Wärmepumpe mit Lüftungsanlage: SCOPtotal als Systemkennwert der Zukunft?

Moderne Gebäude setzen zunehmend auf elektrische Heizsysteme in Kombination mit mechanischer Lüftung, um die Anforderungen an Energieeffizienz, Behaglichkeit und Luftqualität zu erfüllen.

Besonders häufig kommen Wärmepumpen zum Einsatz, die Umweltenergie aus Luft, Wasser oder Erdreich nutzbar machen, während Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung für kontinuierlichen Luftaustausch und minimale Wärmeverluste sorgen.

Bislang wurden beide Systeme allerdings getrennt bewertet: Für Wärmepumpen dient der COP bzw. die Jahresarbeitszahl (SCOP) als Maß für die Effizienz, während Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung meist über ihren Wärmerückgewinnungsgrad (ηWRG) und den spezifischen Stromverbrauch der Ventilatoren (SPI) charakterisiert werden.

Das Problem: In der Praxis arbeiten beide Systeme energetisch eng zusammen – die Lüftungsanlage entlastet die Wärmepumpe durch Wärmebereitstellung aus der Abluft, während die Wärmepumpe die Restwärme bereitstellt. Eine getrennte Betrachtung wird dieser Wechselwirkung nicht gerecht.

Genau hier setzt die ITG-Kurzstudie an. Ziel war es, einen gemeinsamen Effizienzkennwert zu entwickeln, der die reale energetische Systemleistung aus Heiz- und Lüftungstechnik zusammenfasst.

Das ITG Dresden hat auf Basis normativer Berechnungsansätze (insbesondere DIN V 18599) und typischer Anlagenparameter eine analytische Methodik entwickelt, mit der äquivalente Leistungszahlen für Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung abgeleitet werden können. Diese Werte lassen sich dann mit der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe kombinieren.

Im ersten Schritt wurde analog zur Wärmepumpentechnik eine äquivalente Leistungszahl (COPäq) für die Lüftungsanlage definiert:

\(COP_{äq} = {Q_{WRG} \over P_{fan}}\)

Hierbei steht Q_WRG für die rückgewonnene Wärmeleistung aus der Abluft und P_fan für die elektrische Leistungsaufnahme der Ventilatoren.

Über das Jahr gemittelt ergibt sich daraus eine äquivalente Jahresarbeitszahl (SCOP_äq):

\(SCOP_{äq} = {Q_{WRG} \over W_{fan}}\)

Diese Kenngrößen ermöglichen eine direkte energetische Vergleichbarkeit zwischen Lüftungsanlage und Wärmepumpe.

Für die Berechnung wurden typische moderne Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung zugrunde gelegt:

• Wärmerückgewinnungsgrad: 85 %
• Spezifische elektrische Leistungsaufnahme (SPI): 0,25 W/(m³/h)

Daraus resultieren äquivalente Leistungszahlen zwischen 11 und 25, abhängig von Betriebszustand und Luftvolumenstrom. Die mittlere äquivalente Jahresarbeitszahl liegt bei etwa 17,5.

Zum Vergleich: Moderne Luft-Wasser-Wärmepumpen erreichen SCOP-Werte um 4 bis 5. Diese Diskrepanz verdeutlicht, dass die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung energetisch ausgesprochen effizient arbeitet – sie gewinnt mit minimalem Stromaufwand große Wärmemengen zurück.

Interessant ist insbesondere der Temperaturverlauf: Während die Effizienz der Wärmepumpe bei sehr niedrigen Außentemperaturen abnimmt, bleibt die Leistungsfähigkeit der Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung nahezu konstant. Sie kompensiert damit die Schwächen der Wärmepumpe im Winter und wirkt als Systemstabilisator.

Auf Basis dieser Erkenntnisse definierte das ITG den neuen Kennwert SCOP_total, der die Gesamtarbeitszahl eines kombinierten Systems aus Wärmepumpe und Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung beschreibt.

Die Formel lautet:

\(SCOP_{total} = {{Q_{WP} + Q_{WRG}} \over {W_{WP} + W_{fan}}}\)

Dabei werden sowohl die durch die Wärmepumpe erzeugte Wärme (Q_WP) als auch die durch die Lüftungsanlage rückgewonnene Wärme (Q_WRG) addiert und dem gesamten elektrischen Aufwand beider Systeme gegenübergestellt. Das Ergebnis ist ein gemeinsamer Systemwirkungsgrad, der die reale Gesamteffizienz eines modernen Gebäudeenergiesystems abbildet.

Zur Veranschaulichung berechnete das ITG ein Referenzgebäude – ein modernes Einfamilienhaus-Neubau mit folgender Ausstattung:

• Außenluft-Wasser-Wärmepumpe inkl. Heizstab
• Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung (ηWRG = 85 %, SPI = 0,25 W/(m³/h))
• Standard-Betriebsbedingungen gemäß DIN V 18599

Das Ergebnis ist bemerkenswert: Durch die Einbeziehung der Wärmerückgewinnung steigt die Gesamtarbeitszahl SCOP_total um rund 15 % gegenüber der reinen Wärmepumpe. In Zahlen:

• Ohne Lüftungsanlage: SCOP = 4,4
• Mit Lüftungsanlage + Wärmerückgewinnung: SCOP_total ≈ 5,0

Neben der Jahresarbeitszahl zeigte sich auch eine deutlich stabilere Effizienz über das Jahr. Während die Monatsarbeitszahlen einer Wärmepumpe im Winter typischerweise stark abfallen, glättet die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung diese Schwankungen und sorgt für ein gleichmäßigeres Leistungsniveau.

Die Einführung des SCOP_total bringt mehrere Vorteile:

1. Ganzheitliche Bewertung: Heiz- und Lüftungstechnik werden als ein Gesamtsystem betrachtet. Dadurch lässt sich die reale Energieeffizienz moderner Gebäude präziser bewerten als mit getrennten Einzelkennzahlen.
2. Praxisnähe: Die Methodik ist kompatibel mit bestehenden Berechnungsnormen (z. B. DIN V 18599) und kann in Energieausweisen, Simulationen und Planungstools angewendet werden.
3. Förderpolitisches Potenzial: Der neue Kennwert könnte künftig in Programme wie die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) integriert werden, um kombinierte Systeme besser zu berücksichtigen.
4. Systemoptimierung: Planer:innen können mit SCOP_total unterschiedliche Gerätekombinationen direkt vergleichen und die energetisch günstigste Lösung identifizieren.
5. Verbesserte Kommunikation: Für Hersteller und Energieberater:innen schafft der Kennwert eine verständliche und einheitliche Größe, die sich an Endkund:innen kommunizieren lässt – ähnlich wie der SCOP bei Wärmepumpen allein.

Die Studie unterstreicht, dass die Kombination beider Systeme nicht nur rechnerisch, sondern auch physikalisch sinnvoll ist.

Während die Wärmepumpe auf niedrige Vorlauftemperaturen angewiesen ist und bei Kälte an Effizienz verliert, sorgt die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung dafür, dass weniger Heizlast anfällt – sie senkt also die Temperaturdifferenz, die die Wärmepumpe überwinden muss.

Dadurch sinkt der elektrische Verbrauch der Wärmepumpe, und ihre Betriebszeiten verlängern sich mit geringerer Leistungsanforderung. Das Ergebnis: ein stabilerer, langlebigerer und effizienterer Heizbetrieb.

In der Summe kann die Kombination sogar Primärenergiebedarf und Treibhausgasemissionen messbar reduzieren – ohne zusätzliche Komponenten.

Das ITG weist darauf hin, dass das Prinzip des kombinierten Kennwertes nicht nur für Heizung gilt.

Analog könnte ein SEER_total (Seasonal Energy Efficiency Ratio) für Kühlsysteme definiert werden, der Kühlung und Lüftungswärmerückgewinnung gemeinsam bewertet. Auch für Warmwasserbereitung lassen sich ergänzende Effizienzbetrachtungen anstellen.

Damit öffnet sich der Ansatz für ein umfassendes, sektorenübergreifendes Bewertungsmodell, das die Realität moderner Gebäudeenergiesysteme besser abbildet.

Die Ergebnisse der ITG-Studie haben weitreichende Bedeutung: Energieberater:innen, TGA-Planer:innen und Hersteller fordern seit Langem systemische Effizienzkennwerte, die reale Gebäudetechnik-Kombinationen berücksichtigen. Mit SCOP_total steht nun ein wissenschaftlich fundierter, praxisnaher Ansatz zur Verfügung.

Für die Energiepolitik bedeutet das:

• Förderungen können präziser ausgestaltet werden.
• Energieausweise erhalten realistischere Bewertungsgrundlagen.
• Die Wechselwirkungen effizienter Komponenten werden sichtbar.

Gerade im Kontext des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und der BEG-Förderprogramme kann das helfen, den Fokus stärker auf integrierte Systemlösungen zu lenken – anstelle isolierter Technikbewertungen.