
mm
GOSOL solar Stadtplan++ung ökologische
Bauleitplanung Solarsiedlung Ahitektur
Landschaftsplanung Stä//////////////
|
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.
- Mit der 1998
novellierten Fassung des Baugesetzbuchs
(BauGB) wurden
- die Nutzung
erneuerbarer Energien und
- nachhaltige,
d.h. auch energiesparende
Bauweisen erstmals als Belang
explizit in die Bauleitplanung
eingeführt.
- Dieser Belang
wird im BauGB 2004 weiter gestärkt:
- Hier
wird der Belang der Nutzung
erneuerbarer Energien in § 1,
Abs.6, Nr.7 f um die sparsame
und effiziente Nutzung von
Energie erweitert.
- Weiter
wurde durch die Zielvorgaben
in § 1, Abs.5 klargestellt,
dass alle städtebaulichen
Festsetzungen nach Maßgabe von
§ 9, Abs.1 auch hinsichtlich der
Beachtung des Ziels des Allgemeinen
Klimaschutz abgewogen
werden müssen.
|
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.
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 weder eine
effektive Sonnenenergienutzung noch eine ausreichende
Besonnung und damit Wohnqualität gegeben ist. Besonders bei tropographisch
kritischen Situationen ist es deshalb empfehlenswert
bereits die Eignung eines potentiellen Baulandes
solar+energetisch 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 CO2 relevante Zielgröße "Heizenergiebedarfbedarf"
kann nicht dem Augenschein nach abgeschätzt werden. So
ergaben solar+energetische Einschätzungen und nachfolgende
Simulationsrechnungen regelmäßig deutlich abweichende
Bewertungen/Rangfolgen
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
Wie die Erfahrung zeigt, ist
zwischen solar+energetisch günstigen und ungünstigen Entwürfen
eine Spanne beim Primärenergiebedarf, den solaren Verlusten
und der Besonnungsdauer der Wohnungen von rund 20%-30%
feststellbar. - dies traf auch bei der nachfolgend
dargestellten Wettbewerbsbewertung zu.
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.
- 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.
|

Die simulationsgestütze Vorprüfung
eines städtebaulichen Wettbewerbs ist auch bei sehr Großen
Untersuchungsbereichen (hier 40 ha) und einer großen Anzahl
von Entwürfen (hier: 30) innerhalb des üblichen Vorprüfzeitraums
möglich (hier: 4 Wochen)
(Stadt München: Funkkaserne/Domagkstraße)

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.

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.

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 dem möglichen
Spielraum und 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 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 passiven als auch aktiven 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.
- 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. |
 |
 |

Wie erfolgt eine solar+energetische
Optimierung?
Das nachfolgend dargestellte
Beispiel wurden mit Hilfe des speziell für die Stadtplanung
entwickelten solar+energetischen Simulationsprogramms
GOSOL berechnet. Es handelt sich hierbei ebenfalls
um ein konkretes Projekt aus dem Solarbüro Dr. Goretzki.
Grundlage für die städtebauliche
Simulation mit GOSOL bildet ein vollständiges
dreidimensionales, digitales Computermodell.
Bei der solar+energetischen
Simulation werden die Gebäudeorientierung, die
Verschattung durch Nachbargebäude, die jahreszeitlich
wechselnde Verschattung durch Vegetation sowie die
Verschattung durch die Topographie des Planungsbereichs und
dessen weiteren Umgebung berücksichtigt. Der Wärmebedarf
wird vom Programm automatisch auf Basis von Bauteilwärmedurchgangskoeffizienten,
Luftwechselraten oder den Anforderungen nach EnEV,
Niedrigenergiehaus, Passivhaus-Standard usw. berechnet. Auf
dieser Basis berechnet GOSOL mindestens stündlich die
Besonnungsdauer und Sonnenenergieeinstrahlung für jedes
einzelne Fenster (oder auch Kollektoren/Fotozellen) sowie die
monatliche und jährliche Heizwärme- und Primär-Energiebilanz
sowohl jedes einzelnen Gebäudes als auch des gesamten
Planungsbereichs.
Die Darstellung der
Simulationsergebnisse erfolgt u.a. als Farbkarten. Günstige
Werte werden dabei gelb bis grün, ungünstige blau bis rot
dargestellt. Hierbei können gebäudescharf sowohl die
Kennwerte einer Planungsvariante als auch alle Kennwerte im
Vergleich (Optimierungserfolg) zu einer anderen
Planungsvariante ausgewertet werden.
1. Projektbeispiel
Solar+energetische Wettbewerbsvorprüfung
Stadt
Heidelberg "Schollengewann" |
Anhand der sechs Entwürfe
soll die Fragestellung geklärt werden ob solargerechte
Entwürfe" zu Lasten der Bebauungsdichte gehen und ob
energieeffiziente Entwürfe höhere Baukosten durch einen erhöhten
Wärmeschutz verursachen.
Solar+energetische Vorprüfung:
Heidelberg "Schollengewann"
(c) SOLARBÜRO Dr. Goretzki,
(Beispiel für eine ausführliche, baugebietsbezogene
Auswertung mit GOSOL) |
 |
Teil
neh-
mer |
wohnflächenspezifische
solar+energetische Kennwerte
(Anforderung: EnEV
Nahwärme) |
Voraussetzungen
für die passive Sonnenenergienutzung |
mittlere
Besonnungsdauer der Wohnungen
(Summe Hauptfassade + Rückfassade) |
Wohn-
Fläche |
Wärme-
schutz |
Brutto- Heizwärme-
bedarf
=Wärme-
verluste
|
Solar-
ge-
winn |
Heiz- Wärme-
Bedarf |
Gesamt-
bewertung "Energie"
resultierender
Jahres-
Primärenergie-
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
U-Wert
für EnEV |
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 |
121,6 |
23,7 |
74,9 |
64,4 |
- - - |
22,2 |
- |
12,5 |
4,3 |
3,8 |
1,6 |
3,48 |
5,64 |
7,29 |
84 |
94 |
100 |
++ |
30991 |
0,563 |
| B |
112,0 |
24,1 |
65,1 |
57,9 |
+ |
20,2 |
O |
7,2 |
8,0 |
4,5 |
1,0 |
2,28 |
5,45 |
6,97 |
47 |
95 |
94 |
o |
40631 |
0,641 |
| C |
115,2 |
25,0 |
67,4 |
58,9 |
- |
23,8 |
- |
9,5 |
10,7 |
3,0 |
0,6 |
1,93 |
4,84 |
6,43 |
56 |
83 |
93 |
- |
55488 |
0,609 |
| D |
110,7 |
25,4 |
62,6 |
54,0 |
+ + + |
14,3 |
+++ |
1,3 |
8,1 |
3,5 |
1,4 |
2,35 |
6,39 |
7,77 |
44 |
92 |
95 |
o |
45274 |
0,646 |
| E |
108,6 |
23,0 |
62,9 |
54,9 |
+ + |
16,4 |
++ |
5,5 |
7,3 |
2,5 |
1,1 |
3,31 |
6,18 |
7,23 |
77 |
92 |
94 |
+ |
37812 |
0,670 |
| E |
106,6 |
19,0 |
67,3 |
58,6 |
o |
33,9 |
- - - |
15,2 |
11,1 |
7,3 |
0,3 |
2,89 |
4,27 |
4,59 |
75 |
73* |
54* |
- - - |
45772 |
0,664 |
| |
fett günstigster Wert, kursiv
ungünstigster Wert, * führt zur Abwertung
Das
Beispiel zeigt dass die Bebauungsdichte (Wohnfläche WF),
solare Verlucte und Besonnungsqualität nicht zwangsläufig
korrelieren:
Bebauungsdichte und solare
Verluste
Der Vergleich zwischen dem
Entwurf A mit der geringsten Wohnfläche (30991 m²) und dem
Entwurf C mit der höchsten Wohnfläche (55488 m²) zeigt mit
22,2% und 23,8% nahezu identische solare Verluste (graue Felder).
Die Entwürfe D und F weisen
hingegen mit rund 45 500 m² eine nahezu identische Wohnfläche
auf. Der Entwurf D bietet jedoch mit einem solaren Verlust
von nur 14,3%, dies ist der niedrigste Wert aller Entwürfe,
sehr gute Voraussetzungen für die passive
Sonnenenergienutzung, während der Entwurf F mit 33,9% die
absolut höchsten solaren Verlust aller Entwürfe aufweist (blaue Felder in der
Tabelle).
Wärmedämmung und Wärmebedarf
Der Entwurf E weist im
Entwurfsvergleich mit 108,6 kWh/m²a den niedrigsten wohnflächenspezifischen
Brutto-Heizwärmebedarf auf. Mit einem mittleren U-Wert von 0,670
W/m²K erfordert das städtebauliche Konzept E dennoch den
geringsten baulichen Aufwand um die gestellte Wärmeschutzanforderung
zu erfüllen. Im Vergleich hierzu weist der Entwurf A, trotz
einem um 16% niedrigeren mittleren U-Wert von 0,563 W/m²K,
mit 121,6 kWh/m²a den höchsten Brutto-Heizwärmebedarf
je Quadratmeter Wohnfläche und Jahr auf (orange Felder in der
Tabelle).
2. Projektbeispiel
Solar+energetische Grundlagenuntersuchung nach EnEV
Landeshauptstadt Dresden
BPlan
Nr.264, Dresden-Niedersedlitz Nr.6 |
Von einem vorgegebenen
Bebauungsplanentwurf ausgehend sollte die energetische
Wirkung einer kompakteren Bauweise in Form einer Doppel-
statt Einfamilienhaus-Bebauung sowie die Wirkung einer verstärkten
Südausrichtung auf die verfügbaren Solargewinne und den
Heizbedarf quantifiziert werden.
Wie an der Abb.59 deutlich
wird, führen diese "Standard-Optimierungsansätze"
nur zu einem begrenzten Erfolg. So konnte durch die
Doppelhaus-Variante der wohnflächenspezifische Heizwärmebedarf
nur um 5% vermindert werden, die Südausrichtung fast aller
Gebäude konnte den Heizwärmebedarf um knapp ein weiteres
Prozent reduzieren. Nach wie vor weisen beide Varianten, mit
einem gegenüber idealen Bedingungen verfügbaren Solargewinn
von nur 62,7% bzw. 67.9% noch unzureichende Voraussetzungen für
die passive Sonnenenergienutzung auf. Über 2/3 der Wohnungen
verfehlen die Mindestanforderungen der DIN 5034 an die
Besonnungsdauer.
Die mit GOSOL durchgeführte
solar+energetische Analyse identifiziert als Hauptursache für
die "Solaren Verluste" eine sehr starke
Verschattung durch planungsrechtlich festgesetzte Bäume,
sowie eine überdurchschnittlich hohe gegenseitige
Verschattung der Gebäude. Als Ursache für den überdurchschnittlich
hohen Bruttowärmebedarf der Gebäude konnte die als Höchstzahl
festgesetzte Anzahl der Vollgeschosse im Zusammenwirken mit
der Dachneigung und Firsthöhenfestsetzung identifiziert
werden, welche in diesem Fall eine kompakte Baukörperausformung
verhindert.
Hier setzt die solar+energetische
Optimierung an. Zielgröße für die Bewertung des
Optimierungserfolges ist dabei der wohnflächenspezifische
Heizwärmebedarf bzw. Heizenergiebedarf. Iterativ, durch
mehrere Simulationsgänge werden verschiedene
Festsetzungsvarianten getestet, bewertet und fortschreitend
solar+energetisch optimiert. Vorgabe dieser Optimierung war
dabei, das Erschließungssystem beizubehalten.
| Standard-Optimierungsansätze
wie beispielsweise Doppel- statt Einzelhäuser oder
strikte Südorientierung schöpfen das solar+energetische
Optimierungspotential nicht aus. Erst die
solarenergetische Konfliktanalyse zeigt den Weg zur
effizienten Energieeinsparung. |
Optimierungsansatz
Als ein Optimierungsergebnis
wurde auf die Festsetzung der Vollgeschosse und der
Geschossflächenzahl zugunsten von maximal zulässigen First-
und Traufhöhen verzichtet. Die zulässige Firsthöhe wurde
dabei gegenüber der Ausgangsvariante von 8,5 m in Verbindung
mit Z=I auf nunmehr 9,2 m erhöht. Dennoch konnte durch
Abstimmung der überbaubaren Grundstücksflächen und der
Bezugshöhenfestsetzung die gegenseitige Verschattungswirkung
der Gebäude um 27% vermindert werden. Durch die nun möglichen
kompakteren Gebäude wird der spezifische Wärmeverlust um 7,1 kWh/m2WFa
gesenkt.
Ebenfalls modifiziert wurde
das Grünordnungskonzept. Neben einer Überarbeitung der
Pflanzlisten für die Pflanzbindung wurden, auch aus
Nachbarschutzgründen, räumlich definierte Bereiche für
bestimmte Baumarten bzw. Pflanzlisten vorgegeben, welche
verhindern, dass umliegende Gebäude in der aktiven oder
passiven Sonnenenergienutzung durch zu hohe Bäume beeinträchtigt
werden.
| Solar+energetische
Optimierung bedeutet Feinabstimmung der einzelnen
planungs- und bauordnungsrechtlichen Festsetzungen
sowie der Grünordnungsplanung |
Optimierungserfolg kurzgefasst
- Durch die solar+energetische
Optimierung konnte der mittlere spezifische Heizwärmebedarf des Planungsbereichs um 15.2 kWh/m2WFa,
d.h. 18% von 85,4 kWh/m2WFa
auf 70,2 kWh/m2WFa
vermindert werden. Dies bedeutet
eine jährliche Energieeinsparung von 239,8
MWh/a und eine damit verbundene Verminderung
der gebietsbezogenen CO2-Emission von 40.3
t jährlich.
- Die jährlichen Heizkosten
des Untersuchungsbereichs sinken hierdurch
um rund 12 000 /a.
- Um die selbe
Energieeinsparung zu erzielen, hätten bauseitig ca.
350 000 in zusätzliche Wärmedämmung
investiert werden müssen.
- Der Anteil der gegenüber
idealen Voraussetzungen durch ungünstige
Orientierung und Verschattung verursachten solaren
Verluste konnte von 37,6% auf 17,1%
mehr als halbiert werden.
- Hierdurch steigerte sich
der zur Substitution von Heizwärme genutzte passive
Solargewinn von 15,0 kWh/m2WFa
auf 21,3 kWh/m2WFa, d.h.
im Untersuchungsbereich insgesamt auf 269 MWh/a.
- Gleichzeitig konnte auch
die Besonnungsdauer der Wohnungen im
Winter um bis zu 133% und im Spätsommer um bis zu 70%
verlängert und damit die Wohnqualität
deutlich gesteigert werden.
- Die mögliche Wohnfläche
konnte von 9566 m² auf 12646 m² um 32%
erhöht werden ohne die überbaute Grundfläche
wesentlich zu erhöhen.

Abb.:
Gebäudescharfe Kartierung der Kennwerte Verfügbarer
Solargewinn" und wohnflächenspezifischer
Heizwärmebedarf" für die Ausgangsvariante,
die Doppelhausvariante, die Süd ausgerichtete
Doppelhausvariante und die Optimierungsvariante.
Die Balkendiagramme zeigen die Heizwärmebilanz
sowie die solaren Verluste für die passive,
thermische und photovoltaische
Sonnenenergienutzung. Die Ergebniskartierungen
stellen solar+energetisch günstige Ergebnisse
gelb bis grün, ungünstige blau bis rot dar.
eine solar+energetische Optimierung kann:
- die
solaren Verluste halbieren und damit
- die
passiven Solargewinne bei gleicher Fenstergröße
die Voraussetzungen für aktive
Sonnenenergienutzung verbessern,
- den
Heizenergiebedarf deutlich senken und damit
- die
Umwelt von Emissionen entlasten und die
Heizkosten senken,
- die
Wohnqualität durch längere Besonnung im
Winter erhöhen,
- ... ohne
größere Grundstücke zu benötigen,
- ... bei
gleichbleibendem oder geringerem Aufwand für
den baulichen Wärmeschutz,
- ... bei
tendenziell niedrigeren Baukosten.
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Abb.: Durch
die solar+energetische Optimierung konnte eine
deutliche Verlängerung der Besonnungsdauer (von
links nach rechts: 21.Dezember, 8.Februar, 23.September
und DIN; gelb=optimal, rot=mangelhaft) und damit
eine Verbesserung des Wohnwertes erzielt werden.
Die unteren Diagramme zeigen, dass sich der
Anteil der Wohnungen (Y-Achse) mit einer langen
Besonnungsdauer (X-Achse) ganzjährig deutlich
erhöht hat.
Ökonomie
Durch die Optimierung der zulässigen
Gebäudeabmessungen werden im Vergleich zur
Doppelhausvariante, bei identischem Typenmix, die wohnflächenspezifischen
Baukosten um 18 %, d.h. im Planungsbereich
insgesamt um 2,8 Millionen Euro und gegenüber der Ausgangs-Variante
um 23,5 %, d.h. insgesamt 3,9
Millionen Euro vermindert.
Diese Einsparung könnte z.B.
in zusätzliche Wärmedämmung oder aktive
Sonnenenergienutzung reinvestiert werden.
Auch bei der aktiven
Sonnenenergienutzung konnten die
Einstrahlungsvoraussetzungen durch die solar+energetische
Optimierung der städtebaulichen Planung deutlich verbessert
und damit die spezifischen Energieerzeugungskosten um
bis zu 13% gesenkt werden. Unter Zugrundelegung
eines vorgegebenen solaren Deckungsgrades von 50% für
Brauchwasserbereitung und Stromerzeugung können im
Planungsbereich bis zu 102,2 MWh/a Wärmeenergie zur
Brauchwasserbereitung genutzt und 109,8 MWh/a Strom ins Netz
eingespeist werden. Für die Kollektoranlagen müssen dabei
ca. 200 000 Euro, für die Photovoltaikanlagen ca. 1
Millionen Euro investiert werden.
Bei einem 5 000 Euro
unterschreitenden Kosteneinsatz für die solar+energetische
städtebauliche Optimierung kann durch diese mehr
Energieeinsparung erzielt werden als durch die thermische und
photovoltaische Sonnenenergienutzung zusammen. Den
Optimierungskosten steht monetär eine Reduzierung
der Gebäudekosten um 3.900.000 Euro, eine jährlich
wiederkehrende Heizkosteneinsparung von rund 12.000
Euro sowie eine Investitionskostenersparnis bei der
aktiven Sonnenenergienutzung von rund 158.200 Euro gegenüber.
Die Umwelt wird jährlich
allein durch die Heizenergieeinsparung um 40.270 kg CO2
entlastet.

Abb.:
Durch die solar+energetische Optimierung konnte
die Wohndichte (=flächensparendes Bauen) spürbar
erhöht werden. Gleichzeitig konnten die
spezifischen Baukosten, die Heizkosten und die
spezifischen Kosten für solare Energiegewinnung
deutlich gesenkt werden.
Ausgangssituation des Beispiels
Auf einem ca. 6% nach Osten
abfallenden Hang sollen ca. 35 WE als Reihen- und Doppelhäuser
mit rund 5400 m² Wohnfläche errichtet werden. Südlich und
östlich an den Planungsbereich grenzt eine bestehende 3-8
geschossige Bebauung an.
Ausgangsvariante
Die Ausgangsvariante sieht im
westlichen Teilbereich vier zweieinhalb-geschossige
Reihenhauszeilen mit Staffelpultdach und 8,50 - 9,45 m Gebäudetiefe
bei einem Gebäudeabstand von rund 13 m und Tiefgarage vor.
Im östlichen Teilbereich sind zweieinhalb-geschossige
Doppelhäuser und freistehende Einfamilienhäuser mit einem
Gebäudeabstand von 6,5 m bis 11,0 m vorgesehen. Als Dämmstandard
wurde die Mindestanforderung der Energieeinsparverordnung
EnEV 2002, als Heizung Gas-Brennwertkessel untersucht.
Die solaren Verluste gegenüber
ideal orientierten und unverschatteten Gebäuden erreichen im
Planungsbereichsmittel mit insgesamt 34,5 % einen extrem
hohen Wert. Ursache hierfür ist die extrem starke
gegenseitige Verschattung der Gebäude, welche allein einen
Solaren Verlust von 23,3 Prozentpunkten verursacht. Mit 3,9
bzw. 7,3 Prozentpunkten sind die auf ungünstige Orientierung
bzw. auf Verschattung durch Bäume zurückzuführenden
solaren Verluste sehr gering bzw. gering.

Die Wohnqualität in den
Wintermonaten ist durch die starke gegenseitige Verschattung
der Gebäude erheblich beeinträchtigt. Die Hälfte der Gebäude
weist im Dezember im EG eine Besonnungsdauer von weniger als
einer Stunde auf. Am mittleren Wintertag (8.Februar)
unterschreiten 19 der 32 Gebäude im EG die für eine hohe
Wohnqualität anzustrebende dreistündige Besonnungsdauer.
Infolge des ungünstigen Gebäude-Querschnitts
weisen die Reihenhäuser einen hohen Wärmeverlust auf, der
eher bei freistehenden Einfamilienhäusern zu erwarten wäre.
Im Zusammenwirken mit den hohen solaren Verlusten ergibt sich
ein hoher Primär-Energiebedarf.
Städtebaulicher
Optimierungsansatz
Der Optimierungsansatz
beinhaltet die Vergrößerung der Gebäudeabstände bei
gleichzeitiger Erhöhung der zulässigen Gebäudetiefe auf 12,0
m. Statt des Staffelpultdachs ist ein höhenoptimiertes
Pultdach vorgesehen. Damit verringert sich der wohnflächenspezifische
Wärmeverlust von 125,0 auf 104,9 kWh/m2WFa.
Städtebaulich wird die Anzahl der Zeilen im westlichen
Bereich von 4 auf 3, im östlichen Teilbereich von 6 auf 4
reduziert. Damit verbessert sich auch der Durchblick in die
freie Landschaft.
Im Ergebnis kann hierdurch,
unter Beibehaltung der Wohnfläche und Anzahl der
Wohneinheiten...
- der solare
Verlust von 34,5% auf 14,8% mehr als
halbiert,
- der wohnflächenbezogene
Heizwärmebedarf von 81,3 kWh/m2WFa
auf 57,0 kWh/m2WFa um
30% vermindert und
- der wohnflächenbezogene
Heizenergiebedarf (ohne Warmwasser) von 133,1
kWh/m2WFa auf 102,5 kWh/m2WFa
um 23% vermindert,
- der
Gesamtheizenergiebedarf um 170.000 kWh/a,
die CO2
- Emission um 42.950 kg/a reduziert,
- die Besonnungsdauer
der EG-Bereiche im Winter sowohl im Planungs-
als auch im Bestandsbereich mehr als
verdoppelt werden.
- die Hüllfläche
der Gebäude der Optimierungsvariante konnte mit 9
270 m² gegenüber 12 341 m² bei der
Ausgangsvariante um 25% verkleinert werden.
- Hieraus ergibt sich eine
potentielle Baukostenersparnis von rund 50
je m² Wohnfläche.
- Die erforderliche
Erschließungslänge der Gasversorgung verkürzt
sich bei der Optimierungsvariante von 430 m auf 360 m.
Die leitungsbezogene Anschlussdichte
liegt einschließlich Warmwasser mit 1907 kWh a / lfm bei der
Optimierungsvariante, trotz des um 23% geringeren wohnflächenspezifischen
Energiebedarfs nur um 3% niedriger als bei der
Ausgangsvariante.



Wärmeschutz und
Energieversorgung
Entsprechend den Mindest-Anforderungen
der Energieeinsparverordnung EnEV ergibt sich für die gewählte
Heizungsanlage mit Gas-Brennwertkessel (ohne Solaranlage) bei
der Optimierungsvariante ein mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient
U von 0,339 W/m²K.
Durch Verbesserung des
mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten U um nur 1/3 (d.h. im
Mittel 16 cm statt 10 cm Wärmedämmung) wird bei einem
mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,221 W/m²K und
Ersatz der Gas-Zentralheizung durch ein Lüftungskompaktgerät
mit integrierter Abluftwärmepumpe Passivhaus-Standard
erreicht.
Der Heizwärmebedarf reduziert
sich hierbei auf im Mittel 12,7 kWh/m2WFa,
der Primärenergiebedarf auf 17,5 kWh/m2WFa.
Der Gesamtheizenergiebedarf kann hierdurch um weitere 467.500
kWh/m2a, die CO2 - Emission um 77.450
kg/a vermindert werden.
Berücksichtigt man die
Zinsersparnis durch Förderung unterschreiten die Vollkosten
der Passivhaus-Optimierungsvariante sogar die der Gas-Brennwertkessel-Ausgangsvariante
mit EnEV-Dämmstandard geringfügig. Die CO2 -Emission
wird jedoch bei der Passivhaus-Variante halbiert.
Durch die solar+energetische
städtebauliche Optimierung können der Energiebedarf und die
Baukosten deutlich reduziert und günstige Voraussetzungen für
weitergehende Energieeinsparmaßnahmen geschaffen werden.
Alternative Heizungs- und Energieversorgungskonzepte werden
damit wirtschaftlich.
Die Entlastung der Umwelt ist
enorm. Bei etwa gleichen Baunutzungs-Vollkosten kann bei der
städtebaulich optimierten Passivhausvariante gegenüber der
Ausgangsvariante mit Gas-Brennwertkessel der Primärenergiebedarf
um 87% die CO2-Emission um 84% vermindert werden.

Zusammenfassung
Aus dem Ergebnis dieser solar+energetischen
Optimierung, welches sich mit denen von über 120 von uns
durchgeführten Bebauungsplanoptimierungen mit über 1100 ha
Gesamtfläche deckt, läßt sich ableiten, dass durch eine
solar+energetische Bebauungsplan-Optimierung
- die durch Ausrichtung und
Verschattung verursachten solaren Verluste auch unter
Beibehaltung der Bebauungskonzeption oft halbiert
werden können,
- der mittlere wohnflächenspezifische
Heizwärmebedarf zwischen 5 und 15 kWh/m2WFa,
d.h. um bis zu 20% gesenkt werden kann,
- damit oft mehr Energie
als durch die aktive Sonnenenergienutzung eingespart
werden kann,
- die wohnflächenspezifischen
Bau- und Nutzungskosten deutlich vermindert werden können,
- die Besonnungsdauer und
damit die Wohnqualität deutlich verbessert werden
kann,
- die Voraussetzungen und
Effizienz der aktiven Sonnenenergienutzung deutlich
verbessert werden können,
- die Verbesserung der
Voraussetzungen für die Sonnenenergienutzung nicht
zu Lasten der Bebauungsdichte geht,
- damit die solar+energetische
Optimierung qualitativ hochwertiges flächensparendes
Bauen ermöglicht,
- die Einbeziehung der Grünordnungskonzeption
ein wesentlicher Bestandteil jeder solar+energetischen
Optimierung ist,
- jede solar+energetische
Optimierung einen individuellen Ansatz erfordert,
- Standardoptimierungsansätze"
nur einen Bruchteil der möglichen Energieeinsparung
erschließen,
- keine über die üblichen
Festsetzungen des Baugesetzbuchs, der Baunutzungs-Verordnung
oder der jeweiligen Bauordnung hinausgehenden
Festsetzungen notwendig sind,
- die Festsetzungen jeweils
im Einzelfall aufeinander abgestimmt und in ihrer
solar+energetischen Wirkung rechnerisch überprüft
werden müssen,
- nahezu jede Planung, auch
unter Beibehaltung der Bebauungskonzeption solar+energetisch
verbessert werden kann.


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