Warum ist eine Wärmepumpe physikalisch so effizient?

Eine Wärmepumpe ist nicht pauschal „das Beste“, aber besonders effizient, weil sie vorhandene Umweltwärme mit wenig Antriebsenergie nutzbar macht.

Physikalisch spricht man deshalb nicht von einem Wirkungsgrad über 100 Prozent, sondern von einer Leistungszahl beziehungsweise Jahresarbeitszahl: Verglichen wird die gelieferte Heizwärme mit dem eingesetzten Strom, nicht mit sämtlicher zugeführter Energie.

Wärme verschieben statt vollständig erzeugen

Eine Wärmepumpe entzieht Luft, Erdreich oder Wasser Wärme. Ihr elektrisch angetriebener Verdichter erhöht Druck und Temperatur des Kältemittels, sodass dieses die Wärme an das wärmere Heizungswasser abgeben kann. Der Strom ermöglicht also, vorhandene Wärme auf ein nutzbares Temperaturniveau zu bringen.

Ein konkretes Beispiel des Umweltbundesamtes:

1 kWh Strom + 2 kWh Umweltwärme = 3 kWh Heizwärme.

Das entspricht einer Jahresarbeitszahl von 3. Es entsteht keine Energie aus dem Nichts: Die zusätzlichen zwei Kilowattstunden stammen aus der Umgebung. Genau diese zusätzliche Energiequelle erklärt den großen Nutzen pro eingesetzter Kilowattstunde Strom.

Die Temperaturdifferenz setzt die Grenze

Der entscheidende physikalische Zusammenhang lautet: Je kleiner der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizsystem, desto höher die mögliche Leistungszahl. Die theoretische Obergrenze beschreibt die Carnot-Leistungszahl:

\[ COP_{\mathrm{ideal}}=\frac{T_{\mathrm{warm}}}{T_{\mathrm{warm}}-T_{\mathrm{kalt}}} \]

Dabei müssen die Temperaturen in Kelvin eingesetzt werden. Reale Wärmepumpen bleiben wegen ihrer Verluste unter dieser idealen Grenze.

Praktisch bedeutet das: Eine möglichst warme Wärmequelle und eine niedrige Heizwassertemperatur sind günstiger als kalte Außenluft und eine hohe Vorlauftemperatur. Deshalb ist nicht jede Wärmepumpe automatisch gleich effizient.

Wichtig für den Vergleich: Eine hohe Leistungszahl unter einzelnen Prüfbedingungen ist noch kein Beleg für einen sparsamen Jahresbetrieb. Dafür ist die tatsächlich gemessene Jahresarbeitszahl aussagekräftiger, weil sie den Betrieb über das ganze Jahr einschließlich der Hilfsantriebe berücksichtigt.

Quellen:

• Umgebungswärme und Wärmepumpen, Umweltbundesamt
• Analyse des deutschen Wärmepumpenmarktes 2017, Fraunhofer