Lexikon > Buchstabe J > Jahresarbeitszahl

Jahresarbeitszahl

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe gibt an, wie viel mal mehr Nutzwärme innerhalb eines ganzen Jahres das Gerät abgibt, als Antriebsenergie bzw. elektrische Energie benötigt wird. Mit anderen Worten ist die Jahresarbeitszahl die im Jahresmittel erreichte Leistungszahl. Bei der elektrischen Leistungsaufnahme werden auch nötige Hilfsaggregate mit berücksichtigt, z. B. bei Verwendung von Erdwärmesonden die Sole-Umwälzpumpe. Auch der Strombedarf eines Elektroheizstabs für die elektrische Notheizung an besonders kalten Tagen kann in die Jahresarbeitszahl einbezogen werden.

Gemeint ist mit "Arbeit" hier, dass man nicht Leistungen betrachtet, sondern Energiemengen, die in einer gewissen Zeit (z. B. in einem Jahr) umgesetzt werden. Mit dem in Physik und Technik sonst üblichen Begriff Arbeit (in Abgrenzung von Wärme) hat dies nichts zu tun.

Von modernen Wärmepumpenheizungen typischerweise erreichte Jahresarbeitszahlen liegen meist zwischen 3 und 5. Luft/Wasser-Wärmepumpen liegen häufig (aber nicht immer) am unteren Ende dieser Spanne, in ungünstigen Fällen (v. a. ältere Modelle) sogar noch deutlich tiefer (z. B. bei 2,5). Besonders gute Wärmepumpen erreichen unter günstigen Umständen Werte von mehr als 5.

Vom Hersteller einer Wärmepumpe kann die Jahresarbeitszahl in der Regel nicht angegeben werden, da sie von diversen Umständen im Einsatz abhängt (siehe unten). Sie charakterisiert nämlich die Gesamtanlage unter gewissen Einsatzbedingungen, während Leistungszahlen eher zum Vergleich der Qualität von Wärmepumpen-Aggregaten geeignet sind. Allerdings gibt es für typische Einsatzfälle sogenannte SCOP-Werte (siehe unten), die eine gute Abschätzung der möglichen Jahresarbeitszahl liefern können.

Auch bei Solarthermieanlagen (etwa mit Sonnenkollektoren für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung) kann man eine Jahresarbeitszahl ermitteln (ohne einen Zusammenhang mit Wärmepumpen). Der elektrische Energiebedarf ergibt sich hierbei durch die nötige Umwälzpumpe und die elektronische Steuerung. Solche Anlagen können ohne weiteres Jahresarbeitszahlen in der Größenordnung von 20 bis 30 erreichen; mit konsequenter Optimierung sind selbst Werte in der Größenordnung von 100 möglich.

Optimierung der Jahresarbeitszahl

Im Sinne einer maximalen Energieeffizienz bzw. eines minimalen Primärenergiebedarfs von Wärmepumpenanlagen strebt man eine möglichst hohe Jahresarbeitszahl an. Damit werden auch negative ökologische Wirkungen z. B. der benötigten Stromerzeugung minimiert.

Die folgenden Aspekte sind wichtig für die Optimierung der Jahresarbeitszahl:

• Die Wärmepumpe soll vor allem unter den typischen Einsatzbedingungen möglichst hohe Leistungszahlen erreichen. Dies bedingt die Wahl eines geeigneten Wärmepumpenmodells und eines geeigneten Wärmereservoirs, insbesondere mit Blick auf die benötigte Temperatur der Nutzwärme, die Temperatur des genutzten Wärmereservoirs sowie der benötigten Heizleistung.
• Eine monovalent betriebene Heizungswärmepumpe (die also nicht z. B. durch einen Heizkessel unterstützt werden kann) sollte in der Regel so ausgelegt werden, dass ihre Wärmeleistung bei recht tiefen Außentemperaturen gerade noch ausreicht. Eine zu niedrige Dimensionierung kann den zu häufigen Einsatz eines Elektroheizstabs (als Notheizung) notwendig machen, was ineffizient ist. Andererseits führt eine zu große Dimensionierung zu reduzierter Effizienz bei höheren Außentemperaturen. Für die zusätzliche Warmwasser-Bereitung ist ein (häufig kleiner) Zuschlag der Leistungen notwendig. Eine leistungsgeregelte (modulierende) Wärmepumpe (z. B. mit Drehzahlregelung) kann viel effizienter an den schwankenden Bedarf angepasst werden als ein Gerät, welches im Taktbetrieb arbeitet.
• Eine bivalent betriebene Wärmepumpe kann höhere Jahresarbeitszahlen erreichen. Sie arbeitet vorrangig in der Übergangszeit. In besonders kalten Wochen, in denen die Wärmepumpe weniger effizient wäre, wird sie durch einen anderen Wärmeerzeuger abgelöst oder unterstützt. Betrachtet man allerdings die Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems (oder die jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz), so wird diese niedriger ausfallen.
• Bei einer Zentralheizungsanlage ist die Fußbodenheizung oder eine andere Form von Flächenheizung in aller Regel ideal. Auch hier gibt es Unterschiede: Trocken verlegte Systeme können einen schlechteren Wärmeübergang aufweisen und somit höhere Vorlauftemperaturen erfordern.

• Die Auslegung der gesamten Heizungsanlage ist ebenfalls sehr wichtig. Beispielsweise kann der schädliche Taktbetrieb vor allem bei nicht modulierenden Wärmepumpen durch den Einsatz eines Pufferspeichers reduziert werden. Allerdings kann je nach Situation ein Pufferspeicher die Effizienz der Anlage auch reduzieren, insbesondere wegen seiner Wärmeverluste. Ein anderer Aspekt sind thermostatische Raumtemperaturregelungen, die einerseits den Wärmebedarf minimieren, andererseits aber negative Auswirkungen auf die Effizienz der Wärmepumpenanlage haben können (z. B. zu häufiges Takten, ungenügender Wasserdurchfluss, Notwendigkeit eines verlustbehafteten Pufferspeichers, höhere Vorlauftemperatur).

Die Entscheidungen über solche Aspekte sind teils schwierig (wesentlich komplizierter als bei Verwendung eines Heizkessels) und überfordern viele Heizungsbauer, die nicht sehr gute Schulungen genossen haben. Deswegen sind leider viele Wärmepumpenanlagen im Einsatz, die wegen ihrer Art und Auslegung oder teils auch wegen ungünstiger Einstellung eine deutlich niedrigere Energieeffizienz aufweisen, als sie eigentlich möglich wäre.

Wenn eine Wärmepumpen-Heizungsanlage auch für die Bereitung von Warmwasser verwendet wird, kann dies die Jahresarbeitszahl etwas reduzieren – vor allem wenn der Heizwärmebedarf niedrig ist und eine Fußbodenheizung verwendet wird. Jedoch ist die Verwendung eines Elektroboilers sicher weniger effizient. Hiermit mag zwar die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe selbst ansteigen, aber die eigentlich relevante Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems nimmt ab, weil die Leistungszahl eines Elektroboilers 1 ist, während jede Wärmepumpe deutlich höhere Werte bringt.

Berechnung von Jahresarbeitszahlen

Anstatt die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe durch Messung des jährlichen Stromverbrauchs und die erzeugte Menge von Nutzwärme zu ermitteln, kann sie näherungsweise auch aus den Werten für die Leistungszahl bei verschiedenen Betriebszuständen berechnet werden, wobei eine bestimmte jährliche Verteilung von Betriebszuständen aufgrund gewisser Annahmen vorausgesetzt wird. Es gibt so gewonnene Werte für standardisierte Betriebsbedingungen, die in der EU seit dem Herbst 2015 als SCOP (seasonal coefficient of performance) angegeben werden. Hierfür wurden drei unterschiedliche Klimazonen für Nord-, Mittel- und Südeuropa definiert, für die die Gewichtung der COP-Werte bei einheitlichen Messpunkten von 12 °C, 7 °C, 2 °C und −7 °C unterschiedlich festgelegt ist. Die jeweiligen Vorlauftemperaturen ergeben sich aus einer standardisierten Heizkurve, die für ein konventionelles Heizungssystem mit Heizkörpern realistisch sind. (Die maximale Vorlauftemperatur beträgt 55 °C bei −10 °C Außentemperatur.) Für ein Heizungssystem mit Fußbodenheizung könnte eine erheblich bessere Effizienz erzielt werden. Der Stromverbrauch diverser Zusatzaggregate, beispielsweise einer Umwälzpumpe für das Kältemittel, werden für den SCOP-Wert berücksichtigt. Dasselbe gilt bei Luft/Wasser-Wärmepumpen für die Vereisungs- und Abtauverluste, für den Ventilator und ggf. für einen bei tiefen Außentemperaturen nötigen Elektroheizstab.

Vor der Einführung dieser SCOP-Werte wurden nur COP-Werte für bestimmte Betriebspunkte angegeben. Verglichen damit geben die SCOP-Werte sehr viel bessere Anhaltspunkte für die in der Praxis erzielbaren Jahresarbeitszahlen. Selbst wenn die Betriebsbedingungen in der Praxis deutlich von denen bei der Bestimmung der SCOP-Werte abweichen, erlauben die Werte immerhin noch einen sehr viel besseren Vergleich der Qualität verschiedener Geräte.

Zusammenhang mit der jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz

Für den Vergleich von Heizungsanlagen (und diversen anderen Geräten) wurde auf EU-Ebene die jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz definiert. Diese ist eine Art von Wirkungsgrad, der als gewichteter Mittelwert mit verschiedenen Betriebszuständen ermittelt wird. Im Falle von Wärmepumpenheizungen wird der Stromverbrauch mit einem Primärenergiefaktor von 2,5 bewertet. Daraus ergibt sich, dass die jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz effektiv die Jahresarbeitszahl dividiert durch 2,5 ist. Beispielsweise würde eine sehr gute Jahresarbeitszahl von 5 eine jahreszeitbedingte Raumheizungseffizienz von 200 % ergeben.

Siehe auch: Leistungszahl, Wärmepumpe, Energieeffizienz, Zentralheizung