Heizungs-ABC: Wärmepumpe – was ist die Systemjahresarbeitszahl (SJAZ)? (mit Rechenbeispielen)

In diesem neuen Kapitel unserer Reihe „Heizungs-ABC” erklären wir euch, was die sogenannte Systemjahresarbeitszahl (SJAZ) von der sogenannten Jahresarbeitszahl (JAZ) unterscheidet, wie die SJAZ berechnet wird, und wie eine Solarthermieanlage die Systemleistung beeinflusst, wenn sie zusammen mit einer Wärmepumpe betrieben wird. Hierzu rechnen wir euch an zwei Beispielhäusern mit unterschiedlichem Dämmzustand die SJAZ konkret vor – jeweils mit und und ohne Solarthermieanlage. Dafür haben wir Ulf Heidrich, unseren Paradigma Teamleiter Produktmanagement befragt – seine Einschätzungen findet ihr im Text kursiv markiert.

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Kurzer Rückblick: Was JAZ, COP und SCOP bedeuten

Die Jahresarbeitszahl beschreibt, wie viel Heizwärme eine Wärmepumpe pro eingesetzter Kilowattstunde (kWh) Strom über ein volles Betriebsjahr liefert, gemittelt über alle Außentemperaturen und Lastzustände. Unser Fachmann Ulf Heidrich bringt es so auf den Punkt:

„Die JAZ einer Wärmepumpe ergibt sich aus der Heizarbeit, die sie erbringt, also Warmwasser und Heizung, geteilt durch den dafür aufzubringenden Strom für Verdichter, Kompressor und Ventilator. Anders ausgedrückt: Die JAZ ist die Jahresheizarbeit geteilt durch die dafür nötige elektrische Arbeit.”

Der COP dagegen ist ein Momentanwert an einem einzigen, festgelegten Betriebspunkt, der SCOP ein genormter, aber weiterhin theoretischer Jahreswert nach europäischer Prüfnorm. Wie diese drei Kennzahlen im Detail zusammenhängen und wie die Vorlauftemperatur eures Hauses sie beeinflusst, haben wir bereits ausführlich in Teil 3 unserer Wärmepumpen-Reihe erklärt.

Als Praxiswert nennt Ulf Heidrich für eine typische Anlage: “Im Schnitt kommt unsere Monoblockluftwasserwärmepumpe Calima auf eine JAZ von 4,5.”

JAZ plus weiterer Wärmeerzeuger wird zu SJAZ

Die SJAZ bezieht das gesamte Heizsystem ein, in dem die Wärmepumpe eingebettet ist: die Umwälzpumpen im Heizkreis, die Regelungselektronik, einen möglichen elektrischen Zusatzheizer (Heizstab), und eben auch zusätzliche Wärmequellen, die ins System eingebunden sind, zum Beispiel eine Solarthermieanlage.

Warum die SJAZ sich erhöht, wenn eine Solarthermieanlage mit im System ist

Unser Fachmann erklärt den Effekt so:

„In Kombi mit einer Solarthermie-Anlage, die über große Zeitbereiche einen Anteil der Warmwasserzubereitung und Heizung übernimmt, ergibt sich eine andere Rechnung: Der Wert über dem Bruchstrich wird anteilig von der Solarthermieanlage übernommen. Unterm Bruchstrich verkleinert sich der Wert, denn die Wärmepumpe muss deutlich weniger arbeiten. Zwar braucht auch die Solarthermieanlage Strom, für die Umwälzpumpe, aber das ist deutlich weniger als die Wärmepumpe für Verdichter, Kompressor und Ventilator benötigt. Damit verkleinert sich die Zahl unten. Und somit wird die dann Systemjahresarbeitszahl größer. Dabei gilt: Je besser, effektiver, die Solarthermieanlage ist, desto größer ist der Effekt.”

Wie wird die SJAZ berechnet?

Im Grundsatz gilt dieselbe einfache Formel wie bei der JAZ: gesamte nutzbare Wärme, für Heizung und Warmwasser zusammen, geteilt durch den gesamten Energieeinsatz.

SJAZ = gesamte gelieferte Wärme (Heizung plus Warmwasser) ÷ gesamter Energieeinsatz des Systems (Wärmepumpe plus Hilfsenergien plus eingebundene Wärmequellen)

Für die JAZ gibt es ein Berechnungsverfahren standardisiert nach VDI 4650 Blatt 1. Hier lässt sich die Solarthermieanlage berücksichtigen.

Die Wärmepumpe plus Solarthermieanlage als gemeinsames System

Die Solarwärmepumpe ist ein System, in dem Wärmepumpe und Solarthermie gemeinsam die Wärmeversorgung übernehmen, koordiniert über eine gemeinsame Regelung und einen gemeinsamen Pufferspeicher.

“Sobald die Solarthermie in der Rechnung berücksichtigt wird (neben der Wärmepumpe über dem Bruchstrich), verbessert sich das Ergebnis sichtlich”, erklärt Ulf Heidrich.

2 Rechenbeispiele Systemjahresarbeitszahl: Solarthermie deckt 40 Prozent der gesamten Heizarbeit

Ulf Heidrich hat uns das Ganze an zwei typischen Beispielen aus der Praxis unserer hochleistungsfähigen Paradigma Solarthermieanlagen vorgerechnet, bei denen die Solarthermieanlage nicht nur das Warmwasser, sondern auch einen Teil der Raumheizung übernimmt:

„Beispielhaus 1 (schlecht gedämmt, Baujahr 1970er): 120 bis 140 Quadratmeter zu beheizende Wohnfläche, installierte Heizleistung 13 Kilowatt (kW), 2.400 Vollbenutzungsstunden im Jahr, davon 1.800 Stunden Heizbetrieb und 600 Stunden Warmwasser. Daraus ergibt sich eine Jahresheizarbeit von 31.200 Kilowattstunden.”

Ohne Solarthermie:

Jahresheizarbeit: 31.200 kWh
Elektrische Arbeit der Wärmepumpe: 7.610 kWh
JAZ: 31.200 ÷ 7.610 = 4,1

Mit einer 10 Quadratmeter großen Solarwärmepumpe, die 40 Prozent der Heizarbeit übernimmt:

Solar gedeckter Anteil: 31.200 × 0,4 = 12.480 kWh
Von der Wärmepumpe zu liefernde Restwärme: 18.720 kWh, bei einer JAZ von 3,8 auf Erzeugerebene
Elektrische Arbeit der Wärmepumpe: 4.926 kWh
SJAZ: 31.200 ÷ 4.926 = 6,3

„Beispielhaus 2 (gut gedämmt, Baujahr 2006): 120 bis 140 Quadratmeter zu beheizende Wohnfläche, installierte Heizleistung 8 Kilowatt (kW), 2.400 Vollbenutzungsstunden im Jahr, davon 1.800 Stunden Heizbetrieb und 600 Stunden Warmwasser. Daraus ergibt sich eine Jahresheizarbeit von 19.200 Kilowattstunden.”

Ohne Solarthermie:

Jahresheizarbeit: 19.200 kWh
Elektrische Arbeit der Wärmepumpe: 4.267 kWh
JAZ: 19.200 ÷ 4.267 = 4,5

Mit einer 10 Quadratmeter großen Solarwärmepumpe, die 40 Prozent der Heizarbeit übernimmt:

Solar gedeckter Anteil: 19.200 × 0,4 = 7.680 kWh
Von der Wärmepumpe zu liefernde Restwärme: 11.520 kWh, bei einer JAZ von 4,2 auf Erzeugerebene
Elektrische Arbeit der Wärmepumpe: 2.743 kWh
SJAZ: 19.200 ÷ 2.743 = 7,0

Es gilt: Je größer der Anteil, den die Solarthermie übernimmt, desto stärker steigt die Systemjahresarbeitszahl, weil im Nenner der Rechnung immer weniger Wärmepumpen-Strom steht, während die gelieferte Gesamtwärme im Zähler gleich bleibt.

Dieser Vergleich von Beispielhäusern zeigt Ulf Heidrich zufolge zwei Effekte:

1. “Je besser der Dämmstandard des Gebäudes ist, desto kleiner kann die Wärmepumpe dimensioniert werden. 
2. Die Solarthermieanlage senkt die zu leistende erforderliche Heizarbeit der Wärmepumpe deutlich und erhöht gleichzeitig die SJAZ spürbar.”

Ein Hinweis noch dazu: In diesen Beispielen mit Solarthermie ist der geringe Stromverbrauch der Solarthermie-Umwälzpumpe selbst nicht in die Rechnung eingegangen, obwohl Ulf Heidrich ihn erwähnt. Würde man ihn hinzuzählen, läge die exakte SJAZ minimal unter 6,3 beziehungsweise 7,0, am grundsätzlichen Effekt ändert das nichts.

Was Solarthermie für die SJAZ einer Solarwärmepumpe konkret bringt

Ulf Heidrich beschreibt, was die Solarthermieanlage der Wärmepumpe im Sommer konkret abnimmt:

„Was nimmt die Solarthermieanlage der Wärmepumpe im Sommer ab? Warmwasser, mit relativ hoher Temperatur. Beim Warmwasser ist der COP der Wärmepumpe bei 60 Grad Celsius Vorlauf nicht so gut, dazu kommt die Taktung mit kurzen Ausschaltzeiten. Die Wärmepumpe konzentriert sich stattdessen auf längere Laufzeiten mit kleinerer Leistung bei gleichzeitig besserem COP. Ein weiterer Vorteil betrifft die Langlebigkeit: Der Kompressor startet nur noch halb so oft (Stichwort: Taktung).”

Wie wir bereits in Teil 5 unserer Wärmepumpen-Reihe zur Taktung beschrieben haben, muss eine Wärmepumpe im Sommer für die Warmwasserbereitung immer wieder kurz anspringen. Jeder dieser Kompressorstarts verbraucht nicht nur Strom für den eigentlichen Wärmeprozess, sondern zieht auch Hilfsenergie. Eine Solarthermieanlage übernimmt diese Aufgabe, der Kompressor bleibt aus, und mit ihm die daran gekoppelte Hilfsenergie.

Besonders bemerkenswert ist eine Beobachtung von Ulf Heidrich, die weniger technischer, sondern eher menschlicher Natur ist:

„Für die Wärmepumpe ist es kein Problem, vier Monate oder ein halbes Jahr stillzustehen. Das Problem ist eher die Gesellschaft: Ich kauf mir doch keine neue Heizung und dann steht die ein halbes Jahr nur rum.”

Ein Einwand, der psychologisch verständlich ist, technisch aber unbegründet: Eine Wärmepumpe, die im Sommer ruht, weil die Solarthermie ihre Arbeit übernimmt, ist “kein ungenutztes Gerät, sondern Teil eines Systems, in dem der jeweils effizientere Wärmeerzeuger die Heizarbeit leistet.”

Was das für eure Kaufentscheidung bedeutet

Ein Blick auf den vom Hersteller angegebenen SCOP eines einzelnen Geräts reicht nicht aus, um die tatsächlichen Betriebskosten eines Heizsystems einzuschätzen. Denn der SCOP ist an Standardbedingungen geknüpft, zum Beispiel 35 Grad Celsius Vorlauftemperatur bei minimaler Außentemperatur. Wer plant, sollte deshalb immer das gesamte System im Blick behalten, inklusive benötigter maximaler Vorlauftemperaturen, Nutzer:innenverhalten bei Warmwasserbereitung, Hilfsenergien und aller eingebundenen Wärmequellen.

Ulf Heidrich fasst zusammen: “Der wahre Effizienzgewinn der Solarwärmepumpe liegt nicht nur im Anteil der solar gedeckten Wärmemenge, sondern darin, dass Solarthermie dort einspringt, wo sie am effizientesten arbeitet.”

Wie ihr eine Solarwärmepumpe konkret plant und was die Kombination an Ersparnis bringt, zeigen wir euch ausführlich in Teil 5 unserer Wärmepumpen-Reihe.

Foto: Paradigma