Solares Bauen (4): Einfluss der Verschattung auf Solarertrag

Wie angekündigt, steht heute der Einfluss der Verschattung von Gebäuden auf die Höhe des passiven wie aktiven Solarertrags auf dem Programm. Wir schließen damit direkt an Teil 3 unserer Reihe „Solares Bauen“ an.

Und wie bei allen vorangegangen Artikel der Reihe „Solares Bauen“ baut auch Teil 4 auf den „Leitfaden für eine energetisch optimierte Stadtplanung. Planungsgegebenheiten – Städtebaulicher Entwurf – Bebauungsplan – Vertragliche Regelungen“ auf. Dieser 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 den Leitfaden hier als PDF-Datei aus dem Internet downloaden.

So wirkt sich die Verschattung durch Nachbargebäude auf den Solarertrag eines Gebäudes aus

Werde eine Solarfassaden verschattet, mindere das ihre Leistungsfähigkeit. Eine Verschattung könne

• von Nachbargebäuden,
• von der Topographie
• und von der Vegetation

verursacht werden.

Wobei die gegenseitige Verschattung von Nachbargebäuden – neben der ungünstigen Ausrichtung der Gebäude gen Sonne (siehe Teil 3) – vor allem bei langen parallelen Gebäudezeilen die Solargewinne spürbar senke. Höhe und Lage der Schatten werfenden Kante eines benachbarten Gebäudes spielten dabei Hauptrollen. Es gelte laut den Verfassern des Leitfadens: Je höher die Schatten werfende Kante (First) sei, desto größer müsse der Abstand zwischen dieser Kante und der Solarfassade der Nachbargebäude sein, um eine Verschattung auszuschließen. Zu beachten sei demnach  das Verhältnis zwischen A (Abstand der Schatten werfenden Kante zur Solarfassade) und H (Höhe der Schatten werfenden Kante) – wie die Grafik oben zeige. Je kleiner das A/H-Verhältnis ausfalle, desto höher sei der Anteil der Verschattung.

Einfluss der Abstände zwischen den Gebäuden auf Solarfassade

Die obige Abbildung zeige, dass auch nach Norden ausgerichtete Fenster wegen der auch geminderten diffusen Sonneneinstrahlung bei zu kleinen Abständen zwischen den Gebäuden solare Verluste (passiver Solarertrag) vorweisen würden, diese jedoch insgesamt wegen der ungünstigen Ausrichtung deutlich geringer ausfallen würden als bei nach Süden gerichteten Fenstern. Bei nach Süden ausgerichteten Fenstern  brächten optimale Abstände dagegen maximale Solarerträge.

Der Abstand zwischen der Schatten werfenden Kante und der Solarfassade sollte demnach bei langen, parallelen Gebäudezeilen gleicher Höhe mindestens das 2,7-fache der Höhe der Schatten werfenden Kante betragen (A/H-Verhältnis = 2,7). Eine Vergrößerung der Abstände über das 3,5-fache hinaus bringe dem Leitfaden zufolge keine wesentlich besseren Solarerträge.

Bei mehreren parallelen Gebäudezeilen mache es hinsichtlich optimaler Solarerträge Sinn, die Gebäude nach Norden hin in der Höhe zu staffeln, wobei  die verfügbaren Abstandsflächen bei der Entwurfsplanung im Verhältnis der Zeilenhöhen aufzuteilen seien, schreiben die Leitfaden-Autoren. Grundsätzlich sollten die Gebäudehöhen demnach gegen Süden nicht zunehmen.

Bei der gegenseitigen Verschattung einzelner Gebäude sei der Grad der Verschattung

• vom Abstand/Höhe-Verhältnis der Gebäudezeilen
• von der Länge der Einzelgebäude
• und vom seitlichen Abstand der Gebäude innerhalb einer Zeile

abhängig. Wobei der Grad der Verschattung der Solarfassade der gegenüberliegenden Gebäudezeile mit wachsendem seitlichem Abstand und mit abnehmender Länge der schattenwerfenden Gebäude sinke. Aber: Der Einfluss seitlicher Abstände sei wesentlicher kleiner als der Einfluss der Abstände (A/H) zur Solarfassade. Hier gelte: Je größer dieser Abstand sei, desto geringer sei der Einfluss des seitlichen Grenzabstandes.

Bei Einfamilienhäusern (Einzelgebäuden) in offener Bauweise könne laut dem Leitfaden der Zeilenabstand zur Solarfassade auf etwa die 2,4-fache Höhe der schattenwerfenden Kante verringert werden, vorausgesetzt, die seitlichen Abstandsflächen würden bauordnungsrechtlich eingehalten.

Auch für die Verschattung durch benachbarte Gebäude gelte demnach, dass der Wirkungszusammenhang Gebäudehöhe und verfügbare Abstände zu einem Optimierungsvorschlag komme, der den Anforderungen an die Kompaktheit oder die Dachneigung wiederspreche. Auch hier wäre letztlich eine detaillierte energetische Untersuchung notwendig,  schreiben die Leitfaden-Autoren.

So wirkt sich die Verschattung durch Topografie auf den Solarertrag eines Gebäudes aus

Bei Gebäuden in Hanglage wirke eine andere Verschattung als bei Gebäuden auf ebenem Gelände. Die potentiellen Solarerträge seien daher auch von der Topgrafie abhängig. Wobei zu differenzieren sei zwischen

• direkter Verschattung eines Baugebietes aufgrund umliegende Erhebungen oder Tallagen (siehe Teil 1)
• und indirekter Verschattung wegen der Topographie (Hanglage).

Die indirekte Verschattung wegen der Topographie eines Baugebietes ergebe sich aufgrund

• des Abstand/Höhen-Verhältnisses der Gebäude zueinander,
• der Hanglage
• und die Hangneigung innerhalb des Baugebietes.

Wären zwei Gebäude gleich hoch und der Abstand zwischen ihnen gleich, würde die Verschattung sich bei nach Norden ausgerichteten Hängen im Vergleich zur ebenen Fläche stärker auswirken. Gebäude  an einem nach Norden ausgerichteten Hang bräuchten daher größere Abstände. Bei Gebäuden gleichen Volumens unabhängig von Gestaltung und Material (Kubatur) an nach Süden ausgerichteten  Hängen dagegen würde die Verschattung weniger wirken, das hieße dem Leitfaden nach, dass die Abstände zwischen  den Gebäuden geringer ausfallen dürften und somit eine dichtere Bebauung möglich sei.

An steilen Nordhängen würden allerdings selbst größere Gebäudeabstände nicht für mehr Besonnung sorgen können, wie auch die nachfolgende Grafik veranschauliche:

So wirkt sich die Verschattung durch Vegetation auf den Solarertrag eines Gebäudes aus

Die Leitfaden-Autoren widmen der Verschattung von Gebäuden durch Vegetation, zum Bespiel bereits gewachsene oder noch anzupflanzende Bäume ein vergleichsweise großes Kapitel, das diese mögliche Solarerträge erheblich senken könnten. Die Verschattung wirke dabei in Abhängigkeit

• vom Standort,
• von der Höhe der Bäume,
• von deren Abstand zur Solarfassade im Verhältnis zur Baumhöhe,
• von der Dichte und Geschlossenheit der Baumreihen oder Baumgruppen,
• von der Baumart,
• von deren Kronenform,
• von der Durchlässigkeit des Blatt- und Astwerks
• und vom Belaubungszeitraum.

Vor allem der Standort geschlossener Baumreihen, ihre Höhe und ihr Abstand zur Solarfassade würden demnach den Verschattungsgrad und somit das verfügbare solare Potenzial in erheblichem Maß beeinflussen. Es gelte: Mit wachsenden Abständen zwischen den einzelnen Bäumen, nehme auch der Grad der Verschattungsgrad auf die Solarfassade gemäß der Baumreihendichte in Abhängigkeit von der Baumart ab.

Daher sollten umstehende Bäume die Solarfassade möglichst nicht verschatteten, wenn man die Sonnenenergie  unter optimalen Bedingungen passiv nutzen wolle. Für die Stadtplanung heiße das: Bäume sollte man

• nördlich von Solarfassaden
• beziehungsweise im Straßenraum an der südlich gelegenen Straßenseite pflanzen.

Laubbäume vor der Solarfassade

Seien Pflanzungen von Laubbäumen im Wirkungsradius der Solarfassade vorgesehen oder stünden Bäume bereits dort, betrüge der empfohlene Abstand zur Solarfassade bei geschlossenen Baumreihen oder Baumgruppen mindestens die 2-fache arttypische Baumhöhe, wenn Verschattung vermieden werden soll.

Doch auch einzelne, nah vor der Solarfassade stehende Laubbäume könnten dem Leitfaden zufolge die Solarerträge stark mindern. Für Einzellaubbäume werde daher ein Mindestabstand von der Solarfassade der 1,5-fachen arttypischen Baumhöhe empfohlen.

Nadelbäume vor der Solarfassade

Nadelbäume verursachten demnach eine Verschattung von Gebäuden wie andere Gebäude auch, schreiben die Leitfaden-Verfasser weiter.  Als Faustregel könne man sich merken,

• mit einzelnen Nadelbäumen einen Mindestabstand zur Solarfassade der 2-fachen,
• und Nadelbaumgruppen der 2,7-fachen arttypischen erreichbaren Baumhöhe einzuhalten.

Dazu müsse man wissen, dass die Verschattung von Nadelbäumen beziehungsweise immergrünen Pflanzen recht offensichtlich sei, während die von Laubbäumen gelegentlich unterschätzt werde, da man vergesse, dass Laubbäume bis weit in die Heizperiode hinein belaubt bleiben können und die  Heizperiode im verschatteten Gebäude daher früher starte und später ende, was dessen Heizwärmebedarf deutlich steigere.

Bei der Wahl der Laubbäume für die städtebauliche  Planung solle man daher Baumhöhe, Kronenform, Durchlässigkeit des Blatt- und Astwerks und die Belaubungsdauer beachten. Bei der Kronenform gelte, dass Bäume mit schmalen oder kleinen kompakten Kronen auch unter beengten Verhältnissen noch Sonneneinstrahlung auf die Solarfassade zulassen und nur eine geringe Verschattung bewirken.

Die Lichtdurchlässigkeit der Vegetation wird von der Dichte des Ast- und Blattwerks, der Größe des einzelnen Blatts und dessen Transparenz beeinflusst. Zudem spiele der Belaubungszeitraum der Bäume für die Verschattung eine Rolle. Hier gelte, dass Bäume mit spätem Blattaustrieb, frühem Blattabwurf, einer geringen Dichte sowie einem lichten Blattwerk günstige solarenergetische Eigenschaften mitbrächten. Die durchschnittliche Belaubungsdauer der Mehrzahl der Bäume liege demnach bei einem halben Jahr.

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