Vorbemerkung

Für die erfolgreiche Umsetzung einer energiegerechten Stadtplanung ist es erforderlich, alle zugehörigen Aspekte frühzeitig in die Planung einzuziehen. Erfahrungsgemäß läßt sich eine fortgeschrittene Planung nur noch sehr begrenzt nachträglich beeinflussen. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß im Verlauf des Planungsprozesses eine zunehmende Zahl faktischer Randbedingungen unveränderlich feststehen. Noch mögliche Änderungen wiederum sind mit einem erhöhten Arbeitsaufwand verbunden und müssen mit bereits verfestigten Vorstellungen konkurieren.

 

Die solare Optimierung von Bauleitplänen ist ein wichtiger Belang unter den bei der städtebaulichen Planung zu berücksichtigenden Belangen: "...Bauleitpläne sollen eine nachhaltige städtebauliche Entwicklung ... gewährleisten..." (BauGB §1,(5))". "Bei der Aufstellung von Bebauungsplänen sind insbesondere zu berücksichtigen: die allgemeinen Anforderungen an gesunde Wohn- und Arbeitsverhältnisse (u.a. Mindestanforderung an die Besonnungsdauer nach DIN) (BauGB §1, (5), Nr.1) ... die Belange des Umweltschutzes, auch durch Nutzung erneuerbarer Energien,..." (BauGB §1, (5), Nr.7).

 

Die Vorschriften des Baugesetzbuches verpflichten den Planer solare+energetische Aspekte in die Abwägung mit einzubeziehen.

Um einen Belang in die Abwägung einstellen zu können, muß dieser Belang bewertet, d.h. nach dem Stand der Technik untersucht werden. Angesichts der komplexen Wechselwirkung der verschiedenen Einzelfaktoren ist eine effektive und zuverlässige solar+energetische Gesamtbewertung oder Optimierung der Planung nur mit Hilfe eines speziellen städtebaulichen Computersimulationsprogramms wie GOSOL zu leisten.

Eine sachgerechte solar+energetische Beurteilung per Augenschein ist nicht möglich - weder durch den Planer noch den Energieberater!

Die solar+energetische Prüfung von Bebauungsplänen durch Computersimulation ist deshalb als Standard zu betrachten.

 

In der Stadt Köln werden alle städtebaulichen Planung gemäß eines Beschlusses des Stadtrats mit GOSOL solar + energetisch überprüft !

Bereits bei der Flächenauswahl für Baugebiete / Gebäudestandorte entscheidet sich, ob eine sinnvolle Nutzung der Sonnenenergie bei den geplanten Gebäuden möglich sein wird.

Sonneneinstrahlung und Klima

Zur Beurteilung der lokalklimatischen Situation ist es wichtig, die auf die geneigte Erdoberfläche eingestrahlte Solarenergie zu kennen.
Hieraus lassen sich wichtige Aussagen über kleinräumige Temperaturverteilung und thermisch bedingte Luftströmungen bei Strahlungswetterlagen ableiten.

Abb. RECHTS:

Nebenstehende Abbildung zeigt ein Beispiel aus dem Solar Atlas Stuttgart (Unter dem Link können auch weitere Karten eingesehen werden).

Für das gesamte Stadtgebiet (360 km²) wurde hierfür mit GOSOL vom Solarbüro Dr. Goretzki stündlich die

• Global-,
• Direkt- und
• Diffus-

Einstrahlung für alle 12 Monate mir einer Auflösungsgenauigkeit von 50x50 Meter berechnet.

Solare Baulandbewertung
Durch die direkte, von umgebenden Höhenzügen verursachte Verschattungswirkung kann das in einem Baugebiet verfügbare solare Potential spürbar reduziert werden. In Teilbereichen kann die Einstrahlungsdichte derart absinken, dass eine effektive Sonnenenergienutzung nicht mehr möglich ist. Es ist deshalb bei tropographisch kritischen Situationen empfehlenswert bereits die Eignung eines potentiellen Baulandes solarenergetisch zu überprüfen und bei Abgrenzung der Wohnbauflächen entsprechend zu berücksichtigen. Abb. RECHTS: Die Abbildung zeigt das während der Heizperiode in einem eingeschossigen Gebäude mit üblicher Fensterverteilung durch passive Sonnenenergienutzung verfügbare Potential für einer Geländeraster-Auflösung von 25 Meter. Als Verschattungsquellen wurde dabei ausschließlich die Topographie berücksichtigt.
Abb. OBEN: Die topographische Situation (Blick von SW in den Talzug) ist durch einen von SW nach NO verlaufenden Talzug gekennzeichnet (Hangneigung 10-20%, die Höhenlinien sind in der Abbildung rechts oben im 10m Abstand eingetragen). Hier zeigt sich, dass nicht nur Nordhänge (solarer Verlust bis zu 40%), sondern auch der zu überprüfende Südost-Hangbereich (oberes drittel mitte) von der direkten Verschattungswirkung der Topographie (solarer Verlust bis zu 20%) betroffen ist. Die passive Sonnenenergienutzung ist hier nur noch eingeschränkt möglich. Die Besonnungsdauer im Winter ist ebenfalls erheblich reduziert.

Der städtebauliche Wettbewerb

Der städtebauliche Wettbewerb ist eine wesentliche Weichenstellung für die spätere Entwurfslösung. Unbedachte Entscheidungen können später kaum noch, oder nur noch bei erhöhten Planungs- und Baukosten korrigiert werden. Deshalb sollte bereits jede Auslobung von Wettbewerben konkrete solar+energetische Anforderungen für die Planung enthalten, deren Erfüllung in der Vorprüfung überprüft werden muß.

Eine zuverlässige, aussagefähige solar+energetische Prüfung von Wettbewerbsarbeiten ist dabei ohne die Durchführung von Berechnungen nicht möglich, denn die komplexe Wechselwirkung der einzelnen, die Solargewinne und den Wärmeverlust beeinflussenden Faktoren, insbesondere aber die umweltrelevante Zielgröße "Heizwärmebedarf" kann nicht dem Augenschein nach abgeschätzt werden.

Zentrale Bewertungsgröße in der solar+energetischen Vorprüfung ist:

• der wohnflächenspezifische Heizenergiebedarf nach DIN EN 832 im Durchschnitt des Planungsbereichs

Ergänzende Bewertungsgrößen in der solar+energetischen Vorprüfung sind:

• die solaren Verluste im Durchschnitt des Planungsbereichs
• die mittlere Besonnungsdauer der Wohnungen im EG und gegebenenfalls im 1.OG
• der Anteil der Wohnungen, welche die Besonnungsanforderungen (u.a. DIN) nicht erfüllen

Solar+energetische Vorprüfung: Heidelberg "Schollengewann" SOLARBÜRO Dr. Goretzki, Stuttgart den 08.11.1998 (Beispiel für eine ausführliche, baugebietsbezogene Auswertung mit GOSOL)
Teil neh- mer		wohnflächenspezifische solar+energetische Kennwerte (Anforderung: WSchVO'95-25%)					Voraussetzungen für die passive Sonnenenergienutzung						mittlere Besonnungsdauer der Wohnungen (Summe Hauptfassade + Rückfassade)							Wohn- Fläche	Wärme- schutz
		Kom- pakt- keit = Brutto- Heizwärme- bedarf		Solar- gewinn	Gesamt- bewertung "Energie" resultierender Heizwärme- bedarf		mittlere solare Verluste / Verminderung der Solargewinne						an klarem Tag im EG (WF)			Erfüllung der Anforderung an Mindest- besonnungsdauer			Gesamt Bewer- tung Be- sonnung	Dichte / Wohn- Fläche WF nach II.BV	mittl. erforder- licher k-Wert für Ziel- Wert WSchV'95 -25%
							Summe (1)+(2)+ (3)+(4)		Rich- tung (1)	Haus- Versch (2)	Laub- Baum (3)	Gelän- de/ Wall (4)	21. Dez	8. Feb	23. Sept	21. Dez > 2h	8. Feb > 3h	23. Sept > 4 h
Büro		kWh/m2Wohnflächea					%						h/Tag			Anteil der Wohnfläche (%)				m²	W/m²K
A	3	89,5	---	21,9	45,6	- - -	22,2	-	12,5	4,3	3,8	1,6	3,48	5,64	7,29	84	94	100	++	30991	0,416
B	2	83,6	+	22,3	39,5	+	20,2	O	7,2	8,0	4,5	1,0	2,28	5,45	6,97	47	95	94	o	40631	0,490
C	2	81,5	++	21,2	38,6	++	23,8	-	9,5	10,7	3,0	0,6	1,93	4,84	6,43	56	83	93	-	55488	0,517
D	1	83,5	+	23,5	38,3	++	14,3	+++	1,3	8,1	3,5	1,4	2,35	6,39	7,77	44	92	95	o	45274	0,502
E	2	85,8	O	23,2	40,9	O	16,4	++	5,5	7,3	2,5	1,1	3,31	6,18	7,23	77	92	94	+	37812	0,461
E	3	81,3	++	17,9	41,2	-	33,9	- - -	15,2	11,1	7,3	0,3	2,89	4,27	4,59	75	73*	54*	- - -	45772	0,506
ø		84,2		21,7	40,7		21,8		8,5	8,3	4,1	1,0	2,71	5,46	6,71	64	88	88		42661	0,482

fett günstigster Wert
kursiv ungünstigster Wert
* führt zur Abwertung

Günstige Voraussetzungen für eine quantitative solar+energetische Bewertung von städtebaulichen Wettbewerben bieten die in der GRW 1995 vorgesehenen, einstufigen Wettbewerbe in zwei Phasen. Hier kann sich die quantitative Prüfung auf die Wettbewerbsarbeiten der zweiten Phase beschränken. Ein Zeitraum von 3-6 Wochen zwischen dem Abgabetermin der zweiten Phase und der Preisgerichtssitzung ist hierfür ausreichend.

• Die Bildung der solar+energetischen Rangfolge der Arbeiten "durch Erfahrung" ist nicht möglich.

• Ungeeignete Kennwerte wie z.B. das A/V-Verhältnis oder die Einschränkung auf eine einzelne Energiegewinnfassade wie beim SF-Faktor führen systematisch zu eklatanten Fehlbeurteilungen und können die solar+energetische Rangfolge der Arbeiten verkehren.

• Eine belastbare solar+energetische Wettbewerbsvorprüfung erfordert immer die Ermittlung der Heizwärmebilanz durch eine Computersimulation.

• Bei der quantitativen solar+energetischen Vorprüfung von städtebaulichen Wettbewerben offenbaren sich, bei identischen Wärmeschutzanforderungen und gleichem Bebauungs-Programm, Unterschiede im spezifischen Heizwärmebedarf von bis zu 30%.

• Wie verschiedene Wettbewerbsergebnisse zeigen stehen gute städtebauliche Lösungen nicht im Widerspruch zu den solar+energetischen Anforderungen.

Solar+energetische Bebauungsplanoptimierung

Die Erweiterung des planerischen Spielraums, weg von starren, durch allgemeine solar+energetische Planungsfaustregeln geprägte Stereotypen, bei gleichzeitiger optimaler Ausschöpfung des durch planerische Maßnahmen erreichbaren Energieeinsparpotentials erfordert eine solar+energetische Gesamtbewertung. Diese ist Voraussetzung für jede Optimierung. Nur so können die solar+energetischen Wirkungen planerischer Entscheidungen sicht- und damit steuerbar gemacht werden und unnötige "Sicherheitszuschläge" (z.B. große Gebäudeabstände, geringere Dichte, ...) vermieden bzw. solar+energetische "Mängel" ausgeschlossen werden.

Wichtige Kennwerte (als gebäudescharfer Kennwert und als Mittelwert für den Planungsbereich) in der solar+energetischen Planungsoptimierung sind:

• Der Bruttowärmeverlust als Maß für die Kompaktheit

• Der wohnflächenspezifische Heizwärmebedarf nach EN 832 als Zielgröße der Optimierung

• Die Solaren Verluste aufgeschlüsselt nach ungünstiger Orientierung, Verschattung durch Nachbargebäude, Verschattung durch Vegetation, Verschattung durch Topographie und gegebenenfalls Eigenverschattung der Gebäude

• Die Besonnungsdauer der einzelnen Wohnungen im EG und bei hoher Bebauungsdichte gegebenenfalls in den Obergeschossen (Erfüllung der DIN)

Durch Vergleichsrechnungen kann die solar+energetische Effizienz einer Optimierungsmaßnahme ermittelt werden und so als Grundlage für die Abwägung mit anderen Belangen dienen.

• Eine solar+energetische Planungsoptimierung ist nur mit Hilfe spezieller städtebaulicher Energiesimulationsprogramme wie GOSOL möglich, die eine Heizwärmebilanz erstellen. Gebäudesimulationsprogramme sind hierfür ungeeignet.

• In andere "Optimierungs"-Ansätze investierte Mittel sind verschwendete Mittel, da der Optimierungserfolg weder gesichert noch quantifizierbar ist. - Nicht jeder wohlgemeinte Optimierungsansatz führt (wie die Erfahrung aus der Computersimulation verschiedener Ansätze im Optimierungsprozess zeigt) auch zu einer Energieeinsparung, sondern im Gegenteil oft zu einem Energiemehrverbrauch.
  

Vorentwurf

Ausgangspunkt für die solar+energetische Optimierung ist der städtebauliche Vorentwurf. Hier werden die Grundzüge der Planung, wie z.B. Baukörperstellung und Baukörperanordnung festgelegt.

Zunächst sollten die solar+energetischen Anforderungen an die Planung definiert werden. Diese hängen wesentlich vom angestrebten Wärmedämmstandard und solaren Deckungsgrad des Planungsbereichs ab. Hier gilt: je höher die Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz oder der angestrebte Versorgungsgrad mit regenerativen Energien, desto höher sind auch die Anforderungen hinsichtlich der Südausrichtung und der Verschattungsfreiheit der Gebäude. Dies bedeutet jedoch nicht, daß jedes einzelne Gebäude eines Planungsbereichs die Maximalanforderungen erfüllen muß, sondern vielmehr die Gesamtplanung in ihrer Summe solar+energetisch günstige Werte aufweist.

Während in der Konzeptionsphase der Planer auf Tools wie die "Planungsschablonen Solargewinne" oder Richtwertdiagramme aus Planungsfibeln (z.B. Solarfibel Baden-Württemberg, Goretzki 1998, Hrsg. Wirtschaftsministerium BW) zurückgreifen sollte um solar+energetisch tragfähige Konzepte zu entwickeln, erfordert die nachfolgende Variantenbewertung bereits eine solar+energetische Simulation. Solar+energetisch nicht tragfähige Konzepte können so frühzeitig erkannt und ausgeschieden werden.

In einer ersten Optimierungsphase werden dann die Grundkonzeption, d.h. Baukörpermassen, Erschließungsführung, Gebäudeabstände sowie Baumstandorte aufeinander abgestimmt.

• In der Konzeptionsphase sollte der Stadtplaner einfache Abschätzverfahren zur Variantenentwicklung, wie z.B. die Planungsschablonen Solargewinne nutzen.

• Ein günstiger und wichtiger Einstiegspunkt für die Computersimulation ist die solar+energetische Bewertung der Vorentwurfsvarianten. So können später kaum revidierbare ungünstige Weichenstellungen vermeiden werden.
  

Rechtsplanentwurf

Entscheidend für die Umsetzung des Einspar-Potentials ist immer der Rechtsplan. Hier werden oftmals gute Entwurfsoptionen der städtebaulichen Konzeption unerkannt preisgegeben.

Im Rahmen der Entwurfsplanung liegt der Schwerpunkt der solar+energetischen Untersuchung in der "Optimierung", d.h. der Feinabstimmung der einzelnen zeichnerischen und textlichen planungs- sowie bauordnungsrechtlichen Festsetzungen nach BauGB, BauNVO und LBO.

Dabei sollen die einzelnen Bauherren einerseits nicht durch (solar+energetisch) unbegründete Festsetzungen gegängelt werden, andererseits ist es jedoch aus "Nachbarschutzaspekten" notwendig, die Möglichkeiten zur Sonnenenergienutzung für die Gesamtheit der Bauherren zu sichern. Hier ist es Aufgabe der Simulationsrechnung, auch in Abwägung gegenüber anderen Belangen einen optimalen Festsetzungsrahmen aufzuzeigen.

Ist ein Bebauungsplanentwurf erstellt, muß überprüft werden, ob durch die formulierten Festsetzungen die definierten Ziele bei den später entstehenden Gebäuden erreicht werden oder dabei zunächst nicht erkennbare Konflikte auftreten können. Durch die für die Simulation notwendige Umsetzung der rechtlichen Festsetzungen in ein räumliches Modell kann deren Wirksamkeit, losgelöst von den Zielvorstellungen des Gestaltungsplan, überprüft werden. Dabei dürfen auch die Anforderungen der DIN 5034 hinsichtlich der Besonnungsdauer nicht vergessen werden.

Allerspätestens in der Entwurfsphase hat sich die Einbeziehung der Grünordnungspläne in die solar+energetische Untersuchung als ein notwendiger und wesentlicher Bestandteil erwiesen. Nicht mit den solaren Belangen abgestimmte Grünordnungskonzepte können die Möglichkeiten zur Sonnenenergienutzung mittel- und langfristig erheblich beeinträchtigen. Deshalb müssen sowohl festgesetzte Baumstandorte, Pflanzbindungen auf Privatgrundstücken usw., als auch Hinweise zu den jeweiligen Baumarten und die damit verbundene Höhenentwicklung auf ihre solar+energetische Relevanz überprüft und gegebenenfalls abgestimmt werden.

Im Rahmen der Bauleitplanung müssen die Belange erneuerbarer Energien (passive und aktive Sonnenenergienutzung) und gesunder Wohn- und Arbeitsverhältnisse (u.a. Besonnungsverhältnisse) in die Planung eingestellt, d.h. untersucht und gerecht abgewogen werden.

• Die solar+energetische Optimierung darf nicht beim Gestaltungsplan enden - erst der Rechtsplan bestimmt die Energieeffizienz einer Planung.

• Die solar+energetische Überprüfung des Rechtsplans kann nur mit Hilfe eines städtebaulichen Simulationsprogramms wie GOSOL erfolgen das alle Gebäude erfaßt und eine Heizwärmebilanz aufstellt.

• DieAnalyse muß dabei unabdingbar auch die Pflanzfestsetzungen des Bebauungsplans mit einbeziehen und quantitativ bewerten.

• Die solar+energetische Optimierung erfordert keine "besonderen" Festsetzungen, sondern arbeitet ausschließlich mit den Festsetzungsmöglichkeiten des BauGB, der BauNVO und der LBO.

• Die Erarbeitung konkreter, in ihrer energetischen Wirksamkeit quantitativ geprüfter, direkt in den Entwurf umsetzbarer Optimierungsvorschläge erfordert beim "Energieberater" städtebauliches Fachwissen sowie vertiefte planungs- und baurechtliche Kenntnisse. Die Zusammenstellung nur allgemeiner Handlungsempfehlungen für den Planer führt oft nicht zur gewünschten Energieeinsparung.

Ausgangspunkt für eine solar+energetische Optimierung ist der Konflikt- und Maßnahmenplan. Auf Grundlage der mit GOSOL erstellten Farbkarten werden die solaren und energetischen Defizite der Planung zusammengestellt und mögliche Maßnahmen für die Optimierung aufgezeigt. Hierzu ist einige Erfahrung notwendig, denn nicht immer führt der "offensichtliche" Optimierungsansatz zum Erfolg. Erst die erneute Simulationsrechnung und der direkte Vergleich zwischen Ausgangs- und Optimierungsvariante garantiert die Wirksamkeit einer Maßnahme.

Eine Besonderheit von GOSOL ist die Auswertung des Optimierungserfolges. Hierbei werden zwei Planungsvarianten, z.B. die Ausgangs- und die Optimierungsvariante quantitativ miteinander verglichen und das Ergebnis graphisch als Karte dargestellt. Hier kann nun abgelesen werden ob die vorgeschlagene Maßnahme bei den einzelnen Gebäuden zu einer solar+energetischen Verbesserung (grün) oder einer Verschlechterung (rot) führt.

Einbindung in die Planungspraxis
Planungsphase		Integration in Planung	Planungs-Instrument
Zieldiskussion		Beratung von politischen Gremien und Verwaltung	Seminare Workshop
		Agenda (Zielwert- Definition)	Solarfibel
Entwicklung von Planungs-Varianten	städtebaulicher Wettbewerb	solar+energetische Bewertung der Lösungsansätze hinsichtlich Erreichung der Zielwerte	Ermittlung der solar+energetischen Kennwerte / Rangfolge durch Simulation mit GOSOL
	städtebauliche Konzeption	Entwicklung unterschiedlicher, solar+energetisch tragfähiger Lösungsansätze	Solarfibel Planungsschablonen Solargewinne AVplan (Kompaktheit)
		Variantenauswahl, vergleichende Bewertung	GOSOL
Vorentwurf (Gestaltungsplan)		solar+energetische Optimierung der Grundkonzeption (Gebäudetypologie, Gebäudeanordnung, Grünkonzeption)	Simulationsrechnung mit GOSOL zur Grobabstimmung der Entwurfskonzeption
Bebauungsplan-Entwurf		solar+energetische Optimierung/Abstimmung der textlichen und zeichnerischen Festsetzungen	Simulationsrechnung mit GOSOL zur Feinabstimmung der Rechtsplanfestsetzungen
Rechtsplan		Überprüfung der zeichnerischen und textlichen Festsetzungen auf die Erreichung der Zielwerte	Simulationsrechnung mit GOSOL auf Grundlage der Rechtsplanfestsetzungen

Wie Erfahrungen aus vielen bundesweit von uns bearbeiteten Projekten gezeigt haben, ergibt sich für einen Planungsbereich nicht nur jeweils eine "optimale Lösung", sondern es konnte aufgezeigt werden, daß sich mit unterschiedlichsten städtebaulichen Konzepten solar+energetisch gleichwertige, gute Ergebnisse erzielen lassen, also ein ausgedehnter entwerferischer Freiraum verbleibt. Das Ergebnis verschiedener Wettbewerbsbewertungen zeigt, daß eine sehr hohe städtebauliche Qualität sehr wohl mit ausgezeichneten solar+energetischen Eigenschaften verknüpft werden kann.

Weiter zeigen die uns vorgelegten Entwürfe, daß der Solare Verlust weniger von der Bebauungsdichte als von einer geschickten Entwurfsstrategie abhängig ist (verg. z.B. Arbeit A-D Solarer Verlust / Wohnfläche). So kann eine verdichtete Bebauung mit einer GFZ von 1.2 einen solaren Verlust von nur 14% erreichen (Arbeit D), während andererseits eine Einfamilienhausbebauung bei einer GFZ von 0.5 einen solaren Verlust von 35% durchaus überschreiten kann.

Bei der optimierten Variante (rechts) wurde die Wohnfläche um knapp 50% gegenüber der Ausgangsvariante erhöht.

Dennoch konnte durch die solar + energetische Optimierung der solare Verlust von 34.2% auf 14.4% mehr als halbiert werden. Der wohnflächen- spezifische Heizwärmebedarf wurde um 14.3% reduziert.

Das zweite Beispiel zeigt, dass eine solar+energetische Optimierung ohne Veränderung der Entwurfskonzeption möglich ist.

Die nebenstehende Abbildung zeigt den solaren Verlust für die passiven Solargewinne während der Heizperiode (niedrig=gelb-grün / hoch=blau-rot).

Durch geringe Modifikation der Höhenfestsetzungen, der überbaubaren Grundstücksflächen und der Pflanzbindungen konnte auch hier der solare Verlust halbiert werden. Der wohnflächenspezifische Heizwärmebedarf konnte um 7% vermindert werden.

An diesem Beispiel wird ebenfalls deutlich, dass die Südausrichtung der Gebäude solar+energetisch wichtig ist, aber nicht als Dogma aufgefaßt werden muß. So kann eine Planung durchaus auch zur Raumbildung O-W orientierte Gebäude verkraften. Es kömmt darauf an, dass die Gesamtbilanz des Planungsbereichs, d.h. das Verhältnis zwischen günstig und ungünstig orientierten Gebäuden stimmt. Hierzu ist eine wohnflächenbezogene Bewertung der solaren Verluste notwendig.

Weitere Themen		Was ist „energieeffiziente Stadtplanung"
		Grundlagen solar+energetischer Stadtplanung
		Planungsinstrumente
		Solar+energetische Kennwerte
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