merklich abkühlt und der Wärmepumpe somit nur ein sehr niedriges Quellentemperatur zur Verfügung steht.

Tabelle 1: Kennzahlen für die Jahresarbeitszahl unterschiedlicher Wärmepumpenheizungen im Vergleich
Wärmepumpen-Typ JAZ im Vergleich
Wasser-Wasser-Wärmepumpe 5
Sole-Wasser-Wärmepumpe (mit Erdsonden) 4 bis 4,5
Sole-Wasser-Wärmepumpe (mit Flächenkollektor) 3,5 bis 4
Luft-Wasser-Wärmepumpe 2,5 bis 3,5

Berechnung des Stromverbrauchs anhand der Jahresarbeitszahl

Ist die Jahresarbeitszahl und die Heizleistung der Wärmepumpe bekannt, so lässt sich aus diesen Daten grob der zukünftige Stromverbrauch pro Jahr anhand der folgenden Formel berechnen:

Heizleistung / Jahresarbeitszahl * Heizstunden pro Jahr = Stromverbrauch in kWh pro Jahr

Beträgt die Heizleistung einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe z. B. 10 kW, die JAZ eine Fünf und die jährliche sind 2200 Heizstunden zu erwarten, so beträgt der Stromverbrauch: 10 kW / 5 * 2200 h/a = 4400 kWh Stromverbrauch pro Jahr

Für eine 5 kW große Erdwärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von Vier und 2000 Heizstunden beträgt der Stromverbrauch: 5 kW / 4 * 2000 h/a = 2500 kWh Stromverbrauch pro Jahr

Eine Luftwärmepumpe mit einer Leistung von 15 kW und einer JAZ von 3 und 1800 Heizstunden weist gmäß obiger Formel folgenden Stromverbrauch auf: 15 kW / 3 * 1800 h/a = 9000 kWh Stromverbrauch pro Jahr

Tabelle 2: Berechnung des Wärmepumpen-Stromverbrauchs nach typischer JAZ für ein Einfamilienhaus mit 120 m2 Wohnfläche bei 100 kwh/m2a
Wärmepumpen-Typ Wärmebedarf Jahresarbeitszahl Wärmepumpe Stromverbrauch pro Jahr
Luft/Wasser-Wärmepumpe 12.000 kWh 2,8 4286 kWh
Sole/Wasser-Wärmepumpe 12.000 kWh 4,2 2857 kWh
Wasser/Wasser-Wärmepumpe 12.000 kWh 5,0 2400 kWh

Experten-Tipp: Diesem Zusammenhang folgend, können Sie die Vorteilhaftigkeit der Wärmepumpe in Bezug auf die Heizkosten auch anhand einer einfachen Faustregel mit Hilfe der Jahresarbeitszahl abschätzen: Ist die Arbeitszahl der Wärmepumpe größer als das Ergebnis der Division des Strompreises durch den Kilowattstundenpreis eines alternativen Energieträgers, lohnt sich die Wärmepumpe: Bei einem Heizstrompreis von 22 ct/kWh und einem Erdgaspreisvon 6,5 ct/kWh rechnet sich eine Wärmepumpe also ab einer Jahresarbeitszahl von 22 Cents / 6,5 Cents = 3,38.

Messung der Jahresarbeitszahl mit Strom- und Wärmemengenzähler

Um die Jahresarbeitszahl in der Praxis messen zu können, muss der gesamte Stromverbrauch der Wärmepumpe inklusive des Betriebsstroms und eines evtl. vorhandenen Direktheizstabs mit einbezogen werden. Die Messung dieses Stromverbrauchs kann dann am Stromzähler für die Wärmepumpe erfolgen. Die Messung der ausgehenden Wärmemenge sollte über einen Wärmemengenzähler passieren, der, sofern nicht in der Wärmepumpe integriert, bei der Installation berücksichtigt werden sollte.

Der Resol Wärmemengenzähler MZ Plus ist u.a. für Solar- und Wärmepumpensysteme geeignet und ermöglicht zwei unabhängige Wärmemengenzählungen. (Foto: RESOL GmbH)
Der Resol Wärmemengenzähler MZ Plus ist u.a. für Solar- und Wärmepumpensysteme geeignet und ermöglicht zwei unabhängige Wärmemengenzählungen. (Foto: RESOL GmbH)

Nur so kann die tatsächlich resultierende Arbeitszahl der Wärmepumpe über das ganze Jahr hinweg ermittelt werden. Weicht die gemessene Jahresarbeitszahl von der vor dem Kauf der Wärmepumpe prognostizierten Jahresarbeitszahl ab, so ist dies nicht unbedingt auf einen Planungsfehler zurückzuführen. Vielfach sind hieran unterschiedlich lange Kälteperioden im Winter Schuld, sodass eine belastbare Messung der Jahresarbeitszahl über mehrere Jahre hinweg erfolgen muss.

Wirtschaftliche Optimierung der Arbeitszahl der Wärmepumpe

Die Jahresarbeitszahl kann durch geschickte Wahl der Wärmequelle und des Wärmeverteilsystems beeinflusst werden. Dabei gilt, dass je kleiner die Differenz zwischen Vorlauftemperatur und Wärmequellentemperatur, desto besser ist die Jahresarbeitszahl. Eine optimale Jahresarbeitszahl ergibt sich daher bei ganzjähirg hohen Temperaturen der Wärmequelle und niedrigen Vorlauftemperaturen im Wärmeverteilsystem, die vor allem durch Flächenheizungen erreicht werden können.

Zur Optimierung der Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe könnte man z. B. zusätzliche Sondenmeter bohren und weitere m2 Flächenkollektor verlegen, um das Quellentemperaturniveau auch in der Heizperiode konstant hoch zu halten, oder auf der Wärmeabgabeseite den Verlegeabstand der Fussbodenheizungsschleifen verringern, sodass die Vorlauftemperatur auf deutlich unter 30°C gesenkt werden kann.

Bei der Planung der Wärmepumpe sollte jedoch eine Abwägung zwischen einer optimalen Jahresarbeitszahl und den damit verbundenen Kosten für die Erschließung der Wärmequelle und der Herstellung eines optimale Wärmeverteilungssystems erfolgen, da sonst die letztlich resultierenden Kosten pro Kilowattstunde Wärme trotz optimaler Jahresarbeitszahl zu hoch werden.

Ökologischer Nutzen: Definition einer Mindest-Jahresarbeitszahl

Wann gelten Wärmepumpen als effizient? Diese Frage wird von Befürwortern und Gegner verständlicherweise höchst unterschiedlich beantwortet. Im Allgemeinen geht man jedoch davon aus, dass eine Wärmepumpe als effizient bezeichnet werden kann, wenn ihre

Jahresarbeitszahl multipliziert mit dem durchschnittlichen Brutto-Wirkungsgrad im deutschen Kraftwerkspark höher 1 ist.

Dies bedeutet letztlich, dass der Einsatz der Wärmepumpe mit einer dementsprechenden Jahresarbeitszahl weniger CO2 ausstößt als eine Kilowattstunde "normaler" Strom, die anschließend per Elektroheizung 1:1 in Wärme umgewandelt wurde.

Beispiel: Legt man elektrischen Nettowirkungsgrad von 60 % (z. B. Erdgas befeuerte Kraftwerke) zugrunde, so wär eine Wärmepumpe effizient, wenn sie eine Jahresarbeitszahl von 1/0,6 = 1,66 besitzt. Legt man einen elektrischen Nettowirkungsgrad von 40 % (z. B. Braunkohlenkraftwerk) zugrunde, so müsste die Jahresarbeitszahl 1/0,4 = 2,5 betragen.

Fachunternehmererklärung und Mindestjahresarbeitszahlen

Bisher sahen einige Förderprogramme wie z.B. das Programm "Erneuerbare Energien" des Bundesumweltministeriums vor, dass bestimmte Mindestwerte für die JAZ erreicht werden müssen. Luft/Wasser-Wärmepumpen mussten demnach eine Arbeitszahl von 3,5 und Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen für die kombinierte Raumbeheizung und Warmwasser-Bereitung in bestehenden Gebäuden eine Jahresarbeitszahl von 3,8 erreichen.

Auch das Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (oder kurz EEWärmeG) verlangt seit 2009, dass in Neubauten je nach eingesetzter Wärmepumpentechnik ein Mindestanteil erneuerbarerer Energien zur Deckung des Wärmebedarfs mit einer Mindestjahresarbeitszahl zum Einsatz kommt. Dabei muss die JAZ rechnerisch nach der VDI-Richtlinie 4650 für Raumwärme und Warmwasser mit Hilfe einer Fachunternehmererklärung bzw. einer Bescheinigung eines Sachkundigen nachgewiesen werden.

Diese Fachunternehmererklärung wird vom Installateur oder Generalunternehmer ausgestellt und sichert dem zukünftigen Wärmepumpenbetreiber das Erreichen einer bestimmten Mindestjahresarbeitszahl unter in der Fachunternehmererklärung definierten Randbedingungen zu.

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"Jahresarbeitszahl berechnen und vergleichen" wurde am 05.03.2019 das letzte Mal aktualisiert.