In dieser Arbeit wird die optimale Regelung von Heizkreisläufen untersucht. Ein wichtiges Anliegen hierbei stellt die Anwendbarkeit im Kontext von Retrofit-Maßnahmen an bestehenden Wohn- und Arbeitsgebäuden dar. Zunächst wird ein regelungstechnisches Modell eines Heizkreislaufs hergeleitet. Die Modellierung beinhaltet explizit die in der Realität messbare Vorlauftemperatur und den Volumenstrom als Bindeglied zum hydraulischen System. Der Gebäudemodellierung folgt eine Störsignalmodellierung, bei der die Prädiktion der Raumnutzung anhand von historischen Daten im Fokus steht. Außerdem wird eine Strategie zur Parameteridentifikation der veränderlichen Gebäudeparameter eingeführt. Basierend auf dem entwickelten Modell wird ein Zustands- und Sollwertbeobachter entworfen. Durch die geglückte Zustandsrekonstruktion kann die kennlinienbasierte Vorlauf- gegen eine optimale Raumtemperatur-Regelung ersetzt werden. Weiterhin wird ein Entwurf basierend auf einer Systemseparation durchgeführt. Dabei wird mit Methoden der modell-prädiktiven Regelung eine optimale Wärmefluss-Trajektorie im thermischen Systemteil bestimmt. In einer nichtlinearen Steuerung werden schließlich die Stellsignale unter Berücksichtigung aller Beschränkungen berechnet und implementiert. Es stellt sich heraus, dass gegenüber dem Stand der Technik erhebliches Einsparpotenzial in Bezug auf die Pumpenleistung besteht. In Bezug auf die Brennerleistung kann Bedarfsgerechtigkeit erreicht werden.