Boiler-Simulator — Geissenstrasse 4, Stäfa

Heute — Ist-Zustand

18kW Heizstab nachts via Rundsteuerung (01–04h). ASKOHEAT+ arbeitet zaghaft, heizt nur obere Schicht sporadisch nach.

65°

50°

30°

Ø 48°C · 89 kWh

18kW Heizstab0 W

ASKOHEAT+0 W

PV-Überschuss0 W

Wasserverbrauch0 L

Σ Netz → Boiler0 kWh

Σ PV → Boiler0 kWh

Σ PV exportiert0 kWh

Wärmeverlust0 kWh

Temperatur — 3 Schichten + Entnahme-Minimum

Wasserverbrauch — Liter / 5 min

Leistung — Heizstäbe & PV

Optimiert — PV-Vorrang

① PV-Vorrang: ASKOHEAT+ moduliert, 18kW bei hohem Überschuss. ② Nachmittag-Fallback: Grid wenn PV nicht reichte. ③ Nacht-Backup: nur wenn oben < Min-Temp.

65°

50°

30°

Ø 48°C · 89 kWh

18kW Heizstab0 W

ASKOHEAT+0 W

PV-Überschuss0 W

Wasserverbrauch0 L

Σ Netz → Boiler0 kWh

Σ PV → Boiler0 kWh

Σ PV exportiert0 kWh

Wärmeverlust0 kWh

Temperatur — 3 Schichten + Entnahme-Minimum

Wasserverbrauch — Liter / 5 min

Leistung — Heizstäbe & PV

Jahresrechnung (gewichteter Durchschnitt)

Szenario	Tage/Jahr	PV-Peak	Sonnenstunden	~PV Brutto	Beschreibung
Sonnig (Sommer/Frühling)	90	38 kW	06:30 – 19:00	~150 kWh	Klare Tage, volle PV-Leistung
Bewölkt (Übergang)	155	14 kW	07:30 – 17:30	~45 kWh	Wolken drücken Peak, aber lange Tage
Winter (Nov–Feb)	120	8 kW	09:00 – 15:30	~16 kWh	Kurze Tage, tiefer Sonnenstand, ggf. Nebel

Tagesverteilung für Stäfa/Zürichsee (~47°N). PV-Profil: Gauss-Glocke. Steuerung ist reaktiv — braucht keine Wettervorhersage.

Heute — Netzstrom / Jahr

—

kWh · — CHF

Optimiert — Netzstrom / Jahr

—

kWh · — CHF

Jährliche Ersparnis

—

CHF / Jahr · — CHF pro Wohnung

Aufschlüsselung nach Wettertyp

Wetter	Tage	Heute Grid/Tag	Opt. Grid/Tag	PV/Tag	Ersparnis

Steuerungslogik — Optimiert

① PV-Vorrang — Tagsüber (07:00 – 16:00)

WENNPV-Überschuss > 0.5 kW UND Sensor oben < Max-Temp

DANNASKOHEAT+ moduliert (Stufe 1–7, 750W–5250W) — gratis PV-Strom

WENNPV-Überschuss > Schwelle (z.B. 12 kW) UND Sensor unten < Max-Temp − 5°C

DANN18kW Heizstab EIN via Schütz — heizt ganzen Tank gleichmässig von unten

WENNSensor oben ≥ Max-Temp

DANNAlle Heizstäbe AUS (Kalkschutz, Komfort)

② Nachmittag-Fallback (16:00)

WENNØ-Tank < 40°C UND Sensor oben < 55°C

DANN18kW Heizstab EIN (Grid) bis oben 55°C — Abend-Duschen sichern

WARUMAn trüben Wintertagen reicht die PV nicht. Bis 16h hatte sie ihre Chance — danach springt Grid ein. Immer noch ~50% günstiger als pauschal nachts heizen.

③ Nacht-Backup + Mindestschutz

04:00Wenn oben < Min-Entnahme → 18kW kurz EIN (Morgen-Duschen)

IMMERWenn oben < Min-Entnahme → 18kW sofort EIN bis oben Min+5°C (Hysterese). Egal wann — harte Untergrenze.

④ Legionellenschutz (1×/Woche)

WANNSonntag Nacht, 00:00

WAS18kW Heizstab heizt ganzen Tank auf 60°C (von unten = auch unteres Drittel)

KOSTEN~60 kWh = ~16 CHF/Monat (à 0.27 CHF/kWh) — unverhandelbar für Hygiene

Zusammengefasst — 4 Sicherheitsnetze:
① PV-Vorrang nutzt jeden Sonnenstrahl gratis
② Nachmittag-Fallback sichert Abend-Duschen an trüben Tagen (~15-20 kWh Grid statt 40 kWh nachts)
③ Nacht-Backup sichert Morgen-Duschen falls nötig (~10 kWh Grid)
⑤ Harter Mindestschutz: Oben darf nie unter (Min-Entnahme − 3°C) fallen — sofort heizen, egal wann
④ Legionellenschutz 1×/Woche für Hygiene

Kernprinzip: PV hat immer Vorrang. Grid springt nur ein wenn nötig — und auch dann gezielt (obere 500L auf Brauchtemperatur) statt pauschal (ganzer Tank auf 65°C).

Simulationsmethodik

Modell

3-Schicht-Tankmodell mit 288 Zeitschritten (5 min) pro Tag.

Der Tank wird in 3 Zonen unterteilt: Oben (30% = 600L), Mitte (35% = 700L), Unten (35% = 700L). Jede Zone hat eine eigene Temperatur.

Pro Zeitschritt werden nacheinander berechnet:
1. Steuerung — welche Heizstäbe laufen?
2. Wasserentnahme — Piston-Flow: heiss raus oben, kalt rein unten
3. Heizung — Energie auf Schichten verteilt (50/35/15% bzw. 55/45/0%)
4. Wärmeverlust — proportional zu ΔT jeder Schicht zur Raumtemperatur
5. Schicht-Mischung — langsame Konduktion (0.3%/Step)
6. Inversions-Korrektur — sofortige Durchmischung wenn unten > oben

Konvergenz & Mittelung

Steady-State-Simulation: Der angezeigte Tag muss ein Gleichgewicht darstellen (Endtemperatur = Starttemperatur).

Ablauf:
1. Start bei 45/35/25°C (beliebig)
2. 20 Tage Warmup — gleiche Physik, Daten verworfen. Tank konvergiert zum Gleichgewicht.
3. 2 Tage aufzeichnen und Schritt-für-Schritt mitteln

Warum 2-Tage-Mittelung? Die Hysterese des Mindestschutzes (ein bei 45°C, aus bei 50°C) kann eine 2-Tage-Oszillation erzeugen: Tag A mit Grid-Backup, Tag B ohne. Der Durchschnitt gibt den korrekten Langzeit-Mittelwert.

Jahresrechnung: 3 Wetterprofile × 2 Modi = 6 Simulationen. Jeweils (20+2) Tage. Tagesmittel × Anzahl Tage = Jahreswert.

Wasserentnahme (Piston-Flow)

Bei Entnahme von w Litern pro Zeitschritt:

f = w / Schichtvolumen
T_oben = T_oben × (1−f) + T_mitte × f
T_mitte = T_mitte × (1−f) + T_unten × f
T_unten = T_unten × (1−f) + 10°C × f

Reihenfolge von oben nach unten — jede Schicht nutzt den alten Wert der darunterliegenden Schicht. Kaltwasser (10°C) fliesst nur unten ein.

Total: ~800 L/Tag (normalisiert aus Gauss-Profil mit Morgen- und Abendspitzen).

Energie-Buchhaltung

Jede kWh wird genau einer Quelle zugeordnet:

1. PV-Überschuss → zuerst ASKOHEAT+
2. Verbleibender Überschuss → 18kW Heizstab
3. Rest → Export ins Netz
4. Fehlende Leistung → Grid

Grid = (origFromGrid + askoFromGrid) × Δt
PV = (origFromPV + askoFromPV) × Δt
Export = (Überschuss − PV_genutzt) × Δt

Geprüft: Energieerhaltung ist gewährleistet. Keine Doppelzählung.

Physik & Annahmen

Q = m × c × ΔT = 2000 kg × 4.186 kJ/(kg·°C) × ΔT / 3600 = 2.33 kWh pro °C (gesamter Tank)

Tank

2000 L · Vescal SBNTI (2002)
3-Schicht-Modell: Oben 30%, Mitte 35%, Unten 35%
Kaltwasser-Zulauf: 10°C
Entnahme: oben (heissestes Wasser)

Wärmeverlust

Q̇_loss = k × (T_avg − T_ambient)
k = 0.006 kW/°C (2002er Isolation, konservativ)
T_ambient = 17°C (Keller Durchschnitt)
Bei 60°C: ~6.2 kWh/Tag
Über Nacht (8h, Ø 40°C): ~2.2 kWh

Warmwasserverbrauch

~800 L/Tag (6 Parteien)
Morgens 06–08h: ~250 L
Mittags: ~50 L
Abends 17–22h: ~450 L
Bei Entnahme: oben raus, unten kalt (10°C) nach

PV-Anlage

Peak: 40 kWp
Profil: Gauss, 06:30–19:00
Sonniger Tag: ~150 kWh
Hausverbrauch: ~1.5 kW Basis + Peaks

Heizstäbe

Original: 18 kW, unten, An/Aus
ASKOHEAT+: 5.2 kW, ⅓ Höhe, 7 Stufen
Effizienz: ~99% (elektr. → therm.)
18kW heizt ganzen Tank (Konvektion)
5.2kW heizt obere ⅔ (~1330 L)

Schicht-Austausch

Konvektion nach oben: schnell (~15 min)
Wärmeleitung nach unten: langsam
Mischungsrate: 0.3% pro 5 min
Heizstab unten → 50% unten, 35% mitte, 15% oben
ASKOHEAT+ → 55% oben, 45% mitte, 0% unten

Warmwasserspeicher — Vorher / Nachher

Dieser Tag (Sonnig März)