Ein/Aus-Regelung in Wärmepumpen-Regelungssystemen

Die Ein/Aus-Regelung ist die grundlegendste Regelungsart für Wärmepumpen. Der Regler erfasst ein Temperatursignal, vergleicht es mit einem Sollwert und schaltet die Wärmepumpe entweder vollständig ein oder vollständig aus. In der Regelungstechnik erfolgt dies innerhalb eines Totbands bzw. einer Hysterese. Die ASHRAE definiert das Totband als jenen Bereich, innerhalb dessen sich eine gemessene Variable verändern kann, ohne dass eine Änderung des geregelten Prozesses ausgelöst wird.

Was ist eine Ein/Aus-Regelung?

Die Ein/Aus-Regelung ist die einfachste Form der Wärmepumpenregelung. Der Verdichter arbeitet dabei nur in zwei Zuständen: vollständig ein oder vollständig aus. Zwischen diesen beiden Zuständen gibt es keine Zwischenleistung.

Diese Regelungsart verwendet ein binäres Signal, um den Betrieb der Wärmepumpe zu starten oder zu stoppen. Weicht die Raumtemperatur vom Sollwert ab, sendet der Regler ein Einschalt-Signal. Sobald der Sollwert erreicht ist, sendet der Regler ein Ausschalt-Signal.

Die Ein/Aus-Regelung bildet die grundlegende Basis der Wärmepumpenregelung. Alle anderen Regelstrategien – modulierend, drehzahlvariabel oder Kaskadenregelung – bauen auf dieser grundlegenden Schaltlogik auf oder ersetzen sie.

Zweck der Ein/Aus-Regelung bei Wärmepumpen

Die Ein/Aus-Regelung hält die Raumtemperatur innerhalb eines definierten Bereichs rund um einen Ziel-Sollwert. Der Regler überwacht die Raumtemperatur laufend. Er aktiviert die Wärmepumpe, wenn die Temperatur unter den unteren Schwellwert fällt, und deaktiviert sie, wenn die Temperatur über den oberen Schwellwert steigt.

Dieser Vorgang wird als thermostatbasierte Schaltung bezeichnet. Der zulässige Temperaturbereich zwischen Ein- und Ausschalten wird als Totband oder Hystereseband bezeichnet. Ein korrekt eingestelltes Totband verhindert ein übermäßiges Takten des Verdichters und sorgt gleichzeitig für ein akzeptables Komfortniveau.

Warum eine Ein/Aus-Regelung erforderlich ist

Das Grundproblem: Thermischen Bedarf ohne kontinuierliche Regelung abdecken

Gebäude benötigen eine konstante thermische Konditionierung. Heiz- und Kühllasten verändern sich laufend durch Belegung, solare Gewinne, Lüftung und Außentemperatur. Ein Regelmechanismus muss die Leistung der Wärmepumpe an diese wechselnden Lasten anpassen.

Die Ein/Aus-Regelung erfüllt diese Aufgabe über eine zeitproportionale Betriebsweise. Das System läuft bei Aktivierung mit voller Leistung und pausiert, sobald der Bedarf gedeckt ist. Das Verhältnis von Laufzeit zu Gesamtzykluszeit entspricht dabei der tatsächlichen thermischen Last.

Warum eine einfachere Regelung oft die richtige Wahl ist

Modulierende Regelungen erhöhen Kosten und Komplexität. Nicht jede Anwendung benötigt oder profitiert von einer drehzahlvariablen Regelung. Die Ein/Aus-Regelung liefert in folgenden Fällen eine ausreichende Leistung:

• Wohnanwendungen mit geringer Heiz- und Kühllast
• Systeme, bei denen die thermische Masse Temperaturschwankungen abpuffert
• Gebäude mit konstanten und gut vorhersehbaren Wärmelasten
• Bestandsanlagen mit vorhandener binärer Regelungsinfrastruktur

Regulatorischer Rahmen

Energieeffizienzstandards beeinflussen die Auswahl der Regelungsart. EN 14825 (europäische Prüfnorm für Wärmepumpen) und die ErP-Richtlinie 2009/125/EG definieren Mindestanforderungen an die saisonale Effizienz. Der AHRI-Standard 210/240 regelt Wohngebäudeanlagen in Nordamerika. Ein/Aus-Systeme müssen die festgelegten Mindestwirkungsgrade nach diesen Normen erfüllen. Modulierende Systeme erreichen häufig höhere saisonale Leistungszahlen (SCOP/SEER), doch Ein/Aus-Systeme bleiben in vielen Anwendungskategorien normkonform.

Wesentliche Merkmale der Ein/Aus-Regelung

Binäre Schaltlogik

Definition: Das Regelsignal hat genau zwei Zustände – ein und aus. Teilweise Leistungsstufen gibt es nicht.

Zweck: Die binäre Schaltung macht komplexe Signalaufbereitung oder proportionale Ausgangshardware überflüssig. Der Reglerausgang steuert direkt ein Schütz oder Relais.

Vorteile:

• kostengünstige Regelungshardware
• hohe Zuverlässigkeit durch geringe elektronische Komplexität
• Kompatibilität mit standardmäßiger Thermostatverdrahtung
• einfache Fehlerdiagnose

Praxisbeispiel: Ein Raumthermostat, das an einen 24-V-Regelkreis angeschlossen ist, aktiviert das Verdichterschütz, wenn die Temperatur 0,5 °C unter den Sollwert fällt. Sobald der Sollwert wieder erreicht ist, fällt das Schütz ab.

Hystereseband (Totband)

Definition: Das Hystereseband ist die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Ausschaltpunkt. Es legt fest, wie stark die Temperatur abweichen muss, bevor ein Zustandswechsel erfolgt.

Zweck: Das Totband verhindert, dass das System genau beim Sollwert laufend ein- und ausschaltet. Ohne Hysterese würde ein vollkommen genauer Regler den Verdichter tausende Male pro Stunde schalten.

Vorteile:

• reduziert häufiges Kurz-Takten des Verdichters
• verlängert die Lebensdauer des Verdichters
• reduziert elektrische Einschaltbelastungen auf Schütze und Wicklungen
• verringert den mechanischen Verschleiß an Umschaltventilen in Wärmepumpensystemen

Praxisbeispiel: Ein System mit einem Sollwert von 21 °C und einem Totband von ±0,5 °C schaltet bei 20,5 °C ein und bei 21,5 °C aus. Daraus ergibt sich ein Hystereseband von 1 K.

Thermostatintegration

Definition: Ein Thermostat ist das Mess- und Schaltgerät, das das Ein/Aus-Signal an den Wärmepumpenregler liefert.

Zweck: Das Thermostat wandelt die Umgebungstemperatur in ein Regelsignal um. Es fungiert als zentrales Rückmeldeelement in Ein/Aus-Regelkreisen.

Vorteile:

• weit verbreitet und standardisiert
• geringe Installationskosten
• über potenzialfreie Kontakte mit Gebäudeleittechnik (BMS) kompatibel
• einfache Inbetriebnahme und einfacher Austausch

Praxisbeispiel: Ein Bimetall-Raumthermostat schließt im Heizbetrieb bei 19 °C einen Stromkreis. Dadurch wird der Eingang des Wärmepumpenreglers aktiviert und der Verdichter startet.

In Ein/Aus-Wärmepumpenregelungen eingesetzte Thermostattypen

• mechanisches Bimetallthermostat (Bestandsanlagen)
• elektronisches NTC-Thermostat (Wohnbau und leichte Gewerbeanwendungen)
• programmierbares Raumthermostat (zeitgesteuerte Regelung)
• Smart-Thermostat mit Konnektivität (Integration in Demand-Response-Systeme)

Mindestlaufzeit und Mindestauszeit

Definition: Die Mindestlaufzeit ist die kürzeste Zeitspanne, die der Verdichter nach dem Einschalten in Betrieb bleiben muss. Die Mindestauszeit ist die vorgeschriebene Ruhezeit nach dem Ausschalten bis zum nächsten Start.

Zweck: Diese Zeitfunktionen schützen den Verdichter vor thermischer und elektrischer Belastung durch häufige Kurzzyklen.

Vorteile:

• verhindert Überhitzung des Verdichters durch unzureichende Ölzirkulation
• schützt vor Hochdruckspitzen bei schnellen Wiederanläufen
• reduziert Lastspitzen durch wiederholte Motorstarts
• verlängert die Lebensdauer der Komponenten im Kältekreis

Praxisbeispiel: Ein Regler setzt die Mindestlaufzeit auf 3 Minuten und die Mindestauszeit auf 5 Minuten. Selbst wenn unmittelbar nach dem Ausschalten erneut Heizbedarf gemeldet wird, wartet der Verdichter 5 Minuten, bevor er wieder startet.

Taktfrequenz (Starts pro Stunde)

Definition: Die Taktfrequenz gibt an, wie oft der Verdichter pro Stunde startet und stoppt. Sie ist ein direktes Maß für die Intensität der Ein/Aus-Regelung.

Zweck: Die Überwachung der Taktfrequenz zeigt, ob das System korrekt ausgelegt und eingestellt ist. Häufiges Takten weist auf Überdimensionierung oder ein falsch eingestelltes Totband hin.

Vorteile einer kontrollierten Taktfrequenz:

• vorhersehbares Verschleißverhalten des Verdichters
• präzise Wartungsplanung
• Vergleich der Systemleistung mit den Auslegungsparametern

Praxisbeispiel: Ein Regler protokolliert die Verdichterstarts. Wenn die Taktfrequenz dauerhaft über 6 Starts pro Stunde liegt, vergrößert die Inbetriebnahmetechnikerin bzw. der Inbetriebnahmetechniker das Totband oder prüft, ob die Wärmepumpe überdimensioniert ist.

Schutz gegen Kurz-Takten

Definition: Der Schutz gegen Kurz-Takten ist eine elektronische oder firmwarebasierte Sicherheitsfunktion, die die Mindestauszeit unabhängig vom Thermostatsignal erzwingt.

Zweck: Diese Funktion verhindert einen zu raschen Wiederanlauf nach dem Abschalten. Sie übersteuert Thermostatsignale, bis die Mindestauszeit abgelaufen ist.

Vorteile:

• verhindert Flüssigkeitsschläge im Verdichter
• ermöglicht den Druckausgleich zwischen Hoch- und Niederdruckseite des Kältekreises
• schützt Motorwicklungen vor wiederholter thermischer Belastung
• reduziert Auslösungen von Motorschutzrelais

Praxisbeispiel: Eine Stromunterbrechung während des Betriebs verursacht ein unerwartetes Abschalten. Der Kurz-Takt-Schutz hält das Wiederanlaufsignal für 5 Minuten zurück, damit sich die Drücke vor dem nächsten Start ausgleichen können.

Integration der Abtauregelung

Definition: Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen im Heizbetrieb bildet sich Eis am Außenwärmetauscher. Die Abtauregelung kehrt den Kältekreis vorübergehend um, um diese Eisbildung abzuschmelzen.

Zweck: Die Ein/Aus-Regelung muss mit Abtauvorgängen koordiniert werden. Während des Abtauens wird der normale thermostatgesteuerte Betrieb unterbrochen und nach Abschluss des Abtauens automatisch fortgesetzt.

Vorteile:

• erhält die Effizienz des Verdampfers bei niedrigen Außentemperaturen
• verhindert eine Blockierung des Wärmetauschers durch Eisaufbau
• integriert das Abtauen als geregelten Prozess statt als ungeplante Unterbrechung

Praxisbeispiel: Die Wärmepumpe läuft im normalen Ein/Aus-Betrieb. Nach einem vorgegebenen Intervall oder wenn die Fühlersignale auf Eisbildung hinweisen, startet der Regler einen zeitgesteuerten Abtauzyklus. Danach wird die Ein/Aus-Regelung automatisch wieder aufgenommen.

Typen und Modelle der Ein/Aus-Regelung

Typ 1: Einstufige Ein/Aus-Regelung

Beschreibung: Ein Verdichter, eine Heiz- oder Kühlstufe. Der Verdichter läuft bei Aktivierung mit voller Nennleistung.

Anwendung: Wärmepumpen im Wohnbau bis 12 kW, Brauchwasser-Wärmepumpen, einzonige leichte Gewerbesysteme.

Regelsignal: Ein einzelner binärer Ein-/Ausgang (1 digitaler Kanal).

Einschränkung: Volle Leistung unabhängig von der tatsächlichen Last. Das führt zu Temperaturüberschwingungen, wenn die Wärmepumpenleistung den Wärmeverlust des Gebäudes übersteigt.

Typ 2: Zweistufige Ein/Aus-Regelung

Beschreibung: Zwei Verdichter oder ein Verdichter mit zwei Leistungsstufen. Jede Stufe wird über ein separates Ein/Aus-Signal unabhängig aktiviert.

Anwendung: Größere Wohngebäudeanlagen, gewerbliche Wärmepumpen mit zwei Verdichtern, Systeme mit Teillastanforderungen ohne drehzahlvariable Hardware.

Regelsignal: Zwei binäre Kanäle, vom Regler in Reihenfolge angesteuert.

Logik der Stufenschaltung

1. Stufe 1 wird aktiviert, sobald Bedarf erkannt wird.
2. Stufe 2 wird zugeschaltet, wenn die Laufzeit von Stufe 1 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, ohne dass der Sollwert erreicht wird.
3. Bei Erreichen des Sollwerts wird zuerst Stufe 2 abgeschaltet.
4. Stufe 1 wird abgeschaltet, wenn sich die Temperatur stabilisiert hat.

Vorteil gegenüber einer einstufigen Regelung: Bessere Anpassung der Leistung an Teillastbedingungen, geringere durchschnittliche Taktfrequenz pro Verdichter und bessere saisonale Effizienz.

Typ 3: Lead-Lag-Ein/Aus-Regelung (Mehrgeräteanlagen)

Beschreibung: Mehrere Wärmepumpeneinheiten arbeiten im Wechselbetrieb. Die führende Einheit startet zuerst. Die nachgeordnete Einheit schaltet sich nur dann zu, wenn die führende Einheit den Bedarf allein nicht decken kann.

Anwendung: Große gewerbliche Gebäude mit mehreren Wärmepumpen, zentrale Technikräume, Fernwärmeknoten.

Zweck: Die Lead-Lag-Regelung verteilt die Betriebsstunden gleichmäßig auf alle Geräte. Das verlängert Wartungsintervalle und reduziert die Wahrscheinlichkeit gleichzeitiger Ausfälle.

Verfahren zur Lead-Lag-Rotation

• feste Lead-/Lag-Zuordnung
• zeitbasierter Wechsel (z. B. wöchentliche Umschaltung)
• betriebsstundenbasierter Wechsel (Umschaltung ab einer definierten Zahl an Betriebsstunden)
• lastoptimierte Rotation (der Regler wählt die effizienteste Einheit als Führungsgerät)

Typ 4: Ein/Aus-Regelung mit Pufferspeicher

Beschreibung: In den Heizkreis wird ein hydraulischer Pufferspeicher eingebunden. Die Wärmepumpe lädt den Pufferspeicher im Ein/Aus-Betrieb. Das Wärmeverteilungssystem entnimmt die Wärme kontinuierlich aus dem Speicher.

Zweck: Der Pufferspeicher entkoppelt das Takten der Wärmepumpe vom Bedarf des Verteilungssystems. Dadurch kann die Wärmepumpe in längeren und effizienteren Zyklen laufen.

Vorteile:

• reduziert die Anzahl der Verdichterstarts pro Stunde
• verbessert den saisonalen COP, weil die Wärmepumpe in jedem Zyklus unter Volllast arbeiten kann
• gut geeignet für Niedertemperatur-Fußbodenheizungen
• ermöglicht Demand-Response-Regelung ohne Komforteinbußen

Praxisbeispiel: Ein 200-Liter-Pufferspeicher speichert Wärme aus einer 9-kW-Wärmepumpe. Die Wärmepumpe lädt den Speicher in jedem Zyklus von 40 °C auf 50 °C. Die Fußbodenheizung entnimmt die Wärme kontinuierlich mit einem geringeren Volumenstrom, als die Wärmepumpe liefert. Die Taktfrequenz des Verdichters sinkt von 8 Starts/Stunde auf 3 Starts/Stunde.

Typ 5: Ein/Aus-Regelung über Raumthermostat

Beschreibung: Ein eigenständiges Raumthermostat liefert ein direktes Ein/Aus-Signal an die Wärmepumpe. Es gibt keinen externen Regler und kein Gebäudeleitsystem.

Anwendung: Einfache Wohnhausinstallationen, Sanierungen beim Austausch von Gasheizungen.

Verdrahtung: Üblicherweise ein potenzialfreier Kontakt vom Thermostat zur Klemmenleiste der Wärmepumpe (häufig mit T1/T2, C/W oder ähnlich beschriftet).

Einschränkung: Keine Außentemperaturkompensation, keine witterungsgeführte Anpassung, fixe Vorlauftemperatur unabhängig von den Umgebungsbedingungen.

Typ 6: Witterungsgeführte Ein/Aus-Regelung

Beschreibung: Die Ein/Aus-Schaltung wird mit einer Außentemperaturkompensation kombiniert. Die Wärmepumpe wird abhängig von der Raumtemperatur ein- und ausgeschaltet. Die Vorlauftemperatur des Heizwassers wird entsprechend der Außentemperatur angepasst.

Zweck: Die Außentemperaturkompensation verbessert die Effizienz bei milder Witterung, indem die Vorlauftemperatur abgesenkt wird, wenn weniger Heizleistung benötigt wird. Die Ein/Aus-Schaltung steuert weiterhin Start und Stopp.

Vorteil: Die Einfachheit der Ein/Aus-Aktivierung bleibt erhalten, gleichzeitig werden durch die Temperaturmodulation teilweise Effizienzgewinne erzielt.

Normativer Bezug: Die Prüfung nach EN 14825 berücksichtigt den saisonalen Betrieb einschließlich Teillastbedingungen. Witterungsgeführte Ein/Aus-Systeme erreichen höhere SCOP-Werte als Ein/Aus-Systeme mit fixer Vorlauftemperatur.

Anwendungsbeispiele

Raumheizung im Wohnbau

Ein Einfamilienhaus benötigt eine Spitzenheizleistung von 8 kW. Eine einstufige Ein/Aus-Wärmepumpe arbeitet in Abhängigkeit von einem Raumthermostat mit einem Sollwert von 21 °C. Die thermische Masse des Gebäudes dämpft Temperaturschwankungen. Während der Übergangszeit im Heizbetrieb taktet die Wärmepumpe 4 bis 5 Mal pro Stunde.

Regelungskonfiguration:

• Totband des Thermostats: ±0,75 K
• Mindestauszeit: 5 Minuten
• Abtauung: zeit-/temperaturinitiiert, automatische Wiederaufnahme des Betriebs

Trinkwarmwasserbereitung

Ein Wärmepumpen-Wassererwärmer hält die gespeicherte Wassertemperatur zwischen 45 °C und 55 °C. Der Ein/Aus-Regler aktiviert die Wärmepumpe, wenn die Speichertemperatur auf 45 °C fällt, und deaktiviert sie bei 55 °C. Das Totband von 10 K begrenzt die Taktfrequenz wirksam.

Regelungskonfiguration:

• Sensor: eingetauchter NTC-Fühler in mittlerer Speicherhöhe
• Totband: 10 K (45 °C ein, 55 °C aus)
• Legionellenschutz: periodischer thermischer Desinfektionszyklus (≥ 60 °C) übersteuert die normale Ein/Aus-Logik

Regulatorischer Hinweis: Eine thermische Desinfektion gegen Legionellen bei ≥ 60 °C ist bei Trinkwarmwasserspeichern nach L8 COSHH ACoP (UK) und VDI 6023 (Deutschland) vorgeschrieben. Der Ein/Aus-Regler muss diese Übersteuerungsfunktion unterstützen.

Gewerbliche Komfortkühlung im Einzelhandel

Eine Verkaufsfläche benötigt während der Öffnungszeiten Komfortkühlung. Eine kompakte Luftwärmepumpe im Kühlbetrieb stellt 14 kW Kühlleistung bereit. Das Gebäudeleitsystem (BMS) liefert ein Ein/Aus-Bedarfssignal basierend auf der Zonentemperatur. Außerhalb der Betriebszeiten nimmt das BMS dieses Signal zurück und die Wärmepumpe schaltet ab.

Regelungskonfiguration:

• BMS-Ausgang: potenzialfreier Kontakt zur Wärmepumpe
• Zeitprogramm: Belegungsprogramm des BMS
• Schutz gegen Kurz-Takten: Mindestauszeit von 3 Minuten durch den Wärmepumpenregler erzwungen

Industrielle Prozesstemperierung

Ein Fertigungsprozess benötigt ein Kühlmedium mit 18 °C ± 1 K. Eine wassergekühlte Wärmepumpe schaltet ein, wenn die Kühlmitteltemperatur auf 19 °C steigt, und aus, wenn sie 17 °C erreicht. Das Totband von 2 K stellt einen guten Kompromiss zwischen Regelgenauigkeit und Taktfrequenz dar.

Regelungskonfiguration:

• Sensor: PT100-Tauchfühler in der Rücklaufleitung des Kühlkreislaufs
• Totband: 2 K
• Alarm: Überschreitet die Taktfrequenz 8 Starts pro Stunde, wird eine Wartungsmeldung ausgelöst

Schwimmbadbeheizung mit Wärmepumpe

Ein gewerbliches Schwimmbad nutzt eine Luftwärmepumpe, um die Wassertemperatur auf 28 °C zu halten. Die Wärmepumpe arbeitet mit einem Ein/Aus-Thermostat und einem Totband von 2 K. Aufgrund der hohen thermischen Masse des Beckens ist die Taktfrequenz von Natur aus gering (typisch 1 bis 2 Starts pro Stunde).

Wichtiger Regelungspunkt: Eine Strömungswächter-Verriegelung ist erforderlich. Die Wärmepumpe darf nur dann starten, wenn die Umwälzpumpe des Beckens nachweislich in Betrieb ist. Der Ein/Aus-Regler verarbeitet dazu ein Freigabesignal für ausreichenden Durchfluss, bevor der Verdichter starten darf.

Vorteile der Ein/Aus-Regelung

Vorteile auf Systemebene

1. Geringe Investitionskosten

Die binäre Schaltung benötigt nur minimale Regelungshardware. In einfachen Ausführungen bestehen die gesamten Regelungskomponenten lediglich aus einem Thermostat und einem Relais. Das senkt die Installationskosten deutlich im Vergleich zu modulierenden oder invertergeregelten Systemen.

2. Hohe Zuverlässigkeit

Weniger elektronische Bauteile bedeuten weniger potenzielle Ausfallstellen. Ein/Aus-Regelungen haben sich in Wohn- und Gewerbeanwendungen über Jahrzehnte als zuverlässig bewährt. Die Technologie ist ausgereift und Installation sowie Wartung sind gut bekannt.

3. Einfache Inbetriebnahme

Ein/Aus-Systeme benötigen nur wenige Einstellparameter. Totband, Mindestzeiten und Sollwerte sind in der Regel die einzigen Inbetriebnahmeschritte. Dadurch sinken die Montagezeit und das Risiko von Parametrierungsfehlern.

4. Breite Vertrautheit bei Fachkräften

Die Logik der Ein/Aus-Regelung ist im HLK-/Kältebereich allgemein bekannt. Diagnose, Fehlersuche und Reparatur erfordern keine Spezialkenntnisse zu Invertern oder modulierenden Regelalgorithmen.

5. Kompatibilität mit BMS und Bestandsanlagen

Ein/Aus-Signale sind universell mit Gebäudeleittechnik kompatibel. Potenzialfreie Kontakte, 24-V-AC-Signale und 0–10-V-Bedarfsignale lassen sich ohne Protokollumsetzung in Ein/Aus-Schaltungen übertragen.

Vorteile bei Effizienz und Betrieb

1. Volllastwirkungsgrad in jedem Zyklus

Wenn eine Wärmepumpe im Ein/Aus-Betrieb läuft, arbeitet sie in jedem Zyklus mit ihrer Nenn-Volllast. Der Verdichter wird nie auf einen ineffizienten Teillastpunkt gedrosselt. Das ist besonders in Klimazonen vorteilhaft, in denen die Auslegungs-Heiztemperatur häufig auftritt.

2. Vorhersehbarer Energieverbrauch

Ein/Aus-Systeme verbrauchen Energie in klar abgegrenzten, messbaren Blöcken. Die Energiemessung ist einfach. Wartungs- und Leistungsbewertungen auf Basis von Betriebsstundenzählern sind genau und zuverlässig.

3. Effektive Kombination mit Pufferspeicher

Die Kombination aus Ein/Aus-Regelung und Pufferspeicher kann annähernd modulierende Effizienz erreichen – ohne Invertertechnik. Lange, effiziente Wärmepumpenzyklen laden den Pufferspeicher, während Kurz-Takten vermieden wird. Dieser Ansatz ist besonders wirtschaftlich bei Sanierungen und im Neubau von Wohngebäuden.

Auswahlkriterien für die Ein/Aus-Regelung

Wann eine Ein/Aus-Regelung sinnvoll ist

Eine Ein/Aus-Regelung ist zu wählen, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

1. Die Systemleistung passt gut zur Spitzenlast. Eine überdimensionierte Wärmepumpe im Ein/Aus-Betrieb verursacht übermäßiges Takten. Die installierte Leistung sollte zum berechneten maximalen Wärmeverlust passen (nach EN 12831 in Europa oder ACCA Manual J in Nordamerika).
2. Es ist ausreichend thermische Masse vorhanden. Gebäude mit hoher Speichermasse (z. B. Betonbauweise, Fußbodenheizung) puffern Temperaturschwankungen. In solchen Gebäuden beeinträchtigt das Takten den Komfort deutlich weniger.
3. Ein Pufferspeicher kann integriert werden. Pufferspeicher entkoppeln das Takten der Wärmepumpe vom Bedarf des Wärmeverteilungssystems. Dadurch werden selbst in Gebäuden mit geringer thermischer Masse niedrige Taktfrequenzen erreicht.
4. Das Budget begrenzt die Regelungskosten. Ein/Aus-Regelungen sind deutlich günstiger als modulierende Systeme mit Inverter. Wenn die Effizienzvorteile der Modulation die Mehrkosten nicht rechtfertigen, ist die Ein/Aus-Regelung die passende Lösung.
5. Es handelt sich um den Austausch oder die Nachrüstung bestehender Ein/Aus-Infrastruktur. Wird eine Gasheizung in einer vorhandenen Ein/Aus-verdrahteten Anlage durch eine Wärmepumpe ersetzt, reduziert dies den Aufwand für Neuverkabelung und Inbetriebnahme.

Wann eine Ein/Aus-Regelung nicht gewählt werden sollte

Von einer Ein/Aus-Regelung ist abzuraten, wenn:

• die Gebäudelast stark schwankt; stark verglaste, leichte Gewerbebauten zeigen rasche Lastwechsel, auf die Ein/Aus-Regelungen nicht schnell genug reagieren können
• die Taktfrequenz voraussichtlich über 6 Starts pro Stunde liegt; das weist auf Überdimensionierung oder zu geringe thermische Pufferung hin
• Niedertemperatur-Heizsysteme eine sehr präzise Vorlauftemperatur benötigen; insbesondere Fußbodenheizungen unter 35 °C profitieren stärker von kontinuierlich modulierender Leistung
• Schall oder Vibration kritisch sind; Startvorgänge des Verdichters verursachen Geräusche und Schwingungen
• energierechtliche Anforderungen höhere saisonale Wirkungsgrade vorschreiben, die nur mit modulierenden oder invertergeregelten Systemen erreicht werden können

Hinweise zur Dimensionierung

Die richtige Dimensionierung ist für die Leistung einer Ein/Aus-Regelung entscheidend. Empfohlen wird folgendes Vorgehen:

1. maximalen Wärmeverlust mit einer anerkannten Methode berechnen (EN 12831, ACCA Manual J oder nationales Pendant)
2. Wärmepumpen-Nennleistung innerhalb von 10–20 % der berechneten Spitzenlast wählen
3. wenn eine Überdimensionierung von mehr als 20 % unvermeidbar ist, einen Pufferspeicher vorsehen
4. sicherstellen, dass die minimale Taktfrequenz unter Auslegungsbedingungen die Herstellervorgaben nicht überschreitet

Faustregel: Für jedes zusätzliche 1 kW Überdimensionierung über der Spitzenlast sollten ungefähr 15–20 Liter Pufferspeichervolumen vorgesehen werden.

Effizienzdifferenz: Ein/Aus gegenüber Inverter in der Praxis

Eine invertergeregelte Wärmepumpe erreicht in Wohngebäudeanwendungen typischerweise einen SCOP von 4,0 bis 5,5. Ein korrekt ausgelegtes und installiertes Ein/Aus-System mit Pufferspeicher erreicht in derselben Anwendung einen SCOP von 3,2 bis 4,2. In kalten Klimazonen, in denen häufig Volllastbetrieb auftritt, wird dieser Unterschied kleiner. In milden Klimazonen mit überwiegendem Teillastbetrieb fällt er größer aus.

Wirtschaftliche Auswirkung: Bei einer typischen westeuropäischen Wohnhausanlage mit einem jährlichen Wärmebedarf von 8.000 kWh entspricht der Unterschied zwischen SCOP 3,5 und SCOP 4,5 einem zusätzlichen Stromverbrauch von etwa 500–600 kWh pro Jahr bei Ein/Aus-Regelung. Bei einem Strompreis von 0,30 €/kWh entspricht das rund 150–180 € pro Jahr. Im Vergleich zu Mehrkosten von 1.500–3.000 € für eine Inverterregelung ergibt sich eine einfache Amortisationszeit von 10–20 Jahren. Diese Betrachtung unterstützt die Auswahlentscheidung.

Integration in andere Systeme

Integration in Gebäudeleitsysteme (BMS)

Ein/Aus-Wärmepumpenregler kommunizieren mit Gebäudeleitsystemen über standardisierte Schnittstellen:

• Potenzialfreier Kontakt: universell kompatibel; der Relaisausgang des BMS wird mit dem Bedarfs-Eingang der Wärmepumpe verbunden
• 24 V AC/DC-Signal: Standard in gewerblichen HLK-Anlagen; kompatibel mit den meisten digitalen BMS-Ausgangsmodulen
• Modbus RTU/TCP: manche Ein/Aus-Regler verfügen über Modbus-Register für Freigabe/Sperre, Alarmstatus und Betriebsstunden
• BACnet IP: verfügbar bei Reglern für gewerbliche BMS-Integration; ermöglicht volle Betriebstransparenz

Integrationsfunktion: Das BMS sendet ein Freigabesignal an die Wärmepumpe. Die interne Ein/Aus-Logik der Wärmepumpe (Thermostat, Totband, Zeitfunktionen) arbeitet innerhalb dieses Freigabefensters eigenständig weiter.

Integration mit Smart-Thermostaten und Demand Response

Smart-Thermostate kommunizieren mit Ein/Aus-Wärmepumpen über übliche Thermostatverdrahtung (typischerweise 24-V-C/W-Klemmen) oder drahtlose Protokolle. Dadurch werden folgende Funktionen möglich:

• Zeitprogramme: vorprogrammierte Heiz- und Kühlprofile schalten die Wärmepumpe nach Belegungszeiten ein und aus
• Geofencing: das Thermostat aktiviert die Wärmepumpe abhängig von der Nähe der Bewohnerinnen und Bewohner zum Gebäude
• Demand Response: Energieversorger senden Netzlastsignale an das Smart-Thermostat; dieses verzögert die Aktivierung der Wärmepumpe während Spitzenlastzeiten
• Datenaufzeichnung: Smart-Thermostate protokollieren Zyklen, Betriebsstunden und Temperaturverläufe; diese Daten unterstützen Wartung und Optimierung

Relevantes Programm: OpenADR 2.0 definiert den Kommunikationsstandard für automatisierte Demand-Response-Anwendungen. Smart-Thermostate und Ein/Aus-Wärmepumpenregler verwenden OpenADR-Signale, um den Aktivierungszeitpunkt zu steuern.

Integration mit Photovoltaikanlagen

Die Ein/Aus-Regelung einer Wärmepumpe kann mit der Überwachung einer PV-Anlage kombiniert werden, um den Eigenverbrauch zu optimieren.

Funktionsprinzip: Ein PV-Monitoring-Gerät signalisiert dem Wärmepumpenregler, wenn überschüssiger Solarstrom verfügbar ist. Daraufhin aktiviert der Regler die Wärmepumpe, damit überschüssige Solarenergie genutzt wird, bevor sie ins Netz eingespeist wird. Die Wärmepumpe lädt dann den Pufferspeicher oder erhöht die Temperatur im Warmwasserspeicher.

Regelungslogik

1. Das PV-Monitoring erkennt, dass die Erzeugung den Haushaltsgrundverbrauch übersteigt.
2. Der Regler erhält ein Überschusssignal (digitaler Kontakt oder Impuls des Energiezählers).
3. Die Wärmepumpe wird im Ein/Aus-Betrieb aktiviert und nutzt den überschüssigen Solarstrom.
4. Die Wärme wird im Pufferspeicher oder Warmwasserspeicher gespeichert.
5. Der Netzstrombedarf für Heizzwecke in sonnenarmen Zeiten sinkt.

Vorteil: Dadurch werden die jährlichen Strombezugskosten gesenkt und der Eigenverbrauchsanteil der PV-Anlage ohne Batteriespeicher erhöht. Das entspricht den Zielsetzungen der europäischen Erneuerbare-Energien-Richtlinie (RED II) zum Eigenverbrauch.

Integration in hydraulische Verteilnetze

Die Ein/Aus-Regelung einer Wärmepumpe muss mit den Komponenten des wassergeführten Heizsystems abgestimmt werden.

Umwälzpumpensteuerung: Die Umwälzpumpe startet üblicherweise mit einer festen Vorlaufzeit vor der Wärmepumpe und läuft mit einer festen Nachlaufzeit nach dem Abschalten weiter. So ist sichergestellt, dass vor der Wärmeerzeugung bereits Durchfluss vorhanden ist und Restwärme nach dem Abschalten abgeführt wird.

Zonenventil-Koordination: Mehrzonen-Hydrauliksysteme verwenden motorische Zonenventile. Der Ein/Aus-Regler startet die Wärmepumpe nur dann, wenn mindestens ein Zonenventil sicher geöffnet ist. Dadurch wird verhindert, dass die Wärmepumpe gegen einen geschlossenen Kreislauf arbeitet.

Hydraulische Entkopplung über Pufferspeicher: In Ein/Aus-Systemen mit Pufferspeicher entkoppelt ein hydraulischer Separator oder Low-Loss-Header den Wärmepumpenkreis vom Verteilkreis. Dadurch beeinflussen variable Volumenströme im Verteilnetz den Betrieb der Wärmepumpe nicht.

Begrenzung der Vorlauftemperatur: Der Ein/Aus-Regler nutzt einen Hochtemperaturbegrenzer in der Vorlaufleitung. Überschreitet die Vorlauftemperatur den eingestellten Grenzwert (typisch 55–65 °C bei Standard-Wärmepumpensystemen), schaltet der Regler den Verdichter ab. Damit werden Überdruckzustände im Verflüssiger verhindert.

Integration mit Trinkwarmwasser-Prioritätsregelung

In kombinierten Systemen für Raumheizung und Trinkwarmwasser muss die Ein/Aus-Regelung die Priorität zwischen beiden Funktionen steuern.

Trinkwarmwasser-Priorität: Wird Warmwasserbedarf erkannt (Speichertemperatur unter Sollwert), leitet der Regler die Leistung der Wärmepumpe auf die Warmwasserbereitung um. Die Raumheizung wird unterbrochen. Zuerst wird der Warmwasserbedarf gedeckt, anschließend wird wieder auf Raumheizung umgeschaltet.

Parallelbetrieb: Manche Systeme betreiben Raumheizung und Warmwasserbereitung gleichzeitig über getrennte Wärmetauscher. Der Ein/Aus-Regler verarbeitet dabei zwei voneinander unabhängige Bedarfssignale.

Zeitliche Begrenzung der Warmwasser-Priorität: Um eine zu lange Unterbrechung der Raumheizung zu vermeiden, ist die Warmwasser-Priorität üblicherweise zeitlich begrenzt. Überschreitet die Warmwasserbereitung eine definierte Dauer (z. B. 60 Minuten), ohne den Sollwert zu erreichen, erzeugt der Regler eine Störmeldung.