Nutzungsgrad, Wirkungsgrad, Arbeitszahl, Aufwandszahl, Effizienz

Immer wieder sorgt insbesondere der Begriff Nutzungsgrad für Verwirrung. In diesem Beitrag soll knapp erklärt werden, was damit gemeint ist und wozu das Wissen darum dient.

Der Wirkungsgrad

Den meisten Lesern wird der Begriff Wirkungsgrad geläufig sein. Hiermit bezeichnet man das Verhältnis von Ausgang zu Eingang. Auf einen Heizkessel bezogen also das Verhältnis von Heizwärme, die vom Kessel abgegeben wird (q_h,outg) zum Energiegehalt der eingesetzten Brennstoffmenge (q_h,f).
Also η = q_h,outg/q_h,f.

Hier endet aber schon die Klarheit. Denn als Bemessungswert des Energiegehalts des Brennstoffs kann entweder der Heizwert (H_i) oder der Brennwert (H_s) dienen. Beim Brennwert wird auch die Kondensationswärme des im Abgas enthaltenen Wassers mitgezählt. Beim Heizwert nicht. Die Normen, nach denen gerechnet wird sind in diesem Punkt uneinheitlich.

Generell kann der Wirkungsgrad nicht größer als 1 werden. Ich kann nicht mehr heraus bekommen als ich hinein gesteckt habe (siehe 2. Hauptsatz der Thermodynamik). Wenn dennoch in vielen Tabellen Kesselwirkungsgrade von über 100% angegeben werden, dann handelt es sich um kondensierende Kessel, und bemessen auf (H_i). Bemisst man auf H_s, dann erhält man immer Werte unter 100%. Der Grund ist klar. Es kann nie sämtliches Wasser aus dem Abgas auskondensiert werden.

Nun ist ein Wirkungsgrad immer nur in einem bestimmten Betriebspunkt gültig. In den Tabellen zu einem Kessel findet man dementsprechend oft mehrere Werte:
Unter Vollast und unter Teillast. Das Verhalten der Kessel ist dabei recht unterschiedlich. Haben ältere Standard-Heizkessel zwar einen ganz ordentlichen Wirkungsgrad bei Vollast, so ist dieser bei Teillast geringer. Bei einem Brennwertkessel ist es eher umgekehrt, wie man auch in obigem Beispiel erkennt.

Der Nutzungsgrad

Der Wirkungsgrad alleine sagt noch recht wenig darüber, ob die Heizungsanlage als effizient oder ineffizient einzustufen ist. Dafür benötigt man den Nutzungsgrad. Dieser drückt aus, wie das Verhältnis zwischen ausgegebener und eingesetzter Energie während eines Bilanzierungszeitraums ist. Als Betrachtungszeitraum dient für gewöhnlich ein Jahr. In diesem Zeitraum sind, abhängig von inneren Anforderungen (Nutzung) und äußeren Gegebenheiten (Klima) sehr unterschiedliche Leistungsanforderungen an die Heizung gestellt.

Es ist klar, dass nur dann die maximale Leistung von der Heizung abgefordert werden muss, wenn sie bei klirrender Kälte draußen das Haus muckelig warm halten muss. Das passiert alle paar Jahre mal für wenige Tage. Dagegen gibt es eine lange Zeitspanne in der zwischen 30 und 50% der Maximalheizlast abgefordert werden. Und im Sommer ist sie aus. Man müsste nun für jede Heizanlage genau messen, wie viel Energie hinein gesteckt wird und wie viel Wärme heraus kommt. Für eine Effizienzbewertung ist dies unpraktisch, weil man nur hinterher wissen könnte, wie gut – oder schlecht – die Anlage war.

Man kann jedoch auch eine rechnerische Abschätzung machen, bei der das ganze Jahr stundenweise mit typischen Werten gerechnet wird. Es ergibt sich dabei als Nutzungsgrad eine Angabe darüber, welcher Anteil eingesetzter Energie tatsächlich vom Kessel dem Gebäude bereitgestellt werden kann. Eingangsgrößen hierfür sind das energetische Verhalten des Hauses und das örtliche Klima.

In dieser Weise kann jede einzelne Komponente einer Anlage betrachtet werden: Kessel, Speicher, Rohrleitungen, Heizkörper aber auch Teilsystem, wie einzelne Heizstränge oder Erzeugereinheiten. Zusammengesetzt ergibt sich dann ein Systemnutzungsgrad. In einigen Normen wird jedoch der Kehrwert der Nutzungsgrade verwendet: Die Aufwandszahl (e). Auch diese kann für jede einzelne Komponente entwickelt werden und wird anschließend durch Multiplikation zur Gesamtaufwandszahl zusammen gesetzt.

Die Aufwandszahl

Im obigen Beispiel ergibt sich eine Aufwandszahl des Kessel bei Vollast von 1/88,1% = 1,135 und bei 30% Teillast von 1/98,4% = 1,016. Auch diese Zahlen sind sehr anschaulich. Sie bedeuten, dass 13,5% bzw. 1,6% mehr aufgewandt werden müssen als man als Erzeugernutzwärmeabgabe benötigt. Auch hier ergibt sich eine Jahresaufwandszahl, die je nach Betriebs- und Umgebungsbedingungen irgendwo zwischen den beiden Werten liegen wird.

Wenn man nun folgende Aufwandszahlen entlang der Kette hat:
Kessel: e_gen = 1,15
Speicher: e_s = 1,02
Verteilung: e_d = 1,07
Übergabe: e_ce = 1,02,
dann ergibt sich die Systemaufwandszahl zu e_sys = 1,15 · 1,02 · 1,07 · 1,02 = 1,28.

Ist beim Nutzungsgrad eine hohe Zahl gewünscht, so muss die Aufwandszahl möglichst klein werden.

Erneuerbare Energiequellen

Nun gibt es ja nicht nur Kesselheizungen, in denen Öl, Gas oder Holz verfeuert werden, sondern auch modernere Heiztechniken, mit denen erneuerbare Energie genutzt werden kann. Prinzipiell werden diese genauso berechnet. Es gibt aber Besonderheiten bei der Bewertung der Primärenergieträger. Solarenergie und Umweltwärme werden dabei nicht als Aufwand gerechnet, wohl aber als Ertrag.

Die Bilanzierungsgrenze für die Effizienzbetrachtung der Wärmepumpe schließt die Quellenpumpe mit ein, nicht jedoch Pumpen, Speicher und was sonst alles nach der Wärmepumpe kommt. So ergibt sich der Wirkungsgrad, der bei Wärmepumpen Arbeitszahl genannt wird aus dem Verhältnis η_WP = AZ_WP = q₂ / P₁. Da zu der Energie, die als Strom in das System hinein gesteckt wurde auch noch Wärme aus der Wärmequelle (in obigem Beispiel eine Erdsonde) kommt, ergibt sich eine Arbeitszahl größer als 1.

(Mehr Info zu Wärmepumpen in den Fachbeiträgen Luftwärmepumpe und Erdwärme anzapfen.)

So wie der Jahresnutzungsgrad für die Kesselanlagen ergibt sich eine Jahresarbeitszahl für Wärmepumpen, indem über den Verlauf eines Jahres alle Betriebszustände integriert werden. Die Aufwandszahl als Kehrwert der Arbeitszahl wird naturgemäß deutlich kleiner als 1.

Was bei der Berechnung der Nutzungsgrade/JAZ zu beachten ist: Die Erschließung der Wärmequelle gehört mit zum Aufwand. Das heißt, dass die Außeneinheit einer Luftwärmepumpe mit Ventilatoren und dem Aufwand für Abtauvorgänge bzw. die Pumpe, mit der die Sole zwischen Erdwärmesonde und Wärmepumpe zirkuliert wird, einen großen Einfluss auf die Effizienz der Gesamtanlage haben. Die in Datenblättern der Hersteller gemachten Angaben der Arbeitszahlen bei verschiedenen Betriebszuständen beziehen sich dagegen grundsätzlich auf die Wärmepumpe an sich. Das ist deswegen richtig, weil die Erschließung der Quelle nicht Aufgabe des Wärmepumpenherstellers ist.

Sie haben in diesem Beitrag die Grundlagen der Berechnung von Nutzungsgraden und Arbeitszahlen erfahren. Die korrekte Berechnung ist in vielen Fällen durch Normen und Richtlinien geregelt, die bei der Berechnung einzuhalten sind.