Modulierender Betrieb in der Regelung von Wärmepumpen

Der modulierende Betrieb ist ein Verfahren zur Leistungsregelung mit variabler Ausgangsleistung, bei dem eine Wärmepumpe ihre Heiz- oder Kühlleistung laufend an den tatsächlichen, momentanen Wärme- bzw. Kältebedarf eines Gebäudes anpasst. Das System schaltet dabei nicht nur zwischen einer fixen Leistungsstufe und „Aus“ um. Stattdessen arbeitet es innerhalb eines definierten Leistungsbereichs – von einer minimalen Teillast bis zur maximalen Volllast.

Der zentrale Zweck des modulierenden Betriebs ist eine bedarfsgerechte Wärmebereitstellung. Das Regelsystem erfasst die Differenz zwischen der aktuellen Raumtemperatur und dem vorgegebenen Sollwert. Anschließend steuert es Verdichter, Ventilator und weitere Komponenten so an, dass genau jene Energiemenge bereitgestellt wird, die zum Schließen dieser Differenz erforderlich ist – nicht mehr und nicht weniger.

Der modulierende Betrieb ist deshalb so wichtig, weil Gebäude nur selten ihre volle Heiz- oder Kühlleistung benötigen. Die maximale Auslegungsheizlast tritt nur bei extremen Wetterbedingungen auf. Während des überwiegenden Teils der Betriebsstunden ist lediglich Teillast erforderlich. Ein System, das nur mit 100 % oder 0 % arbeiten kann, verschwendet Energie, überschießt Sollwerte und beeinträchtigt den Komfort. Ein modulierendes System beseitigt diese Ineffizienz.

Was ist modulierender Betrieb bei einer Wärmepumpe?

Modulierender Betrieb ist die kontinuierliche, stufenlose oder mehrstufige Anpassung der thermischen Leistung einer Wärmepumpe als Reaktion auf einen veränderlichen Heiz- oder Kühlbedarf.

Der Begriff „modulierend“ leitet sich vom ingenieurtechnischen Prinzip der Modulation ab – also dem Verändern eines Parameters (Ausgangsleistung) in Abhängigkeit von einem Referenzsignal (Wärmebedarf). In Wärmepumpensystemen ist die primär modulierte Größe die Verdichterdrehzahl, die über einen Frequenzumrichter (VFD) oder Inverter geregelt wird. Sekundäre Größen sind unter anderem die Ventilatordrehzahl, der Kältemittelmassenstrom und die Stellung des Expansionsventils.

Der modulierende Betrieb unterscheidet sich von folgenden Regelungsarten:

Der Modulationsbereich definiert, wie weit das System seine Leistung absenken kann, bevor es abschalten muss. Eine Wärmepumpe mit einem Modulationsbereich von 20–100 % kann beispielsweise bis auf 20 % ihrer Nennleistung herunterregeln. Diese minimale Leistung wird als Turn-down-Verhältnis oder Modulationstiefe bezeichnet.

Wozu dient der modulierende Betrieb bei Wärmepumpen?

Der modulierende Betrieb hat einen zentralen Hauptzweck: die Leistung der Wärmepumpe unter allen Betriebsbedingungen, Jahreszeiten und Lastprofilen laufend an den momentanen Gebäudebedarf anzupassen.

Gebäude sind ständig wechselnden thermischen Lasten ausgesetzt. Außentemperatur, solare Gewinne, Belegung, interne Wärmeeinträge und Lüftung verändern sich im Tages- und Jahresverlauf laufend. Ein System mit fixer Ausgangsleistung kann auf diese Schwankungen nicht angemessen reagieren. Ein modulierendes System verfolgt diese Veränderungen kontinuierlich und passt die Leistung in Echtzeit an, um den Sollwert ohne Über- oder Unterschwingen einzuhalten.

Die weiteren Ziele des modulierenden Betriebs sind:

• Energieeffizienz: Der Betrieb im Teillastbereich bei günstigen Umgebungsbedingungen erhöht die Leistungszahl (COP) oft deutlich über die Nennwerte.
• Thermischer Komfort: Konstante Raumtemperaturen ohne zyklusbedingte Schwankungen verbessern den Komfort für die Nutzerinnen und Nutzer.
• Längere Lebensdauer der Anlage: Weniger Start-Stopp-Zyklen des Verdichters verringern den mechanischen Verschleiß an Lagern, Ventilen und elektrischen Kontakten.
• Geringere Geräuschentwicklung: Niedrigere Verdichter- und Ventilatordrehzahlen im Teillastbetrieb reduzieren den Schalldruckpegel im Wohn- und Gewerbebereich.
• Netzstabilität: Modulierende Wärmepumpen stellen eine gleichmäßigere und besser vorhersehbare elektrische Last dar – ein wichtiger Faktor für Demand-Response-Programme und die Einbindung in Smart Grids.

Warum modulierender Betrieb notwendig ist

Das Problem bei Wärmepumpen mit fixer Ausgangsleistung

Eine Wärmepumpe mit fixer Leistung arbeitet entweder mit 100 % oder sie schaltet vollständig ab. Ist der Bedarf gering – was die meiste Zeit der Fall ist –, taktet das System in kurzen Intervallen. Dieses sogenannte Kurzzeit-Takten bedeutet, dass der Verdichter startet, den Thermostatbedarf rasch erfüllt, stoppt und wenige Minuten später erneut anlaufen muss.

Dadurch entstehen drei sich gegenseitig verstärkende Probleme:

Problem 1: Energieverluste durch Takten
Jeder Verdichterstart verursacht einen hohen Einschaltstrom und benötigt Energie, bevor sich der Kältekreislauf stabilisiert. Häufiges Takten vernichtet die Effizienzvorteile, die im stationären Betrieb erreicht werden.

Problem 2: Verschlechterung des thermischen Komforts
Kurzzeit-Takten führt zu Temperaturschwankungen von 2 bis 4 °C oder mehr. Gemäß EN ISO 7730 liegt die zulässige operative Temperaturabweichung für Komfortkategorie A bei ±0,5 °C pro Stunde. Systeme mit fixer Ausgangsleistung überschreiten diesen Wert häufig.

Problem 3: Vorzeitiger Verschleiß der Anlage
Verdichterhersteller geben eine maximal zulässige Anzahl von Starts pro Stunde vor, typischerweise 6 bis 10. Zu häufiges Takten beschleunigt den Kontaktverschleiß in Schützen, erhöht die Kältemittelwanderung in Stillstandszeiten und verkürzt die Lagerlebensdauer.

Die wirtschaftliche Begründung für modulierende Systeme

Die europäische Klimagesetzgebung und die Standards zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden treiben die Einführung modulierender Wärmepumpenregelungen unmittelbar voran:

• Die EU-Energieeffizienzrichtlinie (EED) 2023/1791 verpflichtet die Mitgliedstaaten zu einer Reduktion des Primärenergieverbrauchs und schafft damit Anreize für hocheffiziente HVAC-Regelungen.
• EN 14825:2022 legt die Prüfmethode für die jahreszeitbedingte Leistungszahl (SCOP) fest. Der SCOP wird unter vier Teillastbedingungen ermittelt. Modulierende Systeme erreichen höhere SCOP-Werte, weil sich ihr COP im Teillastbetrieb verbessert.
• Die ErP-Lot-1-Vorgaben für Raumheizgeräte verlangen Mindestwerte für die jahreszeitbedingte Energieeffizienz, die von Systemen mit fixer Leistung zunehmend schwer erfüllt werden.
• Die Neufassung der EPBD (2024) fordert Niedrigstenergiegebäude (nZEB), bei denen eine hohe Teillasteffizienz baulich und energetisch notwendig ist.

Für Facility Manager, Energieberater und Gebäudeeigentümer bedeutet modulierender Betrieb ganz konkret: geringerer jährlicher Heizenergieverbrauch, niedrigere CO₂-Emissionen im Rahmen von ETS-Berichtspflichten sowie bessere Voraussetzungen für Gebäudezertifizierungen nach BREEAM, LEED und nationalen Standards.

Wesentliche Merkmale des modulierenden Betriebs

Der modulierende Betrieb in der Wärmepumpenregelung wird durch sechs zentrale technische Merkmale bestimmt. Jedes davon trägt dazu bei, den Bedarf präzise nachzuführen und die Anlage über den gesamten Lastbereich effizient zu betreiben.

Die sechs wesentlichen Merkmale sind:

1. Drehzahlgeregelte Verdichtersteuerung
2. Proportionale Regelalgorithmen (PID)
3. Modulationsbereich (Turn-down-Verhältnis)
4. Außentemperaturkompensation (witterungsgeführte Regelung)
5. Lastberechnung und Bedarfsprognose
6. Integration in Gebäudeenergiemanagementsysteme (BEMS)

Detaillierte Erläuterung der wesentlichen Merkmale

Drehzahlgeregelte Verdichtersteuerung

Definition:
Die drehzahlgeregelte Verdichtersteuerung nutzt einen invertergesteuerten Motor, um den Verdichter zwischen einer definierten Mindest- und Höchstdrehzahl zu betreiben. Dadurch werden Kältemittelmassenstrom und Systemleistung laufend angepasst.

Zweck:
Der Inverter wandelt die feste Netzfrequenz von 50 Hz in eine variable Ausgangsfrequenz um. Die Verdichterdrehzahl verändert sich direkt proportional zur eingespeisten Frequenz. Niedrigere Frequenz bedeutet niedrigere Drehzahl, geringeren Kältemitteldurchsatz und damit eine reduzierte Heiz- oder Kühlleistung.

Vorteile:

• Anpassung der Verdichterdrehzahl an ein neues Bedarfssignal in weniger als 1 Sekunde
• Vermeidung des binären Ein/Aus-Taktens im Teillastbetrieb
• Betrieb mit COP-Werten, die bei moderaten Außentemperaturen um 20 bis 60 % über der Nennleistung bei Volllast liegen können

Praxisbeispiel:
Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe im Wohnbau mit 8 kW Nennleistung arbeitet an einem milden Wintertag bei +5 °C Außentemperatur mit 40 % Last, also mit 3,2 kW. Der Inverter reduziert die Verdichterdrehzahl von den Nennwerten von 3.000 U/min auf etwa 1.800 U/min. Der COP steigt in diesem Teillastpunkt von 3,2 auf etwa 4,5. Dadurch sinkt die elektrische Leistungsaufnahme von 2,5 kW bei Volllast auf 0,71 kW – eine Reduktion um 71 % bei einer Leistungsabsenkung von 60 %.

Proportional-Integral-Differential-Regelung (PID)

Definition:
Die PID-Regelung ist ein Rückkopplungsregelverfahren, das das erforderliche Ausgangssignal laufend aus drei Komponenten berechnet: der proportionalen Regelabweichung (P), der aufsummierten integralen Regelabweichung (I) und der Änderungsrate der Regelabweichung (D).

Zweck:
Der PID-Regler erhält ein Temperatursignal, das die Differenz zwischen gemessener Raumtemperatur und Sollwert darstellt. Er berechnet daraus exakt jene Verdichterdrehzahl und damit jene Leistung, die nötig ist, um diese Abweichung mit optimaler Dynamik zu korrigieren – ohne Überschwingen oder Schwingungen.

Die drei PID-Anteile arbeiten wie folgt:

• Proportionalanteil (P): Liefert eine Korrektur proportional zur aktuellen Abweichung. Große Abweichung = große Korrektur, kleine Abweichung = kleine Korrektur.
• Integralanteil (I): Summiert vergangene Abweichungen über die Zeit auf. Dadurch wird eine bleibende Regelabweichung beseitigt, die der Proportionalanteil allein nicht ausgleichen kann.
• Differentialanteil (D): Reagiert auf die Änderungsgeschwindigkeit der Abweichung. Er verhindert ein Überregeln, wenn sich die Abweichung rasch schließt.

Vorteile:

• Einhaltung der Solltemperatur mit einer Genauigkeit von ±0,5 °C
• Anpassung an wechselnde Lastbedingungen ohne manuelles Nachstellen, wenn Auto-Tuning-Verfahren eingesetzt werden
• Vermeidung von Schwingungen und instabilem Regelverhalten, die den Komfort mindern und Energie verschwenden

Praxisbeispiel:
Eine gewerbliche Wärmepumpe für einen hydraulischen Fußbodenheizkreis nutzt einen PID-Regler, der auf die thermische Masse des Estrichs abgestimmt ist. Der D-Anteil wird bewusst höher gewählt, um ein Überschwingen aufgrund der trägen thermischen Reaktion des Bodens zu dämpfen. Das Ergebnis ist eine stabile Wassertemperatur innerhalb von ±1 °C um den Sollwert, obwohl die Außentemperatur innerhalb von 6 Stunden um 10 °C schwankt.

Modulationsbereich (Turn-down-Verhältnis)

Definition:
Der Modulationsbereich beschreibt das Verhältnis zwischen der minimalen und maximalen thermischen Leistung, die eine Wärmepumpe ohne Abschalten liefern kann. Er wird entweder in Prozent der Nennleistung oder als Verhältnis angegeben, zum Beispiel 1:5, was einer Mindestleistung von 20 % entspricht.

Zweck:
Ein größerer Modulationsbereich ermöglicht es dem System, auch bei niedriger Last bedarfsgerecht zu arbeiten, ohne zu takten. Das ist vor allem in der Übergangszeit – also im Frühling und Herbst – entscheidend, wenn der Wärmebedarf gering, aber durchgehend vorhanden ist.

Vorteile:

• Weniger Taktbetrieb bei niedriger Last
• Längere Betriebszeiten auch in Bereichen, in denen ein fixes System abgeschaltet wäre
• Höherer jährlicher SCOP durch mehr Betriebsstunden im effizienten Teillastbereich

Praxisbeispiel:
Eine Wärmepumpe mit einer Mindestleistung von 20 % versorgt ein gut gedämmtes Passivhaus mit einer Auslegungsheizlast von 5 kW. An einem Frühlingstag werden nur 1 kW Wärme benötigt. Das System moduliert auf 1 kW herunter und läuft kontinuierlich weiter. Eine Anlage mit einer Mindestleistung von 40 %, also 2 kW, müsste ständig ein- und ausschalten, um im Mittel 1 kW bereitzustellen. Das führt zu Energieverlusten und Komforteinbußen.

Außentemperaturkompensation (witterungsgeführte Regelung)

Definition:
Die Außentemperaturkompensation, auch witterungsgeführte Regelung genannt, ist eine Strategie, bei der die Vorlauftemperatur des Heizwassers oder die Zieltemperatur im Kältekreis laufend anhand der gemessenen Außentemperatur angepasst wird.

Zweck:
Die Wärmeverluste eines Gebäudes sind annähernd proportional zur Differenz zwischen Innen- und Außentemperatur. Sinkt die Außentemperatur, wird mehr Wärme benötigt. Die witterungsgeführte Regelung passt die Vorlauftemperatur daher direkt an diesen Bedarf an, sodass die Wärmepumpe in jeder Außensituation genau die richtige Energiemenge bereitstellt.

Die Heizkurve definiert dabei die Beziehung:

• Bei Auslegungsaußentemperatur, zum Beispiel -10 °C: maximale Vorlauftemperatur, zum Beispiel 55 °C
• Beim Balancepunkt, zum Beispiel +15 °C: minimale Vorlauftemperatur, zum Beispiel 25 °C

Steigung und Niveau der Heizkurve werden bei der Inbetriebnahme passend zur thermischen Gebäudehülle eingestellt.

Vorteile:

• Vermeidung von Raumthermostat-Taktung durch bedarfsgerechte Vorlauftemperaturen
• Maximierung der Effizienz von Brennwertgeräten und Wärmepumpen durch möglichst niedrige Vorlauftemperaturen
• Unterstützung einer normgerechten Auslegung nach EN 12831 bei der Kalibrierung der Heizkurve

Praxisbeispiel:
Ein Radiatorensystem in einem Wohngebäude aus den 1990er-Jahren ist an eine Luft/Wasser-Wärmepumpe angeschlossen. Die Heizkurve wird mit einer Steigung von 1,2 eingestellt. An einem Wintertag mit -5 °C berechnet die Regelung eine Soll-Vorlauftemperatur von 48 °C. An einem Frühlingsmorgen mit +8 °C beträgt diese nur 33 °C. Durch die niedrigere Vorlauftemperatur im Frühjahr steigt der COP von 2,8 auf 4,1. Das zeigt den direkten Effizienzgewinn der witterungsgeführten Regelung im modulierenden Betrieb.

Lastberechnung und Bedarfsprognose

Definition:
Unter Lastberechnung in der modulierenden Wärmepumpenregelung versteht man die Echtzeit- oder vorausschauende Ermittlung des thermischen Gebäude­bedarfs, damit die Verdichterleistung bereits angepasst werden kann, bevor die Raumtemperatur vom Sollwert abweicht.

Zweck:
Eine rein reaktive Regelung, die erst auf eine bestehende Temperaturabweichung antwortet, führt zu Verzögerungen. Die vorausschauende Lastberechnung nutzt daher Außentemperaturtrends, Belegungspläne und Modelle der thermischen Masse, um Bedarfsänderungen frühzeitig zu erkennen und proaktiv gegenzusteuern.

Moderne Methoden der Bedarfsprognose umfassen:

• Analyse des Außentemperaturtrends: Die Änderungsrate der Außentemperatur weist auf steigende oder fallende Last hin.
• Model Predictive Control (MPC): Ein mathematisches Modell des thermischen Gebäudeverhaltens berechnet die optimale Wärmepumpenleistung bis zu 24 Stunden im Voraus, um Energiekosten zu minimieren und gleichzeitig den Komfort zu sichern.
• Belegungsabhängige Regelung: CO₂-Sensoren, PIR-Sensoren oder Kalendereinbindungen passen den Heizbedarf an die tatsächliche Nutzung an.
• Einbindung von Wetterdaten: Wetter-APIs liefern Prognosen für 24 bis 72 Stunden, wodurch thermische Speichermassen in Zeiten niedriger Stromtarife vorgewärmt werden können.

Vorteile:

• Weniger Über- und Unterschwingen bei Lastwechseln
• Ermöglichung von Lastverschiebungsstrategien zur Senkung von Lastspitzen im Strombezug
• Unterstützung zeitvariabler Stromtarife

Praxisbeispiel:
Ein Bürogebäude mit MPC-Regelung lädt seine thermische Betonkernmasse von 06:00 bis 08:00 Uhr vor, wenn Nachtstrom verfügbar ist. In diesem Zeitraum arbeitet die modulierende Wärmepumpe mit 80 % Leistung. Bis 09:00 Uhr ist das Gebäude auf Solltemperatur, danach reduziert die Wärmepumpe auf 25 % Modulation, um die Temperatur zu halten. So wird teurer Spitzenstrom während der Nutzungszeit vermieden.

Integration in Gebäudeenergiemanagementsysteme (BEMS)

Definition:
Die BEMS-Integration verbindet die modulierende Wärmepumpenregelung über standardisierte Kommunikationsprotokolle mit einer zentralen Gebäudeautomationsplattform und ermöglicht so eine koordinierte, systemweite Energieoptimierung.

Zweck:
Eine isoliert betriebene Wärmepumpe optimiert nur ihre eigene Leistung. Durch die Einbindung in ein BEMS kann sie auf Signale aus dem Gesamtsystem des Gebäudes reagieren – etwa aus PV-Anlagen, Stromtarifen, Demand-Response-Ereignissen oder anderen HLK-Teilsystemen.

Verwendete Standardprotokolle sind unter anderem:

• BACnet (ISO 16484-5): Führend in der gewerblichen Gebäudeautomation
• Modbus RTU/TCP: Häufig in industriellen und gewerblichen HLK-Anwendungen
• KNX (EN 50090): Weit verbreitet im europäischen Wohn- und Zweckbau
• MQTT / REST APIs: Für cloudbasierte Smart-Building-Plattformen
• OpenADR 2.0: Standard für Demand-Response-Kommunikation

Vorteile:

• Gesamtoptimierung auf Gebäudeebene statt nur auf Anlagenniveau
• Teilnahme an Demand Side Response für gewerbliche Standorte
• Bereitstellung von Mess-, Monitoring- und Diagnosedaten für zentrale Dashboards
• Einbindung in Strategien zur Optimierung des PV-Eigenverbrauchs

Praxisbeispiel:
Ein Nahwärmesystem nutzt ein BEMS zur Koordination von zehn modulierenden Wärmepumpen in einem gemischt genutzten Quartier. Das BEMS erhält ein Demand-Response-Signal des Stromnetzes, das auf eine Spitzenlastphase zwischen 17:00 und 19:00 Uhr hinweist. In diesem Zeitraum wird die Leistung aller Wärmepumpen auf 40 % reduziert. Vorgewärmte Pufferspeicher halten die Raumtemperaturen stabil. Der Betreiber erzielt Erlöse aus der Netzstützung, während die Wärmepumpen zur Netzstabilität beitragen.

Arten des modulierenden Betriebs

Der modulierende Betrieb in Wärmepumpensystemen wird mit drei grundlegenden Verfahren umgesetzt. Jedes davon hat eigene technische Merkmale, Einsatzbereiche und Kostenprofile.

Stufenlos variable Modulation (invertergeregelt)

Definition:
Die stufenlos variable Modulation nutzt einen Frequenzumrichter (VFD), um die Drehzahl des Verdichtermotors über ein kontinuierliches Spektrum zwischen minimaler und maximaler Drehzahl einzustellen.

Funktionsweise:

1. Das Regelsystem berechnet die erforderliche Leistung anhand der Regelabweichung.
2. Der Frequenzumrichter erhält ein analoges Signal von 0–10 V oder 4–20 mA, proportional zur gewünschten Leistung.
3. Der Frequenzumrichter wandelt dieses Signal in eine Wechselspannung mit variabler Frequenz für den Verdichtermotor um.
4. Die Verdichterdrehzahl verändert sich ohne feste Stufen.

Geeignet für:
Luft/Wasser-Wärmepumpen im Wohnbau, Luft/Luft-Wärmepumpen im Wohnbau sowie kleinere gewerbliche Systeme bis etwa 50 kW.

Normen:
IEC 61800-2 (drehzahlveränderbare Antriebe), EN 14825 (jahreszeitbedingte Leistungsprüfung)

Digitale Scroll-Modulation

Definition:
Die digitale Scroll-Modulation nutzt einen mechanisch entlastbaren Scrollverdichter, der in einem kontrollierten Tastverhältnis zwischen voll belastetem und unbelastetem Zustand wechselt. Das Verhältnis zwischen belasteter und unbelasteter Zeit bestimmt die effektive Ausgangsleistung.

Funktionsweise:

• Ein Magnetventil leitet das Kältemittel im entlasteten Zustand um.
• Die Modulation erfolgt durch Veränderung des Ein-/Aus-Tastverhältnisses, zum Beispiel 6 Sekunden ein und 4 Sekunden aus entsprechen 60 % Leistung.
• Der Verdichtermotor läuft mit konstanter Drehzahl, wodurch Umrichterverluste vermieden werden.

Geeignet für:
Gewerbliche Rooftop-Geräte, Präzisionsklimatisierung und Anwendungen, bei denen die Kosten eines Frequenzumrichters zu hoch wären, aber dennoch eine gewisse Modulation erforderlich ist.

Wesentlicher Unterschied zur Ein/Aus-Regelung:
Die digitale Scroll-Modulation erfolgt auf Ebene des Kältekreises in Intervallen von Sekunden. Das unterscheidet sie grundlegend vom systemweiten Ein/Aus-Takten, das in Intervallen von Minuten stattfindet.

Mehrkreisige Modulation (Tandem-/Parallelsysteme)

Definition:
Bei der mehrkreisigen Modulation wird eine variable Gesamtleistung dadurch erreicht, dass mehrere Verdichterkreise oder Verdichter parallel betrieben werden. Dabei wird ein führender Verdichter moduliert, während weitere Verdichter stufenweise zu- oder abgeschaltet werden.

Funktionsweise:

• System 1: Ein invertergeregelter Verdichter moduliert kontinuierlich als Primärkreis.
• System 2: Ein oder mehrere Verdichter mit fixer Drehzahl werden bei steigendem Bedarf stufenweise zugeschaltet.
• Gesamtleistung = modulierter Primärkreis + gestufte Sekundärkreise

Geeignet für:
Große gewerbliche und industrielle Wärmepumpenanlagen ab etwa 50 kW, Nah- und Fernwärmesysteme, Prozesskühlung sowie Anwendungen mit hoher Gesamtleistung und gleichzeitigem Bedarf an Modulationsfähigkeit.

Beispielkonfiguration für ein 100-kW-System:

• Inverterverdichter: 10–40 kW, kontinuierlich modulierend
• Fixdrehzahl-Verdichter 1: 30 kW, Zuschaltung ab >40 kW Last
• Fixdrehzahl-Verdichter 2: 30 kW, Zuschaltung ab >70 kW Last
• Gesamtmodulationsbereich: 10–100 kW mit kontinuierlicher Leistungsanpassung zwischen den Stufen

Einsatzbereiche des modulierenden Betriebs

Der modulierende Betrieb kommt in unterschiedlichsten Gebäudetypen, Klimazonen und Systemkonfigurationen zum Einsatz. Die wichtigsten Anwendungsfälle sind:

Heizung und Trinkwarmwasser im Wohnbau

Ausgangssituation:
Ein Einfamilienhaus mit Fußbodenheizung und Trinkwarmwasserbedarf. Auslegungsheizlast: 6 bis 10 kW. Durchschnittliche Winterlast: 2 bis 4 kW.

Anwendung des modulierenden Betriebs:

• Die Wärmepumpe moduliert zwischen 20 % und 100 % ihrer Nennleistung, um die Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung entlang der Heizkurve zu halten.
• Beim Warmwasserbedarf erfolgt eine Vorrangumschaltung: Die Wärmepumpe geht für die Warmwasserbereitung kurzzeitig auf hohe Leistung und kehrt danach in den modulierenden Heizbetrieb zurück.
• Eine Nachtabsenkung reduziert den Sollwert um 2 bis 3 °C; die Leistung wird dabei sanft abgesenkt, ohne Takten.

Wesentlicher Vorteil:
In mitteleuropäischen Klimazonen sind SCOP-Werte von 3,5 bis 5,0 erreichbar, verglichen mit 2,5 bis 3,2 bei vergleichbaren Systemen mit fixer Ausgangsleistung.

Bürogebäude

Ausgangssituation:
Ein Großraumbüro mit stark variierender Belegung von 20 bis 200 Personen, großen Glasflächen mit stark schwankenden solaren Gewinnen und dem Ziel einer BREEAM-Bewertung „Excellent“.

Anwendung des modulierenden Betriebs:

• Die Regelung integriert Belegungssensoren und CO₂-Monitoring mit der modulierenden Wärmepumpe.
• Solare Gewinne führen automatisch zu einer Leistungsreduktion – die Wärmepumpe reagiert in Echtzeit, wenn die Sonneneinstrahlung das Gebäude aufheizt.
• Durch die BEMS-Anbindung ist eine Teilnahme an Demand-Response-Programmen möglich; die Leistung wird in Netzspitzenzeiten gezielt reduziert.

Wesentlicher Vorteil:
Leistungspreise für Spitzenlasten können um 15 bis 30 % gesenkt werden. Der jährliche HLK-Energieverbrauch sinkt gegenüber gestuften Systemen um 20 bis 35 %, was sich direkt positiv auf BREEAM-Energiepunkte auswirkt.

Nah- und Fernwärme- bzw. Kältenetze

Ausgangssituation:
Ein gemischt genutztes Stadtquartier mit einer zentralen Wärmepumpenanlage von 500 kW bis 5 MW, die mehrere Gebäude mit gleichzeitig unterschiedlichen Lasten versorgt.

Anwendung des modulierenden Betriebs:

• Mehrere modulierende Wärmepumpen arbeiten parallel und werden von einem zentralen SCADA-System koordiniert.
• Die Gesamtleistung moduliert zwischen 15 % und 100 % der Anlagenleistung.
• Thermische Speicher wie Warm- oder Kaltwasserspeicher nehmen Überschüsse bei geringer Last auf und ermöglichen einen kontinuierlichen, hocheffizienten Betrieb.

Wesentlicher Vorteil:
Die saisonale Systemeffizienz steigt deutlich. Die Anlage arbeitet während des größten Teils der Jahresbetriebsstunden im Teillastbereich mit hohem COP und folgt damit dem tatsächlichen Lastprofil des Quartiers statt nur der maximalen Auslegungslast.

Industrielle Prozesswärme und -kälte

Ausgangssituation:
Ein pharmazeutischer Produktionsstandort, an dem Prozessmedien mit einer Temperaturgenauigkeit von ±0,2 °C geregelt werden müssen. Die Lasten ändern sich je nach Produktionsplan.

Anwendung des modulierenden Betriebs:

• Hochpräzise PID-Regler mit Auto-Tuning steuern die Wärmepumpenleistung.
• Lastprognosen aus dem Produktionsplan positionieren die erforderliche Leistung vorab.
• Durch die Modulation werden Temperatursprünge vermieden, die die Produktqualität oder GMP-Konformität gefährden könnten.

Wesentlicher Vorteil:
Die hohe Temperaturstabilität verhindert Chargenausfälle infolge von Temperaturabweichungen. Ein Energieaudit nach ISO 50001 zeigt eine Reduktion des Energieverbrauchs für Prozesskälte um 25 % gegenüber Kältemaschinen mit fixer Leistung.

Vorteile des modulierenden Betriebs

Der modulierende Betrieb bringt Vorteile in vier zentralen Bereichen: Energieeffizienz, Komfort, Anlagenzuverlässigkeit und regulatorische Konformität.

Vorteile bei der Energieeffizienz

Verbesserter COP im Teillastbetrieb:
Der COP einer Wärmepumpe steigt mit zunehmender Außentemperatur und sinkender Verdichterdrehzahl, solange sie sich im optimalen Betriebsbereich bewegt. Prüfungen nach EN 14825 zeigen, dass Teillastbedingungen den Großteil der jährlichen Betriebsstunden ausmachen:

Geringere Taktverluste:
Jeder vermiedene Verdichterstart spart Einschaltstromverluste, reduziert die Auswirkungen der Kältemittelwanderung und vermeidet das Effizienzdefizit der Anlaufphase. Systeme mit häufigem Takten können dadurch 5 bis 15 % ihrer jahreszeitbedingten Effizienz verlieren.

Niedrigerer Hilfsenergiebedarf:
Die Modulation der Ventilatordrehzahl senkt den Energieverbrauch von Ventilatoren proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Ein Ventilator mit 70 % Drehzahl benötigt nur rund 34 % der Leistung bei Volldrehzahl. Das gilt sowohl für Innen- als auch für Außenwärmetauscher.

Vorteile beim thermischen Komfort

Hohe Sollwertgenauigkeit:
Modulierende Systeme halten die Raumtemperatur auch bei schwankender Last innerhalb von ±0,3 bis 0,5 °C um den Sollwert. Systeme mit fixer Leistung zeigen beim Takten meist Schwankungen von ±1 bis 2 °C.

Stabile Strahlungstemperaturen:
Fußbodenheizungen und Strahlungsdeckensysteme profitieren besonders stark, da ihre thermische Masse hoch ist. Eine gleichmäßige Versorgung mit niedriger, exakt bedarfsgerechter Vorlauftemperatur sorgt für eine homogene Strahlungstemperatur und verbessert direkt den PMV-Index nach EN ISO 7730.

Feuchteregelung im Kühlbetrieb:
Im Kühlmodus ermöglicht der modulierende Betrieb längere Laufzeiten des Verdampfers bei geringerer Intensität. Das verbessert die Entfeuchtung gegenüber kurzen, intensiven Takten und führt bei gleicher sensibler Kühlleistung zu niedrigeren Raumluftfeuchten.

Vorteile bei der Anlagenzuverlässigkeit

Weniger Verdichterstarts:
Modulierende Systeme reduzieren die jährliche Zahl der Verdichterstarts um 60 bis 90 % gegenüber vergleichbaren Systemen mit fixer Ausgangsleistung. Weniger Starts bedeuten geringere thermische Belastung der Verdichterbauteile, längere Lebensdauer elektrischer Schutzeinrichtungen und ein geringeres Risiko von Kältemittelschlägen beim Wiederanlauf.

Geringere mechanische Belastung:
Inverterverdichter beschleunigen beim Start kontrolliert. Die Anlaufzeit kann typischerweise zwischen 0,5 und 10 Sekunden eingestellt werden. Dadurch entfallen die mechanischen Belastungsspitzen eines Direktanlaufs, was den Lagerverschleiß reduziert.

Vorausschauende Wartung:
Die kontinuierliche Überwachung durch den Inverter liefert Echtzeitdaten zu Stromaufnahme, Spannung, Frequenz und thermischem Zustand des Verdichters. Abweichungen von typischen Mustern weisen frühzeitig auf beginnende Fehler hin und ermöglichen zustandsorientierte Wartung.

Vorteile hinsichtlich Vorschriften und Zertifizierungen

Auswahlkriterien für modulierende Wärmepumpenregelungen

Für die Wahl der geeigneten modulierenden Regelstrategie sind sechs technische und betriebliche Kriterien maßgeblich.

Lastprofil des Gebäudes

Zu bewerten:
Es ist die jährliche Lastdauerlinie zu berechnen, also die Verteilung des Heiz- oder Kühlbedarfs über alle Betriebsstunden. Diese ist mit dem Modulationsbereich der Wärmepumpe zu vergleichen.

Entscheidungsregel:
Liegt die minimale Winterlast des Gebäudes über der Mindestleistung der Wärmepumpe, kommt es zum Takten. In diesem Fall ist entweder ein größerer Modulationsbereich oder zusätzlicher Pufferspeicher erforderlich.

Werkzeuge:
Dynamische Gebäudesimulationen, etwa mit EnergyPlus, IDA ICE oder DesignBuilder, liefern belastbare Lastdauerlinien für Neu- und Bestandsgebäude.

Wärmeabgabesystem

Zu bewerten:
Das Wärmeabgabesystem – Radiatoren, Gebläsekonvektoren oder Fußbodenheizung – bestimmt die erforderliche Vorlauftemperatur und beeinflusst damit direkt den erreichbaren Modulationsbereich und den COP-Verlauf.

Anforderungen an die Regelungsintegration

Zu bewerten:
Zu klären ist die notwendige Einbindung der Wärmepumpenregelung in andere Gebäudesysteme:

• Ist ein BEMS vorhanden oder geplant?
• Gibt es zeitvariable Stromtarife?
• Ist eine Optimierung des PV-Eigenverbrauchs erforderlich?
• Bestehen Möglichkeiten zur Teilnahme an Demand-Response-Programmen?

Entscheidungsregel:
Wenn externe Regelungseinbindungen erforderlich sind, müssen die Kommunikationsprotokolle wie BACnet, Modbus oder KNX vor der Geräteauswahl definiert werden. Nicht jede Wärmepumpenregelung unterstützt alle Protokolle.

Klimazone

Zu bewerten:
Das lokale Klima bestimmt, wie viele Jahresstunden die Wärmepumpe in welchen Teillastbereichen betrieben wird. EN 14825 unterscheidet drei Referenzklimazonen: kälter (Helsinki), durchschnittlich (Straßburg) und wärmer (Athen).

Entscheidungsregel:
In kälteren Klimazonen mit mehr Volllaststunden ist der Nutzen einer sehr tiefen Modulation etwas geringer, da häufiger Volllast gefahren wird. In durchschnittlichen und wärmeren Klimazonen bringt eine tiefe Modulation aufgrund der vielen Teillaststunden deutlich größere Jahresvorteile.

Hydraulische Systemauslegung

Zu bewerten:
Modulierende Wärmepumpen benötigen hydraulische Systeme, die für variable Volumenströme ausgelegt sind. Starre Hydrauliken mit konstantem Volumenstrom können Probleme verursachen, wenn die Wärmepumpe im Teillastbetrieb die Leistung reduziert.

Anforderungen an modulierende Systeme:

• drehzahlgeregelte Umwälzpumpen
• druckunabhängige Regelventile (PICV) an den Verbrauchern
• Pufferspeicher oder hydraulische Weiche, sofern Mindestvolumenströme einzuhalten sind
• korrekt ausgelegte Ausdehnungsgefäße für variable Wassertemperaturen und Volumenschwankungen

Wirtschaftlichkeit

Zu bewerten:
Modulierende Wärmepumpensysteme sind in der Anschaffung teurer als Systeme mit fixer Ausgangsleistung. Zu berechnen sind die statische Amortisationszeit und der Kapitalwert auf Basis von:

• jährlicher Energieeinsparung in kWh × lokaler Stromtarif in €/kWh
• geringeren Wartungskosten durch weniger Verdichterstarts
• möglichen Erlösen aus Demand Response
• vorhandenen Förderungen und Anreizsystemen

Entscheidungsregel:
In den meisten europäischen Märkten mit Strompreisen über 0,15 €/kWh liegen die Amortisationszeiten bei gewerblichen Anwendungen typischerweise zwischen 3 und 7 Jahren, abhängig von Gebäudegröße und Lastprofil.

Modulierender Betrieb im Vergleich zu alternativen Regelstrategien

Modulierender Betrieb vs. Ein/Aus-Regelung

Modulierender Betrieb vs. zwei- oder mehrstufige Regelung

Zwei- und mehrstufige Regelungen stellen Zwischenlösungen dar. Sie bieten gewisse Teillastfähigkeiten, ohne die Kosten einer Invertertechnik zu verursachen.

Modulierender Betrieb vs. Model Predictive Control (MPC)

Model Predictive Control ist eine fortgeschrittene Regelstrategie, die mithilfe eines thermischen Gebäudemodells optimale Leistungsfahrpläne für die Wärmepumpe über einen Prognosezeitraum – üblicherweise 24 Stunden – berechnet.

MPC ersetzt den modulierenden Betrieb nicht, sondern baut auf ihm auf. Beide Ansätze ergänzen einander:

• Der modulierende Betrieb liefert die physische Fähigkeit, mit variabler Leistung zu arbeiten.
• MPC liefert die Intelligenz, um unter Berücksichtigung von Wetterprognosen, Tarifstrukturen und Belegung jene Leistung zu wählen, die über die Zeit das beste Energie-Kosten-Ergebnis bringt.

Vorteile von MPC gegenüber einer klassischen modulierenden PID-Regelung:

• zusätzliche Senkung der Energiekosten um 10 bis 25 % durch Tarifoptimierung
• vorbeugendes Lastmanagement zur Vermeidung von Leistungsspitzen
• optimiertes Vorheizen und Vorkühlen thermischer Speichermassen
• Nachweise aus mehreren EU-geförderten Forschungsprogrammen

Integration mit anderen Systemen

Der modulierende Betrieb entfaltet seinen größten Nutzen in Kombination mit ergänzenden Systemen. Jede Integration erweitert die Möglichkeiten der Regelung, Energieeinsatz, Komfort und Kosten zu optimieren.

Integration mit Photovoltaikanlagen

Funktionsweise:
Die Wärmepumpenregelung erhält vom PV-Wechselrichter oder Energiemanagementsystem ein Signal über verfügbare Solarüberschüsse. Daraufhin erhöht die Regelung die Wärmepumpenleistung oder verschiebt die Warmwasserbereitung, um den überschüssigen PV-Strom selbst zu nutzen, anstatt ihn ins Netz einzuspeisen.

Technische Voraussetzung:
Die Wärmepumpenregelung muss ein variables Leistungssollsignal verarbeiten können, etwa über 0–10 V, Modbus oder einen SG-Ready-Eingang.

SG-Ready-Schnittstelle:
Der in Deutschland durch den BWP definierte SG-Ready-Standard arbeitet mit einem vierstufigen Digitalsignal, über das PV-Anlagen und Netzbetreiber Wärmepumpen anweisen können:

• Zustand 1: Betrieb sperren, etwa bei Netzüberlast
• Zustand 2: Normaler modulierender Betrieb
• Zustand 3: Leistung erhöhen, verfügbaren PV-Strom nutzen
• Zustand 4: Maximale Leistung bzw. Zwangsbetrieb

Quantifizierter Nutzen:
Studien des Fraunhofer ISE zeigen, dass modulierende Wärmepumpen mit SG-Ready-Integration PV-Eigenverbrauchsanteile von 40 bis 70 % erreichen können, gegenüber 10 bis 25 % ohne diese Einbindung.

Integration mit thermischen Speichern

Funktionsweise:
Ein Pufferspeicher oder ein thermischer Speicher auf Basis von Phasenwechselmaterial entkoppelt den Betrieb der Wärmepumpe vom momentanen Bedarf des Gebäudes. Die Wärmepumpe lädt den Speicher bei günstigen Bedingungen – also bei niedrigem Tarif, hoher PV-Erzeugung oder milder Außentemperatur – und der Speicher gibt die Energie später an das Gebäude ab.

Regellogik in modulierenden Systemen:

1. Die Speichertemperatur fällt unter das untere Totband – die Wärmepumpe moduliert auf die erforderliche Ladeleistung hoch.
2. Die Speichertemperatur erreicht die obere Grenze – die Wärmepumpe reduziert die Leistung oder stoppt.
3. Das Gebäudelastsignal bestimmt die Entladeleistung des Speichers.

Wesentlicher Vorteil:
Durch die Speicherintegration kann die modulierende Wärmepumpe über längere Zeit in ihrem optimalen Wirkungsgradbereich arbeiten, unabhängig vom momentanen Verbrauch. Das führt zu einem höheren SCOP als bei rein bedarfsgeführter Regelung.

Integration mit Smart Metern und dynamischen Tarifen

Funktionsweise:
Die Wärmepumpenregelung erhält in Echtzeit Strompreissignale von einem Smart Meter oder einer Energieplattform, etwa über EEBUS oder eine direkte API. Der Regelalgorithmus verschiebt den Betrieb gezielt in Niedrigpreiszeiten und nutzt die thermische Masse des Gebäudes oder Pufferspeicher, um den Komfort zu sichern.

Regulatorischer Hintergrund:
Die europäische Elektrizitätsmarktregulierung sieht vor, dass die Mitgliedstaaten bis 2025 dynamische Tarifangebote breit ausrollen. Damit wird tarifabhängige Wärmepumpenregelung für eine wachsende Kundengruppe wirtschaftlich relevant.

Nutzen:
Ein Wohngebäude mit dynamischem Tarif kann 30 bis 50 % des jährlichen Stromverbrauchs der Wärmepumpe in günstige Zeitfenster verlagern und dadurch – je nach Preisvolatilität – die jährlichen Stromkosten um 10 bis 25 % senken.

Integration mit Lüftungs- und Wärmerückgewinnungssystemen

Funktionsweise:
In kontrollierten Lüftungssystemen mit Wärmerückgewinnung wird die Zuluft bereits vorkonditioniert. Dadurch sinkt das Lastsignal an die modulierende Wärmepumpe, weil ein Teil der Wärme bereits aus der Abluft zurückgewonnen wurde.

Zusammenspiel der Regelung:

• Der Wirkungsgrad des Lüftungssystems hängt vom Luftvolumenstrom ab.
• Die modulierende Wärmepumpe reduziert ihre Leistung direkt entsprechend dem Beitrag der Wärmerückgewinnung.
• Die kombinierte Regelung verhindert eine doppelte Wärmebereitstellung; die Wärmepumpe kompensiert nicht jene Wärme, die bereits durch das Lüftungssystem eingebracht wurde.

Wesentlicher Vorteil:
Die Kombination aus Wärmerückgewinnung und modulierender Wärmepumpe ermöglicht Primärenergieeinsparungen von 15 bis 30 % gegenüber einem getrennten Betrieb beider Systeme.

Der modulierende Betrieb ist die grundlegende Regelungsfunktion, die eine Wärmepumpe von einem binären Ein/Aus-Gerät zu einem präzisen System für die bedarfsgerechte Energiebereitstellung macht. Durch die kontinuierliche Anpassung der Leistung an den tatsächlichen Bedarf erreichen modulierende Wärmepumpen eine höhere saisonale Effizienz, besseren thermischen Komfort, eine längere Lebensdauer der Komponenten und die notwendige Kompatibilität mit den intelligenten Energiesystemen moderner Gebäude.

Vor dem Hintergrund der aktuellen EU-Energiegesetzgebung, der nZEB-Anforderungen und der zunehmenden Volatilität der Strompreise ist die Einführung des modulierenden Betriebs keine Option mehr, sondern eine technische Notwendigkeit. Er ist die Voraussetzung für:

• die Einhaltung der SCOP-Anforderungen nach EN 14825 und der ErP-Vorgaben
• das Erreichen der Komfortkriterien nach EN ISO 7730
• die Teilnahme an Demand-Response-Programmen im Rahmen europäischer Strommarktregeln
• die wirksame Integration von Photovoltaik und intelligenten Tarifmodellen
• die Qualifizierung für Energieausweise und Green-Building-Zertifizierungen