Solares Bauen (3): Einfluss von Gebäudeausrichtung, Dachform und -neigung auf Solarertrag

In Teil 3 unserer neuen Artikelreihe rund um Solares Bauen schauen wir ganz genau auf die Gebeäudeausrichtung gen Sonne, die Dachform und die Dachneigung, die den Solarertrag von Gebäuden maßgeblich beeinflussen. Das heißt, dass wir hier die Erkenntnisse der vorangegangen Teile 1 und 2 unserer Reihe aufgreifen und auf die Solarenergiegewinnung beziehen.

Wie Teil 1  „Solares Bauen (1): Einfluss der geografischen Lage auf den  Wärmebedarf von Gebäuden“ und Teil 2 „Solares Bauen (2): Einfluss der Haus- und Dachform auf den Wärmebedarf von Gebäuden“ basiert auch Teil 3 unserer Reihe auf Informationen aus dem „Leitfaden für eine energetisch optimierte Stadtplanung. Planungsgegebenheiten – Städtebaulicher Entwurf – Bebauungsplan – Vertragliche Regelungen“. Den verfasste die Projektgruppe Klimaschutz des Amts für Stadtplanung und Bauordnung und des Amts für Geoinformation, Vermessung und Kataster der Stadt Essen. Ihr könnt den Leitfaden hier als PDF-Datei downloaden.

Solarenergiegewinnung: aktiv und passiv

Solarenergie zu nutzen, also die Solarstrahlung in nutzbare Energie umzuwandeln, das lasse sich dem Leitfaden zufolge

  • passiv
  • und aktiv

machen.

Passive Solargewinnung

Passive Solarenergiegewinnung sei die, bei der man Wärmegewinne aus Sonnenstrahlung direkt zur Gebäudeheizung nutze. Die Solarwärme (Solarthermie) werde  unter anderem von

  • Fenstern,
  • Innen- und Außenwänden,
  • Geschossdecken,
  • und Möbeln

absorbiert und  gespeichert.  Dank der Außendämmung bleibe die Wärme im Gebäudeinnern.

Aktive Solargewinnung

Aktive Sonnenenergiegewinnung sei die Nutzung der Sonnenstrahlung mit Hilfe technischer Geräte, Anlagen und Systeme, die Sonnenlicht

  • entweder mit Solarkollektoren in nutzbar Wärme (Solarthermie-Anlagen)
  • oder mit Solarzellen in nutzbaren Strom (Photovoltaik-Anlagen)

umwandeln.

Einfluss der Gebäude- und Stadtplanung auf passive und aktive Solarenergienutzung

Planung und Bau von Gebäuden und Siedlungen (städtebaulicher Entwurf, Stadtplanung) beeinflussen laut dem Leitfaden die Möglichkeiten sowohl zur passiven als auch aktiven Sonnenenergienutzung in hohem Maße. Als drei Folgen ungünstiger Vorgaben bezüglich des solaren Potentials nennen die Verfasser:

  • einen erhöhten Heizwärmebedarf
  • und daraus resultierend höhere Baukosten sowie höhere Betriebskosten
  • und eine Verschlechterung der Wohnqualität.

Gut zu wissen: Solarerträge würden beim Bestimmen des Heizwärmebedarfs und des Wärmeschutzes der Gebäudeteile im Rahmen der Anwendung der Energieeinsparverordnung (EnEV) bei der Bauausführung bedacht.

EnEV und Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEG) würden die Nutzung erneuerbarer Energien bei Neubauten verstärkt fordern, was der Solarenergienutzung zu mehr Bedeutung bei der Bauausführung verhelfe. Mit solaren und energetischen Optimierungen des städtebaulichen Entwurfes im frühen Entwurfsstadium ließe sich demnach ein erheblicher Anteil des Heizwärmebedarfs sparen, während man zugleich den Anforderungen von EnEV, EEG & Co. nachkomme.

Einfluss Gebäudeausrichtung auf Solarertrag
Die Grafik zeigt, wie Gebäudeausrichtung, Verschattung und andere Faktoren den Solarertrag beeinflussen. Grafik: Leitfaden für eine energetisch optimierte Stadtplanung. Planungsgegebenheiten – Städtebaulicher Entwurf – Bebauungsplan – Vertragliche Regelungen

Stadtplanerische Faktoren, die den Solarertrag beeinflussen

Als stadtplanerische Einflussfaktoren auf die verfügbaren Solargewinne und Solarverluste führen die Verfasser des Leitfadens folgende an:

  • Ausrichtung der Gebäude (Ausrichtung der Hauptfassaden und Dächer),
  • Dachform,
  • Dachneigung
  • und Verschattung durch Nachbargebäude, Vegetation und Topographie

So beeinflusst die Gebäudeausrichtung

  • den passiven Solartrag

Passive solare Gewinne ergäben sich demnach Großteils  aus einer  gen Süden gerichteten Hauptfassade, die damit als Solarfassade fungiere. Dies sei  die Fassade, hinter der die Wohn-/Aufenthaltsräume mit entsprechenden Fensteranteilen lägen und die die entsprechende  Dachflächenausrichtung hätte. Damit komme der Gebäudeausrichtung, insbesondere der Ausrichtung der Solarfassade, große Bedeutung zu.

Gen Süden gerichtete Solarfassaden schnitten im Vergleich zu gen Osten und Westen gerichteten  bei der Gesamtbesonnungsdauer in den Wintermonaten deutlich besser ab, heißt es im Leitfaden.

Mit zunehmender Südabweichung der Solarfassade nähmen die Solarerträge ab, insbesondere während der  Wintermonate November bis Februar. Die deutlichste Abnahme ergäbe sich zwischen 25 und 90 Grad Südabweichung. Nach Nordwesten/Nordosten ausgerichtete Gebäude würden nur noch minimale Erträge erzielen. Weil eine ungünstige Orientierung Solarverluste von gut einem Drittel (35 Prozent) verursachen könne, sei es ratsam, für alle Gebäude grundsätzlich eine Südorientierung anzustreben. Dies gelte vor allem für Passivhäuser, wobei sich der Toleranzbereich von minus 22,5 Grad Süd bis plus 22,5 Grad Süd bewege. Der Großteil  der Gebäude sollte so geplant werden, dass deren Solarfassade nicht mehr als 30 Grad von Süden abweiche. Für Reihenhäuser gelte die Empfehlung, sie stets von Nordwesten-Norden-Nordosten zu erschließen.  immer von NW-N-NO her erschlossen werden.

Einfluss ungünstiger Gebäudeausrichtung auf Solarertrag
Die Grafik zeigt, wie eine ungünstige Gebäudeausrichtung Einfluss auf den Solarertrag von Gebäuden nimmt. Grafik: Leitfaden für eine energetisch optimierte Stadtplanung. Planungsgegebenheiten – Städtebaulicher Entwurf – Bebauungsplan – Vertragliche Regelungen
  • den aktiven Solarertrag

Bei der aktiven Solarenergiegewinnung sei es ratsam, möglichst viele Gebäude beziehungsweise Dachflächen nach Süden auszurichten, wobei auch hier Abweichungen von minus 30 Grad Süd bis plus 30 Grad Südtolerierbar wären.

So beeinflussen Dachneigung und Dachform den Solarertrag

Dachform und Dachneigung seien weitere ertragsbeeinflussende Voraussetzungen bei der aktiven Solarenergiegewinnung.

Der Neigungswinkel, mit dem die Solarthermie-Anlage installiert werde, spiele den Verfassern des Leitfadens zufolge eine Hauptrolle für den Ertrag.

Wegen des  jahreszeitlich bedingten Sonnenlaufs ergebe sich

  • für den Sommer ein flacherer
  • und für den Winter ein steilerer Neigungswinkel.

Im Grunde sei das möglichst senkrechte Auftreffen der Sonnenstrahlen auf Photovoltaik-Module und Solarthermie-Kollektoren die günstigste Voraussetzung für hohe Solarerträge. Im Jahresmittel ergäbe sich bei nach Süden ausgerichteten Solarfassaden

  • für Photovoltaik-Anlagen ein optimaler Neigungswinkel von 30 Grad
  • und für Solarthermie-Anlagen ein optimaler Neigungswinkel von 45 Grad.

Für einen einträglichen Betrieb einer Solaranlage, sowohl bestückt mit Photovoltaik-Modulen als auch mit Solarthermie-Kollektoren, seien demnach jedoch auch flache Dächer: Bei Flachdächern und flach geneigten Satteldächern könne man die Anlagen mit einem Neigungswinkel von 30 bis 45 Grad zur Horizontalen aufständern. Das verschaffe einem die Möglichkeit, nicht der wenig optimale Neigungswinkel auszugleichen.

Die Verfasser des Leitfadens merken an dieser Stelle an, dass die komplexen Wirkungszusammenhänge und die daraus resultierenden Optimierungsanforderungen auch im Widerspruch zueinander stehen könnten. So werde geraten, Wärmeverluste einerseits mit möglichst kompakten Baukörpern auszugleichen, während andererseits Dachform und Neigungswinkel so optimiert werden sollten, dass die Anlagen einen möglichst hohen Solarertrag einfahren würden. Das führe demnach jedoch vor allem bei Flachdach-Installationen zu einer komplett gegensätzlichen Bewertung.

Die exakte Berechnung, welches Kriterium die größte Energieeffizienz bringe, hängt demzufolge von der Summe aller Rahmenbedingungen ab und impliziere komplexe Rechenvorgänge. Sie erfordere dem Leitfaden zufolge prinzipiell eine konkrete energetische Bilanzierung, die aber nur gutachterlich erfolgen könne.

In Teil 4 unserer Reihe „Solares Bauen“ gucken wir etwas genauer auf den Einfluss der Verschattung auf den Solarertrag, wobei es sowohl um die Verschattung durch Nachbargebäude als auch die Verschattung durch Vegetation geht. Bleibt dran!

Fotos: darknightsky/photocase (Titel), Leitfaden für eine energetisch optimierte Stadtplanung. Planungsgegebenheiten – Städtebaulicher Entwurf – Bebauungsplan – Vertragliche Regelungen (Grafiken 2)