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Solar-energetische Kennwerte

Anhand von Kennwerten sollen städtebauliche Planungen in ihrer solar+energetischen Effizienz verglichen und der Erfolg einer Optimierung bewertet werden.

Die Verwendung ungeeigneter Kennwerte kann jedoch zu eklatanten planerischen Fehlentscheidungen und in der gebauten Realität zu einer deutlichen Erhöhung des Heizwärmebedarfs führen.

Inhalt:

A/V-Verhältnis

Verfügbarer Solargewinn / Solare Verluste

Solarer Deckungsgrad SDG

Spezifischer Heizwärmebedarf

A/V-Verhältnis

Des Außenoberflächen/Volumen-Verhältnisses A/V gilt als "Maß für die Kompaktheit".

Das A/V-Verhältnis kann sowohl manuell als auch mit CAD-Programmen relativ einfach ermittelt werden, verfälscht jedoch bei der Beurteilung der Dachausformung (Kniestock, Dachneigung) und Höhenentwicklung eines Gebäudes systematisch die energetische Bewertung.

So täuscht jede Vergrößerung des Volumens, als einfachstes Beispiel die Erhöhung der Geschoßhöhe oder, wie im nachfolgenden Beispiel, eine steilere Dachneigung sowohl eine Verbesserung des A/V-Verhältnisses als auch eine Verringerung des volumen- bzw. "nutzflächen-" spezifischen Jahres-Heizwärmebedarfs Q"_H nach WSchVO'95 (Nutzfläche A_N=V/0,32 !!!) und damit eine höhere "Kompaktheit" vor, während in Realität der (wohnflächenspezifische und absolute) Heizwärmebedarf Q"_H deutlich ansteigt (siehe nachfolgendes Berechnungsbeispiel).

Bewertungsfehler des A/V-Verhältnis
Dachform:	Flachdach	Pultdach	Grundfläche 10 m x 8 m
Wandhöhen Süd/Nord	5.60 / 5.60	7.00 / 5.60	m
Oberfläche A	361.6	388.0	m²
Volumen V	448.0	504.0	m3
A/V-Verhältnis	0.807	0.770	1/m
Volumenspez. Heizwärmebedarf Q'H, WSchVO'95	27.80	27.15	kWh/m3a
nach A/V und Q'H, WSchVO'95 erscheint das Pultdach zunächst kompakter und energetisch günstiger. Bezieht man den resultierenden Heizwärmebedarf QH auf die jeweils identische Wohnfläche WF kehrt sich das Ergebnis real um:
Heizwärmebedarf QH = Q'H, WSchVO'95 x V	12453	13685	kWh/a
Wohnfläche WF	136.0	136.0	m²
Wohnflächenspez. Heizwärmebedarf Q"H, WF = QH / WF	91.57	100.62	kWh/m²

PS: Versuchen Sie beim Pultdach das Ganze mal mit FH=5.6m und TH=5.2m ....

Zudem ignoriert das A/V-Verhältnis den divergierenden Wärmeverlust von an Außenluft bzw. an das Erdreich angrenzenden Bauteilen. Ein turmartiger Baukörper wird damit unzutreffender Weise mit einem gleich geformten, jedoch liegenden Baukörper gleichgesetzt. So weist beispielsweise eine stehende Scheibe (L=20m, T=11m, H=55m) das selbe A/V-Verhältnis wie eine liegende Scheibe (L=20m, T=55m, H=11m) auf. Der spez. Wärmeverlust ist jedoch bei unveränderten k-Werten bei der stehenden Scheibe um mehr als 10% höher.

• Das A/V-Verhältnis bewertet primär die absolute Größe und erst sekundär die Ausformung des Volumens.

• Bei der Bewertung der Dachausformung führt das A/V-Verhältnis systematisch zu eklatanten energetischen Fehlbewertungen.

• Der unterschiedliche Wärmeverlust von an Erdreich und Außenluft angrenzenden Bauteilen wird ignoriert.

• Das Außenoberflächen/Volumen-Verhältnis A/V ist kein geeignetes Maß für die Kompaktheit.

• Das Maß der Kompaktheit muß zumindest auf die reale Nutzfläche NF oder Wohnfläche WF bezogen werden.

• Ein aussagefähiges Maß für die Kompaktheit ist der wohnflächenspezifische Wärmeverlust je Gradtag (spez. Bruttowärmebedarf) [kWh/m²Kd] oder vereinfacht, ohne thermischen Bezug das Außenoberflächen/Nutzflächen-Verhältnis A/NF oder A/WF.

• Eine solar+energetische Bewertung oder gar Optimierung einer Planung anhand des A/V- oder A/WF-Verhältnisses ist ausgeschlossen, da eine Bilanzierung mit den Solargewinnen nicht möglich ist.
  

Verfügbarer Solargewinn / Solare Verluste

Der Solare Verlust setzt die "Besonnung" eines unverschatteten, süd/optimal orientierten Gebäudes in Bezug zur Besonnung des selben, jedoch innerhalb des Planungsbereichs plazierten Gebäudes.

Zur Ermittlung der prozentualen "Solaren Verluste" gibt es unterschiedliche Verfahren, die bezüglich der Aussagekraft des Kennwertes stark voneinander abweichen.

Der Leitfaden "50 Solarsiedlungen in NRW" definiert die solaren Verluste über den SF-Faktor. Bewertet wird dabei die auf die sogenannte "Energiegewinn"-Fassade auftreffende Solarstrahlung. Die übrigen drei Fassaden (Ost/West/ Nord) bleiben unberücksichtigt auch wenn sie, entsprechend der Landesbauordnung "notwendige Fensterflächen" aufweisen. Durch die Beschränkung auf die "Energiegewinnfassade" wird der bei unterschiedlichen Gebäudetiefen und damit verschiedenen "notwendigen" Fensterflächen der einzelnen Fassaden divergierende Einfluß der Orientierung auf die Solareinstrahlung ignoriert (siehe Abb.2).

Der vom Verhältnis Einstrahlung zu Wärmeverlust abhängige Solare Nutzungsgrad sowie die vom Einfallswinkel abhängige Energiedurchlässigkeit von Verglasungen bleibt beim SF-Kennwert ebenso wie die Verschattungswirkung von Bäumen unberücksichtigt.

Die nach dem GOSOL-Verfahren berechneten verfügbaren Solargewinne / solaren Verluste beziehen sich dagegen auf die zur Substitution von Heizwärme tatsächlich genutzten Solargewinne aller Fenster eines optimal orientierten Gebäudes unter Einbeziehung der durch Bäume verursachten Verschattung. Dabei wird der vom Wärmedämmstandard abhängige solare Nutzungsgrad ebenso wie der Strahlungsdurchgang durch die Verglasung berücksichtigt.

• Die Verschattungswirkung von Bäumen wird im SF-Kennwert nicht berücksichtigt.

• Der SF-Faktor überschätzt die "Solaren Verluste" insbesondere durch Orientierung um den Faktor 2-3 und bewirkt damit eine nicht gerechtfertigte Einschränkung des planerischen Spielraums.

• Eine solare Bewertung einer Planung anhand des SF-Faktors ist fehlerbehaftet.

• Eine belastbare solare Bewertung erfordert die Betrachtung aller Fassaden eines Gebäudes. Dabei ist von einer für den jeweiligen Gebäudetyp typischen und von der Gebäudetiefe abhängigen Fensteraufteilung auszugehen.

• Als Bewertungskriterium für das solare Potential einer Planung muß der zur Substitution von Heizwärme im Gebäude verfügbare Solargewinn und nicht die Solareinstrahlung auf eine Fassade herangezogen werden.

• Die solaren Verluste müssen Gebäudeausrichtung, Verschattung durch Nachbargebäude, Topographie und Bäume berücksichtigen (vergl. GOSOL-Kennwerte).

• Der verfügbare Solargewinn bzw. die hieraus berechneten solaren Verluste (nicht SF!) ist bei einem geeigneten Berechnungs- und Modellansatz ein aussagefähiger Kennwert für die Besonnungsvoraussetzungen eines Planungsbereichs.

• Die "solaren Verluste" lassen keine Planungsoptimierung zu, da keine Verknüpfung mit den Wärmeverlusten (Heizwärmebilanz) erfolgt.
  

Solarer Deckungsgrad SDG (Gebäude)

Der "Solare Deckungsgrad" ist ein bei der Auslegung von thermischen Solaranlagen gebräuchlicher und sinnvoller Kennwert.

Im Planungsleitfaden "50 Solarsiedlungen in NRW" wird der "Solare Deckungsgrad SDG" jedoch als Kennwert für Gebäude definiert. Der SDG errechnet sich dabei aus dem Quotient passiver Solargewinn zur Summe aus passivem Solargewinn und Heizwärmebedarf. Der SDG ist damit in erster Linie von der Fenstergröße und dem Wärmeverlust eines Gebäudes und nur nachrangig von den städtebaulichen Randbedingungen abhängig.

Wird der SDG als Zielgröße vorgegeben, können städtebaulich bedingte Solare Verluste, wie eine starke Verschattung oder ungünstige Orientierung z.B. durch eine (widersinnige) Vergrößerung der Fensterfläche kompensiert werden.

Der geforderte SDG von mehr als 45% führt zudem in Kombination mit der Anforderung des Leitfadens an den baulichen Wärmeschutz (Q"_H<WSchVO'95-60%) zu einer Überdimensionierung von Fensterflächen und damit zu einer häufigen und starken Überhitzungstendenz des Gebäudes da, anders als bei aktiven Solarsystemen, die thermische Speicherkapazität des Gebäudes begrenzt und der Ort der Wärmegewinnung und Wärmespeicherung identisch sind.

• Der Solare Deckungsgrad des Gebäudeheizwärmebedarfs ist keine städtebauliche Kennziffer sondern beschreibt Gebäudeeigenschaften.

• Die Festlegung des SDG als Zielgröße führt in der baulichen Umsetzung oft zu widersinnigen Ergebnissen.
  

Spezifischer Heizwärmebedarf

Die entscheidende Kenngröße zur Beurteilung der Energieeffizienz einer Planung und der durch Planungsoptimierung erreichbaren Heizwärmeeinsparung ist der "spezifische Heizwärmebedarf" (kWh/m²_WFa) während der Heizperiode nach DIN EN 832 (nicht Q"_H nach WSchVO !!!).

Der spezifische Heizwärmebedarf bilanziert die beiden solar+energetischen Antagonisten Wärmeverlust und Wärmegewinn in einem Kennwert. Dabei müssen jedoch die Solargewinne, abweichend zur DIN EN 832, individuell mit Hilfe der Computersimulation berrechnet werden.

Der wohnflächenspezifische Heizwärmebedarf setzt den solar+energetischen Kennwert in Bezug zu der jeweiligen Nutz- oder Wohnfläche (nicht AN nach WSchVO !!! ). Damit können städtebauliche Strukturen unabhängig von der Baugebietsgröße verglichen, bewertet und eingeordnet werden.

• Anhand des spezifischen Heizwärmebedarfs nach DIN EN 832 läßt sich die solar+energetische Qualität der Planung abschließend beurteilen.

• Der wohnflächenspezifische Heizwärmebedarf als CO₂ relevante Zielgröße ermöglicht hierbei, bei definiertem Wärmedämmstandard und definierten wohnflächenspezifischen Fensterflächenanteilen, den direkten Vergleich der Energieeffizienz verschiedener Planungsvarianten, z.B. bei einer Wettbewerbsvorprüfung und quantifiziert den Optimierungserfolg in Planungsverlauf.

• Der spezifische Jahres-Heizwärmenedarf Q"_H nach WSchVO/EnEVO ist für eine solar+energetische Bewertung völlig unbrauchbar.

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