Programm Dokumentation/Berechnung/Simulationsablauf

Was berechnet wird

Ein Simulationslauf rechnet ein volles Jahr durch und beantwortet damit die Frage, welcher Erzeuger wann wie viel deckt. Ergebnis sind die Stundenganglinien von Bedarf, Produktion und Speicherfuellstand, die Jahresmengen je Erzeuger, der Restwaermebedarf und der Reststrombedarf (das, was aus dem Netz kommt) — die Grundlage aller Kennzahlen, des Berichts und der Wirtschaftlichkeitsrechnung.

Der Lauf rechnet nicht die Waerme- und Strommengen selbst, sondern setzt sie voraus: Zuerst wird der Bedarf gebildet, dann arbeiten die Erzeuger ihn ab.

Eingangsgrößen

Groesse	Einheit	Herkunft im Programm
Klimaregion des Projekts	—	Projektverwaltung, Feld „Klimaregion"; fehlt sie, bricht der Lauf ab
Waermebedarf, stuendlich	kWh/h	wird zu Beginn des Laufs gerechnet, siehe Berechnung: Wärmebedarf
Strombedarf, viertelstuendlich	kWh	wird zu Beginn des Laufs gerechnet, siehe Berechnung: Strombedarf
Netzverluste und ihre Einheit	% oder kWh/a	Simulationskonfiguration, Feld „Netzverluste"
Kaskadenbelegung Platz 1 bis 4	—	Simulationskonfiguration, Bereich „Waermeerzeuger" (Platz 1 = hoechste Prioritaet)
Stromerzeuger	—	Simulationskonfiguration, Bereich „Stromerzeuger" (Photovoltaik)
Energiespeicher	—	Simulationskonfiguration, Bereich „Energiespeicher" (Stromspeicher)
Ladepriorität je Anlage	1…99	Erzeugerkarte der Simulationskonfiguration; nicht gepflegt = 99
Ein- und Abschaltschwelle je Puffer	% der Kapazitaet	Speicherregelung in der Simulationskonfiguration
Knappheitsreihenfolge der Kanaele	—	Einstellungen; Vorbelegung Brauchwasser, Prozess, Heizung
Extrapolation der Waermepumpen-Kennlinie	ja/nein	Simulationskonfiguration; ohne Konfigurationssatz gilt „erlaubt"

Rechenweg

1. Zeitraster

Waerme wird in 8 760 Stunden je Jahr gefuehrt, Strom in 35 040 Viertelstunden (8 760 × 4). Das Jahr hat immer 365 Tage; einen 29. Februar kennt der Rechenkern nicht. Ein Stundenwert, der ins Viertelstundenraster gespreizt wird, steht in allen vier Vierteln gleich hoch — deshalb wird eine Viertelstundenreihe zur Jahresmenge in MWh mit 4 000 geteilt:

Jahresmenge [MWh] = Summe aller 35 040 Viertelwerte [kWh] / 4000
Jahresmenge [MWh] = Summe aller 8 760 Stundenwerte [kWh] / 1000

2. Vorpruefungen — der Lauf bricht ab, wenn

1. die Datenbankmigration nicht abgeschlossen ist,
2. das Projekt keinen Konfigurationssatz hat,
3. die Netzverluste in Prozent angegeben sind und ueber 100 % liegen,
4. das Projekt keine Klimaregion traegt,
5. die Strombedarfsrechnung selbst abbricht.

Der Abbruch ist bewusst hart: Ein Lauf, der mit leerem Stromprofil weiterrechnet, liefert ein Ergebnis, das vollstaendig aussieht und keines ist.

3. Bedarf zuerst

Vor jedem Erzeuger werden Waerme- und Strombedarf gerechnet. Beide benutzen denselben Kalender: Der Wochentag des 1. Januar wird aus den Wochenendkennzeichen der Klimadaten abgeleitet und von der Waermerechnung an die Stromrechnung weitergegeben. Damit kacheln Gebaeudeprofile, Brauchwasser, Prozesswaerme und Stromprofile auf denselben Wochentagen.

Der Waermebedarf entsteht in drei Kanaelen und wird auch so weitergereicht:

Kanal 0 = Heizung
Kanal 1 = Brauchwasser
Kanal 2 = Prozesswaerme

4. Zeitbasis der Klimadaten: Ortszeit

Die Klimadatenreihe einer Region wird von PVGIS in UTC geliefert, Lastgaenge und Profile laufen dagegen in Ortszeit. Der Rechenkern verschiebt die Reihe deshalb beim Lesen:

Offset = 1 h in der Normalzeit (MEZ), 2 h in der Sommerzeit (MESZ)
UTC-Index U = Ortszeit-Index L - Offset(L)   (mit Jahresumlauf, falls L < Offset)

Die Sommerzeit laeuft nach der EU-Regel vom letzten Maerzsonntag 02:00 Ortszeit bis zum letzten Oktobersonntag 03:00 Ortszeit; die Regel ist im Rechenkern fest hinterlegt, damit das Ergebnis eines Laufs nicht von der Zeitzonentabelle des Rechners abhaengt. Weil das Raster starre 8 760 Faecher hat, wird an der Fruehjahrsumstellung eine UTC-Stunde doppelt gelesen und an der Herbstumstellung eine ausgelassen. Beide liegen nachts; Einstrahlung und Sonnenwinkel sind dort null.

Verschoben werden immer ganze Zeilen — Einstrahlung, Sonnenwinkel und Aussentemperatur einer Stunde bleiben zusammen.

5. Der Lauf in fuenf Phasen

Phase	Was geschieht	Fortschritt
Start	Vorpruefungen, Speicherregister aufbauen, Warnkriterien melden	0 %
Kaskade	die Waermeerzeuger decken den Waermebedarf	ab 10 %
Photovoltaik	PV-Erzeugung wird vom Reststrombedarf abgezogen	ab 60 %
Stromspeicher	die Entladung des Speichers senkt den Netzbezug weiter	ab 75 %
Abschluss	Restmengen, Speicherkennzahlen, Erdreichauswertung	ab 90 %

Ein Abbruch durch den Anwender wirkt nur zwischen den Phasen. Mitten in der Kaskade abzubrechen hiesse, mit halb gefuellten Kanaelen zurueckzubleiben.

6. Die Kaskade — was in EINER Stunde geschieht

Die vier Waermeerzeuger-Plaetze werden in ihrer Reihenfolge abgearbeitet: Platz 1 deckt so viel wie moeglich, Platz 2 uebernimmt den Rest derselben Stunde, und so fort. Innerhalb der Stunde laeuft immer dieselbe Folge:

1. Vorabentladung — die Pufferspeicher decken Bedarf aus ihrem Inhalt, Kanal fuer Kanal in der Knappheitsreihenfolge, je Kanal in der Entladereihenfolge der Speicher.
2. Bedarfsdeckung — die Erzeugerstufen in Kaskadenreihenfolge; jede Anlage deckt ueber ihre Direktsenken in deren Rangfolge.
3. Ladephasen — Rang fuer Rang aufsteigend: alle Puffersenken des Rangs 1 aller Anlagen, dann Rang 2, dann Rang 3 — dabei kaskadenuebergreifend nach Ladepriorität dieser Stunde.
4. Nachentladung — die Speicher decken den dann noch offenen Bedarf.
5. Heizstab — auf den verbleibenden Kanalrest.
6. Stundenabschluss je Speicher — genau einmal je Stunde.

Der Grund fuer diese Ordnung: Zwei Erzeuger, die denselben Speicher bedienen, muessen in derselben Stundenschleife laufen. Ein Modul, das sein ganzes Jahr fuer sich durchrechnet, gaebe der naechsten Stufe einen Fuellstand vom Silvesterabend in ihre Stunde 0.

7. Ladepriorität — wer den Speicher zuerst fuellen darf

Die Reihenfolge der Bedarfsdeckung (Schritt 2 oben) ist die Kaskade. Die Reihenfolge des Ladens ist eine andere: Sie folgt der Ladepriorität, und deren Vorgabe steht nach Grenzkosten:

Solarthermie   10   (Grenzkosten nahe null - nicht genutzte Einstrahlung ist verloren)
Waermepumpe    20   (Strompreis / Jahresarbeitszahl; profitiert vom leeren Speicher)
BHKW           30   (Waerme ist Koppelprodukt, Bewertung haengt an der Stromgutschrift)
Heizkessel     40   (hoechste Grenzkosten - soll nur nachheizen)
Sonstige       50

Von Hand ist jeder Wert von 1 bis 99 einstellbar; die kleinere Zahl laedt zuerst. Eine Anlage ohne gepflegte Priorität wird wie 99 behandelt, steht also hinter jeder konfigurierten Anlage.

8. Speicherregelung

Ein Puffer wird mit Hysterese gefahren: Unterschreitet der Fuellstand die Einschaltschwelle, wird geladen, bis die Abschaltschwelle erreicht ist. Ohne eigene Vorgabe gelten

Einschaltschwelle  10 % der nutzbaren Kapazitaet
Abschaltschwelle   95 % der nutzbaren Kapazitaet

Die Abschaltschwelle liegt bewusst unter 100 %, weil die Bereitschaftsverluste den Fuellstand laufend absenken.

9. Warnkriterien am Laufstart

Vor der ersten Stunde prueft der Lauf die Zuordnung von Erzeugern und Speichern und meldet ins Laufprotokoll. Zuordnungen sind frei — aber nur sinnvolle bleiben unkommentiert:

• W1 Ladeziel liegt ausserhalb des Klassen-Sets des Speichers (geladen wuerde mit einem Zweck, den der Speicher nie entlaedt).
• W2 Bauform des Speichers widerspricht dem Klassen-Set.
• W3 Erzeuger-Vorlauf liegt unter dem wirksamen Vorlauf oder unter der Nutztemperatur des Zielspeichers.
• W4 Nutztemperatur liegt ueber dem wirksamen Vorlauf — der Lauf klemmt sie.
• W5 ein als Waermequelle konfigurierter Puffer hat keinen einzigen Lader.
• W6 Schichtung am Leitspeicher eines Parallelverbunds — wird abgewiesen, nicht nur gemeldet.
• hart Kurzschluss (Quelle ist zugleich eigenes Ladeziel), Ring in der Kaskadenkette, leeres Klassen-Set.

10. Abschluss

Restwaerme  [MWh] = ungedeckter Waermebedarf / 1000
Reststrom   [MWh] = Summe des verbleibenden Viertelstundenvektors / 4000

Danach bildet der Lauf die Speicherkennzahlen (mittlerer und maximaler Fuellstand, Vollzyklen) und die Eingangsgroessen der Auslegungspruefung fuer Erdreichquellen.

Grenzen und Annahmen

• Ein Jahr, keine Alterung. Gerechnet wird ein einziges Jahr mit dem Klimadatensatz der gewaehlten Region. Degradation, Verschleiss und Betriebsjahre kommen erst in der Wirtschaftlichkeitsrechnung vor.
• Kein Schaltjahr. 365 Tage, 8 760 Stunden — fest.
• Stundenaufloesung in der Waerme. Vorgaenge innerhalb einer Stunde (Takten, Anfahrverluste, Regelschwingungen) bildet der Lauf nicht ab.
• Keine Hydraulik im engeren Sinn. Rohrnetze, Druckverluste, Pumpen und Mischer werden nicht gerechnet; die Netzverluste sind ein pauschaler Aufschlag.
• Zwei Umstellstunden je Jahr liegen wegen des starren Rasters doppelt bzw. gar nicht vor (siehe Schritt 4). Sie liegen nachts und veraendern die Jahressumme der Einstrahlung nicht.
• Ein Lauf zur Zeit. Der Rechenkern ist nicht darauf ausgelegt, zwei Simulationen gleichzeitig zu fahren.
• Kein Ergebnis bei Abbruch. Bricht eine Stufe ab, wird nichts gespeichert — statt eines halben Ergebnisses gibt es eine Meldung im Laufprotokoll.

Ergebnisse und wo sie stehen

• Simulationsergebnis, Reiter „Parameter" — die Einstellungen, mit denen gerechnet wurde.
• Simulationsergebnis, Reiter „Übersicht" — Jahresmengen und Deckungsgrade je Erzeuger, Restwaerme und Reststrom.
• Simulationsergebnis, Reiter „Wärme-/Strombedarf" — die Jahresganglinien und die Jahresdauerlinien des Bedarfs.
• Simulationsergebnis, je ein Reiter pro beteiligtem Erzeuger.
• Laufprotokoll — Hinweise, Warnungen und der Abbruchgrund; hier stehen auch die Warnkriterien aus Schritt 9.
• Bericht und Wirtschaftlichkeit rechnen auf denselben Jahresmengen weiter.

Bezüge

• Simulation — Bedienung des Simulationsdialogs
• Simulationsergebnisse — die Reiter des Ergebnisfensters
• Berechnung: Wärmebedarf
• Berechnung: Strombedarf
• Berechnung: Pufferspeicher
• Berechnung — alle Rechenwege im Überblick