Ber lin • Jun;: 16,7 oe / h

Mittlere Windgeschwindigkeiten in Deutschland

D < 3 m/s

D 3,0-3,9 m/s

4,O-7,Om/s

Mittlere Tagessummen der Globalstrahlung

3,30-3,15 kWh/m'

D 3,15-3,00 kWh/m'

D 3,00-2,85 kWh/m'

[- ~ 2,85-2,70 kWh/m'

D 2,70-2,60 kWh/m'

D 2,60-2,45 kWh/m'

• mittlere Außentemperatur!

mittlere Sonnenscheindauer

Dezember: 1,2 /1,2 h

1,7 h

Standortfaktoren

Der Standort eines geplanten Gebäudes ist geprägt von der großräumigen Klimalage, dem Lokalklima sowie dem Mikroklima der unmittelbaren Umgebung. Daher hat er zusammen mit dem städtebaulichen Kontext wesent­lichen Einfluss auf die energetischen und raumklimati ­schen Aspekte der Gebäudeplanung. Mit der Abstimmung der Gebäudekonzepti on auf die lokalen Gegebenheiten kann Energie eingespart und die Behaglichkeit der Nutzer verbessert werden.

Die städtebauliche Einbindung entscheidet über Ori­entierung und Struktur eines Gebäudes und somit über die solare Einstrahlung sowie über die Wind- und Lärm­exposition. Die umgebende Bebauung, die Oberflächen und die Vegetation wirken sich auf Verschattung, Refle­xion und Mikrokl ima aus.

Die Beschaffenheit des Baugrunds und der darunter liegenden Schichten kann die Nutzung von Wärme oder Kälte für Gebäude ermöglichen. Für die thermische Nut­zung ist die Feuchte des Bodens entscheidend , ideal ist fließendes Grundwasser. Der Temperaturverlauf im Boden in 3 m Tiefe folgt dem Monatsmittel der Außentempera­tur mit 2 bis 3 Monaten Verzögerung. Ab einer Tiefe von 6 m stellt sich ganzjährig die Jahresmitteltemperatur ein. Das Grundwasser hat ganzjährig eine Temperatur von ca. 10 oe und kann daher zur Kühlung und über eine Wärme­pumpe zur Beheizung genutzt werden. Die Energieabgabe bzw. -aufnahme an das Erdre ich kann auch über die Soh l­platte oder über Erdpfähle erfolgen, je nach Gründung des Gebäudes. Erdsonden reichen 70 bis 150 m tief in das Erdreich und können auch nachträglich gebohrt werden. Ist eine Lüftungsanlage vorhanden, so kann über einen Erdkanal das Erdreich zur Vorkühlung bzw. Vorwärmung der Zu luft genutzt werden.

Versiegelte Flächen heizen sich bei Sonneneinstrah­lung stark auf. Bepflanzte Oberflächen hingegen weisen bei Sonneneinstrahlung geringere Temperaturen auf, denn Pflanzen schirmen die einfallende Solarstrahlung von der Oberfläche ab und heizen sich aufgrund der Verdunstung weniger auf. Dadurch beeinflussen sie das

Mikroklima positiv. Laub abwerfende Bäume können als sa isonaler Sonnenschutz dienen, der die Solarstrahlung im Winter tei lweise durchdringen lässt. Auch lassen sich loka l auftretende Winde durch eine Bepflanzung abbrem­sen. Wasserflächen fördern die Behaglichkeit, da sie im Sommer die Temperaturen durch Wärmeaufnahme und Verdunstungsküh lung reduzieren.

Dicht befahrene Straßen oder Industriebetriebe füh ­ren zu einer Schadstoff-, Staub-, Geruchs- und Lärmbe­lastung. Bei einer hohen Schadstoffkonzentration muss auf die Anordnung der Luftansaugöffnungen geachtet werden, eine Fensterlüftung ist nicht empfehlenswert. Die Schallintensität am Standort beeinflusst die Grund­risskonzept ion und die Möglichkeit der freien Lüftung. Die Stärke der Lärmbelastung ist abhängig von der Art der Lärmquelle und dem Abstand zu ihr. Gebäude, Bäu­me oder die Topografie können die Schal lausbreitung dämpfen.

Mit zunehmender Höhe ergeben sich fo lgende Effek­te : Die mittleren Lufttemperaturen sinken um ca . 0,5 Kje 100 m und die Häufigkeit von höheren Windgeschwin­digkeiten nimmt zu. Die eingestrah lte Solarenerg ie ist in höheren Lagen größer, da der Dunst in der Atmosphä-re abnimmt und neblige Wetterlagen seltener sind. Die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht sind ebenfalls größer, damit wird bei hohen Standorten die Nachtauskühlung begünstigt. Bei hohen Lagen erhöhen sich die Anforderungen an die Wärmedämmung, gleich­zeit ig können jedoch Solarenergiegewinne erzielt werden. In Tälern ergeben sich thermisch bedingte Berg- und Tal­winde, deren Richtung und Intensität sich je nach Luft­temperatur und So larstrahlung im Tagesverlauf ändern. Nachts und am Morgen wehen die Winde talauswärts, ab Mittag bis zum späten Nachmittag taleinwärts. Kaltluft­schneisen wirken sich positiv auf die Stadtbelüftung und Abfuhr von Emissionen aus. Windarmut in Kessel lagen kann zu einem Emissionsstau führen. Im Sommer trägt der Wärmestau zu hohen Temperaturen bei, im Winter kommt es zur Bildung von Kaltluftseen und Nebel.

Solare Einstrahlung [kW h/m']

0,90

0,80

0,70

0,60

0,50 ~ /

0,40 ~

0,30

0,20

/

_ Solare Einstrah lung

Außenlufttemperatur Nu tzungszeit 8:00- 18:00 Uhr

Außentempera tur [Oc]

35,00

30,00

25,00

20,00

15,00

10,00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Uhrzeit, 31. Jul i bis 01. August

Abb. 6.1.1 Temperatur und Strahlung über einen Zeitraum von

zwei Tagen mit Darstellung der Nutzungszeit von 8 bis 18 Uhr

Außenlufttem peratur [Oc]

40,00

30,00

20,00

10,00

0.00 -M'+H+lHHl'-'

-'0,00

-20,00

182

Abb. 6. 1.2 Außenlufttemperaturverlauf über das Jahr für das

Testreferenzjahr Würzburg

Klima

Die wichtigsten Einflussgrößen für das Klima sind die Solarstrahlung, die Lufttemperatur, die Windverhältnisse und die Niederschläge. Entscheidende Aspekte sind die geografischen Koordinaten, die Höhe über dem Meeres­spiegel, die Nähe zu Gewässern oder dem Meer sowie regionale und landschaftliche Einflüsse. Die Schrägste i­lung der Erdachse bewirkt eine jahreszeitliche Änderung des Klimas, im Wesentlichen aufgrund der veränderten solaren Einstrahlung. Die Erdrotation bewirkt den Wechse l von Tag und Nacht. Mit zunehmendem Breiteng rad sind die Jahreszeiten stärker ausgeprägt und die Verände­rung der Tageslängen nimmt zu. Küstenregionen haben aufgrund der Speicherfähigkeit des Meeres ein ausge­glicheneres Klima (maritimes Klima), küstenferne Regi­onen unterliegen dagegen erheblichen jahreszeitlichen Schwankungen mit heißen Sommern und kal ten Wintern (kontinentales Klima).

Außentemperatur Die Außentemperatur ist abhängig von der solaren Einstrahlurig und der Temperatur der zufließenden Luftmassen. Sie beeinflusst die Transmis­sions- und Lüftungswärmeverluste im,Winter sowie die unerwünschten Wärmeeinträge und die möglichen Küh l­potenziale im Sommer. Für eine effiziente Nachtausküh­lung sind niedrige Nachttemperaturen erforderlich (Abb. 6.1.1). Entscheidend für das Gebäudeverhalten ist auch die Häufigkeitsverteilung von Tagen mit extremer Wit­terung. Sie hat Konsequenzen auf die Wirksamkeit von passiven Kühlmaßnahmen und die Auslegung technischer Systeme.

Die mittleren Außentemperaturen liegen im Sommer in Deutschland bei ca. 20 oe, im Winter in der Größenord­nung von 0 oe (Abb. 6.1.2) , Lokale Einflüsse und die mo­mentane Wetterlage können zu erheblichen Abweichun­gen von den Mittelwerten der Außentemperatur führen. Die Tag-Nacht-Schwankungen liegen im Mittel zwischen 5 und 10 K.

Feuchte Bei der Luftfeuchtigkeit wird unterschieden zwi­schen der relativen und der absoluten Luftfeuchtigkeit. Die absolute Feuchte bezeichnet den Wasserdampfgehalt der Luft. Dieser ist abhängig von Jahreszeit, Tageszeit und Wetterlage. Er ist für die Feuchteabfuhr aus Räumen von Bedeutu ng. Die relative Luftfeuchtig keit setzt den tat­sächlichen mit dem für die jeweilige Temperatur maxima l möglichen Wasserdampfgehalt der Luft, der Sättigungs­feuchte, in Beziehung. Die Sättigungsfeuchte steigt mit der Temperatur. Die absolute Luftfeuchtigkeit ändert sich mit der Jahreszeit, wohingegen die relative Luftfeuchtig­keit nur geringen Schwankungen unterliegt. Die Mittel­werte der relativen Feuchte liegen zwischen 50 und 70%, ohne große Unterschiede zwischen den Jahreszeiten,

Solarstrahlung

Die Solarstrahlung ist ein entscheidender Planungspara­meter, denn sie kann den Heizenergiebedarf reduzieren und das Raumklima im Sommer maßgeblich beeinflussen (Abb. 6.1.4). Der Einstrahlwinkel ändert sich aufgrund der Schrägstellung der Erdachse mit der Jahreszeit und führt zu ' wechsel nden Tageslängen. Bei flachem Sonnensta nd ist der Weg der Solarstrahlung durch die Atmosphäre länger. Die Intensität der Solarstrahlung wird zusätzlich zum Weg von der Trübung der Atmosphäre bestimmt. Die Einstrahlung auf die äußere Erdatmosphäre beträgt 1.360 W/m 2 (Solarkonstante), an der Erdoberfläche liegt sie in Deutschland bei maximal 1.000 W/m 2 Die Globalstrah­lung auf die Erdoberfläche setzt sich aus der direkten, gerichteten Sonnenstrahlung und der diffusen Himmels­strahlung zusammen . Die Globalstrahlung auf horizontale Flächen beträgt in Deutschland bei klarem Himmel und geringer Trübung im Sommer bis zu 8,0 kWh/m 2d und im Winter bis zu 1,2 kWh/m 2d (Tab. 6.1.1). In Deutsch­land beträgt die täg liche mittlere Sonnenscheindauer im Winter 1,0 Stunden (möglich sind bis zu 7,6 Stunden) und im Sommer 7,8 Stunden (möglich sind bis zu 16,8 Stun­den). Sie schwankt zwischen verschiedenen Städten in Deutschland zwischen 1 Stunde im Winter und 3 Stunden im Sommer. Die jährlichen Sonnenscheinstunden liegen zwischen 1.400 und 1.800 Stunden. Der Einstrahlwinkel zur Mittagszeit ergibt sich im Frühling und Herbst aus IX = 90° - Breitengrad, im Sommer aus IX = 90° - Breiten­grad + 23,5° und im Winter aus IX = 90° - Breitengrad - 23,5° (Abb. 6.1.3).

Orientierung Frühjahr/ Sommer/

März Juni

Gm 2,68 5,54

Horizontal

Dm 1,57 2,95

Gm 2,53 2,81

90' Süd

Dm 1,09 1,96

Gm 1,75 3,21

90' Ost / West

Dm 1,03 1,94

Gm 0,93 2,18

90' Nord

Dm 0,93 1,87

Herbst/

September

3,53

1,85

3,11

1,38

2,29

1,28

1,14

1,14

jeweils am 21. des Monats

September + März

Abb. 6.1.3 Sonnenstandsdiagramm im Tages­

verlauf zu verschiedenen Jahreszeiten, gültig

für 51' nördlicher Breite

Der Himmelshalbraum ist in Polarkoordinaten dargestellt. Die aktuelle Sonnenposition (Höhe über dem Horizont und Azimutwinkel) ist für jeden Monat (Sonnenbahn) und j ede Stunde (Punkte) dargestellt. Mittags steht die Sonne genau im Süden (lokale Sonnenzeit).

Winter/

Dezember

0,65

0,46

1,03

0,28

0,45

0,29

0,27

0,27

Tob. 6.1.1 Tägliche solare Einstrahlung, mittlere Globalstrahlung Gm und Diffusstrahlung Dm [kWh/m'd]

Die Werte beziehen sich auf verschieden orientierte Wandflächen on Strahlungstagen im Frühjahr, im Sommer,

im Herbst und im Winter

Planung I Standortfaktoren

N gültig für 510 nördlicher Breite

Gesamtstrahlung IW/m']

800

600

400

200

Gesamtst rahlung IW/m ']

800

600

400

200

Gesamtstrahlung IW/m']

800

600

400

200

10

10

10

12

12

12

Sommer

W

14 16 18 20 Sonnenzeit [h]

Frü hjahr/Herbsl

14 16 18 20 Sonnenzeit [hj

Winter

14 16 18 20 Sonnenzei t [h]

Abb. 6.1.4 Verlauf der solaren Einstrahlung auf

verschieden orientierte Flächen im Sommer,

Herbst und Frühjahr sowie im Winter bei ge-

ringer Trübung

18:

Tob. 6.1.2 Zu erwartende Wind-Höchstge­schwind igkeiten in Abhängigkeit von der Höhe

Höhe über Gelände [m]

Windgeschwin­digkeit [m/s]

Windgeschwin­digkeit [km/h]

0-8 28

8-20 36

20-100 42

Formel zu Abb. 6.1 .5 zur Berechnung des Winddrucks

p~c . ~v' p 2

Winddruck [Pa] cp Winddruckbeiwert [-]

102

129

151

P Dichte der Luft (1, 18 bei 25 °C) [kg/m' ] Windgeschwind igkeit [m/s]

Formel zu Abb. 6.1.6 zur Berechnung von Windgeschwindigkeiten im Grenzschichtprofil In Abhängigkeit von der Bebauung können mithil­fe der Referenzwindgeschwindigkeit in 70 m Höhe sämtliche Windgeschwindigkeiten im Windprofil berechnet werden.

v(h) ~ v(lO) . (lJ" 10

v(h) Windg eschwindigkeit in Höhe h [m/s] v(lO) Referenzwindgeschwindigkeit

in 10 m Höhe [m/s] Höhe [m]

hG

Grad ientenhöhe (Ein fluss der Rau igkeit wirksam bis h

G)

a Rau igkeitswert, abhängig von der Bebauung [-]

184

Wind

Für die Planung von Gebäuden spie lt die vorherrschen-de Windsituation am Standort eine entscheidende Rolle. Wichtiger Aspekt dabei ist die Druck- und Sogbelastung auf die Gebäudehülle. Die Windlast eines Bauwerks ist da­bei von den vorherrschenden Windverhältnissen, von der Gebäudeform und der Umgebung abhängig. Für die Pla­nung können Druck- und Sogbereiche für die natürliche Belüftung genutzt werden. Die Lage von Zu - und Abluft­öffnungen muss nach aerodynamischen Gesichtspunkten optimiert werden.

Windgeschwindigkeiten in Deutsch land Die mittlere Windgeschwindigkeit ist im Winter höher als im Som­mer, dabei werden im Binnenland viel niedrigere Werte erreicht als an der Küste. In Norddeutschland liegt die mittlere Windgeschwindigkeit bei etwa 5 m/s, in Süd­deutschland bei etwa 2 m/s. Im Sommer und im Winter sind die Windgeschwindigkeiten durchschnittlich gerin­ger als in der Übergangszeit. Bei sehr ka lter Witterung treten nur niedrige Windgeschwindigkeiten auf (3 bis 8 m/s). Hohe Windgeschwindigkeiten von etwa 20 m/s kommen meistens bei mittleren Außenlufttemperatu­ren vor (Tab. 6.1.2). Der Wind kommt dann hauptsächlich aus westlicher Richtung. Die sehr kalten Winde kommen vor allem aus östlichen Richtungen. Als Referenzhöhe

-2.0

-[> -[>

- [> O,B -0, 5 -[> 00

1,0

-[> -[>

cpä-äWert 2,0

-2 ,6

Abb. 6.7.5 Ausbildung von Druck- und Sogbereichen bei Windanströ­mung eines quaderförmigen und eines runden Körpers

1800

-0,6

Mit den Druckbeiwerten c, können in Abhängigkeit von der Windgeschwindig­keit die Druck- und Sogbelastungen berechnet werden.

hlml

hlml

274

Abb. 6.7.6 Grenzschichtwindprofi le und Rau igkeitswerte a für verschiedene Geländeoberflächen (noch Ruscheweyh)

0. -0,16

Offenes Gelärlde, Ackerland, Küsten

für Windangaben gilt der Wind in einer Höhe von 10 m. Aus aerodynamischer Sicht stellt die Windströmung über bebautem Gelände eine Grenzschichtströmung über einer rauen Oberfläche dar, welche durch den ungestörten Höhenwind angetrieben wird (Abb, 6,1.6), Aufgrund der Reibung und der turbulenten Scherspannung stellt sich ein Geschwindigkeitsprofil ein. Die Dicke der Grenzschicht ist von der Rauheit des Bodens abhängig. Bei ebenem Gelände liegt sie bei ca. 300 m, bei hoher unregelmäßiger Bebauung bei ca. 400 m und bei dichter Hochhausbebau­ung bei ca. 500 m.

Druckverteilung an Gebäuden Gebäude sind aus aero­dynamischer Sicht gesehen keine stromlinienförmigen Körper, sondern stumpfe Körper. Der Strömungsverlauf am Gebäude ist abhängig von der Gebäudeform, der Aus­prägung der Gebäudekanten, der Oberflächenbeschaffen­heit der Fassade sowie der Dachform und der Dachnei­gung. Zudem nehmen der Wind und die zu erwartenden Spitzengeschwindigkeiten mit der Höhe zu. Der Strö­mungsverlauf wird außerdem von der Windrichtung, dem Windprofil und der Böigkeit beeinflusst. Wird ein Gebäude vom Wind angeströmt, so entsteht auf der dem Wind zugewandten Seite (Luvseite) ein Überdruck, auf der dem Wind abgewandten Seite (Leeseite) ein Unterdruck, der über die gesamte Fassadenfläche relativ konstant ist. An den windparallelen Seitenwänden kommt es an der wind­zugewandten Se ite zur Ablösung der Strömung und somit zur Ausbildung einer Sogspitze. Dieser Sog nimmt am Ge­bäude im Verlauf der Windrichtung ab. Durch die Druck­verteilung an der Fassade entsteht auch innerhalb des Gebäudes ein Druckgefälle von Luv nach Lee. Die Druck­differenzen bewirken eine Ausgleichströmung, die je nach Durchlässigkeit der Gebäudehülle und den Durchlasswi­derständen im Inneren mehr oder weniger stark ausge­prägt sein kann. Als Maß für den Druck bzw. Sog an der Fassade wird der aerodynamische Beiwert c

p eingesetzt.

Mithilfe dieses Beiwerts kann der zu erwartende Druck bzw. Sog in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit an jeder Stelle der Fassade ermittelt werden (Abb.6.1.5).

Einfluss der Umgebung Die Umgebung von Gebäuden wirkt sich auf die Windströmung aus. Dabei spielt die Geländeform, die Form und der Abstand der benachbar­ten Gebäude sowie der Bewuchs eine Rolle. Die Windströ­mung legt sich erst wieder in einiger Entfernung hinter dem Gebäude an den Erdboden an. Dadurch bleibt im Lee des Gebäudes ein stark verwirbeltes Nachlaufgebiet, des­sen Größe im Wesentlichen vom Geschwindigkeitsprofil und der Turbulenz der ankommenden Strömung abhängig ist. Ist der Abstand zweier Gebäude kleiner als die Länge des Nachlaufgebiets, so ergibt sich ein geringerer Wind­druck an der Fassade des hinteren Gebäudes. Im unteren Te il der Fassade kann sich sogar Sog einstellen. Die um­gebende Bebauung kann auch zu Düseneffekten führen, wodurch sich die Windgeschwindigkeiten verstärken.