Grundlagen solar+energetisch optimierter Stadtplanung als Arbeitshilfe für Stadtplaner und Architekten: EnEV, Kompaktheit, energetisch günstige Gebäudeabmessungen, Passive Solargewinne, Aktive Solargewinne, ... (C) Institut für Solare Stadtplanung Dr. Goretzki

Kontakt:
Institut für solare Stadtplanung ... Solarinstitut@gosol.de
Solarbüro für energieeffiziente Stadtplanung ... Solarbuero@gosol.de
Dr-Ing. Peter Goretzki ... Dr.Goretzki@gosol.de 

Einführung

In der Bundesrepublik Deutschland werden etwa 38% des Endenergieverbrauchs für die Beheizung von Gebäuden aufgewandt. Dieser Verbrauchsbereich wird wesentlich durch gesetzliche Anforderungen, städtebauliche Vorgaben und die architektonische Umsetzung mitbestimmt.

Seit den 60er Jahren konnte durch stufenweise verschärfte Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz - je nach Gebäudetyp - der Heizwärmebedarf von etwa 200 bis 300 kWh/m²_WFa auf heute 60 bis 120 kWh/m²_WFa vermindert werden. Durch den verringerten Heizwärmebedarf steigerte sich gleichzeitig der "Solare Heizungsbeitrag" der bei jedem Gebäude vorhandenen, kostenlosen Solargewinne der Fenster - günstige Vorgaben des Bebauungsplans vorausgesetzt - von etwa 10%-15% in den 60ern auf heute 20%-35% (Dieser ohne technischen Aufwand kostenlos erzielbare Heizungsbeitrag wird in Energiestatistiken meist vergessen).

Damit gewannen neben der Kompaktheit, d.h. den Gebäudeabmessungen nun auch zunehmend die Besonnungsvoraussetzungen einen wesentlichen Einfluß auf den Heizwärmebedarf der Gebäude.

Ungünstige städtebauliche Vorgaben können jedoch den "Solaren Heizungsbeitrag" nahezu halbieren und den Heizwärmebedarf deutlich, d.h. je nach Dämmstandard um 10-20% bei üblich gedämmten Gebäuden (WSchV'84 bis EnEV'2002) bis hin zur Verdoppelung (Passivhaus) erhöhen.

Kenngrößen der Heizwärmebilanz

Gebäude verlieren über das Dach, Fenster und Türen, Wände, den Boden und durch Luftaustausch Wärme. Der Wärmeverlust wird dabei neben den baulichen Wärmeschutzmaßnahmen durch das Klima sowie durch den Umgang der Bewohner mit Wärme bestimmt.

Um während der Heizperiode eine definierte Temperatur aufrechtzuerhalten, muß Gebäuden Energie zugeführt werden. Ein Teil dieser Energie kommt von außen durch die Sonneneinstrahlung in das Gebäude sowie aus Wärmequellen innerhalb des Gebäudes, wie beispielsweise Personen, Beleuchtung und Abwärme von Geräten. Die Heizwärmebilanz eines Gebäudes verrechnet diese Wärmegewinne mit den Wärmeverlusten und ermittelt hieraus den Heizwärmebedarf, also den Teil der benötigten Wärme, welcher dem Gebäude über die Heizungsanlage zugeführt werden muß.

Um den Heizwärmebedarf bei unterschiedlich großen Gebäuden vergleichen zu können, wurde als Kennzahl der spezifische Jahres-Heizwärmebedarf eingeführt. Dieser bezieht den Heizwärmebedarf eines Gebäudes auf dessen Volumen [kWh/m³a] oder dessen Nutzfläche [kWh/m²a]. Bezugszeitraum ist die Heizperiode von September bis Mai.

Für die Interpretation des flächenspezifischen Heizwärmebedarfs ist die "Flächen-Definition" bedeutsam. Unterschiedliche Definitionen (z.B. Gebäudenutzfläche A_N nach EnEV, Nutzfläche NF nach DIN 277 oder Wohnfläche WF nach der "Verordnung über wohnungswirtschaftliche Berechnungen -II.BV, welche die DIN 283 ersetzt) führen zu divergierenden Kennzahlen, welche gegebenenfalls zunächst in Entsprechung zur jeweiligen Nutzflächendefinition umgerechnet werden müssen.

Auf dieser Webseite beziehen sich die Wärmeumsätze, soweit nicht anders angegeben, auf die Wohnfläche WF nach II.BV einschließlich der Treppenräume.

Solarstrahlungsangebot

Das Maß für die solare Einstrahlungsdichte eines bestimmten Ortes ist dessen Globaleinstrahlung. Die Globaleinstrahlung setzt sich aus der ungerichteten Diffuseinstrahlung sowie der direkt von der Sonne kommenden Direkteinstrahlung (erkenntlich am Schattenwurf) zusammen und wird auf eine horizontale Fläche bezogen angegeben.

Die Diffusstrahlung entsteht durch Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre. Die Verteilung der Diffusstrahlung ist vom Bedeckungsgrad abhängig. Während bei klarem Himmel ein Intensitätsmaximum im Umfeld der Sonne feststellbar ist, verteilt sich die Diffusstrahlung bei völlig bedecktem Himmel nahezu gleichmäßig auf alle Himmelsrichtungen mit einem Intensitätsmaximum im Zenit.

Im Mittel der Heizperiode von September bis Mai beträgt der Anteil der diffusen Strahlung an der Globalstrahlung knapp zwei Drittel. Der hohe Diffusanteil ist auf die hohe Anzahl wolkiger Tage in unserem Klimabereich zurückzuführen, an denen ausschließlich ("bedeckt") oder überwiegend ("bewölkt") Diffusstrahlung festzustellen ist.

Da die verschiedenen Solarsysteme den diffusen Strahlungsanteil unterschiedlich verwerten, ist die Aufteilung in Diffus- und Direkteinstrahlung ebenso wie deren Jahresgang für die Sonnenenergienutzung von großer Bedeutung. So nutzt das "Solarsystem Fenster" den Diffusanteil immer vollständig, während ein "thermischer Kollektor" diesen bei bedecktem Himmel, d.h. geringen Strahlungsdichten meist nicht verwerten kann. Weiter unterliegen die Diffuseinstrahlung und die Direkteinstrahlung unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich der verschattungsbedingten Verminderung durch umliegende Objekte.

Für die passive Sonnenenergienutzung durch Fenster sind Angaben zu der Einstrahlungsdichte auf vertikale Flächen entscheidend.

Bei vertikalen Wandflächen reicht der im Jahresmittel auf die Oberfläche auftreffende Diffusanteil von etwa der Hälfte bei Südausrichtung bis zu 95% bei Nordausrichtung.

Im Jahresgang der Direkt- und Global-Einstrahlung wird die besondere Eignung einer nach Süden ausgerichteten Fläche für die passive Sonnenenergienutzung mit maximalen Einstrahlungswerten im Winter und in der Übergangszeit offensichtlich.

Im Gegensatz zu der Direkteinstrahlung ist die Diffuseinstrahlung von der Ausrichtung der Empfangsfläche weitgehend unabhängig. Gegenüber nordorientierten vertikalen Flächen empfangen im Monatsmittel südorientierte Flächen nur ca. 10% mehr Diffuseinstrahlung.

Heizwärmebilanz von Gebäuden

Die Heizwärmebilanz eines Gebäudes wird von dessen Wärmeverlusten und dessen Wärmegewinnen bestimmt. Die Anteile der Gewinn- und Verlustströme innerhalb der Wärmebilanz eines Gebäudes schwanken sowohl im Jahresgang als auch je nach Gebäudetyp.

• Der spezifische Lüftungswärmeverlust beträgt bei manueller Lüftung ca. 60 kWh/m²_WFa.
• Der spezifische Transmissionswärmeverlust liegt für ein nach den Mindestanforderungen der EnEV 2002 gedämmtes Gebäude, in Entsprechung zu dessen Kompaktheit (A/V-Verhältnis), etwa zwischen 45 und 90 kWh/m²_WFa.

Die Anteile der Transmissions- bzw. Lüftungswärme-Verluste am Gesamtwärmeverlust variieren in Relation zur Kompaktheit und zum Wärmedämmstandard. Hier gilt: Je kompakter und besser gedämmt ein Gebäude, desto geringer der Anteil des Transmissionswärmeverlustes am Gesamtwärmeverlust.

• Die Internen Wärmequellen können im Durchschnitt mit etwa 16 kWh/m²_WFa angesetzt werden (Die EnEV setzt mit 22 kWh/m²_WFa einen relativ hohen Wert an).
• Die zur Heizung nutzbaren passiven Solargewinne erreichen bei üblichen Fenstergrößen, je nach Klima und städtebaulich bedingten Besonnungsvoraussetzungen, etwa 15 bis 30 kWh/m²_WFa.

Im Gegensatz zu den passiven Solargewinnen durch Verglasungen können die Solargewinne von geschlossenen Wand- oder Dachflächen in der Heizwärmebilanz von Gebäuden vernachlässigt werden, da sich absorbierte Solareinstrahlung und Abstrahlungsverluste weitgehend aufheben.

Der resultierende Heizwärmebedarf von nach den Mindestanforderungen der Energieeinspar-Verordnung 2002 gedämmten Gebäuden liegt zwischen etwa 60 kWh/m²_WFa bei hochverdichteten Bauformen und bis zu 120 kWh/m²_WFa bei freistehenden Einfamilienhäusern.

Allgemein gilt: Je geringer der Transmissionswärmeverlust eines Gebäudes, desto größer wird der Einfluß der passiven Solargewinne, und desto geringer der des A/V-Verhältnisses auf die Heizwärmebilanz des Gebäudes.

Wärmeverluste

Der Wärmeverlust eines Gebäudes setzt sich aus dem Transmissionswärmeverlust und dem Lüftungswärmeverlust zusammen.

Dabei sind die Wärmeverluste sowohl von äußeren Faktoren, wie beispielsweise dem Klima und dem Nutzerverhalten, als auch von gebäudespezifischen Voraussetzungen, wie Dämmstandard und Lüftungseinrichtungen sowie dem Oberflächen/Volumen-, bzw. Oberflächen/Nutzflächen-Verhältnis eines Gebäudes, abhängig.

Mindestanforderungen an den baulichen Wärmeschutz werden durch die "Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik von Gebäuden" definiert.

Transmissionswärmeverlust

Der Transmissionswärmeverlust Q_T bilanziert den Wärmedurchgang durch die Hüllfläche des Gebäudes. Antriebskraft für den Wärmeverlust ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Gebäudeinneren und der Umgebung (T_I - T_A). Der Transmissionswärmeverlust wird von der Außenoberfläche A, über die das Gebäude Energie verliert, und durch den baulichen Wärmeschutz k bestimmt ( Q_T=A·k·(T_I-T_A)).

Durch eine Optimierung der wärmeübertragenden Gebäudeoberfläche A im Verhältnis zur Wohn-/Nutzfläche kann der Transmissionswärmeverlust durch städtebauliche Maßnahmen günstig beeinflußt werden.

Das Maß für den baulichen Wärmeschutz ist der Wärmedurchgangskoeffizient U (früher k-Wert). Der U-Wert gibt dabei den stündlichen Wärmestrom durch ein Bauteil mit einem m² Oberfläche bei einem Grad Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenseite an. Je kleiner der k-Wert, desto geringer ist der Wärmestrom und damit der Wärmeverlust eines Bauteils. Bei homogenen Bauteilen ist der k-Wert umgekehrt proportional zur Bauteildicke, d.h. jede Verdoppelung der Bauteil-/Dämmstoffdicke halbiert den Wärmestrom. Mit zunehmendem Wärmeschutz wird daher der Einspareffekt einer zusätzlichen Dämmung immer geringer.

Lüftungswärmeverlust

Der Lüftungswärmeverlust Q_L bilanziert die durch den Luftaustausch verloren gegangene Wärmemenge. Der Luftaustausch ist primär notwendig, um die im Gebäude durch Atemluft, Pflanzen, heißes Wasser usw. freigesetzte Luftfeuchtigkeit abzutransportieren und so Bauschäden (Durchfeuchtung, Schimmelbildung) zu vermeiden. Der Lüftungswärmeverlust ist im wesentlichen davon abhängig, in wieweit der Luftaustausch den jeweiligen Erfordernissen (Feuchte, Gerüche, ...) entsprechend geregelt, bzw. ob aus der Abluft ein Teil der Wärme zurückgewonnen werden kann. Der Luftaustausch wird durch die Luftwechselrate ß quantifiziert. Diese gibt an, wie oft das Luftvolumen V_L eines Raums je Stunde ausgetauscht wird. ( Q_L= V_L·ß·0.34·(T_I -T_A) ).

Die Beeinflussung des Luftwechsels entzieht sich weitgehend der städtebaulichen Planung.

Zur Vermeidung von Gerüchen, dem Abtransport von Kohlendioxid und Schadgasen in der Luft und zur Erneuerung des Luftsauerstoffs sind, im Gegensatz zum Abtransport der Luftfeuchtigkeit, nur relativ geringe Frischluftmengen notwendig. Zur Abführung der Luftfeuchtigkeit muß im Mittel pro Stunde 50% bis 80% der Luftmenge des Gebäudes ausgetauscht werden ("Notwendiger Luftwechsel"). Eine unkontrollierte Lüftung (gekipptes Fenster) bzw. ein "undichtes" Gebäude führen zu einem unnötig hohen Luftaustausch. Dagegen unterschreitet bei geschlossenen Fenstern der durch Wind hervorgerufene natürliche Luftwechsel den notwendigen Luftwechsel deutlich.

Wärmegewinne

Passive Sonnenenergienutzung

Solareinstrahlung und Wärmebilanz von Verglasungen

Mit seinen Fenstern besitzt jedes Haus ein höchst effizientes passives Solarsystem, das auch die einfallende Diffuseinstrahlung vollständig nutzen kann.

Ist Verschattungsfreiheit weitgehend erfüllt, und sind die Fensterflächen günstig ausgerichtet, übertrifft die Solareinstrahlung in das Fenster bei heute üblichen Glasarten während der Heizperiode dessen Transmissionswärmeverlust.

Fenster können damit unter günstigen Voraussetzungen einen positiven Heizungsbeitrag liefern, d.h. Wärme, die dem Gebäude ansonsten über die Heizungsanlage zugeführt werden müßte, ersetzen.

Die Wärmebilanz eines Fensters ist zum einen von den städtebaulichen die Solareinstrahlung bestimmenden Randbedingungen wie Orientierung und Verschattung, daneben aber auch von den stofflichen Eigenschaften der Verglasung, dem Gesamtenergiedurchlaßgrad g (g-Wert) und dem Wärmedurchgangskoeffizienten k (k-Wert) abhängig. Der Gesamtenergiedurchlaßgrad g gibt an, welcher Anteil der Sonnenenergie (Licht- und Wärmestrahlung) durch eine Verglasung, bei einem Einfallswinkel von 90° zur Glasebene (ab ca. 40° sinkt der g-Wert schnell gegen Null ab), in den Raum gelangen kann. Der Wärmedurchgangskoeffizient k_F gibt an, wie hoch der Wärmeverlust des Fensters ist. Je kleiner der k_F -Wert bei einem möglichst großen g-Wert und geringem Rahmenanteil , desto energetisch günstiger ist das Fenster. Der äquivalente Wärmedurchgangskoeffizient k_eq faßt Solargewinne S_F und Wärmeverluste des Fensters zusammen - solar+energetisch gute Fenster erreichen negative k_eq-Werte (=Wärmegewinn).

Solargewinn und solarer Nutzungsgrad

Da bei der passiven Sonnenenergienutzung der Ort der Wärmeentstehung, der Wärmenutzung und Wärmespeicherung identisch ist, kann ohne Überwärmung der Räume nur ein begrenztes solares Wärmeangebot genutzt werden.

Der nutzbare Solargewinn, d.h. derjenige Anteil der Solareinstrahlung, der tatsächlich Heizenergie ersetzt, ist vom Verhältnis zwischen Solareinstrahlung und Wärmebedarf des Solarraums bzw. des Gebäudes abhängig. Je höher die solare Einstrahlung und je geringer der Wärmebedarf sowie die Speicherkapazität, desto geringer ist der solare Nutzungsgrad, d.h. das Verhältnis zwischen dem nutzbaren Solargewinn und insgesamt in den Raum eingestrahlter Solarenergie. Daraus ergibt sich auch ein typischer Jahresgang mit geringen solaren Nutzungsgraden in der Übergangszeit und sehr hohen Nutzungsgraden im Winter.

Bei üblichen Fenstergrößen (ca. 12%-18% der Wohnfläche) erreicht der nutzbare, passive Solargewinn eines Gebäudes während der Heizperiode unter günstigen Voraussetzungen ca. 20-30 kWh/m²a Wohnfläche bzw. bis zu 350 kWh/m²a Fensterfläche.

Große Fensterflächen und Wintergärten erhöhen zwar die Wohnqualität, können jedoch die Solargewinne nicht beliebig erhöhen. Je nach Verglasungsart, Wärmebedarf des Gebäudes und äußeren Einstrahlungsbedingungen ergibt sich eine "optimale Verglasungsfläche".

Eine Vergrößerung der Fensterfläche bis zur "optimalen Verglasungsfläche" verringert den Heizwärmebedarf des Gebäudes. Wird die "optimale Verglasungsfläche" überschritten, steigt der Heizwärmebedarf wieder an, da der Solarenergiebedarf in der Übergangszeit bereits durch kleinere Fensterflächen weitgehend abgedeckt ist, und eine weitere Solarenergiezufuhr nicht mehr verwertet werden kann, während sich der Wärmeverlust der Glasflächen in den Wintermonaten mit zunehmender Fensterfläche linear vergrößert.

Überdimensionierte Glasflächen und insbesondere beheizte Wintergärten bewirken folglich insgesamt einen Anstieg des Heizwärmebedarfs.

Aktive Sonnenenergienutzung

Gegenüber der passiven wird bei der aktiven Sonnenenergienutzung die erzeugte Wärme nicht direkt am Ort der Entstehung genutzt, sondern aktiv an den Ort des Verbrauchs transportiert oder zwischengespeichert.

Damit benötigen alle aktiven Systeme für die Nutzung der Sonnenenergie Kollektorflächen, Verteilsysteme, Wärmetauscher und Speichersysteme. Neben dem Materialeinsatz für die Kollektoranlage wird zudem Hilfsenergie, z.B. zum Betrieb von Pumpen, benötigt. Desweiteren müssen, wie bei jeder zentralen Warmwasserbereitung, systembedingte Speicher- und Verteilungsverluste berücksichtigt werden, die den Energiegewinn schmälern.

Thermische Sonnenenergienutzung

Im Sonnenkollektor wird ein Wärmeträger vom Sonnenlicht erwärmt. Die aufgenommene Wärme kann direkt oder über Wärmetauscher zur Schwimmbadbeheizung, zur Brauchwassererwärmung oder zur Gebäudeheizung genutzt werden.

Je nach gewünschter Nutzung bzw. den angestrebten Betriebszeiträumen für die Kollektoranlagen ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die städtebaulichen Voraussetzungen.

Kollektoren können erst ab einem bestimmten Schwellenwert, der durch die thermischen und solaren Verluste des jeweiligen Kollektortyps bestimmt wird, nutzbare Wärme abgeben. Die thermischen Verluste eines Kollektors steigen dabei mit der Temperaturdifferenz zwischen Umgebung und Nutzwärme an. Im Winter sinkt daher der Kollektorwirkungsgrad. Anders als bei der passiven Sonnenenergienutzung durch Fenster ist der Sonnenkollektor dann meist nicht in der Lage, die diffuse Einstrahlung (bei bedecktem Himmel) in Nutzwärme umzusetzen.

Die nutzbare Wärmeabgabe eines Flachkollektors beträgt ca. 450 kWh pro Jahr und Quadratmeter Kollektorfläche. Vakuum-Röhrenkollektoren erbringen höhere Erträge, benötigen damit weniger Fläche, sind aber wesentlich teurer. Brauchwasserkollektor-Anlagen können im Sommerhalbjahr einen Großteil, über das Jahr betrachtet ca. 50-65% des Energiebedarfs zur Warmwasserbereitung von ca. 400-700 kWh/a pro Person abdecken. Hierzu ist eine Kollektorfläche von etwa 1.0 bis 1.5 m² erforderlich (Flachkollektor).

Höhere Deckungsgrade sind technisch möglich, jedoch weniger wirtschaftlich, da der sommerliche Energieüberschuß nicht verwertet werden kann. Zentrale Solare Nahwärmesysteme sind dabei ökonomischer als getrennte kleine Einzelanlagen. Ungünstige städtebauliche Randbedingungen, wie Verschattung oder falsche Neigung und Orientierung der Dachflächen, können bei auf Sommerbetrieb ausgelegten Kollektoranlagen in begrenztem Maß, zu Lasten der Wirtschaftlichkeit durch größere Kollektorflächen kompensiert werden.

Zur aktiven Nutzung der Solarenergie für die Gebäudeheizung werden großvolumige saisonale Speicher in Verbindung mit Solaren Nahwärmekonzepten notwendig.

Photovoltaik

Solarzellen verwandeln diffuses und direktes Sonnenlicht in elektrischen Strom. Die immer noch sehr hohen Kosten für Photovoltaikanlagen bedingen optimal ausgerichtete und verschattungsfreie Empfangsflächen und stellen damit besonders hohe Anforderungen an die städtebaulichen Vorgaben.

Mindestanforderungen an den baulichen Wärmeschutz nach EnEV 2006

Die Mindestanforderungen an den baulichen Wärmeschutz von beheizten Gebäuden werden durch die im Febraur 2002 in Kraft getretene Energieeinsparverordnung EnEV definiert. Diese bestimmt in direkter Abhängigkeit vom Verhältnis der wärmeübertragenden Umfassungsfläche A zum hiervon eingeschlossenen Bauwerksvolumen V (A/V-Verhältnis) den für Wohngebäude maximal zulässigen, im Rahmen des Baugenehmigungsverfahrens nachzuweisenden spezifischen Jahres-Primärenergiebedarf Q"_P innerhalb einer Spannweite von 67 bis 135 kWh je m² Gebäudenutzfläche [kWh/m²a] nach der Formel:
Q"_P = 50,94 + 75,29 x A/V + 2600/(100+AN)

Zusätzlich wird der spezifische Transmissionswärmeverlust begrenzt auf:
QT = 0,3 + 0,15 / (A/V)

(Für Nichtwohngebäude sowie Wohngebäude mit überwiegend elektrischer Warmwasserbereitung gelten andere Anforderungen)

Der Jahres-Primärenergiebedarf Q"_P nach EnEV ist ausschließlich vom A/V-Verhältnis und damit von der Gebäudegeometrie abhängig.

Je kleiner das A/V-Verhältnis, d.h. je "kompakter" das Gebäude, desto geringer ist der Jahres-Primärenergiebedarf, und desto geringer sind die Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz.

Mit zunehmendem A/V-Verhältnis steigen die Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz, d.h die erforderliche Wärmedämmung, deutlich an. So erreicht ein kompakter Geschoßwohnungsbau bereits bei einem mittleren k-Wert von ca. 0.9 W/m²K den Nachweiswert bezüglich des Jahres-Primärenergiebedarfs Q"_P von 60 kWh/m²a, während das freistehende Einfamilienhaus einen mittleren k-Wert von 0.5 W/m²K erreichen muß, um einen Jahres-Primärenergiebedarf von 90 kWh/m²a einzuhalten.

Bauformen mit hohem A/V-Verhältnis verbrauchen trotz höheren, für den baulichen Wärmeschutz erforderlichen Aufwendungen (größere Dämmstoff-/Wanddicken und damit höhere Baukosten) mehr Energie als kompakte Bauformen. Gleichzeitig bieten kompakte Bauformen durch erhöhten, auch wirtschaftlich sinnvollen Wärmeschutz, noch ein erhebliches, zusätzliches Einsparpotential.

Mit der Entscheidung über die Gebäudetypologie, die Bauweise und das Maß der baulichen Nutzung wird der maximale spezifische Jahres-Primärenergiebedarf Q"_P nach EnEV 2002 innerhalb eines Bereichs von 50 bis 100 kWh/m² vorbestimmt (Klima Köln).

Nach den Mindestanforderungen der EnEV 2002 gedämmte Gebäude verbrauchen damit, als Anhaltswert etwa 7.5 bis 15 l Heizöl je Jahr und Quadratmeter Wohnfläche.

Anders als in der EnEV postuliert bewirkt die EnEV 2002 gegenüber der WSchVO'95 keine allgemeine Energieeinsparung von 25%.

Im Gegenteil. Nach den Mindest-Anforderung der EnEV gedämmte Gebäude dürfen mit solarunterstützter Brennwerttechnik (A3), Wärmepumpe (A5) oder bei Fernwärme (A67) bis zu 15% mehr Wärme als nach der WSchVO'95 verbrauchen.

Die EnEV 2002 legt damit keineswegs die Niedrigenergiebauweise als Standard fest, sondern fällt oft hinter die WSchVO'95 zurück.

Leitfaden für den städtebaulichen Entwurf

Ansätze zur Verminderung des Heizwärmebedarfs

Zur Senkung des Heizwärmebedarfs als maßgeblicher Zielgröße der Minderung des umweltrelevanten CO₂-Ausstoßes sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze möglich:

• Das Verlustminimierungsprinzip versucht, die Wärmeverluste durch kompakte Baukörper und hohen Wärmeschutz zu minimieren.

• Das Gewinnmaximierungsprinzip setzt, über eine Maximierung der nach Süden ausgerichteten Fassadenanteile und damit Fensterflächen, auf möglichst hohe solare Gewinne.

Welches Prinzip, oder besser welche Kombination beider Prinzipien, im Einzelfall erfolgreicher ist, wird durch äußere Randbedingungen wie Klima, Grundstückssituation, Bebauungsdichte usw. bestimmt.

Städtebauliche Maßnahmen zur Minimierung der Wärmeverluste bzw. zur Maximierung der Solargewinne stehen oftmals in Konkurrenz zueinander. So wird beispielsweise eine Reduzierung der Gebäudehöhe zwar die Verschattungswirkung auf Nachbargebäude vermindern, dort also zu höheren Solargewinnen führen. Die gleiche Maßnahme kann allerdings auch, durch eine geringere Kompaktheit, den spezifischen Wärmeverlust des Gebäudes erhöhen.

Dies macht eine quantitative Optimierung, d.h. die Erfassung der solar+energetischen Wirkungen einer Maßnahme, sowohl auf die Solargewinne als auch auf die Wärmeverluste notwendig. Dabei kann das Optimierungsergebnis, je nach klimatischen Voraussetzungen, Gebäudetyp oder Anforderungen an den Wärmeschutz unterschiedlich ausfallen.
 
 
 

Eine umfassende solar+energetische Planungsoptimierung erfordert aufgrund der komplexen Wirkungszusammenhänge immer die Computersimulation mit einem speziellen städtebaulichen Energie-Simulationsprogramm.

Einer Optimierung geht jedoch immer die Entwicklung einer solar+energetisch tragfähigen städtebaulichen Konzeption voraus.

Nachfolgend sollen deshalb die grundlegenden, die Heizwärmebilanz von Neubaugebieten im Rahmen der städtebaulichen Planung beeinflussenden Wirkungszusammenhänge sowie städtebauliche Maßnahmen zur Senkung des Heizwärmebedarfs dargestellt werden.

Achtung ! Die nachfolgenden Diagramme sollen die Wirkungsweise der einzelnen, die solar und energetische Effizienz einer städtebaulichen Konzeption beeinflussenden Faktoren aufzeigen. Eine solar+energetische Bewertung oder Optimierung einer Planung anhand dieser Diagramme ist nicht möglich !

Verminderung der Wärmeverluste

Kompaktheit der Gebäude

Gebäude verlieren durch ihre Hüllfläche Wärme an die Umgebung. Ein wesentliches Instrument der städtebaulichen Planung stellt die Minimierung der wärmeübertragenden Hüllflächen im Verhältnis zur davon eingeschlossenen Nutzfläche, d.h. die Beeinflussung der Kompaktheit von Gebäuden dar.

Je kleiner die wärmeübertragende Hüllfläche A im Verhältnis zur Nutzfläche, oder vereinfacht, zum Gebäudevolumen V wird, desto weniger Wärme verliert - eine gleichbleibende Wärmedämmung vorausgesetzt - ein Gebäude bezogen auf seine Nutzfläche bzw. sein Volumen. Der spezifische Wärmeverlust nimmt also ab.

Als Maß für die Kompaktheit eines Baukörpers gilt vereinfacht das A/V-Verhältnis.
 
 

Bauweise/Gebäudetyp

Für das A/V-Verhältnis ist zunächst die Bauform, d.h. die Gebäudetypologie maßgeblich. Für jede Bauform ergibt sich innerhalb der vom jeweiligen Baukörpervolumen bestimmten Spannweite ein typisches A/V-Verhältnis.

A/V-Werte der verschiedenen Bauformen reichen dabei von 0,25 bei einer mehrgeschossigen Blockrandbebauung bis zu etwa 1,2 bei einem eingeschossigen Winkelbungalow (siehe Abb.2).

Verdichtete Bebauungsformen tendieren grundsätzlich zu günstigen A/V-Verhältnissen.

Die Wahl der Bauform ist damit die wesentlichste städtebauliche Weichenstellung für den Heizwärmebedarf einer Neubausiedlung. Hier gilt: Je kleiner das mittlere A/V-Verhältnis des Planungsbereichs, desto geringer der spätere Heizwärmebedarf.

Ausformung der Baukörper

Neben der Bauform, d.h. dem absoluten Volumen eines Baukörpers, wird die Kompaktheit durch die Ausformung des Baukörpers bestimmt.

Gemäß den geometrischen Gesetzen, würde sich ein möglichst großer, gleichseitiger Würfel, bzw. ein Kreiszylinder, Kugel oder Halbkugel als idealer Baukörper anbieten. Die rein geometrische Betrachtung ignoriert jedoch die Tatsache, daß ein Gebäude über die Basisfläche, gegenüber den an die Außenluft angrenzenden Bauteilen nur etwa halb so viel Energie verliert.

Die Erfordernis einer natürlichen Belichtung und Belüftung begrenzt - zumindest im Wohnungsbau - die größtmögliche quadratische Grundfläche eines Baukörpers und damit die Wahl der energetisch "idealtypischen", kubischen Bauform. Neben der absoluten Größe des Baukörpervolumens wird entscheidend, wie letzteres durch seine Länge, Tiefe und Höhe ausgeformt ist.

Die nachfolgenden Betrachtungen sollen zeigen, wie sich die Veränderung der Gebäudelänge, der Gebäudetiefe und der Anzahl der Vollgeschosse auf das A/V-Verhältnis auswirkt. Dabei sollen insbesondere Schwellenwerte aufgezeigt werden, ab welchen einerseits besonders starke und andererseits keine wesentlichen Auswirkungen auf das A/V-Verhältnis und damit den spezifischen Wärmeverlust mehr feststellbar sind.

Bitte beachten Sie, daß das Baukörpervolumen bei dieser Darstellungsweise nicht konstant bleibt, sondern mit dem jeweils dargestellten Geometriefaktor anwächst.

Länge der Baukörper

Das A/V-Verhältnis eines Baukörpers nimmt - bei unverändertem Baukörperquerschnitt - mit zunehmender Länge L des Gebäudes oder der Hausgruppe ab. Dabei treten ausgeprägte Schwellenwerte auf.

Wie Abb.3 zeigt ist, besonders bei mehrgeschossigen Gebäuden, beim Unterschreiten einer Gebäude-/Zeilenlänge von etwa 20 bis 30 m, ein überproportional starker Anstieg des A/V-Verhältnisses zu verzeichnen. Dagegen verliert sich dieser Einfluß zunehmend bei Gebäude-/Zeilenlängen von mehr als 50 m.

Die Gebäude-/Zeilenlänge sollte aus energetischen Gesichtspunkten bei zweigeschossigen Gebäuden etwa 20 m, bei mehrgeschossigen Gebäuden ca. 30 m, nicht unterschreiten.

Eine Erhöhung der Länge des Baukörpers über 50 m hinaus ist dagegen energetisch kaum noch wirksam.

Tiefe der Baukörper

Mit zunehmender Baukörpertiefe verbessert sich, wie Abb.4 zeigt, die Kompaktheit. Dabei ist kein ausgeprägter Schwellenwert, jedoch ein überproportionaler Anstieg des A/V-Verhältnisses mit abnehmender Baukörpertiefe feststellbar.

Die Baukörpertiefe beeinflußt auch die Möglichkeiten zur passiven Sonnenenergienutzung. So können bei Gebäuden geringer Tiefe (<7m), anders als bei Gebäuden großer Tiefe, alle Aufenthaltsräume zur Sonne ausgerichtet werden. Die damit potentiell höheren Solargewinne können jedoch die aufgrund der geringen Baukörpertiefe erhöhten Wärmeverluste meist nicht kompensieren, so daß insgesamt der Heizwärmebedarf mit abnehmender Baukörpertiefe ansteigt.

Tiefe Gebäude weisen zudem gegenüber Gebäuden von geringer Tiefe bei identischer Höhe, GFZ und GRZ aufgrund der dann größeren Zeilenabstände niedrigere Verschattungswerte auf. (Denkmodell: Teilen Sie bei gleicher Grundstückstiefe einen 12m tiefen Baukörper in zwei 6m tiefe Baukörper auf - die Gebäudeabstände halbieren sich hierbei).

Geringe Gebäudetiefen führen zu einem ungünstigen A/V-Verhältnis. Die Gebäudetiefe sollte 10 m nicht unterschreiten. Bei Gebäudetiefen über 12 m sollten die Möglichkeiten einer natürlichen Belichtung und Belüftung bedacht werden.

Anzahl der Geschosse

Das A/V-Verhältnis wird mit steigender Anzahl der Vollgeschosse Z günstiger.

So ist beim Übergang von einem auf zwei Vollgeschosse ein sehr starker und beim Übergang von zwei auf drei Vollgeschosse ein starker Rückgang des A/V-Verhältnisses zu verzeichnen.

Dagegen schwindet der Einfluß der Geschoßzahl auf das A/V-Verhältnis bei mehr als 6 Geschossen zunehmend (siehe Abb.5).

Ab dem 4. bzw. 5. Geschoß werden - in Abb.5 nicht bilanzierte - zusätzliche technische Einrichtungen (Aufzug) notwendig, welche den spezifischen Energieverbrauch, den Wohnflächenanteil und die Baukosten ungünstig beeinflussen.

Die Geschossigkeit beeinflußt das A/V-Verhältnis maßgeblich.

Bei weniger als 2-3 Vollgeschossen ist ein sehr deutlicher Anstieg des A/V-Verhältnisses und damit des Heizwärmebedarfs feststellbar. Eingeschossige Bauformen sollten deshalb vermieden werden.

Dagegen ist bei mehr als 5-6 Vollgeschossen keine wesentliche Verbesserung des A/V-Verhältnisses mehr zu erwarten.

Dachform und Neigung

Zwischen dem Oberflächen/Volumen-Verhältnis A/V und der "realen Kompaktheit" sind oftmals gegenläufige Tendenzen feststellbar, denn ein großer Luftraum im DG erhöht zwar das Gebäude-Volumen, nicht aber die nutzbare Wohnfläche.

Bei der Beurteilung der Dachausformung von Gebäuden ist deshalb das A/V-Verhältnis unbrauchbar. Das A/V-Verhältnis führt hier zu eklatanten Fehlbewertungen der Kompaktheit und infolge dessen zu Fehloptimierungen.

Da der spezifische Heizwärmebedarf auf die Nutz- bzw. Wohnfläche WF bezogen werden muß, ist für die Beurteilung der energetischen Wirkung der Dachausformung das Hüllflächen/ Wohnflächen-Verhältnis A/WF bzw. der wohnflächenspezifische Wärmeverlustentscheidend. Dieses wird bei Dachräumen wesentlich beeinflußt von:

• Dachform,
• Dachneigung (bzw. FH),
• Kniestockhöhe (bzw. TH) und
• Baukörpertiefe.

Die Optimierung der Dachausformung muß sich immer am Oberflächen/Wohnflächen-Verhältnis A/WF bzw. wohnflächenspezifischen Energiebedarf, nicht aber am A/V-Verhältnis orientieren.

Das A/V-Verhältniss ist kein Maß zur Optimierung der Gebäudegeometrie und damit des Energiebedarfs!

Passive Sonnenenergienutzung

Der städtebauliche Entwurf schafft oder verhindert mit seinen Vorgaben die Möglichkeiten zur passiven und aktiven Nutzung der Sonnenenergie. Ungünstige städtebauliche Vorgaben können dabei das verfügbare solare Potential halbieren. Die Folge sind ein erhöhter Heizwärmebedarf und sogar erhöhte Baukosten, da aufgrund der Wärmeschutzverordnung ungünstige Besonnungsvoraussetzungen durch eine verstärkte Wärmedämmung wieder ausgeglichen werden müssen.

Die wesentlichen städtebaulichen Rahmenbedingungen, welche die passiv-solaren Gewinne bestimmen, sind:

• die Orientierung bzw. die Stellung der Gebäude
• die Verschattung durch Nachbargebäude
• die Verschattung durch Vegetation
• und in besonderen Fällen die Verschattung durch die Topographie
• sowie das Klima und die geographische Breite.

Ausrichtung

Die Ausrichtung eines Fensters bestimmt maßgeblich dessen Solareinstrahlung während der Heizperiode.

So empfängt ein Ost- oder Westfenster nur etwa 60%, ein Nordfenster nur etwa 40% der Einstrahlung eines nach Süden ausgerichteten Fensters.

Bis zu einer Südabweichung von ±25° ist der solare Verlust mit weniger als 5% als relativ gering einzustufen.

Ab 30° Südabweichung ist bis zur O/W-Orientierung mit progressiv zunehmenden solaren Verlusten zu rechnen.

Da sich bei Gebäuden mit der Drehung die Solareinstrahlung auf einer Fassade zwar verringert, auf der gegenüberliegenden Fassade jedoch erhöht, ist der Einfluß der Südabweichung auf die Solargewinne hier geringer als bei einem einzelnen Fenster. Die solaren Verluste erreichen hier bei 25° Südabweichung maximal 3% und bei 45° etwa 8%. Bei Ost-West-Ausrichung sind allerdings auch hier knapp 30% in Kauf zu nehmen.

• Der Einfluß der Orientierung auf die Solargewinne eines Gebäudes wird von der Stellung und Größe der einzelnen, auf die verschiedenen Fassaden verteilten Fensterflächen bestimmt, ist also vom Gebäudetyp abhängig.
• Die durch ungünstige Orientierung verursachten solaren Verluste liegen bei maximal 30%.
• Eine Südabweichung von ca. 30° ist unbedenklich.
• Gebäude sollten nicht überwiegend ost-west orientiert sein - eine begrenzte Anzahl von O-W-Gebäuden ist jedoch insgesamt vertretbar. (Achtung: Nach Westen ausgerichtete Fensterflächen können ohne ausreichenden beweglichen Sonnenschutz zu einer Überhitzung in der Übergangszeit und im Sommer führen.)

Verschattung durch Nachbargebäude

Neben ungünstiger Orientierung wird das verfügbare passiv solare Potential durch die gegenseitige Verschattung der Gebäude reduziert.

Die Verschattungswirkung ist dabei abhängig vom Verhältnis zwischen Abstand der schattenwerfenden Kante A und der Höhendifferenz H der schattenwerfenden Kante zum Fußpunkt der Solarfassade bzw. des jeweiligen Fensters. Dieses Verhältnis läßt sich auch als Verschattungswinkel =arctan(H/A) ausdrücken.

Abb.9 zeigt das verfügbare passiv-solare Potential für S-, SW-, W-, NW- und N-orientierte Fensterflächen innerhalb paralleler Gebäudezeilen. Dabei wird deutlich, daß auch nordorientierte Fensterflächen aufgrund der Verminderung der Diffuseinstrahlung von verschattungsbedingten solaren Verlusten nicht verschont bleiben, welche jedoch absolut gesehen gegenüber südorientierten Fensterflächen wesentlich geringer ausfallen.

Bei südwest bis südost ausgerichteten Fenstern sind höhere Anforderungen an die Verschattungsfreiheit zu stellen als bei west, nord bis ost orientierten Fensterflächen.

Solare Verluste / Verschattungsgrad

Bezieht man den Verschattungsgrad als relative Größe auf die bei der jeweiligen Orientierung während der Heizperiode maximal möglichen Solargewinne, zeigen süd- bis nordorientierte Fensterflächen, in Abhängigkeit vom Abstand/Höhen-Verhältnis A/H in etwa den selben Kurvenverlauf.

Bei der gegenseitigen Verschattung von Einzelgebäuden ist der Verschattungsgrad neben dem A/H-Verhältnis der Fenster sowohl von der Länge der schattenwerfenden Gebäude als auch vom seitlichen Abstand B der Gebäude innerhalb der Zeile abhängig.

Die Abb.10 zeigt den Verschattungsgrad der Hauptfassade. Dieser verringert sich mit zunehmendem seitlichen Abstand der Gebäude zueinander und abnehmender Gebäudelänge.

• Der durch die gegenseitige Gebäudeverschattung verursachte solare Verlust kann 35% erreichen.
• Beträgt der Abstand zum Nachbargebäude mehr als das dreifache dessen Höhe ist nur mit einer geringen Verschattungswirkung zu rechnen.
• Unterschreitet der Abstand zum Nachbargebäude das zweifache dessen Höhe, so steigt die Verschattungswirkung progressiv an.

Verschattung durch Bäume

Während die Verschattungswirkung von Nadelbäumen offensichtlich ist, wird die Verschattungswirkung von laubabwerfenden Bäumen oft unterschätzt, da nicht bedacht wird, daß der Belaubungszeitraum weit in die Heizperiode hineinreicht. Besonders im Herbst können zu dicht vor Solarfassaden plazierte Laubbäume Solargewinne weitgehend verhindern und sowohl zu einem früheren Beginn der Heizperiode als auch insgesamt zu einem deutlich erhöhten Heizwärmebedarf führen.

Die Verschattungswirkung von Bäumen und der daraus resultierende Heizwärmemehrbedarf ist von vielfältigen Faktoren abhängig:

• der Lage der Bäume zur Solarfassade (Himmelsrichtung)
• dem Abstand des Baums zur Solarfassade im Verhältnis zur Baumhöhe
• der Höhe der Solarfassade im Verhältnis zur Baumhöhe
• der Dichte der Bäume innerhalb einer Baumreihe/Allee/Pflanzung
• die Anzahl der Bäume, die hintereinander stehen
• der Baumart
  • dem Zeitpunkt des Blattabwurfs
  • der Dichte des Geästes
  • der Dichte des Laubwerks während der Vegetationsperiode
  • dem Zeitpunkt des Blattaustriebs

  
  
   

Auch Einzelbäume verursachen erhebliche solare Verluste bei direkt verschatteten Fassadenbereichen.

Die Abb.13 zeigt die Verminderung der Globaleinstrahlung auf die Erdoberfläche während der Heizperiode für das Umfeld eines Baums in 5%-Stufen. Die Kronenhöhe des Baums entspricht einem Rasterfeld.

• Die durch Laubbäume verursachten solaren Verluste können mittelfristig 40% erreichen.
• Eine effektive passive Sonnenenergienutzung und sommerlicher Sonnenschutz von Fenstern durch laubabwerfende Bäume schließen sich aus, da die Solareinstrahlung nicht den wechselnden Bedürfnissen und Erfordernissen entsprechend "geregelt" werden kann.
• Südlich vor einer Fassade angeordnete Bäume vermindern die absolute Solareinstrahlung gegenüber nördlich einer Fassade in selben Abstand angeordneten Bäumen fast um das Dreifache.
• Bäume sollten deshalb grundsätzlich nördlich, östlich oder westlich von Fassaden angepflanzt werden.
• Einzelbäume sollten so angeordnet werden, daß vom Baum aus in Richtung NW-N-NO ein Mindestabstand mit der 1.5-fachen Kronenhöhe zu Gebäuden eingehalten wird.
• Ist die Baumhöhe im Verhältnis zur Fassadenhöhe doppelt so hoch, sollte der Abstand auf die 2.0-fache, bei dreifacher Höhe auf die 2.5-fache Kronenhöhe erweitert werden.
• Stehen mehr als drei Bäume direkt hintereinander ist das Geäst für direkte Sonneneinstrahlung nicht mehr nennenswert durchlässig.
   

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