Luftwärmepumpen müssen an kalten Tagen Sonderschichten leisten, um Häuser zu beheizen. Aber selbst bei Minustemperaturen arbeiten sie überdurchschnittlich effizient, bestätigen inländische und internationale Betriebsanalysen.
Verfasst von Paul Knüsel
Eine gute Wärmepumpe ist die Ameise unter den Heizsystemen: Sie liefert aus wenig Energie ein Mehrfaches an Wärme für das Eigenheim. Zwar lassen sich aus Brennholz, Gas oder Öl über 80 % des Brennwerts als nutzbare Heizwärme gewinnen. Doch die Wärmepumpe arbeitet mit einem Wirkungsgrad von mindestens 300 %. Diese Effizienz lässt sich mit folgender Faustregel beschreiben: Aus Umweltwärme und einer Kilowattstunde (kWh) Strom, die hauptsächlich zum Antrieb des Kompressors benötigt wird, werden 3 kWh Wärme zum Heizen erzeugt.
Eine gute Wärmepumpe ist die Ameise unter den Heizsystemen.
Das Institut für Energiesysteme der Ostschweizer Fachhochschule OST überprüft jede neu immatrikulierte Wärmepumpe jeweils im eigenen Labor und veröffentlichte im letztjährigen Prüfbericht (PDF) noch beeindruckendere Effizienzgrade. Luftwärmepumpen der jüngsten Generation arbeiten mit einem SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) von 4 bis 6. Die SCOP-Werte der ebenfalls geprüften Erdwärmepumpen (PDF) liegen sogar bei 5 und mehr.
Die Energiequelle macht den Unterschied: Erdwärmepumpen beziehen die Grundwärme aus dem Erdreich, das ganzjährig ein ausgeglichenes Temperaturniveau aufweist. In rund 200 Metern Tiefe pendeln sich die Temperaturen zwischen Sommer und Winter jeweils bei 12 °C bis 14 °C ein. Dagegen haben Luftwärmepumpen ein saisonales Handicap zu überwinden: Ihre Heizungsdienste werden jeweils bei tiefen Aussenlufttemperaturen – am Tag und vor allem in der Nacht – besonders nachgefragt. Umso stärker interessiert, wie effizient eine Luftwärmepumpe bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt funktioniert und wie hoch der Wirkungsgrad nicht nur im Prüflabor, sondern auch im Alltag ist.
Tatsächlich misst die Fachhochschule OST auch Heizsysteme im realen Praxisbetrieb. Inzwischen werden mehrere Dutzende Standorte im Schweizer Gebäudepark mit solchen Feldtests überwacht (Bericht als PDF). Vergleichbare Messkampagnen führen auch Forschungsinstitutionen in Deutschland oder Skandinavien durch.
Für die Effizienz von Luftwärmepumpen ist die Temperatur der Aussenluft das A und O.
Folgender Befund aus den vielen Betriebsdaten ist deshalb gut abgestützt: Für die Effizienz von Luftwärmepumpen ist die Temperatur der Aussenluft das A und O. Wenn die Energiequelle kälter wird, steigt der Stromverbrauch der Wärmepumpe unmittelbar.
Dennoch scheint auch an den kältesten Tagen der Spagat zu gelingen, Heizwärme auf sparsame Weise zu erzeugen. Eine Luftwärmepumpe deckt den Bedarf bei Temperaturen im zweistelligen Minusbereich deutlich effizienter als konventionelle Heizsysteme. Diese Erkenntnis stammt aus einer Studie, in welche Betriebsdaten von mehreren hundert Anlagen in Nordeuropa, Kanada und der Schweiz Eingang fanden. Untersucht wurde der Alltagsbetrieb bei milden bis sehr kalten Bedingungen und in unterschiedlichen Klimazonen.
Wärmepumpen in der Schweiz erzeugen immer mindestens doppelt so viel Wärme aus dem Strom wie eine Elektroheizung.
Die Detailangaben zeigen, wie robust eine Luftwärmepumpe auf sinkende Temperaturen ihrer Energiequelle reagiert. Bei 5 °C wurde ein durchschnittlicher Wirkungsgrad von 2,6 ermittelt. Selbst weit unter dem Gefrierpunkt – bei -10 °C bis -30 °C – wird der Minimalwert 1,5 nirgends unterschritten. Eine separate Auswertung von Schweizer Felddaten zeigt noch Erfreulicheres: Der minimale Wirkungsgrad liegt bei 2. Zum Vergleich: Erst ein Wirkungsgrad von 1 würde bedeuten, dass die Wärmepumpe genauso wenig effizient wie eine Elektro-Direktheizung funktioniert. Wärmepumpen in der Schweiz erzeugen immer mindestens doppelt so viel Wärme aus dem Strom wie eine Elektroheizung.
Die 14 Anlagen im Gebäudepark Schweiz, die im Rahmen der internationalen Feldtest-Studie erfasst wurden, fielen generell durch eine besonders hohe Effizienz auf. Zum einen sank der mittlere Wirkungsgrad bei einer Aussentemperatur um -4 °C nicht unter 3. Die Bestwerte erreichten ein Niveau von beinahe 5.
Zum anderen scheint das relativ trockene Klima in der Schweiz den sparsamen Betrieb von Luftwärmepumpen zu begünstigen. Der Grund: Der Stromverbrauch erhöht sich, wenn der Wärmetauscher zu enteisen ist und dafür zusätzliche Energie für die interne Abtaufunktion benötigt. Gemäss der internationalen Feldstudie muss der Frostschutz hierzulande weniger häufig aktiviert werden als zum Beispiel in nordeuropäischen Ländern.
Auch die ETH Zürich untersucht eine Vielzahl von Wärmepumpen im Alltag. Die Erkenntnisse zur hohen Effizienz im regulären Heizbetrieb sowie bei einem kurzfristigen Kälteabfall bestätigen den internationalen Befund. Allerdings wird auf starke Unterschiede bei Einzelanlagen hingewiesen. Die Jahresarbeitszahlen können selbst bei gleichen Aussenlufttemperaturen erheblich voneinander abweichen. Die niedrigsten Wirkungsgrade unterscheiden sich vom Höchstwert um einen Faktor zwei bis drei.
Gründe dafür sind bei der Wärmepumpe selbst und bei den Betriebseinstellungen zu suchen. Typische Fehler sind beispielsweise unzureichend eingestellte Heizkurven oder eine überdimensionierte Leistung. Sie führen dazu, dass eine Wärmepumpe mehr arbeitet als nötig, häufiger in den Heizbetrieb schaltet und deshalb mehr Strom benötigt als ein optimiertes System.
Diese Erkenntnisse sind nicht neu: Eine Betriebsanalyse von grossen Wärmepumpenanlagen wies vor zwei Jahren nach, dass diese in den meisten Fällen überdimensioniert sind. Eine ETH-Studie mit Beteiligung der Elektrizitätswerke des Kantons Zürich (EKZ) und des Bundesamts für Energie evaluierte dagegen, ob auch kleine Anlagen im privaten Wohnbereich fehleranfällig sind. Effektiv waren 160 von 400 Gebäudeheizungen falsch eingestellt. Diese Wärmepumpen erzeugten mehr Wärme als wirklich benötigt. Zudem waren 100 Anlagen länger in Betrieb als eigentlich notwendig – und konsumierten dadurch ebenfalls unnötig viel Strom.
Persönliche Beratung für Kundinnen und Kunden von EKZ mit einer Wärmepumpe
WärmepumpenoptimierungDie ETH-Analyse erfasste den Stromverbrauch von privaten Wohnhäusern unter Zuhilfenahme von künstlicher Intelligenz. Tatsächlich soll sich diese Methode dereinst zur regulären Überwachung des Alltagsbetriebs eignen. Die Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) will in einem Forschungsprojekt die breite Anwendbarkeit im Eigenheimbereich entwickeln.
Wie sinnvoll solche Kontrollen sind, beweisen die Feldstudien ihrerseits. Untersucht wird dabei auch das Stromsparpotenzial, wenn etwa die Betriebseinstellung einer Wärmepumpe optimiert wird. Erzielt wurden Effizienzsteigerungen von 10 bis 20 %. Umgerechnet auf ein Eigenheim reduziert sich der Energiekonsum dadurch erheblich: Nachdem die Heizkurve angepasst wurde, benötigt eine Wärmepumpe durchschnittlich 1805 kWh weniger Strom pro Jahr. Bei einem durchschnittlichen Strompreis von rund 27 Rappen pro kWh wären die Kosten also etwa 500 Franken geringer.
Titelfoto
myswitzerland
Ostschweizer Fachhochschule OST
Fach- und Wissenschaftsjournalist BR, arbeitet bei Faktor Journalisten. Er schreibt am liebsten über klimafreundliches und nachhaltiges Bauen.
Kommentare: Was denken Sie?
Stefan B.
Vor 3 Wochen
Dass eine Wärmepumpe gegenüber einer reinen Elektroheizung effizienter ist, wollen wir hoffen. Schliesslich müsste aber auch noch die graue Energie verrechnet werden, wie auch die Umweltauswirkungen vom Kältemittel, das im Betrieb oder bei der Entsorgung entweicht. Dazu kommt noch der Nachteil, dass mit einer Elektroheizung sehr gezielt, zeitlich und örtlich, geheizt werden kann. Eine Niedertemperaturheizung mit Wärmepumpe kann das nicht.
Weiter müsste ein Vergleich mit einer Öl- oder Gasheizung gemacht werden, so lange nicht sichergestellt ist, dass der Strom aus erneuerbaren Energien stammt, was im Winter eben nicht so sicher ist. Denn in einem thermischen Kraftwerk geht ja auch schon 1/3 der Primärenergie verloren, mehr als in einer effizienten Gasheizung.
Thomas Elmiger
Vor 3 Wochen
Danke für die Hinweise. Mit einigen Aspekten haben wir uns bereits in anderen Beiträgen befasst, wir verlinken diese gerne nochmals. Kältemittel darf im Betrieb nicht freigesetzt werden, denn sonst funktioniert die Wärmepumpe ja nicht mehr, bei einem Defekt oder bei unsachgemässer Entsorgung könnte es allerdings passieren. Bei einer fachgerechten Entsorgung entweicht aber ebenfalls nichts und mit den neuen natürlichen Kältemitteln wäre der Schaden gering.
Zeitlich und örtlich sehr gezielt heizen kann man gut mit Luft-Luft-Wärmepumpen. Last but not least: Schweizer Strom ist schon heute sehr CO2-arm und auch Importstrom wird immer klimaschonender (z. B. aus Deutschland), weil international rasch mehr erneuerbare Stromerzeugung zugebaut wird. Darum gewinnt die Wärmepumpe den Vergleich mit Öl- und Gasheizungen auf jeden Fall.