Heizkessel: Steuerung und Simulation

Heizkessel spielen in vielen Heizsystemen eine zentrale Rolle, insbesondere zur Unterstützung der Warmwasserbereitung neben solaren Anlagen. In Polysun lassen sich verschiedene Heizkesseltypen inklusive elektrischer Zusatzheizung präzise abbilden und simulieren. Dabei können Steuerungs- und Zeitprofile so definiert werden, dass realistische Betriebsabläufe und Effizienzoptimierungen dargestellt werden.

In den meisten Fällen werden Solaranlagen als Unterstützung zur Wassererwärmung nebst einer konventionellen Heizung eingesetzt. Während des Sommers ist die Zusatzheizung in vielen Fällen inaktiv, während des Winters aber erbringt sie den Hauptanteil der Heizleistung.

In Polysun können unterschiedliche Heizkesseltypen modelliert werden:

• Elektrische Zusatzheizungen als interne Elemente im Speicher
• Konventionelle Kessel mit Brennstoffen wie Gas oder Öl als separate Komponenten
• Nicht-modulierende und modulierende Heizkessel
• Kessel zur Rücklaufanhebung mit individuell wählbarem Kesselvolumen
• Kessel, die sich flexibel in hydraulische Systeme integrieren lassen

Diese Vielfalt ermöglicht eine flexible Systemgestaltung und realitätsnahe Simulation zahlreicher Anlagentypen.

Funktion und Auslegung der Zusatzheizung

Die elektrische Zusatzheizung wird oft eingesetzt, um im Sommer den Kesselbrenner zu entlasten. In der Regel entfällt somit die elektrische Zusatzheizung, wenn eine Solaranlage installiert wird. Da elektrische Energie im Vergleich zu Heizöl oder Gas teuer ist, wird man wenigstens versuchen, den günstigeren Nachtstrom zu nutzen (dies kann im Detaildialog der Steuerung festgelegt werden). In Polysun ist die elektrische Zusatzheizung als internes Element des Speichers realisiert, während die Zusatzheizung mit Gas oder Öl als separate Komponente erscheint.

Die Auslegung der Zusatzheizung, d.h. auf welcher Höhe im Speicher der Vor- und Rücklauf installiert wird, wo die Temperaturfühler platziert werden und bei welchen Temperaturen die Heizung ein- und ausgeschaltet wird, hat einen grossen Einfluss auch auf die Effizienz der Solaranlage. Wenn z.B. am Nachmittag mit Sonnenenergie zu rechnen ist, macht es keinen Sinn, bis zum Mittag den Boiler zu beheizen. Es lassen sich bei realen Systemen, aber auch in der Simulation von Polysun, genaue Zeiten festlegen, zu denen die Zusatzheizung (bei Bedarf) in Betrieb genommen wird. Je nach Orientierung der Kollektoren ist somit die Zusatzheizung zu timen. Es macht erst dann Sinn nachzuheizen, wenn nach der Bestrahlung der Kollektoren die nötige Wärme im Speicher noch nicht erreicht ist. Je nach Verbrauchsprofil kann es auch von Nutzen sein, unmittelbar vor einer Verbrauchsspitze die benötigte Wärmemenge bereitzustellen, sofern die Sonne nicht ausreichend Energie geliefert hat. Auf diese Weise werden die Speicherverluste auf ein Minimum reduziert und man gibt der Sonne möglichst gute „Chancen“, günstige Betriebsbedingungen (d.h. tiefe Speichertemperaturen) anzutreffen.

In Polysun lassen sich, wie auch bei real existierenden Heizungen, Freigabezeiten und Steuerung weitestgehend definieren. Dazu verwendet man die Steuerungen (siehe unten).

Warmwasserbedarf und Steuerung der Zusatzheizung

Die beheizte Energiemenge ist definiert als das „beheizte Volumen“ mal die Differenz von Warm- und Kaltwassertemperatur (mal die Wärmekapazität des Fluids). Das Volumen ist gegeben durch den Inhalt des gesamten Speichers und die Schicht, in der sich der Heizstab bzw. der Temperaturfühler befindet.

In der Projektdefinition wird bei „Verbraucher“ der tägliche Energieverbrauch („Warmwasser: Tagesbedarf“) angegeben. Wenn man auf der sicheren Seite sein möchte, dass die Warmwasserversorgung selbst im ungünstigsten Fall gewährleistet ist, muss man dafür sorgen, dass wie im gezeigten Beispiel die beheizte Energiemenge und der Tagesverbrauch in etwa gleich sind. In den meisten Fällen kann die beheizte Energiemenge kleiner gewählt werden (z.B. Heizstab in Schicht 10). Damit gibt man auch der Sonne mehr Chancen, die benötigte Energie während des Tages zu liefern.

Die Steuerung der Zusatzheizung kann durch zwei Temperaturfühler vorgenommen werden, die oberhalb des Heizstabes frei platziert werden können. Die Temperatur des Ein- und Ausschaltens können verschieden gewählt werden (die Einschalttemperatur muss aber kleiner sein, als die Ausschalttemperatur). Die gewünschte Warmwassertemperatur im verwendeten Beispiel ist 50 °C. Die Ausschalttemperatur sollte immer einige Grad über dieser liegen, damit auch nach einigen Stunden die Speichertemperatur noch nicht zu tief abgesunken ist. Schliesslich wird die elektrische Heizung nur dann benutzt, wenn eine Aussentemperatur von 17 °C überschritten wird, also im Sommer (somit werden die grossen Kesselverluste bei kurzen Laufzeiten vermieden).

Rücklaufanhebung mit Heizkessel

Eine weitere häufige Anordnung ist der Einsatz eines Heizkessels für die Rücklaufanhebung. Falls man dazu einen nicht-modulierenden Kessel verwendet, muss darauf geachtet werden, dass das Kesselvolumen genügend gross ist, damit sich das Fluid im Kessel nicht zu stark aufheizt. Polysun würde dann den Zeitschritt sehr klein wählen, was sich negativ auf die Simulationszeit auswirken würde.

Brennstoff- und CO2- Einsparung

Durch den Gebrauch der Solaranlage vermindert sich der Brennstoffbedarf und der CO₂-Ausstoss. Polysun berechnet die Einsparung aufgrund einer Brennwerttabelle und des jährlichen Nutzungsgrades des Wärmeerzeugers. Mit Doppelklick auf den Wärmeerzeuger und anschliessend auf den Ordner „Brennstoff“ gelangen Sie in den Katalog der Energieträger. Im Katalog sind für jeden Brennstoff der jeweilige Heizwert und die CO₂-Emissionen angegeben. Eine Auswahl von Brennstoffen steht bereits zur Verfügung. Nach Bedarf kann ein eigens definierter Eintrag erstellt werden.

Die Einsparungen können in den Komponenten-Resultaten des Heizkessels überprüft werden. Es gelten die folgenden Formeln:

\({CO}_{2}\ Einsparung\ Solarthermie = Energieeinsparung\ Solarthermie*{CO}_{2}\ Emissionen\ des\ Brennstoffs\ \)

\(Brennstoffeinsparung\ Solarthermie = \frac{Energieeinsparung\ Solarthermie}{Heizwert\ des\ Brennstoffs}\)

\(Energieeinsparung\ Solarthermie = Brennstoffeinsparung\ Solarthermie*Heizwert\ des\ Brennstoffs\ \)

\(Energieeinsparung\ Solarthermie = \frac{Qsol}{Nennwirkungsgrad\ des\ Heizkessels}\)

Die Angaben im Brennstoffkatalog (CO₂ Emissionen und Brennwerte) stammen aus dem ecoinvent Zentrum, Schweizer Zentrum für Ökoinventare.