Solares Bauen (1): Einfluss der geografischen Lage auf den Wärmebedarf von Gebäuden

Wir starten hier eine neue Serie zum Thema „Solares Bauen“. Dabei geht es uns um die buchstäblich sonnigen Aspekte, die beim Planen und Bauen von Gebäuden zu bedenken sind, die die Sonne als kostenlose Energiequelle maximal ausnutzen – sowohl passiv als auch aktiv. Im ersten Teil der Serie soll  geklärt werden, wie die geografische Lage eines Gebäudes Einfluss auf dessen Wärmebedarf nimmt. Oder anders gesagt: Wir klären, wie geländetechnisch (topografisch) verursachte Bedingungen wie Verschattung, Kaltluftseen, Nebel, Dunst und Wind den Heizenergiebedarf von Gebäuden beeinflussen.

Unserer neuen Artikelserie „Solares Bauen“ liegen Informationen zugrunde, die wir dem „Leitfaden für eine energetisch optimierte Stadtplanung. Planungsgegebenheiten – Städtebaulicher Entwurf – Bebauungsplan – Vertragliche Regelungen“ entnommen haben. Der Leitfaden wurde von der Projektgruppe Klimaschutz des Amts für Stadtplanung und Bauordnung und vom Amt für Geoinformation, Vermessung und Kataster der Stadt Essen veröffentlicht. Ihr könnt ihn hier als PDF-Datei downloaden.

Einfluss von Lage und lokalem Klima auf Energieeffizienz und Wärmebedarf von Gebäuden

Laut den Autoren des verlinkten Leitfadens würden

• sowohl die Lage
• als auch die spezifischen lokalklimatischen Bedingungen eines Baugebietes

die Energieeffizienz von dessen Bebauung stark beeinflussen.

So beeinflusst die Verschattung Energieeffizienz und Wärmebedarf von Gebäuden

Demnach komme der Verschattung des Geländes eine hohe Bedeutung für den Energieverbrauch und die Gewinnung solarer Energie von Gebäuden zu. Wobei die Verfasser des Leitfadens  die Verschattung eines Geländes und seiner Gebäude unterteilen in

1. die Verschattung, die sich aufgrund der das Gelände umgebenden Höhenzüge ergebe und eine direkte Verschattungswirkung habe,
2. die Verschattung, von der die Gebäude in Hanglagen betroffen seien und die eine indirekte Verschattungswirkung habe. Besonders ungünstige Verschattungsverhältnisse würden sich demnach bei Gebäuden ergeben die sich an Hängen gen Norden, Osten und Westen befänden.

Bezüglich umliegender Höhenzüge hänge die Stärke der Verschattung der Gebäude von der

• Lage des Geländes
• der Entfernung des Geländes zu den Höhenzügen
• und der Höhendifferenz zwischen Baugelände und jeweiligem Höhenzug als Verschattungsquelle ab.

So seien von der direkten Verschattungswirkung bei flacheren Höhenzügen in der Regel  nur die Gebäude am Siedlungsrand betroffen, während Solarerträge hauptsächlich wegen der gegenseitigen Verschattung der Gebäude zueinander verloren gingen. Erst dann, wenn der Winkel der Verschattung des Geländes größer werde als der zwischen den Gebäuden, überwiege auch im inneren Bereich einer Bebauung die Verschattung aufgrund der Geländebeschaffenheit.

So beeinflusst die Siedlungsstruktur Energieeffizienz und Wärmebedarf von Gebäuden

Die Leitfadenverfasser beschreiben eine Siedlung als Wärmeinsel, weil sich ein entsprechender  Wärmeinseleffekt im besiedelten Gebiet ergebe  – und zwar infolge des Zusammenwirkens von Einflussgrößen des urbanen Wärmehaushaltes, darunter:

• die hohe Versiegelung und der daraus resultierende geringe Bewuchs (Vegetation)
• und die Abstrahlung künstlicher Wärme von den Gebäuden.

Gut zu wissen: Wegen des Wärmeinseleffekts reduziere sich der Heizenergiebedarf von Gebäuden in der Siedlung erheblich. Die Leifaden-Autoren beziffern die Menge für eine Großstadt auf 10 bis 15 Prozent.

Demnach sei es von Vorteil, den Wärmeinseleffekt bei Bebauungen bewusst einzukalkulieren und entsprechend kompakte Siedlungsstrukturen anzustreben, wobei die Innenentwicklung der Neuausweisung von Baugebieten im Außenbereich der Siedlung zu bevorzugen sei. Allerdings könne eine kompakte Bauweise auch negative Auswirkungen haben, zum Beispiel eine  zu intensive Bodenversiegelung oder einen verminderten lokalen Luftaustausch.

So beeinflussen natürliche Kaltluftsammelgebiete Energieeffizienz und Wärmebedarf von Gebäuden

Den Leitfaden-Autoren zufolge würde sich in

• Geländemulden,
• Senken
• und Tälern

nachts kalte Luft sammeln, so dass man diese als Kaltluftsammelgebiete ansehen könne. Weil sich dort, insbesondere während windschwacher und wolkenarmer Strahlungsnächte, die von den Kaltlufteinzugsgebieten der Hänge und Höhen zusammenfließende Kaltluft sammele, würden die Temperaturen nachts Minimalwerte annehmen.

Besonders niedrige nächtliche Temperaturminima würden sich demzufolge dann einstellen, wenn sich die eingeflossene Kaltluft an Strömungshindernissen zu einem stagnierenden Kaltluftsee aufstaue.

Daher empfiehlt der Leitfaden, derartige Kaltluftsammelgebiete zugunsten einer energiebewussten Planung und Bebauung zu meiden. Schließlich könnten die geländeklimatischen Nachteile bewirken, dass der Heizenergieverbrauch um 20 Prozent höher ausfalle als an günstigerer Stelle.

So beeinflussen Nebel und Dunst Energieeffizienz und Wärmebedarf von Gebäuden

Auch dort, wo das Baugelände eben und offen und die Landschaften von Gewässern und Feuchtgebieten geprägt sei, könnten sich dem Leitfaden nach bodennahe Kaltluftbereiche entwickeln. Sie würden  von einer oft vorkommenden  Bodeninversion verursacht. Das heiße, dass dort unmittelbar über der Erdoberfläche eine Temperaturumkehr stattfände, die Temperatur also mit der Höhe zunähme. Das sei insofern besonders, weil die Lufttemperatur mit der Höhe in der freien Atmosphäre um etwa 1 Grad Celsius pro 100 Meter abnähme. Dort aber, wo eine Bodeninversion aufträte, nähme die Temperatur unter anderem wegen zuströmender Warmluft in der Höhe und wegen starker nächtlicher Abkühlung auf der Erdoberfläche zu.

Das Phänomen Bodeninversion hemme demnach den senkrechten Luftaustausch. Zugleich begünstige es das Auftreten von Dunst und Nebel, was seinerseits in der Heizsaison dazu führe, dass das Temperaturniveau ebenso wie die Intensität der Sonneneinstrahlung sinke.

Die Leitfaden-Verfasser schreiben derartigen Bodeninversionen eine Schichtstärke von mehreren Metern bis Dekametern zu. Seltener seien sie wenige hundert Meter hoch. Aber: Während der Wintermonate können sie den ganzen Tag bestehen.

Dem Leitfaden nach seien Gelände mit häufiger Bodeninversion wegen ihres ungünstigen thermischen Niveaus und des daraus resultierenden zu erwartenden vermehrten Heizenergieaufwandes für die Besiedlung eher ungünstig.

Um von vornherein solche thermisch ungünstigen Lagen für Gebäude auszuschließen, empfiehlt der Leitfaden eine gründliche Betrachtung des potentiellen Baugeländes.

So beeinflusst Wind Energieeffizienz und Wärmebedarf von Gebäuden

Wind beeinflusse den Wärmebedarf von Gebäuden infolge Wärmeübergang und Wärmetransport. Dazu müsse man dem Leitfaden nach wissen, dass die den Wind bremsende Wirkung von Strömungshindernissen am Boden mit zunehmender Höhe über Grund  sinke. Die Folge dessen sei, dass wegen der mit der Höhe abnehmenden Bodenreibungskräfte die Windgeschwindigkeit zunehme.

Auf Bergkuppen herrsche demnach eine höhere Windgeschwindigkeit. Ähnliches gelte  aufgrund  der verminderten Bodenreibungskräfte auch für ebene, hindernisfreie und “ausgeräumte” Gelände. In höher gelegenen Siedlungen gäbe es demzufolge Heizenergie verzehrende Windeinwirkungen. Dabei würden

• Lage (Höhen- oder Tallage),
• Gegend (windschwach oder windstark)
• und Bauart des Gebäudes (frei stehendes Haus oder Reihenhaus)

eine Rolle spielen.

Die Wärmeverluste der Gebäudeoberflächen würden laut dem Leitfaden mit der Windgeschwindigkeit und der Höhe zunehmen. Wärmeverluste infolge von Wind träten demnach vor allem in den Außenbereichen von Siedlungen in signifikanter Stärke auf. In integrierten Stadtlagen sei der Wind ein wichtiger Garant für eine optimale Durchlüftung und Luftaustausch.

Die Verfasser des Leitfadens empfehlen daher für eine energiesparende Bebauung, dass  möglichst windschwache und turbulenzarme Standorte zu wählen seien.

An Standorten in windiger Lage, zum Beispiel in ausgeräumtem Gelände und in Kuppenlage, könnten extra  bauliche Maßnahmen die energetischen Nachteile von Wind mindern. Zu solchen Maßnahmen zählt der Leitfaden die Gebäudebauart, dessen Wärmeisolierung und Fugendichte.

In kommenden Teil 2 unserer Reihe “Solares Bauen” zeigen wir, wie die Kompaktheit eines Gebäudes dessen Heizwärmebedarf und “solare Empfängnis” beeinflusst. Bleibt dran!

Foto: DarkKnightSky/Photocase, Grafik: Leitfaden für eine energetisch optimierte Stadtplanung. Planungsgegebenheiten – Städtebaulicher Entwurf – Bebauungsplan – Vertragliche Regelungen