Grundlagen/Wärmepumpe: Unterschied zwischen den Versionen

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Version vom 28. September 2026, 04:08 Uhr

Die Wärmepumpe entzieht einer Umgebungsquelle – Luft, Erdreich, Grundwasser oder Abwärme – Wärme auf niedrigem Temperaturniveau und hebt sie mit einem Kompressorkreislauf auf ein nutzbares Niveau für Heizung und Trinkwarmwasser an. Anders als ein Heizkessel erzeugt sie keine Wärme aus einem Brennstoff, sondern verschiebt vorhandene Umweltwärme unter Einsatz von Strom; wie viel Strom sie dafür braucht, hängt vom Temperaturhub zwischen Quelle und Vorlauf ab und nicht von einer festen Gerätekonstante.

Funktionsprinzip

Ein Kältemittel verdampft auf der kalten Seite bei der Temperatur der Wärmequelle, wird vom Verdichter auf höheren Druck und höhere Temperatur gebracht, gibt die Wärme auf der warmen Seite an Heizung oder Warmwasser ab und entspannt zurück auf das Ausgangsniveau. Wie viel Wärme je eingesetzter Kilowattstunde Strom entsteht – die Leistungszahl (COP) – folgt aus dem Carnot-Grenzwert: Je kleiner der Temperaturhub, desto höher die erreichbare Leistungszahl; reale Maschinen erreichen davon etwa 40 bis 50 Prozent, und als Faustwert kostet jedes Grad höhere Vorlauftemperatur rund 2,5 Prozent Leistungszahl. Hersteller weisen diesen Zusammenhang als Kennfeld aus – Leistungszahl und Wärmeleistung zu jeder Quell- und Vorlauftemperatur. Über das Jahr gemittelt und durch Betriebsweise, Regelung und Speicher beeinflusst, ergibt sich daraus die Jahresarbeitszahl (JAZ) – kein Gerätewert, sondern das Ergebnis des ganzen Systems.

Leistungszahl über Quellentemperatur (Prinzip)

Leistungszahl COP, Prinzipwerte

2,6

−10 °C

2,9

−5 °C

3,2

0 °C

3,6

5 °C

4,1

10 °C

4,8

15 °C

Quellentemperatur

Prinzipbild nach dem Carnot-Modell mit angenommenem Gütegrad 45 % bei 45 °C Vorlauf; keine Herstellerkennlinie.

Kennzahlen

Kennzahl	Bedeutung	typischer Bereich
Leistungszahl (COP)	Verhältnis Wärmeleistung zu Stromaufnahme in einem Betriebspunkt	2,5 – 5,0
Jahresarbeitszahl (JAZ)	Wärmeertrag zu Strombedarf über ein ganzes Jahr, Kennzahl des Systems statt des Geräts	3,0 – 4,5
Bivalenzpunkt	Außentemperatur, unterhalb derer ein zweiter Erzeuger oder ein Heizstab benötigt wird	−5 bis 0 °C
Heizstabanteil	Anteil elektrischer Zusatzheizung an der Jahreswärme bei sinnvoller Auslegung	< 5 %

Typische Größen

Einsatzfall	Heizlast	übliche Vorlauftemperatur	Betriebsweise
Einfamilienhaus (Neubau)	6 – 10 kW	30 – 35 °C, Fußbodenheizung	monovalent
Mehrfamilienhaus (Bestand)	40 – 80 kW	45 – 55 °C, Heizkörper	meist bivalent mit Kessel
Gewerbe / Bürogebäude	80 – 150 kW	35 – 45 °C, Flächenheizung	monovalent oder bivalent, oft reversibel

Einsatz und Grenzen

Am wirtschaftlichsten arbeitet eine Wärmepumpe bei niedriger Vorlauftemperatur, also mit Flächenheizung im Neubau oder sanierten Bestand; hohe Vorlauftemperaturen unsanierter Heizkörperanlagen (etwa 70/55 °C) mindern die Leistungszahl deutlich. Die Wahl der Wärmequelle ist ein Kompromiss: Außenluft ist überall verfügbar, liefert aber ausgerechnet an kalten Tagen die schlechtesten Temperaturen; Erdreich und Grundwasser bleiben übers Jahr nahezu konstant, verlangen dafür Erschließung und Genehmigung (siehe Grundlagen/Wärmequelle Erdreich); Abwärme aus Prozessen ist die günstigste Quelle, steht aber nicht überall zur Verfügung. Ob eine Anlage möglichst lange am Stück oder bevorzugt bei verfügbarem Solarstrom läuft, ist eine Frage der Betriebsstrategie und wird je Maschine festgelegt. An sehr kalten Tagen deckt üblicherweise nicht eine überdimensionierte Wärmepumpe die Spitze, sondern ein bivalent zugeschalteter zweiter Erzeuger oder ein Heizstab, mitunter zeitlich begrenzt durch Sperrzeiten des Netzbetreibers. Ein hoher Trinkwarmwasseranteil auf höherem Temperaturniveau lässt sich über eine getrennte Wärmesenke oder ein zweistufiges Booster-Konzept von der eigentlichen Heizung entkoppeln, damit die Hauptmaschine im effizienten Bereich bleibt. Für die Planung solcher Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist die VDI 4645 die einschlägige Richtlinie.

Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Spitzenlastkessel und Pufferspeicher. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

In EPOS-Plan

EPOS-Plan rechnet die Wärmepumpe mit dem vollständigen Herstellerkennfeld. Im Projekt stellt die Kachel Wärmepumpe der Startseite die Maschinen in der „Wärmepumpen Verwaltung“ aus dem Katalog zusammen; den Katalog pflegt man unter Administration → Wärmebedarf & Heizung → Wärmepumpen. Wärmequelle, Wärmesenke, Betriebsmodus und die übrigen Laufparameter stellt die Simulationskonfiguration (Menü Projekt → Simulation…) je Anlage ein. Einbindung, ein durchgerechnetes Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Erzeugern und die Fallstricke stehen auf Programm Dokumentation/Wärmepumpe, Abschnitte Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke.

Siehe auch

Grundlagen/Wärmequelle Erdreich – Erdwärmesonde und -kollektor als Wärmequelle
Grundlagen/Pufferspeicher – Speicher als Wärmequelle und zur Bewirtschaftung
Erzeuger und Speicher auswählen – der zugehörige Schritt im Programmablauf

@@ Zeile 1: / Zeile 1: @@
-Die '''Wärmepumpe''' hebt Wärme von einem niedrigen auf ein nutzbares Temperaturniveau. Wie viel Strom sie dafür braucht, ist keine Gerätekonstante, sondern hängt vom Betriebspunkt ab – von der Temperatur der Wärmequelle und von der geforderten Vorlauftemperatur. Genau deshalb rechnet EPOS-Plan nicht mit einer pauschalen Jahresarbeitszahl, sondern mit dem vollständigen Kennfeld des Herstellers.
+<!-- EPOS-Plan Grundlagenseite | Wikititel: Grundlagen/Wärmepumpe
+     Repo-Quelle dieser Seite: Projekte/Wiki/Grundlagen - Wärmepumpe.wiki
+     Pflegeregel: zuerst hier aendern, dann hochladen - nie umgekehrt. -->
+Die '''Wärmepumpe''' entzieht einer Umgebungsquelle – Luft, Erdreich, Grundwasser oder Abwärme – Wärme auf niedrigem Temperaturniveau und hebt sie mit einem Kompressorkreislauf auf ein nutzbares Niveau für Heizung und Trinkwarmwasser an. Anders als ein Heizkessel erzeugt sie keine Wärme aus einem Brennstoff, sondern verschiebt vorhandene Umweltwärme unter Einsatz von Strom; wie viel Strom sie dafür braucht, hängt vom Temperaturhub zwischen Quelle und Vorlauf ab und nicht von einer festen Gerätekonstante.
-== Leistungszahl und Jahresarbeitszahl ==
+== Funktionsprinzip ==
-{{Anker|leistungszahl-und-jahresarbeitszahl|cop|jaz}}
+{{Anker|funktionsprinzip}}
-Der theoretische Grenzwert folgt aus dem Carnot-Prozess: Je kleiner der Temperaturhub zwischen Quelle und Senke, desto höher die erreichbare Leistungszahl. Reale Maschinen erreichen davon etwa 40 bis 50 Prozent. Als Faustwert kostet jedes Grad höhere Vorlauftemperatur rund zweieinhalb Prozent Leistungszahl – zwischen 35 und 55 °C Vorlauf liegen damit rund 40 Prozent Effizienzunterschied. Die Leistungszahl beschreibt einen Betriebspunkt, die Jahresarbeitszahl das ganze Jahr. In EPOS-Plan ist sie deshalb Ergebnis und nicht Eingabe: Sie ergibt sich aus der stündlichen Bilanz und fällt umso niedriger aus, je häufiger die Maschine bei tiefen Quellentemperaturen und hoher Vorlauftemperatur arbeiten muss.
+Ein Kältemittel verdampft auf der kalten Seite bei der Temperatur der Wärmequelle, wird vom Verdichter auf höheren Druck und höhere Temperatur gebracht, gibt die Wärme auf der warmen Seite an Heizung oder Warmwasser ab und entspannt zurück auf das Ausgangsniveau. {{Anker|leistungszahl-und-jahresarbeitszahl}}Wie viel Wärme je eingesetzter Kilowattstunde Strom entsteht – die '''Leistungszahl (COP)''' – folgt aus dem Carnot-Grenzwert: Je kleiner der Temperaturhub, desto höher die erreichbare Leistungszahl; reale Maschinen erreichen davon etwa 40 bis 50 Prozent, und als Faustwert kostet jedes Grad höhere Vorlauftemperatur rund 2,5 Prozent Leistungszahl. Hersteller weisen diesen Zusammenhang als {{Anker|kennfeld|kennfeld-und-interpolation}}'''Kennfeld''' aus – Leistungszahl und Wärmeleistung zu jeder Quell- und Vorlauftemperatur. Über das Jahr gemittelt und durch Betriebsweise, Regelung und Speicher beeinflusst, ergibt sich daraus die '''Jahresarbeitszahl (JAZ)''' – kein Gerätewert, sondern das Ergebnis des ganzen Systems.
-== Kennfeld und Interpolation ==
+<!-- Modell: COP = eta · T_Vorlauf,K / (T_Vorlauf,K − T_Quelle,K), Carnot-Wirkungsgrad eta = 0,45 (Mitte des realistischen Bereichs 0,40–0,50), Vorlauftemperatur 45 °C = 318,15 K. Rechenbeispiel ohne Herstellerkennlinie. -->
-{{Anker|kennfeld-und-interpolation|kennfeld}}
+{{Diagramm-Anfang|titel=Leistungszahl über Quellentemperatur (Prinzip)}}
+{{Säulen-Anfang|achse=Leistungszahl COP, Prinzipwerte}}
+{{Säule|−10 °C|waerme=54|wert=2,6}}
+{{Säule|−5 °C|waerme=60|wert=2,9}}
+{{Säule|0 °C|waerme=67|wert=3,2}}
+{{Säule|5 °C|waerme=75|wert=3,6}}
+{{Säule|10 °C|waerme=85|wert=4,1}}
+{{Säule|15 °C|waerme=100|wert=4,8}}
+{{Säulen-Ende|Quellentemperatur}}
+{{Diagramm-Ende|Prinzipbild nach dem Carnot-Modell mit angenommenem Gütegrad 45 % bei 45 °C Vorlauf; keine Herstellerkennlinie.}}
-Für jede Vorlauftemperatur enthält das Kennfeld zu jeder Quellentemperatur die Wärmeleistung und die Leistungszahl. In der Simulation wird für jede Stunde zwischen den Stützstellen linear interpoliert; damit entsprechen Leistung und Stromaufnahme dem tatsächlichen Betriebspunkt. Unterschreitet die Temperatur den hinterlegten Bereich, weist das Programm darauf hin und fragt, ob extrapoliert werden soll – ein bewusster Stopp, weil Extrapolation außerhalb des geprüften Bereichs schnell unrealistisch wird. Kennfelder lassen sich aus dem Katalog übernehmen, selbst anlegen oder nach VDI 3805 einlesen.
+== Kennzahlen ==
+{{Anker|kennzahlen}}
-== Wärmequellen ==
+{| class="wikitable"
-{{Anker|waermequellen}}
+! Kennzahl !! Bedeutung !! typischer Bereich
+|-
+| Leistungszahl (COP) {{Anker|cop}} || Verhältnis Wärmeleistung zu Stromaufnahme in einem Betriebspunkt || 2,5 – 5,0
+|-
+| Jahresarbeitszahl (JAZ) {{Anker|jaz}} || Wärmeertrag zu Strombedarf über ein ganzes Jahr, Kennzahl des Systems statt des Geräts || 3,0 – 4,5
+|-
+| Bivalenzpunkt {{Anker|bivalenzpunkt}} || Außentemperatur, unterhalb derer ein zweiter Erzeuger oder ein Heizstab benötigt wird || −5 bis 0 °C
+|-
+| Heizstabanteil || Anteil elektrischer Zusatzheizung an der Jahreswärme bei sinnvoller Auslegung || < 5 %
+|}
-Die '''Außenluft''' ist am einfachsten zu erschließen, liefert aber die schlechtesten Temperaturen genau dann, wenn der Bedarf am höchsten ist. '''Erdreich und Grundwasser''' bieten über das Jahr nahezu konstante Quellentemperaturen und damit stabilere Leistungszahlen. '''Abwärme''' aus Prozessen, Abluft oder Abwasser liegt oft auf hohem Niveau, steht aber nur begrenzt und meist nur während der Betriebszeiten zur Verfügung. EPOS-Plan bildet all das über die wählbare Wärmequelle ab: Außenluft aus den Klimadaten, konstante Quellentemperatur, ein Pufferspeicher als Quelle mit begrenztem Inhalt und einstellbarer Regeneration, ein eigenes Quellprofil aus Monats- und Wochenwerten oder ein als CSV eingelesenes Stundenprofil.
+== Typische Größen ==
+{{Anker|typische-groessen}}
-== Vorlauftemperatur und Wärmesenke ==
+{| class="wikitable"
-{{Anker|vorlauftemperatur-und-waermesenke|waermesenke}}
+! Einsatzfall !! Heizlast !! übliche Vorlauftemperatur !! Betriebsweise
+|-
+| Einfamilienhaus (Neubau) || 6 – 10 kW || 30 – 35 °C, Fußbodenheizung || monovalent
+|-
+| Mehrfamilienhaus (Bestand) || 40 – 80 kW || 45 – 55 °C, Heizkörper || meist bivalent mit Kessel
+|-
+| Gewerbe / Bürogebäude || 80 – 150 kW || 35 – 45 °C, Flächenheizung || monovalent oder bivalent, oft reversibel
+|}
-Die Vorlauftemperatur ist die wichtigste Stellschraube der Effizienz und wird vom Heizsystem bestimmt – Flächenheizung, Heizkörper im Bestand oder Warmwasserbereitung. Weil Warmwasser ein deutlich höheres Niveau verlangt als die Raumheizung, lässt sich in EPOS-Plan je Maschine eine '''Wärmesenke''' festlegen: der gesamte Bedarf, nur Warmwasser oder nur Heizung. Damit werden getrennte Erzeuger für beide Aufgaben realistisch abbildbar, statt eine einzige Maschine dauerhaft auf dem höheren Niveau fahren zu lassen.
+== Einsatz und Grenzen ==
+{{Anker|einsatz-und-grenzen}}
-== Bivalenz, Heizstab und Sperrzeiten ==
+Am wirtschaftlichsten arbeitet eine Wärmepumpe bei niedriger {{Anker|vorlauftemperatur-und-waermesenke}}Vorlauftemperatur, also mit Flächenheizung im Neubau oder sanierten Bestand; hohe Vorlauftemperaturen unsanierter Heizkörperanlagen (etwa 70/55 °C) mindern die Leistungszahl deutlich. Die Wahl der {{Anker|waermequellen}}'''Wärmequelle''' ist ein Kompromiss: Außenluft ist überall verfügbar, liefert aber ausgerechnet an kalten Tagen die schlechtesten Temperaturen; Erdreich und Grundwasser bleiben übers Jahr nahezu konstant, verlangen dafür Erschließung und Genehmigung (siehe [[Grundlagen/Wärmequelle Erdreich]]); Abwärme aus Prozessen ist die günstigste Quelle, steht aber nicht überall zur Verfügung. Ob eine Anlage möglichst lange am Stück oder bevorzugt bei verfügbarem Solarstrom läuft, ist eine Frage der {{Anker|betriebsmodi}}Betriebsstrategie und wird je Maschine festgelegt. An sehr kalten Tagen deckt üblicherweise nicht eine überdimensionierte Wärmepumpe die Spitze, sondern ein {{Anker|bivalenz-heizstab-und-sperrzeiten}}'''bivalent''' zugeschalteter zweiter Erzeuger oder ein Heizstab, mitunter zeitlich begrenzt durch Sperrzeiten des Netzbetreibers. Ein hoher Trinkwarmwasseranteil auf höherem Temperaturniveau lässt sich über eine getrennte {{Anker|waermesenke}}'''Wärmesenke''' oder ein zweistufiges {{Anker|konzept-mit-booster-waermepumpe|booster}}'''Booster'''-Konzept von der eigentlichen Heizung entkoppeln, damit die Hauptmaschine im effizienten Bereich bleibt. Für die Planung solcher Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist die {{Anker|auslegung-in-der-praxis}}VDI 4645 die einschlägige Richtlinie.
-{{Anker|bivalenz-heizstab-und-sperrzeiten|bivalenzpunkt}}
-Eine Wärmepumpe wird selten auf die Norm-Heizlast des kältesten Tages ausgelegt, weil sie dann die überwiegende Zeit des Jahres im ungünstigen Teillastbetrieb liefe. Üblich ist eine Auslegung auf einen Teil der Heizlast mit einem zweiten Erzeuger für die wenigen kalten Tage. Beim '''Alternativbetrieb''' übernimmt der zweite Erzeuger unterhalb des Bivalenzpunkts vollständig, beim '''Parallelbetrieb''' arbeiten beide zusammen, beim '''teilparallelen Betrieb''' schaltet die Wärmepumpe unterhalb einer festgelegten Temperatur ganz ab. Den Bivalenzpunkt gibt EPOS-Plan nicht vor, sondern ermittelt ihn als die höchste Außentemperatur, bei der noch ungedeckter Bedarf auftritt, und weist den Anteil des elektrischen Heizstabs an der Jahreswärme aus – ein Anteil über etwa fünf Prozent deutet auf eine zu kleine Maschine oder eine zu hohe Vorlauftemperatur hin. Sperrzeiten des Netzbetreibers werden als Zeitfenster hinterlegt und verschieben den Bivalenzpunkt sichtbar; die entfallende Wärme muss vorher eingespeichert oder anschließend nachgeholt werden.
+[[Datei:Einbindung_Waermepumpe_bivalent.svg|mini|zentriert|800px|Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Spitzenlastkessel und Pufferspeicher. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.]]
-== Betriebsmodi ==
+== In EPOS-Plan ==
-{{Anker|betriebsmodi}}
+{{Anker|in-epos-plan}}
-'''Laufzeitoptimiert''' fährt die Maschine mit maximaler Leistung und füllt den Speicher – lange Laufzeiten, wenige Takte. '''Leistungsoptimiert''' liefert genau die momentan benötigte Wärmemenge – geringere Speicherverluste, dafür mehr Modulation. '''PV-optimiert''' fährt bevorzugt dann, wenn Solarstrom zur Verfügung steht, und nutzt Puffer und Gebäudemasse als thermischen Speicher; das erhöht den Eigenverbrauch oft wirksamer als zusätzliche Batteriekapazität. Bei mehreren Maschinen bestimmt die Priorität die Einsatzreihenfolge.
+EPOS-Plan rechnet die Wärmepumpe mit dem vollständigen Herstellerkennfeld. Im Projekt stellt die Kachel Wärmepumpe der Startseite die Maschinen in der „Wärmepumpen Verwaltung“ aus dem Katalog zusammen; den Katalog pflegt man unter Administration → Wärmebedarf & Heizung → Wärmepumpen. Wärmequelle, Wärmesenke, Betriebsmodus und die übrigen Laufparameter stellt die Simulationskonfiguration (Menü ''Projekt → Simulation…'') je Anlage ein. Einbindung, ein durchgerechnetes Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Erzeugern und die Fallstricke stehen auf [[Programm Dokumentation/Wärmepumpe]], Abschnitte [[Programm Dokumentation/Wärmepumpe#einbindung|Einbindung]], [[Programm Dokumentation/Wärmepumpe#beispiel|Beispiel]], [[Programm Dokumentation/Wärmepumpe#zusammenspiel|Zusammenspiel]] und [[Programm Dokumentation/Wärmepumpe#fallstricke|Fallstricke]].
-== Konzept mit Booster-Wärmepumpe ==
-{{Anker|konzept-mit-booster-waermepumpe|booster}}
-Der Zielkonflikt zwischen effizienter Heizung und hygienischem Warmwasser lässt sich hydraulisch auflösen. Beim '''Booster-Konzept''' liefert die zentrale Wärmepumpe Wärme auf niedrigem Niveau mit 35 bis 45 Grad Vorlauf in einen Pufferspeicher und bleibt damit dauerhaft im effizienten Bereich. Eine kleine Booster-Wärmepumpe nutzt diesen Puffer als Quelle mit 30 bis 40 Grad – eine ungewöhnlich gute Quellentemperatur – und hebt die Temperatur auf 60 bis 65 Grad an, um einen Warmwasserpuffer zu laden. Eine Frischwasserstation erwärmt das Trinkwasser im Durchfluss, sodass kein Trinkwasser bevorratet wird und das Legionellenrisiko konstruktiv entfällt.
-Der Gewinn liegt in der Jahresarbeitszahl der Hauptmaschine, die nicht mehr für das Warmwasser auf hohe Temperaturen muss, und in der klaren hydraulischen Trennung beider Aufgaben. Dem stehen der zweite Kältekreis, zusätzliche Investition und Wartung gegenüber. Ob sich das rechnet, hängt vor allem vom Warmwasseranteil ab: Je höher er ist – Mehrfamilienhaus, Hotel, Pflegeheim –, desto deutlicher der Vorteil. In EPOS-Plan bilden Sie das Konzept über zwei Wärmepumpen mit unterschiedlichen Wärmesenken ab, jede mit eigener Vorlauftemperatur, eigenem Kennfeld und eigener Priorität; die Booster-Maschine erhält den Pufferspeicher als Wärmequelle. Die zugehörigen Schemata mit Heizkreisen, Zirkulation, Solarthermie und Spitzenlast sind unter [[Grundlagen/Hydraulikschemata|Hydraulikschemata]] dargestellt.
-== Auslegung in der Praxis ==
-{{Anker|auslegung-in-der-praxis}}
-Rechnen Sie Varianten statt Faustformeln: dieselbe Maschine mit 55 und mit 40 Grad Vorlauf, mit und ohne Pufferspeicher, mit und ohne Booster. Aussagekräftig sind vier Größen – der Heizstabanteil, der ermittelte Bivalenzpunkt, die Vollbenutzungsstunden und die minimal erforderliche Spitzenkesselleistung. Für die Planung von Wärmepumpenanlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist die VDI 4645 die einschlägige Richtlinie; die dort geforderten Nachweise – Heizlast, Vorlauftemperatur, Betriebsweise, Sperrzeiten, Speicher – entsprechen genau den Eingaben, die EPOS-Plan verlangt.
 == Siehe auch ==
 {{Anker|siehe-auch}}
-* [[Wärmepumpe]] – Programmfunktion: Kennfeld, Wärmequelle, Betriebsmodus und Priorität
+* [[Grundlagen/Wärmequelle Erdreich]] – Erdwärmesonde und -kollektor als Wärmequelle
-* [[Erzeuger und Speicher auswählen]] – Auswahl der Erzeuger im Programmablauf
+* [[Grundlagen/Pufferspeicher]] – Speicher als Wärmequelle und zur Bewirtschaftung
+* [[Erzeuger und Speicher auswählen]] – der zugehörige Schritt im Programmablauf
 {{Navigation Grundlagen}}
 [[Kategorie:Grundlagen]]