Solar+energetische Bewertung städtebaulicher Planungen
Planungsinstrumente

• Planungsschablonen Solargewinne
• Verschattungsstudien
• Intensitätsfelder (Solcity)
• Kompaktheit (AVplan)
• Gebäude-Simulationsprogramme
• Städtebauliche Simulationsprogramme (GOSOL)

© 2000 Solarinstitut Dr. Goretzki, Stuttgart

Ob eine Planung als energiegerecht bezeichnet werden kann entzieht sich einer einfachen Bewertungsmethode. Unsere Erfahrung aus der Vorprüfung städtebaulicher Wettbewerbe zeigt, daß eine "Abschätzung" der solar-energetischen Rangfolge der Arbeiten allein durch Augenschein meist unzutreffend ist, d.h. oft nicht einmal tendenziell durch Simulationrechnungen bestätigt werden konnte. Für die solar+energetische Bewertung/Optimierung einer städtebaulichen Planung sind damit immer spezielle, hierauf zugeschnittene Computerprogramme erforderlich.

Entscheidend für die Belastbarkeit einer solar+energetischen Bewertung oder den Erfolg einer solar+energetischen Optimierung ist neben der Eignung und Berechnungsgenauigkeit des Simulationsprogramms auch die richtige Modellbildung und die Auswahl geeigneter Bewertungskennwerte. Vielfach werden Wärmeverluste (z.B. A/V-Verhältnis) und Solargewinne (z.B. SF-Faktor) nur isoliert betrachtet. Dabei wird die Wechselwirkung von Wärmeverlusten eines Gebäudes und dessen Verschattungswirkung auf umgebende Gebäude ignoriert. Gerade die Betrachtung dieser Wechselwirkung ist jedoch für eine städtebauliche Optimierung unverzichtbar. So wird beispielsweise durch die Verminderung der First- und Traufhöhe eines Gebäudes dessen Verschattungswirkung auf Nachbargebäude reduziert. Diese Maßnahme kann jedoch gleichzeitig zu einer energetisch ungünstigeren Gebäudeform und damit höheren wohnflächenspezifischen Wärmeverlusten, also im Gesamt-Ergebnis zu einem ansteigenden Heizwärmebedarf führen.

Bewertung		Ermittelte Kennwerte						Einsatzbereich
Planungs-Werkzeug		Solarein- strahlung	Solar- gewinn	Wärme- verlust	Heiz- wärme- bilanz	Berechnung aller Gebäude des Planungs- bereichs		Konzeption Vor- Entwurfs- Planung	Entwurfs- Planung solar+energ. Optimierung
	AVplan	-	-	+	-	+		O	-
	Schattenwurf (CAD, Modell)	-	-	-	-	-		O	-
	SolCity	O*	-	-	-	-		O	-
	Schablonen Solargewinne	-	O	-	-	-		+	-
	Gebäude- Simulation	+	+	+	+	-		-	-
	städtebauliche Simulation durch GOSOL	+	+	+	+	+		++	++
	Ermittelter Kennwert + wird ermittelt O wird teilweise ermittelt - wird nicht ermittelt * nummerischer Fehler Einsatzbereich ++ sehr gut geeignet + geeignet O bedingt geeignet - ungeeignet

Anforderungen an Planungsinstrumente

• Vereinfachte Berechnungsverfahren, Schattenwurfdarstellungen oder gar Abschätzungen sind extrem unzuverlässig und entsprechen nicht dem Stand der Technik.

• Eine einseitige oder getrennte Bewertung/Optimierung nur der Solargewinne oder Wärmeverluste kann im Gesamtergebnis zu einem gravierenden Energiemehrverbrauch führen.

• Eine sachgerechte Planungsoptimierung oder belastbare solar+energetische Wettbewerbsvorprüfung erfordert immer die Berechnung des wohnflächenspezifischen Heizwärmebedarfs als CO₂-relevantem Kriterium, d.h. die Bilanzierung der durch die städtebaulichen Randbedingungen bestimmten passiven Solargewinne und der gebäudegeometriebedingten Wärmeverluste für den jeweils definierten Wärmeschutzstandard in einem Kennwert (deshalb solar+energetisch!).

• Die Modellbildung der Gebäude muß außer dem Wärmeschutzstandard alle bauphysikalischen Eigenschaften der verschiedenen Gebäude weitgehend ausschließen bzw. als durchgängige Konstante für alle Gebäude behandeln und ein realistisches Abbild der zu erwartenden Gebäude liefern. Nur so kann eine Aussage zu den solar+energetischen Eigenschaften der städtebaulichen Struktur getroffen werden, welche nicht durch variierende gebäudetypische Eigenschaften wie thermischer Speicherkapazität, Fenstergrößen usw. überlagert wird.

• Bei der Ermittlung der Solargewinne müssen alle Gebäude und alle Fassaden dieser Gebäude mit einbezogen werden.

• Das städtebauliche Modell selbst muß alle Elemente der räumlichen Struktur enthalten. Hierzu gehören neben der Topographie des Planungsbereichs sowie der näheren Umgebung alle bestehenden und geplanten Gebäude und die planungsrechtlich festgesetzte Bepflanzung.
  
  

Verfügbare Planungsinstrumente

Solargewinne

Planungsschablonen Solargewinne

An transparenten Schablonen, die direkt auf die Entwurfszeichnung (1:500 / 1:1000) gelegt werden, kann der über die Heizperiode eintretende Solare Verlust für die singulären städtebaulichen Einflußgrößen Gebäudeabstände bzw. Baumverschattung für direkt benachbarte Bereiche sowie Gebäudeorientierung überschlägig ermittelt werden. Die Gesamtsumme der Solaren Verluste kann jedoch nicht zuverlässig ermittelt werden, da eine einfache Summierung bzw. Multiplikation der einzelnen Solaren Verluste die Gesamtwirkung überschätzt.

• Planungs-Schablonen eignen sich um in frühen Entwurfsphasen solare Anforderungen ohne zusätzlichen Aufwand in den Entwurf umsetzen zu können.

• Eine quantitative solare Bewertung oder gar Optimierung ganzer Baugebiete ist mit Planungsschablonen nicht möglich.
  

=> Ausführliche Beschreibung und Bezugsquelle der Schablonen "Passive Solargewinne"


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Verschattungsstudien mit CAD oder am Modell

Verschattungsstudien an Modellen oder mit Hilfe von CAD-Programmen erlauben nur eine punktuelle Darstellung der Besonnungssituation zu einem bestimmten Zeitpunkt. Zur solaren Bewertung müßte der Schattenwurf für mehrere Monate im Tagesgang dargestellt und analysiert werden. Dennoch kann hieraus keine quantifizierbare Aussage über die solar+energetische Auswirkung der Verschattung abgeleitet werden, da weder eine Verknüpfung mit der Einstrahlungsintensität und Bewölkungshäufigkeit im Tages- und Jahresgang (=Klima), d.h. mit der meteorologisch vorhandenen Solareinstrahlung noch mit der Orientierung der Empfangsfläche und damit der Einstrahlungsdichte auf diese erfolgt. Teilverschattung durch wechselnde Belaubung der Bäume kann nicht erfaßt bzw. quantifiziert werden. Wird der Schattenwurf nur auf der Geländeoberfläche dargestellt bleibt zudem die Fassadenhöhe der Empfangsfläche und der hiervon abhängige Verschattungsanteil unberücksichtigt. Die Auswertung der Schattenwurfdarstellung auf Fassaden ist dagegen bereits bei einer kleinen Anzahl von Gebäuden vom Arbeitsumfang her nicht mehr leistbar.

• Mit Verschattungsstudien können solare Freiraumqualitäten sehr gut beurteilt werden.

• Eine solare Bewertung oder gar Optimierung ganzer Baugebiete ist mit Verschattungsstudien nicht möglich, da solare Verluste nicht quantifiziert werden können.
  
  
  

Intensitätsfelder und Fassadenintensitäten (Solcity)

Mit dem PC-Programm SolCity sollen Verschattungsfelder sowie Intensitätsfelder der Globaleinstrahlung auf die Horizontale dargestellt werden. Da Solcity die Überlagerung von Verschattungs-/Intensitätsfeldern (siehe Abb. rechts) ebenso wie die Höhe der Gewinnfassade nicht erfaßt, ist die Aussagekraft dieser Darstellungen jedoch begrenzt. Weiter soll dieses Programm die Einstrahlungsintensitäten einzelner Fassaden berechnen.

Da jedes Gebäude einzeln definiert und manuell ausgewertet werden muß, ist der Eingabe- und Auswertungsaufwand sehr hoch. Die Auswertung der Solareinstrahlung ist nur Fassadenweise möglich. Eine zusammenfassende Auswertung der Solarbilanz der städtebaulichen Struktur ist nicht möglich. Der Wärmeverlust der Gebäude wird nicht ermittelt.

• Freeware

• Die Definition der Gebäude ist umständlich und aufwendig.

• Für die Berechnung der Einstrahlungsintensitäten steht nur ein Klimadatensatz zur Verfügung.

• Die graphischen Darstellungen des Schattenwurfs und der Einstrahlungsintensitäten sind im Überlagerungsbereich mehrerer Objekte falsch und irreführend (vergl. Abbildung rechts).

• Es wurde über numerische Unstimmigkeiten innerhalb der Berechnungen von SolCity berichtet. So stimmen u.a. die zwölf Monatssummen der Einstrahlungsberechnung nicht mit der Jahressumme überein.

• Extrem lange Rechenzeiten (Faktor 1000 gegenüber GOSOL)
  

Abb: (C) 1998 Wortmann & Scheerer

Kompaktheit (AVplan)

Mit dem PC-Programm AVplan kann der absolute und wohnflächenspezifische Bruttowärmebedarf, das Oberflächen/Volumen-Verhältnis A/V, die Wohnfläche und das Oberflächen / Wohnflächen-Verhältnis A/WF einzelner Gebäude sowie der gesamten Siedlungsstruktur als Summen- und Mittelwert ermittelt werden. Grundlage ist die Definition von Gebäudetypen über ihre Anzahl im Siedlungsbereich, ihre Abmessungen und den Wärmedämmstandard. Die Eingabe und Auswertung ist einfach und schnell zu handhaben. Da keine räumliche Definition der Gebäudelage erfolgt werden Solargewinne nicht ermittelt.

• AVplan eignet sich gut zur Wärmeverlust-Minimierung der Gebäudeformen sowie zur schnellen Berechnung der Wärmeverluste und Wohnflächen eines Planungsbereichs.

• Da keine Solargewinne ermittelt werden, ist eine solar+energetische Optimierung von Planungen nicht möglich.
  

´=> Ausführliche Programmbeschreibung und Bezugsquelle für das PC-Programm AVplan

Gebäude-Simulationsprogramme

Gebäude-Simulationsprogramme wie Trnsys, TAS, ESP, Dynbil, Phoenics, Julotta, Suncode, Derob, Spiel usw. sind zwar in der Lage Solargewinne und Wärmeverluste zu bilanzieren, es können jedoch nur einzelne Gebäude exemplarisch berechnet werden. Für den städtebaulichen Kontext wesentliche Elemente wie Laubbäume (insbesondere die jahreszeitlich wechselnde Belaubung), Topographie oder Horizontverschattung müssen weitgehend unberücksichtigt bleiben. Bei vielen dynamischen Simulationsprogrammen wird zudem die Abschattung (Diffuseinstrahlung!) nicht durch das Programm selbst berechnet, sondern muß manuell eingegeben werden.

Die Berechnung aller Gebäude oder gar eine Planungsoptimierung, für welche verschiedene Varianten berechnet bzw. die Gebäudetypen modifiziert werden müssen, erfordert selbst bei einem kleinen Planungsbereich einen erheblichen Modellierungs-, Auswertungs- und Rechenzeitaufwand und scheidet damit aus Kostengründen aus.

Ohne die Berechnung aller Gebäude des Planungsbereichs kann eine städtebauliche Struktur jedoch nicht zuverlässige beurteilt und optimiert werden, da ansonsten die Gefahr besteht solar+energetische Konflikte, die nicht per Augenschein offensichtlich sind (und damit gar nicht untersucht werden) zu übersehen. Selbst in einfachen Zeilenstrukturen sind die Berechnungsergebnisse einzelner Gebäude nicht auf den gesamten Planungsbereich übertragbar.

Der für die Simulation des Raumtemperaturverhaltens notwendige dynamische Berechnungsansatz (Berechnung der Wärmebilanz aus dem "dynamischen" Temperaturverhalten des Gebäudes) und die Verwendung von Test Referenz Years (TRY) als Wetterdaten (diese bilden den Jahresgang des Klimas nur verzerrt ab) von Gebäudesimulationsprogrammen wird bei der städtebaulichen Energiesimulation zum Nachteil. Die dynamische Simulation erfordert in der Regel detaillierte Gebäudedaten wie z.B. Heizungssystem, innere Raumaufteilung, genaue Wandaufbauten usw., welche im Rahmen der Stadtplanung weder bekannt sind noch dort festgelegt werden können, das Berechnungsergebnis jedoch mit bestimmen. Da viele unterschiedliche Gebäudetypen modelliert werden müssen, führt dies zu einer Überlagerung der städtebaulich relevanten Aussagen durch bauphysikalische Eigenschaften der Gebäudeausführung. Zudem ist eine konsistente räumliche und bauphysikalische Modellierung vieler unterschiedlicher Gebäudetypen kaum möglich.

Gebäudesimulationsprogramme sind aufgrund ihrer Zweckbestimmung weiter nicht in der Lage, die sich aus der städtebaulichen Konstellation ergebenden Einflüsse auf die Heizwärmebilanz jedes einzelnen Gebäudes getrennt nach den diese verursachenden, äußeren städtebaulichen Einflüssen Gebäudeabmessungen, ungünstige Orientierung, Verschattung durch Nachbargebäude und Verschattung durch laubabwerfende Vegetation auszuwerten. Die Kenntnis dieser Einzelfaktoren ist jedoch zur Findung von zielgerichteten städtebaulichen Optimierungsmaßnahmen notwendig.

• Gebäudesimulationsprogramme sind auf die thermische, bauphysikalische und anlagentechnische Optimierung eines einzelnen Gebäudes ausgelegt.

• Die Verwendung von Test-Referenz-Years mit Stundenwerten erhöht die Rechenzeit ohne bei städtebaulichen Fragestellungen genauere Ergebnisse zu erzielen. Die Berechnung nur einzelner Tage führt dagegen zu zufälligen Ergebnissen. Hieraus resultieren Verfälschungen der städtebaulich relevanten Aussagen.

• Mit Gebäudesimulationsprogrammen können in der Regel nur "exemplarische Gebäude" berechnet werden. Eine Bewertung der gesamten städtebaulichen Struktur ist damit nicht möglich. Deshalb kann das Optimierungspotential nicht ausgeschöpft werden - energetische Planungsfehler werden nicht zuverlässig erkannt. Eine Bewertung städtebaulicher Einflußgrößen ist nicht oder nur in begrenztem Umfang möglich.
  
  

Das städtebauliche solar+energetische Simulationsprogramm GOSOL

Das 1989 erstmals der internationalen Öffentlichkeit vorgestellte Simulations-Programm GOSOL wurde von Dr. Goretzki speziell für die vergleichende solar+energetische Analyse, Bewertung und Optimierung von städtebaulichen Planungen entwickelt. GOSOL ist derzeit das einzige verfügbare Simulationsprogramm, mit welchem auch große städtebauliche Planungen unter Einbeziehung aller relevanten Planungsparameter vollständig auf die CO₂-relevante Zielgröße Heizwärmebedarf bzw. Gesamtenergiebedarf hin bewertet und optimiert werden können.

GOSOL wurde vom SOLARBÜRO Dr. Goretzki bundesweit bei mehr als 100 solar+energetischen Bebauungsplanoptimierungen mit über 800 ha Gesamtfläche sowie zahlreichen Wettbewerbsvorprüfungen eingesetzt. Das Land Nordrhein-Westfalen besitzt für dieses Programm eine Landeslizenz für Kommunen, Gebietskörperschaften und Hochschulen.

Die Grundlage der solar+energetischen Simulation bildet ein vollständiges, dreidimensionales, digitales Computermodell aus Gebäuden, Vegetation und Topographie. Gebäude und Bäume können dabei in Ausformung und Eigenschaften frei definiert werden. Dieses räumliche Modell dient auch dazu den Schattenwurf auf die Erdoberfläche zur Beurteilung der Freiflächenqualitäten, die im Jahres- und Tagesgang besonnten Fassaden oder auch beliebige Perspektiven des Planungsbereichs darzustellen.

Die konsistente Modellierung der im Planungsbereich vorkommenden Gebäudetypen wird von einem speziellen Programmteil übernommen, in welchem lediglich Angaben zu den (planungs- und bauordnungsrechtlich maximal zulässigen) Gebäudeabmessungen und der Dachform notwendig sind. Die Modellierung der Wände, die grundrißabhängige Zuordnung der Fensterflächen auf die einzelnen Fassaden und die bauphysikalische Modellierung erfolgt vollautomatisch nach definierbaren Vorgaben bzw. gesetzlichen Mindestanforderungen wodurch eine durchgängige, Gebäudetypen übergreifende Modellbildung gewährleistet ist. Damit wird eine Bibliothek unterschiedlichster Gebäudetypen erstellt.

Aus dieser Bibliothek können Gebäudetypen entsprechend den jeweiligen planungsrechtlichen Festsetzungen ausgewählt und beliebig oft mit Hilfe der Maus oder eines Digitalisiertabletts im Planungsbereich plaziert werden. Bäume können entsprechend ihrem Habitus, Größe und Belaubungszeitraum ebenfalls aus einer Bibliothek ausgewählt und plaziert werden. Die Höhenlage der plazierten Elemente wird auf Grundlage eines digitalen Höhenmodells automatisch ermittelt. Damit wird eine extrem schnelle Modellbildung von bis zu 5 ha je Stunde möglich.

Durch die solar+energetische Simulation wird für jedes einzelne Gebäude innerhalb des Planungsbereichs, unter Berücksichtigung der individuellen Orientierung der Gebäude, der Verschattung der Gebäude durch Nachbargebäude, der jahreszeitlich wechselnden Verschattung durch die Vegetation (unter Berücksichtigung von Habitus, Belaubungszeitraum und Blattdichte sowie Dichte des Geästes), der Verschattung durch die Topographie des Planungsgebietes und seiner Umgebung sowie optional der Verschattung durch Teile des Gebäudes selbst wie Wandvorsprünge, Dachüberstände, Balkone usw. stündlich die Solareinstrahlung in die einzelnen Fenster bzw. Kollektor-/ Photovoltaikanlagen des Gebäudes quantitativ ermittelt. Dabei wird die unterschiedliche Abschattungswirkung auf Direkt- und Diffuseinstrahlung getrennt berücksichtigt. Der monatliche Wärmeverlust, die nutzbaren Solargewinne und die Heizwärmebilanz jedes einzelnen Gebäudes sowie des gesamten Untersuchungsbereichs wird unter Anwendung des Berechnungsansatzes der EN 832 auf Basis regionaler Klimadaten (Monatsmittelwerte der Temperatur, Direkt- und Diffusstrahlung, Tagesgang der Besonnungsdauer, Trübungsfaktor,...) berechnet.

Dabei können folgende Wärmeschutzanforderungen definiert werden:

• A/V-Verfahren der Energieeinsparverordnung EnEV 2002,
• prozentual gegenüber EnEV erhöhte Anforderungen,
• Energiekennzahlen als Zielwerte oder
• frei wählbare Wärmedurchgangskoeffizienten und Luftwechselraten (Passivhaus, ...).

Für jedes einzelne Gebäude im Untersuchungsgebiet werden außerdem die Ursachen für die Solaren Verluste quantitativ (prozentual (%), absolut (kWh/a) und wohnflächenspezifisch (kWh/m²_WFa)) ermittelt und zwar aufgeschlüsselt nach:

• Ungünstiger Gebäudeorientierung,
• Verschattung durch Nachbargebäude,
• Verschattung durch Vegetation,
• Verschattung durch Geländeformen,
• Eigenverschattung des Gebäudes (Balkone, Dachüberstand, ...)

Weiter erlaubt GOSOL die Berechnung der täglichen und monatlichen Besonnungsdauer für definierbare Bereiche (z.B. der Wohnungen in einem bestimmten Geschoß, der Südfassaden, auf einer Terrasse/ Balkon, ...) jedes Gebäudes zur Überprüfung der Wohnqualität.

GOSOL ermittelt zudem die städtebaulichen Kennziffern: Grundfläche, Bruttogeschoßfläche, Wohnfläche, mittlere GRZ / GFZ sowie Gebäudevolumen und Gebäudeoberfläche.

Alle solar+energetischen Kennwerte werden gebäudescharf als Farbkarten dokumentiert und ausgedruckt. Mit Hilfe dieser Auswertung können sowohl gezielt Ansatzpunkte für eine solar+energetisch erfolgversprechende Modifikation der Planung herausgearbeitet, als auch die Berechnungsergebnisse anschaulich dokumentiert werden.

Zur Erfolgskontrolle des Optimierungsvorgangs wird sowohl die gebäudescharfe Veränderung einzelnen Kennwerte als auch die Veränderung der planungsbereichsbezogenen Kennwerte ausgewertet. Anhand der beiden Kennwerte "Mittlere Solare Verluste" und des resultierenden "Spezifischen Heizwärmebedarfs" nach EN 832 sowie des Gesamtwärmebedarfs (Heizung+ Brauchwasser) läßt sich jeder Entwurf solar+energetisch eindeutig beurteilen und einordnen. GOSOL ermöglicht damit eine zielgerichtete Bewertung und Optimierung städtebaulicher Entwürfe.

• GOSOL ist speziell auf die solar+energetische Bewertung und Optimierung städtebaulicher Planungen zugeschnitten.

• Mit GOSOL können ganze Baugebiete komplett solar+energetische untersucht werden. Die Modellgröße wird nur durch die RAM-Kapazität des Rechners begrenzt (16 MB = 4000 Gebäude + 8000 Bäume).

• GOSOL ermöglicht eine schnelle Modellbildung (600 Wohneinheiten in 3-5 Stunden) sowie kurze Rechenzeiten ( 600 WE in 10-20 Minuten).

• Die für die Simulation benötigten Klimadaten sind regional verfügbar (ca. 300 für die BRD).

• GOSOL berücksichtigt alle städtebaulich relevanten Parameter (Topographie, Gebäude, Vegetation).

• Durch Verwendung genormter Berechnungsansätze (DIN EN 832, II.BV usw.) sind die erzeugten Kennwerte vergleich- und nachvollziehbar.
•  
• Die Auswertungsmodule ermöglichen eine zielgerichtete solar+energetische Optimierung auf den CO2 relevanten Kennwert wohnflächenspezifischer Heizwärmebedarf.
•  
• Thermische Solaranlagen und Photovoltaikanlagen können mit einbezogen werden. Damit ist eine Optimierung auf die Zielgröße Gesamtenergiebedarf möglich.
•  
• GOSOL stellt den derzeitigen Stand der Technik für die solar+energetische Bewertung und Optimierung von Baugebieten dar.

=> Ausführliche Programmbeschreibung und Bezugsquellen für das PC-Programm GOSOL

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