Programm Dokumentation/Berechnung/Heizkessel
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Was berechnet wird
Der Heizkessel ist die Spitzenlast- und Rückfallstufe der Wärmeversorgung. In jeder Stunde deckt er den Bedarf, der nach den vorgelagerten Erzeugern noch offen ist, und lädt — als letzter Lader der Kaskade — Pufferspeicher nach. Ergebnisgrößen sind die Nutzwärme (Direktdeckung plus Speicherladung), der Brennstoffverbrauch einschließlich der Stillstandsverluste, die Emissionen, der Jahresnutzungsgrad je Kessel, die Gasspitze und die verbleibende Restwärme.
Der Brennstoffverbrauch entsteht stündlich, nicht als Jahrespauschale: Läuft der Kessel in einer Stunde, folgt sein Verbrauch dem Wirkungsgrad; steht er, wird ihm der anteilige Bereitschaftsverlust angelastet.
Eingangsgrößen
| Größe | Einheit | Herkunft im Programm |
|---|---|---|
| Offener Wärmebedarf je Kanal (Heizung, Brauchwasser, Prozess) | kWh je Stunde | Ergebnis der vorgelagerten Kaskadenstufen |
| Thermische Nennleistung | kW | Kesselkatalog, Feld „P thermisch" |
| Brennstoff (Energieträger) | — | Kesselkatalog, Feld „Energieträger"; im Projekt änderbar über „Brennstoff Variante" |
| Wirkungsgrad Gas | — bzw. % | Kesselkatalog, Feld „Wirkungsgrad Gas" |
| Wirkungsgrad Öl | — bzw. % | Kesselkatalog, Feld „Wirkungsgrad Öl" |
| Betriebsbereitschaftsverlust | % | Kesselkatalog, Feld „Betriebsbereitschaftsverlust" |
| Emissionsfaktoren CO₂, SO₂, NOₓ, Staub | g/MWh | Energieträgerkatalog (Brennstoff) — nicht der Kesselkatalog, siehe „Grenzen und Annahmen" |
| Vorlauf, Rücklauf | °C | Dialog „Heizkessel", Abschnitt „Modul", Felder „Vorlauf" und „Rücklauf" (nur für den Quellbezug aus einem Puffer) |
| Wärmesenken und Ladeaufträge | — | Simulationskonfiguration, Karte des Kessels („Wärmesenke", „Pufferspeicher") |
| Ladepriorität | 1…99 | Simulationskonfiguration; Vorgabe 40 für den Heizkessel |
| Kaskadenplatz | 1…4 | Simulationskonfiguration, Kaskadenband |
Formelzeichen und Parameter
Die Schreibweise ist die der ganzen Rubrik: t ist die Stunde des Jahres (1…8 760), Q eine Wärmemenge, P eine Leistung, ϑ eine Temperatur in Grad Celsius, η ein Wirkungsgrad. Weil eine Stunde lang ist, sind Leistung und Energie hier zahlengleich: 1 kW über eine Stunde ist 1 kWh.
Parameter
Eingaben, Katalogwerte, Vorgaben und Konstanten. Sie ändern sich innerhalb eines Laufs nicht.
| Symbol | Bedeutung | Einheit | Herkunft |
|---|---|---|---|
| Pnenn | thermische Nennleistung des Kessels | kW | Kesselkatalog, Feld „P thermisch" |
| ηGas | Wirkungsgrad bei gasförmigen und festen Brennstoffen | — | Kesselkatalog, Feld „Wirkungsgrad Gas"; ein Wert > 1,5 gilt als Prozentangabe |
| ηÖl | Wirkungsgrad bei flüssigen Brennstoffen | — | Kesselkatalog, Feld „Wirkungsgrad Öl"; ebenso |
| qB | Betriebsbereitschaftsverlust, bezogen auf die Nennleistung | — | Kesselkatalog, Feld „Betriebsbereitschaftsverlust"; ein Wert > 1,0 gilt als Prozentangabe |
| IDB | Kennung des Brennstoffs | — | Kesselkatalog, Feld „Energieträger"; im Projekt über „Brennstoff Variante" änderbar |
| fE | Emissionsfaktor je Schadstoff (CO₂, SO₂, NOx, Staub) | g/MWh | Energieträgerkatalog — nicht der Kesselkatalog |
| ϑVL | Vorlauftemperatur des Kessels | °C | Dialog „Heizkessel", Abschnitt „Modul", Feld „Vorlauf" |
| ϑRL | Rücklauftemperatur (Systemrücklauf) | °C | derselbe Abschnitt, Feld „Rücklauf" |
| η0 | Wirkungsgrad, wenn der Katalog keinen brauchbaren führt | — | Vorgabe: 0,90 |
| sη | Schwelle, ab der ein Wirkungsgrad als Prozentangabe gilt | — | Konstante: 1,5 — Brennwertkessel erreichen Hi-bezogen rund 104 % |
| sq | Schwelle, ab der ein Bereitschaftsverlust als Prozentangabe gilt | — | Konstante: 1,0 |
| sGas | Schwelle des Gasverbrauchs, unter der die Gasspitze entfällt | MWh | Konstante: 0,1 |
| ηa,max / ηa,neu | obere Plausibilitätsgrenze des Jahresnutzungsgrads und der Wert, auf den gesetzt wird | % | Konstanten: 110 und 108 |
| ηa,min | untere Plausibilitätsgrenze des Jahresnutzungsgrads | % | Konstante: 1 |
| Nmax | größte Zahl Kessel je Projekt | Stück | Konstante: 10 |
| r | Ladepriorität des Kessels in der Ladeordnung | — | Simulationskonfiguration; Vorgabe: 40 (Solarthermie 10, Wärmepumpe 20, BHKW 30) |
Variablen
Größen, die der Lauf je Stunde oder je Kessel bildet.
| Symbol | Bedeutung | Einheit | berechnet in |
|---|---|---|---|
| t | Stunde des Jahres, 1…8 760 | — | Laufindex der Stundenschleife |
| Qoffen(t) | offener Bedarf der eigenen Senkenkette | kWh | Eingang aus der Kaskade |
| Pverf(t) | noch verfügbare Kesselleistung der Stunde | kW | Stundenschleife; zu Beginn Pnenn |
| Qdeck(t) | in dieser Stunde direkt gedeckte Wärme | kWh | (3) |
| ϑQ(t) | Temperatur des Quellpuffers an der Entnahmehöhe | °C | Pufferspeicher; bei geteiltem Puffer stündlich, sonst fest |
| a(t) | Anteil der Nutzwärme, den der Quellpuffer beisteuert | — | (4) |
| Qnutz(t) | Wärme, die der Kessel an Kanal und Speicher abgibt | kWh | Summe über Bedarfsdeckung, Ladephase und Nachentladung |
| QPuffer(t) | Entnahme aus dem Quellpuffer | kWh | (5) |
| QK(t) | eigener, brennstoffbasierter Anteil der Abgabe | kWh | (6) |
| Qnutz,max(t) | Obergrenze der Abgabe in dieser Stunde | kWh | (7) |
| QSp(t) | Inhalt des Quellpuffers | kWh | Pufferspeicher (Eingang) |
| Qab(t) | gesamte Abgabe des Kessels, einschließlich des Puffer-Anteils | kWh | Stundenschleife; entscheidet zwischen (10) und (11) |
| η | Wirkungsgrad, mit dem diese Stunde rechnet | — | (8) und (9) |
| QB(t) | Brennstoffverbrauch der Stunde | kWh | (10) bzw. (11) |
| PGas,max | Gasspitze des Projekts | kW | (12) und (13) |
| QGas,a | Gasverbrauch des Projekts im Jahr | MWh | Jahressumme über die Gaskessel |
| QB,a | Brennstoffverbrauch eines Kessels im Jahr, einschließlich Stillstand | MWh | Jahressumme über (10) und (11) |
| QK,a | brennstoffbasierte Nutzwärme eines Kessels im Jahr | MWh | Jahressumme über (6) |
| mE | Jahresemission je Schadstoff | kg | (14) |
| ηa | Jahresnutzungsgrad des Kessels | % | (15) und (16) |
Rechenweg
Gerechnet wird im festen Jahresraster von 8 760 Stunden. Höchstens Nmax = zehn Kessel je Projekt gehen in die Rechnung ein.
Schritt 1 — Kesseldaten auflösen
Je Kessel werden Nennleistung, Brennstoff, die beiden Wirkungsgrade und der Bereitschaftsverlust gelesen, dazu die Emissionsfaktoren des Brennstoffs. Zwei Werte werden dabei auf ihre Einheit geprüft:
- η > sη → η = η / 100 (für ηGas und ηÖl) (1)
- qB > sq → qB = qB / 100 (2)
Die Schwelle sη liegt bei 1,5 und nicht bei 1,0, weil Brennwertkessel auf den Heizwert bezogen bis rund 104 % erreichen — als Faktor 1,035 gespeichert wäre ein solcher Wert mit der Schwelle 1,0 auf 0,01 zerlegt worden. Für den Bereitschaftsverlust genügt sq = 1,0.
Schritt 2 — Wärmeabgabe der Stunde
Zu Beginn jeder Stunde steht jedem Kessel seine volle Nennleistung zur Verfügung. Er deckt dann, solange Leistung übrig ist, den offenen Bedarf seiner Direktsenken — bei der Senkenart „beides" mit Warmwasservorrang:
- Qdeck(t) = min( Pverf(t) ; Qoffen(t) ) (3)
Ein Kessel ohne Direktsenke deckt hier nichts; er lädt ausschließlich. Danach lädt er in der Ladephase seine Pufferspeicher bis zu deren Abschaltschwelle — mit dem Vorgaberang r = 40 ist er der letzte Lader der Kaskade, lädt also nur, was die anderen offen gelassen haben.
Schritt 3 — Wärmequelle Pufferspeicher (Kessel-Kaskade)
Ist dem Kessel ein Pufferspeicher als Wärmequelle zugeordnet, tritt dessen Temperatur an die Stelle des Systemrücklaufs. Der Kessel hebt dann nur noch den Rest an:
- a(t) = ( ϑQ(t) − ϑRL ) / ( ϑVL − ϑRL ) , auf 0…1 begrenzt (4)
- QPuffer(t) = a(t) · Qnutz(t) (5)
- QK(t) = Qnutz(t) − QPuffer(t) (6)
Nur QK kostet Brennstoff. Die Nennleistung begrenzt dabei den eigenen Beitrag; die Wärme aus dem Puffer kommt obendrauf:
- Qnutz,max(t) = min( Pnenn / (1 − a(t)) ; Pnenn + QSp(t) ) (7)
Liefert der Puffer weniger, springt der Brennstoff für den Fehlbetrag ein — die Abgabe an den Kanal bleibt dieselbe. Bei einem geteilten Quellpuffer (er ist zugleich Senke eines anderen Erzeugers) folgt ϑQ(t) stündlich dem Speicherzustand an der Entnahmehöhe; ein eigenständiger Quellspeicher bleibt bei seiner festen Temperatur.
Ohne Quellpuffer sind a(t) und QPuffer(t) exakt 0, damit ist QK = Qnutz, und die Rechnung ist die des einfachen Falls.
Schritt 4 — Brennstoffbilanz der Stunde
Sie läuft genau einmal je Stunde und Kessel, nach Bedarfsdeckung, Ladephase und Nachentladung. Erst dann steht fest, was der Kessel insgesamt abgegeben hat.
- η = ηÖl für IDB ∈ {6…9, 18…22} , sonst η = ηGas (8)
- η ≤ 0 → η = η0 = 0,90 (9)
- Qab(t) > 0 → QB(t) = QK(t) / η (10)
- Qab(t) = 0 → QB(t) = qB · Pnenn (11)
Der Bereitschaftsverlust (11) genau einmal je Stunde zu buchen, ist die zentrale Bedingung: Fiele die Entscheidung je Kanal, entstünde er in einer Stunde zweimal, und der Jahresnutzungsgrad kippte entsprechend. Maßgeblich für „läuft der Kessel?" ist die Abgabe Qab, nicht der brennstoffbasierte Anteil QK — ein Kessel, der vorgewärmtes Wasser nur noch geringfügig anhebt, steht nicht still.
Bei Gaskesseln wird nebenher die Gasspitze mitgeführt: je Kessel der höchste Wert des Jahres, über alle Gaskessel aufsummiert.
- PGas,max = ΣGaskessel maxt ( QK(t) / η ) (12)
- QGas,a < sGas = 0,1 MWh → PGas,max = 0 (13)
Schritt 5 — Jahresbilanz, Emissionen, Nutzungsgrad
Nutzwärme und Verbrauch werden je Kessel auf MWh umgerechnet. Der Verbrauch geht auf den Brennstoffzähler seiner Gruppe:
| Zähler | Brennstoff-Kennung IDB |
|---|---|
| Gas | 1…5 und 14 (Biogas) |
| Öl | 6…9 und 18…22 |
| Koks | 10 |
| Kohle | 11 |
| Holz | 12 |
| Strom (Elektrowärme) | 13 — der Verbrauch wird zusätzlich als Strombedarf geführt, die Kesselganglinie wird zur Stromganglinie |
| Pellets | 15 |
| Rapsöl | 16 |
| Tierische Fette | 17 |
| Sammelposten „Sonstige" | alles Übrige, unter anderem 23 (Fernwärme), 24 (Sonstige Energieträger), 25 (Wasserstoff) |
Die Emissionen folgen dem gemessenen Jahresverbrauch:
- mE = QB,a · fE / 1 000 (14)
Der Jahresnutzungsgrad wird aus den Jahressummen gebildet, nicht aus Volllastwerten. Im Zähler steht dabei die brennstoffbasierte Nutzwärme QK,a — bei einem Kessel mit Quellpuffer ist das weniger als seine Abgabe, denn der Puffer-Anteil hat ihn keinen Brennstoff gekostet:
- ηa = QK,a / QB,a · 100 (15)
- ηa > 110 → ηa = 108 ; ηa < 1 → ηa = 1 (16)
Stand der Kessel das ganze Jahr — QK,a = 0 oder QB,a = 0 —, ist ηa = 0. QB,a enthält die Stillstandsstunden; deshalb liegt der Jahresnutzungsgrad unter dem Volllastwirkungsgrad des Katalogs, und zwar umso deutlicher, je kürzer der Kessel läuft.
Grenzen und Annahmen
- Die fünf Emissionsspalten des Kesselkatalogs rechnen nicht mit (Befund W14a‑E‑8‑B1 vom
06.09.2026). CO₂, SO₂, NOₓ, CO und Staub lassen sich am Kessel pflegen, der Lauf holt die Faktoren fE aber aus dem Energieträgerkatalog. Beim BHKW ist es umgekehrt: Dort zählen die Gerätewerte. Zwei Masken, die gleich aussehen, mit einem Unterschied, der im Katalogdialog jetzt als „nur Anzeige" beziehungsweise „Simulation" ausgewiesen ist.
- Kein CO in der Bilanz. Der Energieträgerkatalog führt keinen CO-Faktor; die CO-Emission des
Kessels ist deshalb immer 0.
- Kein Teillastwirkungsgrad. η ist ein Wert je Brennstoffart, unabhängig von der Auslastung
der Stunde. Ein modulierender Kessel wird damit nicht besser und nicht schlechter gerechnet als ein voll laufender.
- Keine Taktung. An- und Abschalten innerhalb einer Stunde, Anfahr- und Abstrahlverluste über
qB hinaus, Mindestlaufzeiten und Mindestpausen bildet das Modell nicht ab.
- Der Bereitschaftsverlust hängt an der Nennleistung (11), nicht an der Kesseltemperatur und
nicht am Speicherzustand.
- Keine Brennwertrechnung als eigener Weg. Der Brennwertvorteil steckt im Wirkungsgrad des
Katalogs — deshalb sind dort Werte über 100 % zulässig und beabsichtigt, und deshalb steht sη bei 1,5.
- Keine hydraulische Grenze zwischen Quellpuffer und Kessel. Der Speicher hat eine Lade- und
Entladeleistungsgrenze; einen eigenen Wärmeübertrager zwischen Puffer und Kessel kennt das Modell nicht. In (7) steht deshalb der Speicherinhalt und keine Übertragerleistung.
- Höchstens zehn Kessel je Projekt.
- Investitions-, Wartungs- und Brennstoffkosten sind Sache der Wirtschaftlichkeit, nicht des
Laufs; der Lauf liefert ihr die Mengen.
Ergebnisse und wo sie stehen
- Simulationsergebnis, Reiter „Heizkessel" — je Kessel Nutzwärme, Brennstoffverbrauch,
Jahresnutzungsgrad ηa, Deckungsanteil und Emissionen; dazu die Ganglinie der Kesselleistung.
- Simulationsergebnis, Reiter „Übersicht" — der Deckungsanteil des Kessels an der
Jahreswärme und die verbleibende Restwärme.
- Simulationsergebnis, Reiter „Wärmegang" — Direktdeckung und Speicherladung im Stapel der
Erzeuger.
- Simulationsprotokoll — nicht hinterlegte Kessel, wirkungslose Quellbezüge, Kessel zwischen
zwei Erzeugern derselben Speicherstufe.
- Bericht und Wirtschaftlichkeit — Brennstoffmengen, Gasspitze PGas,max und
Emissionen gehen von hier in die Kosten- und CO₂-Rechnung.
Bezüge
- Heizkessel — Bedienung des Dialogs, Katalog, Brennstoffvarianten
- Berechnung: Simulationsablauf — Kaskade, Stundenschleife, Reihenfolge der Erzeuger
- Berechnung: Pufferspeicher — Ladeordnung, Schwellen und der Quellbezug der Kessel-Kaskade
- Berechnung: BHKW — der Erzeuger, der vor dem Kessel lädt, und der die Gerätewerte für die Emissionen nutzt
- Berechnung: Wärmebedarf — woher der Bedarf kommt, den der Kessel deckt
- Emissionen — Herkunft und Pflege der Emissionsfaktoren
- Wirtschaftlichkeit — Brennstoffkosten, Wartung und Kapitaldienst