Rechnerische Bestimmung der solaren Strahlungseinwirkung auf Gebäudehüllen

Glasbau 2014. 1. Auflage.Herausgegeben von Bernhard Weller, Silke Tasche.© 2014 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2014 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG.

Rechnerische Bestimmung der solaren Strahlungseinwirkung auf Gebäudehüllen

Bernhard Weller1, Jan Wünsch1, Sebastian Horn1, Marc-Steffen Fahrion1

1 Technische Universität Dresden, Institut für Baukonstruktion, George-Bähr-Straße 1,

01069 Dresden, Deutschland

Die solare Strahlung wirkt sich teils deutlich auf die Dauerhaftigkeit von Zwischenfolien, Klebstoffen und Kunststoffen aus. Bisherige Alterungsverfahren repräsentieren reale solare Strahlungseinwir-kungen nur bedingt. Der Beitrag stellt daher das Vorgehen zur Bestimmung einer strahlungsopti-mierten Datenbasis für dynamische Gebäude- und Bauteilsimulationen und deren Anwendung dar. In einem ersten Schritt wird mittels spektral aufgelöster Messdaten (UV-B, UV-A, Vis) ein strah-lungsoptimiertes Testreferenzjahr erzeugt. Dieses dient als Datenbasis für die rechnerische Be-stimmung der richtungs- und neigungsabhängigen Einwirkungen. Abschließend werden die Ergeb-nisse differenziert für Global-, UV-A- und UV-B-Strahlung betrachtet dargelegt.

Calculative determination of the effect of solar radiation on the building envelope. The solar radiation affects the durability of intermediate films, adhesives and plastics, in some cases signifi-cantly. Hitherto existing aging processes represent the real solar radiation effects only to a limited extent. Therefore, the paper introduces the procedure for determining a radiation-optimized test reference year for dynamic building and component simulations as well as their application. In a first step a radiation-optimized test reference year is generated, using spectrally resolved measurement data (UV-B, UV-A, Vis). It serves as database for the calculative determination of the effects de-pending on direction and inclination. Finally, the results for global-, UV-A- and UV-B-radiation are presented in differentiated terms.

Schlagwörter: strahlungsoptimiertes Testreferenzjahr, Umweltsimulationen, Gebäudehülle

Keywords: radiation-optimized test reference year, environmental simulation, building envelope

1 Einführung

In der Fassadentechnik und dem konstruktiven Glasbau werden zunehmend Kunststoffe verwendet. Beispiele hierfür sind die Zwischenschichten in Verbund-Sicherheitsgläsern, verschiedene Kleb- und Dichtstoffe sowie Beschichtungen mit organischen Bestandtei-len. Dabei sind die Materialien beim Einsatz in der Gebäudehülle einer Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt. Ein für Kunststoffe besonders kritischer Umwelteinfluss ist die solare Strahlung. Zur Untersuchung der Dauerhaftigkeit greift man in der Regel auf zeitlich verkürzte Umweltsimulationen im Labor zurück. Die Grundlage für diese normativ beschriebenen Prüfverfahren und Prüfbedingungen bildet die CIE-Publikation Nr. 85 [1]. Hierin werden spektral aufgelöste solare Bestrahlungsstärken angegeben, die bei typischen atmosphärischen Bedingungen herrschen. Eine Unterscheidung der Be-

324 Rechnerische Bestimmung der solaren Strahlungseinwirkung auf Gebäudehüllen

strahlungsstärke hinsichtlich des jährlichen Verlaufes, des Standortes oder der Ausrich-tung der Gebäudehülle findet nicht statt. Dadurch bedingt werden diese Abhängigkeiten in den Prüfverfahren nicht hinreichend berücksichtigt. Aus diesem Grund beschreibt dieser Artikel mit der Betrachtung von Simulationsverfahren weitere Möglichkeiten zur Bestimmung der Strahlungseinwirkungen auf diese Bauteile. Dabei wird vor allem auf die Verwendung spezieller Klimarandbedingungen eingegangen, welche die solare Belastung realitätsnah abbilden. Für ein Beispielgebiet wird das Vorgehen zur Erzeu-gung eines Referenzdatensatzes beispielhaft erläutert. Die Nutzung der erzeugten Rand-bedingungen sowie die Auswertung der erhaltenen Ergebnisse werden ebenfalls aufge-zeigt und analysiert.

2 Solare Strahlungseinwirkung auf Gebäudehüllen

2.1 Strahlungstechnische Grundlagen

Unter dem Begriff der solaren Strahlung versteht man die von der Sonne ausgesandte Energieabstrahlung infolge der Fusion von Wasserstoff zu Helium. Beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre wird diese Strahlung in Abhängigkeit ihrer Wellenlänge mehr oder weniger stark absorbiert. Das gesamte elektromagnetische Spektrum der Sonne erstreckt sich über einen großen Wellenlängenbereich von circa 140 nm (UV-C) bis circa 10 cm (Mikrowelle) und hat sein Maximum bei circa 500 nm (blau-grünes Licht). Es ent-spricht der Ausstrahlung eines sogenannten schwarzen Körpers mit einer Temperatur von etwa 6000 K. Für das menschliche Auge ist dabei nur ein kleiner Bereich von etwa 380 nm bis 780 nm visuell wahrnehmbar (Bild 2-1).

Bild 2-1 Elektromagnetisches Spektrum der Sonne [2]

AM 1,5: Strahlungsleistung 1000W/m2AM 0: Strahlungsleistung 1367W/m2

Stra

hlun

gsin

tens

ität [

W/m

2 nm

]

ultraviolett sichtbar infrarot

500 1000 15000 2000 2500

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Wellenlänge [nm]


In der Meteorologie wird die am Boden von einer horizontalen Ebene empfangene Son-nenstrahlung als Globalstrahlung bezeichnet, welche sich aus direkter (Schatten werfen-de Strahlung) und gestreuter (diffuse Himmelsstrahlung) Strahlung zusammensetzt. Der jeweilige Anteil dieser beiden Strahlungsformen an der Globalstrahlung ist nicht stetig, sondern schwankt in Abhängigkeit verschiedener Parameter. So besteht sie zum Bei-spiel bei Sonnenhöhenwinkeln von mehr als 50° zu circa 3/4 aus direkter Strahlung, wohingegen ihr Anteil bei niedrigen Sonnenständen (bis etwa 10°) auf nur noch ca. 1/3 sinkt. Einfluss auf das Verhältnis von direkter zu diffuser Strahlung als auch auf den Gesamtwert, haben die Streuung an Luftmolekülen, Wolken- und Aerosolpartikeln, sowie die Absorption an Wasserdampf, Kohlendioxid und anderen atmosphärischen Spurengasen [3]. Für Deutschland hat dies zur Folge, dass regional unterschiedliche Mengen an Globalstrahlung auftreffen, wobei allgemein ein Nord-Süd-Gefälle erkenn-bar ist. Bild 2-2 zeigt hierfür die Verteilung.

Bild 2-2 Globalstrahlungskarte: jährliche Sonneneinstrahlung auf horizontale Flächen [2]

Der Anteil der Ultraviolettstrahlung (140 - 380 nm) an der Globalstrahlung wird durch die UV-A-Strahlung dominiert, während die UV-B-Strahlung nur einen geringen Bei-trag leistet. Die UV-A-Strahlung ist für circa 8 bis 14 % der Globalstrahlung verant-wortlich, wobei ihr Anteil wiederum von atmosphärischen Einflüssen abhängt. Bei starker und optisch dicker Bewölkung nimmt der Anteil des UV-A an der auf der Erd-oberfläche ankommenden Globalstrahlung zu. Durch die geringe Wellenlänge der UV-

< 950 kWh/m2a> 950 kWh/m2a

> 1000 kWh/m2a> 1050 kWh/m2a

> 1100 kWh/m2a> 1150 kWh/m2a

KielRostock

Hamburg

Bremen

MünsterEssen

Hannover Berlin

Kassel Leipzig

KölnDresden

FrankfurtTrier Nürnberg

Stuttgart

Ulm Passau

Freiburg München

325Rechnerische Bestimmung der solaren Strahlungseinwirkung auf Gebäudehüllen

strahlungsstärke hinsichtlich des jährlichen Verlaufes, des Standortes oder der Ausrich-tung der Gebäudehülle findet nicht statt. Dadurch bedingt werden diese Abhängigkeiten in den Prüfverfahren nicht hinreichend berücksichtigt. Aus diesem Grund beschreibt dieser Artikel mit der Betrachtung von Simulationsverfahren weitere Möglichkeiten zur Bestimmung der Strahlungseinwirkungen auf diese Bauteile. Dabei wird vor allem auf die Verwendung spezieller Klimarandbedingungen eingegangen, welche die solare Belastung realitätsnah abbilden. Für ein Beispielgebiet wird das Vorgehen zur Erzeu-gung eines Referenzdatensatzes beispielhaft erläutert. Die Nutzung der erzeugten Rand-bedingungen sowie die Auswertung der erhaltenen Ergebnisse werden ebenfalls aufge-zeigt und analysiert.


2.1 Strahlungstechnische Grundlagen

Unter dem Begriff der solaren Strahlung versteht man die von der Sonne ausgesandte Energieabstrahlung infolge der Fusion von Wasserstoff zu Helium. Beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre wird diese Strahlung in Abhängigkeit ihrer Wellenlänge mehr oder weniger stark absorbiert. Das gesamte elektromagnetische Spektrum der Sonne erstreckt sich über einen großen Wellenlängenbereich von circa 140 nm (UV-C) bis circa 10 cm (Mikrowelle) und hat sein Maximum bei circa 500 nm (blau-grünes Licht). Es ent-spricht der Ausstrahlung eines sogenannten schwarzen Körpers mit einer Temperatur von etwa 6000 K. Für das menschliche Auge ist dabei nur ein kleiner Bereich von etwa 380 nm bis 780 nm visuell wahrnehmbar (Bild 2-1).

Bild 2-1 Elektromagnetisches Spektrum der Sonne [2]

AM 1,5: Strahlungsleistung 1000W/m2AM 0: Strahlungsleistung 1367W/m2

Stra

hlun

gsin

tens

ität [

W/m

2 nm

]

ultraviolett sichtbar infrarot

500 1000 15000 2000 2500

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Wellenlänge [nm]


In der Meteorologie wird die am Boden von einer horizontalen Ebene empfangene Son-nenstrahlung als Globalstrahlung bezeichnet, welche sich aus direkter (Schatten werfen-de Strahlung) und gestreuter (diffuse Himmelsstrahlung) Strahlung zusammensetzt. Der jeweilige Anteil dieser beiden Strahlungsformen an der Globalstrahlung ist nicht stetig, sondern schwankt in Abhängigkeit verschiedener Parameter. So besteht sie zum Bei-spiel bei Sonnenhöhenwinkeln von mehr als 50° zu circa 3/4 aus direkter Strahlung, wohingegen ihr Anteil bei niedrigen Sonnenständen (bis etwa 10°) auf nur noch ca. 1/3 sinkt. Einfluss auf das Verhältnis von direkter zu diffuser Strahlung als auch auf den Gesamtwert, haben die Streuung an Luftmolekülen, Wolken- und Aerosolpartikeln, sowie die Absorption an Wasserdampf, Kohlendioxid und anderen atmosphärischen Spurengasen [3]. Für Deutschland hat dies zur Folge, dass regional unterschiedliche Mengen an Globalstrahlung auftreffen, wobei allgemein ein Nord-Süd-Gefälle erkenn-bar ist. Bild 2-2 zeigt hierfür die Verteilung.

Bild 2-2 Globalstrahlungskarte: jährliche Sonneneinstrahlung auf horizontale Flächen [2]

Der Anteil der Ultraviolettstrahlung (140 - 380 nm) an der Globalstrahlung wird durch die UV-A-Strahlung dominiert, während die UV-B-Strahlung nur einen geringen Bei-trag leistet. Die UV-A-Strahlung ist für circa 8 bis 14 % der Globalstrahlung verant-wortlich, wobei ihr Anteil wiederum von atmosphärischen Einflüssen abhängt. Bei starker und optisch dicker Bewölkung nimmt der Anteil des UV-A an der auf der Erd-oberfläche ankommenden Globalstrahlung zu. Durch die geringe Wellenlänge der UV-

< 950 kWh/m2a> 950 kWh/m2a

> 1000 kWh/m2a> 1050 kWh/m2a

> 1100 kWh/m2a> 1150 kWh/m2a

KielRostock

Hamburg

Bremen

MünsterEssen

Hannover Berlin

Kassel Leipzig

KölnDresden

FrankfurtTrier Nürnberg

Stuttgart

Ulm Passau

Freiburg München


Strahlung wird diese weniger durch Wasserdampfmoleküle (Wolken) reflektiert. Der UV-B-Anteil macht dagegen circa 1,5 % der Globalstrahlung aus und ist stärker vom Sonnenstand und dem atmosphärischen Ozongehalt abhängig. Es ist demnach schwie-rig, eine allgemein gültige Abhängigkeit zwischen UV- und Globalstrahlung zu ermit-teln [4].

2.2 Gebäudehülle

Die Gebäudehülle ist diejenige Fläche/Ebene, auf der die solare Strahlung auftrifft. Aufgrund der Vielzahl an Orientierungen und Ausrichtungen der zu einem Gebäude gehörenden Hüllflächen variieren der Einfallswinkel der Sonne und somit auch der Wert der auftreffenden Strahlung. In unseren Breiten ist die Summe der Globalstrahlung über das Jahr auf südorientierten Flächen mit etwa 30° Neigung zur Horizontalen am größten. Im nachfolgenden Bild 2-3 ist der prozentuale Wert der jährlichen Einstrahlung bezogen auf die Orientierung einer Fläche abgebildet, wenn die Einstrahlung auf eine horizontale Ebene 100 % beträgt.

Bild 2-3 Relative jährliche Einstrahlung auf unterschiedliche Flächenorientierungen in Deutschland im Vergleich zur Horizontalen [2]

Bedingt durch diese Vielzahl an Einflussfaktoren (sowohl meteorologisch als auch hüllflächengeometrisch) ist eine vereinfachte Abschätzung relativ schwierig und hat zudem nur eine grobe Aussagekraft. Rechnergestützte Simulationsverfahren verspre-chen hier mehr Erfolg und eine höhere Genauigkeit.

108

106

107

78 65

90

95

9991

80

70

48

10087 74 60

38109114

112

80

90°

45°30°

15° 0°

Nord

Ost

Süd

West

3 Strahlungsoptimiertes Testreferenzjahr


3.1 Grundlagen

Sämtliche mit Simulationssoftware erhaltenen Ergebnisse sind abhängig von den je-weils verwendeten Klimarandbedingungen. Insbesondere für dynamisch-thermische Gebäudesimulationen werden häufig die sogenannten Testreferenzjahre des Deutschen Wetterdienstes (TRY) verwendet. Diese werden aus mehreren, real gemessenen Zeitab-schnitten zusammengesetzt und repräsentieren somit den charakteristischen Witterungs-verlauf eines Jahres. Die Abschnitte wurden so ausgewählt, dass die Jahreszeitmittel-werte der einzelnen Wetterelemente möglichst gut mit einem langjährigen Mittelwert übereinstimmen [5].

Für insgesamt 15 verschiedene Klimazonen in Deutschland existieren diese Datensätze und beinhalten stündliche Werte für 365 Tage eines Jahres für eine Vielzahl an meteo-rologischen Parametern:

– Bedeckungsgrad (Bewölkung) – Windrichtung – Windgeschwindigkeit – Lufttemperatur – Luftdruck – Wasserdampfgehalt – relative Feuchte – direkte Sonnenbestrahlungsstärke – diffuse Sonnenbestrahlungsstärke

Hinsichtlich ihrer angestrebten Verwendung zur energetischen Betrachtung von Gebäu-den sind die Datensätze temperaturoptimiert. Das bedeutet, dass die verwendeten Zeit-abschnitte danach ausgesucht wurden, ob deren Lufttemperatur gut mit dem langjähri-gen Mittel der Lufttemperatur in der jeweiligen Klimazone übereinstimmt. Sämtliche anderen meteorologischen Parameter spielen nur eine untergeordnete Rolle. Dies hat zur Folge, dass die in den TRY vorhandenen Strahlungsdaten nicht das langjährige Mittel der solaren Strahlung in der jeweiligen Klimazone abbilden und somit für strahlungsori-entierte Betrachtungen nur bedingt einsetzbar sind. Für viele Stationen wurden zudem die Werte für direkte und diffuse Strahlung nur berechnet und nicht gemessen, wobei eine Reihe an Vereinfachungen bei der Berechnung vorgenommen wurde. Andere Wer-te wiederum wurden zwar gemessen, jedoch nicht an der jeweiligen Repräsentanzmess-station, sondern an einer benachbarten Wetterstation. So wurden z.B. die Strahlungsda-ten für die Station Essen an der Station Gelsenkirchen gemessen. Abgesehen davon basierte die Einteilung der 15 verschiedenen Klimazonen in Deutschland ebenfalls größ-tenteils auf der Lufttemperatur. Eine Gebietseinteilung Deutschlands basierend auf der globalen Strahlung würde wesentlich anders aussehen (vgl. Bild 2-1).


Strahlung wird diese weniger durch Wasserdampfmoleküle (Wolken) reflektiert. Der UV-B-Anteil macht dagegen circa 1,5 % der Globalstrahlung aus und ist stärker vom Sonnenstand und dem atmosphärischen Ozongehalt abhängig. Es ist demnach schwie-rig, eine allgemein gültige Abhängigkeit zwischen UV- und Globalstrahlung zu ermit-teln [4].

2.2 Gebäudehülle

Die Gebäudehülle ist diejenige Fläche/Ebene, auf der die solare Strahlung auftrifft. Aufgrund der Vielzahl an Orientierungen und Ausrichtungen der zu einem Gebäude gehörenden Hüllflächen variieren der Einfallswinkel der Sonne und somit auch der Wert der auftreffenden Strahlung. In unseren Breiten ist die Summe der Globalstrahlung über das Jahr auf südorientierten Flächen mit etwa 30° Neigung zur Horizontalen am größten. Im nachfolgenden Bild 2-3 ist der prozentuale Wert der jährlichen Einstrahlung bezogen auf die Orientierung einer Fläche abgebildet, wenn die Einstrahlung auf eine horizontale Ebene 100 % beträgt.

Bild 2-3 Relative jährliche Einstrahlung auf unterschiedliche Flächenorientierungen in Deutschland im Vergleich zur Horizontalen [2]

Bedingt durch diese Vielzahl an Einflussfaktoren (sowohl meteorologisch als auch hüllflächengeometrisch) ist eine vereinfachte Abschätzung relativ schwierig und hat zudem nur eine grobe Aussagekraft. Rechnergestützte Simulationsverfahren verspre-chen hier mehr Erfolg und eine höhere Genauigkeit.

108

106

107

78 65

90

95

9991

80

70

48

10087 74 60

38109114

112

80

90°

45°30°

15° 0°

Nord

Ost

Süd

West



3.1 Grundlagen

Sämtliche mit Simulationssoftware erhaltenen Ergebnisse sind abhängig von den je-weils verwendeten Klimarandbedingungen. Insbesondere für dynamisch-thermische Gebäudesimulationen werden häufig die sogenannten Testreferenzjahre des Deutschen Wetterdienstes (TRY) verwendet. Diese werden aus mehreren, real gemessenen Zeitab-schnitten zusammengesetzt und repräsentieren somit den charakteristischen Witterungs-verlauf eines Jahres. Die Abschnitte wurden so ausgewählt, dass die Jahreszeitmittel-werte der einzelnen Wetterelemente möglichst gut mit einem langjährigen Mittelwert übereinstimmen [5].

Für insgesamt 15 verschiedene Klimazonen in Deutschland existieren diese Datensätze und beinhalten stündliche Werte für 365 Tage eines Jahres für eine Vielzahl an meteo-rologischen Parametern:

– Bedeckungsgrad (Bewölkung) – Windrichtung – Windgeschwindigkeit – Lufttemperatur – Luftdruck – Wasserdampfgehalt – relative Feuchte – direkte Sonnenbestrahlungsstärke – diffuse Sonnenbestrahlungsstärke

Hinsichtlich ihrer angestrebten Verwendung zur energetischen Betrachtung von Gebäu-den sind die Datensätze temperaturoptimiert. Das bedeutet, dass die verwendeten Zeit-abschnitte danach ausgesucht wurden, ob deren Lufttemperatur gut mit dem langjähri-gen Mittel der Lufttemperatur in der jeweiligen Klimazone übereinstimmt. Sämtliche anderen meteorologischen Parameter spielen nur eine untergeordnete Rolle. Dies hat zur Folge, dass die in den TRY vorhandenen Strahlungsdaten nicht das langjährige Mittel der solaren Strahlung in der jeweiligen Klimazone abbilden und somit für strahlungsori-entierte Betrachtungen nur bedingt einsetzbar sind. Für viele Stationen wurden zudem die Werte für direkte und diffuse Strahlung nur berechnet und nicht gemessen, wobei eine Reihe an Vereinfachungen bei der Berechnung vorgenommen wurde. Andere Wer-te wiederum wurden zwar gemessen, jedoch nicht an der jeweiligen Repräsentanzmess-station, sondern an einer benachbarten Wetterstation. So wurden z.B. die Strahlungsda-ten für die Station Essen an der Station Gelsenkirchen gemessen. Abgesehen davon basierte die Einteilung der 15 verschiedenen Klimazonen in Deutschland ebenfalls größ-tenteils auf der Lufttemperatur. Eine Gebietseinteilung Deutschlands basierend auf der globalen Strahlung würde wesentlich anders aussehen (vgl. Bild 2-1).


All diese Punkte zeigen, dass die vorhandenen TRY für die Betrachtung der solaren Strahlung einen nur bedingt repräsentativen Charakter haben und bestimmte Parameter, wie z.B. die UV-A- und UV-B-Strahlung, gar nicht beinhalten. Die Erzeugung eines neuen, strahlungsoptimierten TRY bietet stattdessen die Möglichkeit, die hier genannten Defizite zu beheben und geeignete Randbedingungen als Eingabewerte für die Strah-lungsberechnung mit Simulationssoftware zu erhalten.

3.2 Struktur und Elemente des strahlungsoptimierten TRY

Das neu zu erzeugende strahlungsoptimierte Testreferenzjahr (soTRY) soll in seiner grundlegenden Struktur dem TRY des DWD entsprechen. Dies bedeutet sowohl die Einteilung Deutschlands in Gebiete mit bestimmten Strahlungsintensitäten als auch die Verwendung stündlicher Werte für 365 Tage eines Jahres. Die Datensätze beginnen jeweils in der 1. Stunde des 1. Januars eines Nicht-Schaltjahres, weshalb kein 29. Feb-ruar abgebildet wird. Weiterhin sind allgemeine Angaben, wie z.B. die Einheiten der jeweiligen meteorologischen Parameter oder Details über die Messstation von Bedeu-tung. Bei den eigentlichen meteorologischen Parametern kommen neben denen, die schon im TRY des DWD verwendet wurden, noch gemessene Werte für die UV-A- und UV-B-Strahlung hinzu, da diese speziell für Alterungstests von Bedeutung sind.

Bei der Wahl der Messstationen muss demnach darauf geachtet werden, dass diese auch Messwerte der UV-A- und UV-B-Strahlung aufzeichnen, was die Liste an möglichen Messstationen sehr stark eingeschränkt. Denn anders als bei der diffusen und direkten Strahlung wird die Strahlung im UV-Bereich nur an einigen wenigen Stationen erfasst. Das Bundesamt für Strahlenschutz betreibt hierzu seit 1993 in Zusammenarbeit mit dem Umweltbundesamt ein UV-Messnetz. Bis zum heutigen Zeitpunkt wurde mit fünf wei-teren Institutionen dieses Netz so ausgebaut, dass die solare Strahlung an allen strahlen-klimatologisch wichtigen Standorten Deutschlands kontinuierlich und spektral aufgelöst in Erdbodennähe gemessen wird (vgl. Bild 3-1) [6]. Die meisten Messdaten liegen an den vier seit 1993 errichteten Messstationen vor, sodass diese sich besonders für die Bildung eines mehrjährigen Strahlungsmittels eignen. Diese sind:

– Zingst (Ostseeküste) – Langen (bei Frankfurt am Main) – Schauinsland (Bergstation Südschwarzwald) – Neuherberg (Peripherie München)

Für die beispielhafte Erstellung eines soTRY werden zunächst Messdaten der Station Schauinsland verwendet, da diese in einem Gebiet mit hoher Solarstrahlung liegt und demnach einen relativ extremen Lastfall darstellt.


Bild 3-1 Solares UV-Messnetz in Deutschland [6]

3.3 Datenaufbereitung

Der zur Erstellung des soTRY verfügbare Datensatz beinhaltet Messwerte der Global-, UV-A- und UV-B-Strahlendosis an der Station Schauinsland in halbstündlicher Auflö-sung für die Jahre 2000 bis 2012, welche zunächst in stündliche Werte umgerechnet werden müssen. Messdaten zu anderen meteorologischen Parametern (z.B. Lufttempe-ratur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit usw.) wie in den alten TRY (siehe 3.1) sind für diesen Zeitraum nicht vorhanden, sodass diese nicht mit in die Erstellung des soTRY einfließen können. Zudem ist zu sagen, dass es vor allem bei der Globalstrah-lung häufiger Abschnitte gibt, in denen keine Messdaten vorhanden sind. Auch wenn die Datengrundlage nicht den Umfang besitzt, wie die zur Erstellung der TRY des DWD wird sich die Zusammensetzung des strahlungsoptimierten TRY dennoch größ-tenteils nach den Verfahren der TRY des DWD richten. Wie bereits erwähnt basiert das soTRY auf einer Aneinanderreihung von Zeitabschnitten, welche die folgenden Krite-rien erfüllen müssen [7]:

– Die Selektion der Abschnitte erfolgt unter strenger Bewahrung der Zuordnung eines Tages im Jahr, d.h. ein Abschnitt, der an Tag n beginnt kann auch nur ab Tag n in die synthetische Reihe eingebaut werden

– Ein Zeitreihensegment wird nur ein einziges Mal verwendet – Die bestmögliche Reproduktion von Faktoren wie dem mittleren Jahresgang der

Globalstrahlung bestimmt, ob ein Kandidaten-Segment verwendet wird oder nicht.


Die Auswahl geeigneter Segmente ist letztendlich folgendermaßen durchzuführen. Aus den vorliegenden Daten der 13 Jahre von 2000 bis 2012 werden für jeden Tag (1 bis 365) aller 13 Jahre die Tagessummen der Globalstrahlung gebildet. Anschließend er-folgt aus diesen Tagessummen die Bildung eines 13-jährigen Tagessummen-Mittelwertes für jeden der 365 Tage, wodurch ein mittleres Strahlungsjahr generiert wird. Die Tagessummen der einzelnen 13 Jahre und des mittleren Strahlungsjahres werden dann zu Segmentsummen unterschiedlicher Dauer (5 bis 10 Tage) zusammenge-fügt. Tabelle 3-1 zeigt dieses Vorgehen auszugsweise beispielhaft für ein beliebiges Jahr n. Diese Tabelle muss insgesamt 14-mal für die 13 Jahre und das mittlere Strah-lungsjahr erzeugt werden.

Tabelle 3-1 Ausschnitt segmentweise Summation der Globalstrahlung für das Jahr n

Tag Summe Globalstrahlung je Segmentlänge für das Jahr n

5 Tage 6 Tage 7 Tage … 10 Tage

3. Februar ∑ 3.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2. ∑ 3.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2. ∑ 3.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2.

∑ 3.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏2.2.

4. Februar ∑ 4.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2. ∑ 4.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2. ∑ 4.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏𝑏.2.

∑ 4.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏3.2.

Die unterschiedlich langen Segmentsummen (5 bis 10 Tage) des mittleren Strahlungs-jahres werden anschließend mit den jeweiligen unterschiedlich langen Segmentsummen der 13 real gemessenen Jahre verglichen. Für jede Segmentlänge wird nun das jeweilige real gemessene Strahlungssegment, dass zum gleichen Segment des mittleren Strah-lungsjahres die geringste Abweichung aufweist, ausgewählt und aufgelistet. Tabelle 3-2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus dieser Auflistung. Für jeden Tag eines Jahres ist für jede Segmentlänge der real gemessene Zeitabschnitt mit der geringsten prozentualen Abweichung von der dazugehörigen Segmentsumme des mittleren Strahlungsjahres zu sehen. Aus der erzeugten Auflistung werden letztendlich die einzelnen Strahlungsseg-mente entnommen, welche am besten mit dem mittleren Strahlungsjahr übereinstim-men.

Tabelle 3-2 Auswahl geeigneter Segmente für das soTRY

Tag Differenz Segmentlänge eines speziellen Jahres zum Mittelwert [%] 5 Tage 6 Tage 7 Tage 10 Tage

3. Februar 5

(3.2. bis 7.2.2001)

4 (3.2. bis 8.2.2003)

9 (3.2. bis 9.2.2010)

8 (3.2. bis 12.2.2001)

4. Februar 6

(4.2. bis 8.2.2005) 5

(4.2. bis 9.2.2001) 4,5

(4.2. bis 10.2.2008) 6

(4.2. bis 13.2.2009)

4 Rechnerische Bestimmung

Für die Zusammenstellung des soTRY würde man für den 3. Februar sechs Tage aus dem realen Jahr von 2003 entnehmen, da innerhalb dieser Zeitspanne die Segmentsum-me des realen Jahres 2003 der Segmentsumme des mittleren Strahlungsjahres am nächs-ten kommt. Da dieses Segment bis zum 8. Februar andauert muss ab dem 9. Februar erneut ein Segment ausgewählt werden. Würde man ab dem 3. Februar stattdessen das 5-tägige Segment aus 2001 verwenden, müsste man bereits für den 8. Februar ein weite-res Segment auswählen. Bei dem Übereinstimmungskriterium Globalstrahlungssumme muss darauf geachtet werden, dass Strahlungsdaten wesentlich anfälliger auf Verände-rungen reagieren als z.B. Temperaturen, wie sie als Kriterium bei den TRY des DWD verwendet wurden. Während z.B. die durchschnittliche Lufttemperatur pro Monat und Jahr nur in einem relativ geringen Bereich schwankt, kann der gemessene Wert der Globalstrahlung allein durch die Bewölkung zwischen verschiedenen Jahren sehr stark variieren. Bei der Bildung eines Mittelwertes aus einem Jahr mit sehr geringer und einem Jahr mit sehr hoher Strahlung, entsteht zwangsläufig ein mittlerer Wert für die Solarstrahlung, welcher extreme Werte nicht widergibt. Das neu erzeugte soTRY ist demnach auch darauf zu prüfen, dass die Verteilung maximaler und minimaler Strah-lungswerte den über die Jahre gemessenen Verläufen entspricht. Als Ergebnis dieses Vorgehens entsteht ein globalstrahlungsoptimiertes Testreferenzjahr mit stündlichen Werten zur Global-, UV-A- und UV-B-Strahlung für die Station Schauins-land/Schwarzwald, bestehend aus realen Wettersegmenten der Jahre 2000 bis 2012. Weitere meteorologische Parameter sind nicht enthalten.


Die im soTRY aufbereiteten Daten der Global-, UV-A- und UV-B-Strahlung sind real gemessene Werte auf eine horizontale Fläche. Da es im Bauwesen jedoch eine Vielzahl an Einbausituationen gibt, die sich von der horizontalen Ebene unterscheiden (z.B. Schrägdach oder Fassade), muss der Wert der solaren Einstrahlung für diese Orientie-rungen umgerechnet werden. Weitere Faktoren, wie z.B. Sonnenstand und Bewölkung, beeinflussen ebenfalls das Maß der einfallenden Strahlung. Mit dem dynamisch thermi-schen Gebäudesimulationsprogramm EDSL TAS ist es möglich, die solare Strahlung auf beliebig ausgerichtete Oberflächen in Abhängigkeit der geografischen Lage und der durch das soTRY vorgegebenen meteorologischen Randbedingungen für jede Stunde eines Jahres zu bestimmen. Mit der Software, welche in der Praxis hauptsächlich zur energetischen Betrachtung von Gebäuden verwendet wird, lassen sich Gebäude samt Bauteilen und Bauteilgeometrien sowie deren jeweiliger Ausrichtung über eine CAD-Oberfläche eingeben. Durch die Festlegung der geografischen Lage kann für jedes Bau-teil der Einfluss des Sonnenstandes für jede Stunde im Jahr abgebildet werden. Um die Auswirkungen der Orientierung der Flächen auf den Wert der solaren Einstrahlung zu ermitteln, wird mit dem Simulationsprogramm eine Kuppel modelliert, deren Oberflä-chen insgesamt 49 verschiedene Ausrichtungen aufweisen. Für die acht Himmelsrich-tungen Nord, Nordost, Ost, Südost, Süd, Südwest, West und Nordwest werden jeweils sechs Oberflächen mit einer Neigung zur Horizontalen von 15°, 30°, 45°, 60°, 75° und


Die Auswahl geeigneter Segmente ist letztendlich folgendermaßen durchzuführen. Aus den vorliegenden Daten der 13 Jahre von 2000 bis 2012 werden für jeden Tag (1 bis 365) aller 13 Jahre die Tagessummen der Globalstrahlung gebildet. Anschließend er-folgt aus diesen Tagessummen die Bildung eines 13-jährigen Tagessummen-Mittelwertes für jeden der 365 Tage, wodurch ein mittleres Strahlungsjahr generiert wird. Die Tagessummen der einzelnen 13 Jahre und des mittleren Strahlungsjahres werden dann zu Segmentsummen unterschiedlicher Dauer (5 bis 10 Tage) zusammenge-fügt. Tabelle 3-1 zeigt dieses Vorgehen auszugsweise beispielhaft für ein beliebiges Jahr n. Diese Tabelle muss insgesamt 14-mal für die 13 Jahre und das mittlere Strah-lungsjahr erzeugt werden.

Tabelle 3-1 Ausschnitt segmentweise Summation der Globalstrahlung für das Jahr n

Tag Summe Globalstrahlung je Segmentlänge für das Jahr n

5 Tage 6 Tage 7 Tage … 10 Tage

3. Februar ∑ 3.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2. ∑ 3.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2. ∑ 3.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2.

∑ 3.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏2.2.

4. Februar ∑ 4.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2. ∑ 4.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏.2. ∑ 4.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏𝑏.2.

∑ 4.2. 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑏3.2.

Die unterschiedlich langen Segmentsummen (5 bis 10 Tage) des mittleren Strahlungs-jahres werden anschließend mit den jeweiligen unterschiedlich langen Segmentsummen der 13 real gemessenen Jahre verglichen. Für jede Segmentlänge wird nun das jeweilige real gemessene Strahlungssegment, dass zum gleichen Segment des mittleren Strah-lungsjahres die geringste Abweichung aufweist, ausgewählt und aufgelistet. Tabelle 3-2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus dieser Auflistung. Für jeden Tag eines Jahres ist für jede Segmentlänge der real gemessene Zeitabschnitt mit der geringsten prozentualen Abweichung von der dazugehörigen Segmentsumme des mittleren Strahlungsjahres zu sehen. Aus der erzeugten Auflistung werden letztendlich die einzelnen Strahlungsseg-mente entnommen, welche am besten mit dem mittleren Strahlungsjahr übereinstim-men.

Tabelle 3-2 Auswahl geeigneter Segmente für das soTRY

Tag Differenz Segmentlänge eines speziellen Jahres zum Mittelwert [%] 5 Tage 6 Tage 7 Tage 10 Tage

3. Februar 5

(3.2. bis 7.2.2001)

4 (3.2. bis 8.2.2003)

9 (3.2. bis 9.2.2010)

8 (3.2. bis 12.2.2001)

4. Februar 6

(4.2. bis 8.2.2005) 5

(4.2. bis 9.2.2001) 4,5

(4.2. bis 10.2.2008) 6

(4.2. bis 13.2.2009)


Für die Zusammenstellung des soTRY würde man für den 3. Februar sechs Tage aus dem realen Jahr von 2003 entnehmen, da innerhalb dieser Zeitspanne die Segmentsum-me des realen Jahres 2003 der Segmentsumme des mittleren Strahlungsjahres am nächs-ten kommt. Da dieses Segment bis zum 8. Februar andauert muss ab dem 9. Februar erneut ein Segment ausgewählt werden. Würde man ab dem 3. Februar stattdessen das 5-tägige Segment aus 2001 verwenden, müsste man bereits für den 8. Februar ein weite-res Segment auswählen. Bei dem Übereinstimmungskriterium Globalstrahlungssumme muss darauf geachtet werden, dass Strahlungsdaten wesentlich anfälliger auf Verände-rungen reagieren als z.B. Temperaturen, wie sie als Kriterium bei den TRY des DWD verwendet wurden. Während z.B. die durchschnittliche Lufttemperatur pro Monat und Jahr nur in einem relativ geringen Bereich schwankt, kann der gemessene Wert der Globalstrahlung allein durch die Bewölkung zwischen verschiedenen Jahren sehr stark variieren. Bei der Bildung eines Mittelwertes aus einem Jahr mit sehr geringer und einem Jahr mit sehr hoher Strahlung, entsteht zwangsläufig ein mittlerer Wert für die Solarstrahlung, welcher extreme Werte nicht widergibt. Das neu erzeugte soTRY ist demnach auch darauf zu prüfen, dass die Verteilung maximaler und minimaler Strah-lungswerte den über die Jahre gemessenen Verläufen entspricht. Als Ergebnis dieses Vorgehens entsteht ein globalstrahlungsoptimiertes Testreferenzjahr mit stündlichen Werten zur Global-, UV-A- und UV-B-Strahlung für die Station Schauins-land/Schwarzwald, bestehend aus realen Wettersegmenten der Jahre 2000 bis 2012. Weitere meteorologische Parameter sind nicht enthalten.


Die im soTRY aufbereiteten Daten der Global-, UV-A- und UV-B-Strahlung sind real gemessene Werte auf eine horizontale Fläche. Da es im Bauwesen jedoch eine Vielzahl an Einbausituationen gibt, die sich von der horizontalen Ebene unterscheiden (z.B. Schrägdach oder Fassade), muss der Wert der solaren Einstrahlung für diese Orientie-rungen umgerechnet werden. Weitere Faktoren, wie z.B. Sonnenstand und Bewölkung, beeinflussen ebenfalls das Maß der einfallenden Strahlung. Mit dem dynamisch thermi-schen Gebäudesimulationsprogramm EDSL TAS ist es möglich, die solare Strahlung auf beliebig ausgerichtete Oberflächen in Abhängigkeit der geografischen Lage und der durch das soTRY vorgegebenen meteorologischen Randbedingungen für jede Stunde eines Jahres zu bestimmen. Mit der Software, welche in der Praxis hauptsächlich zur energetischen Betrachtung von Gebäuden verwendet wird, lassen sich Gebäude samt Bauteilen und Bauteilgeometrien sowie deren jeweiliger Ausrichtung über eine CAD-Oberfläche eingeben. Durch die Festlegung der geografischen Lage kann für jedes Bau-teil der Einfluss des Sonnenstandes für jede Stunde im Jahr abgebildet werden. Um die Auswirkungen der Orientierung der Flächen auf den Wert der solaren Einstrahlung zu ermitteln, wird mit dem Simulationsprogramm eine Kuppel modelliert, deren Oberflä-chen insgesamt 49 verschiedene Ausrichtungen aufweisen. Für die acht Himmelsrich-tungen Nord, Nordost, Ost, Südost, Süd, Südwest, West und Nordwest werden jeweils sechs Oberflächen mit einer Neigung zur Horizontalen von 15°, 30°, 45°, 60°, 75° und


90° sowie eine horizontale Fläche definiert. Für jede dieser Oberflächen wird anschlie-ßend der stündliche Wert der solaren Einstrahlung errechnet, womit bei einem Betrach-tungszeitraum von einem Jahr 8760 Werte pro Oberfläche entstehen. Durch diese feine Aufgliederung kann der Einfluss des Sonnenganges und der Jahreszeit auf das Maß der Strahlungseinwirkung sehr gut nachverfolgt werden. Zur visuellen Betrachtung werden die Ergebnisse auf der erzeugten Kuppel aufgetragen. Die Bilder 4-1 und 4-2 zeigen die modellierte Kuppel mit den verschieden ausgerichteten Oberflächen sowie die Visuali-sierung der Ergebnisse.

Bild 4-1 Kuppel mit 49 verschieden orientierten Oberflächen

Bild 4-2 Darstellung der Ergebnisse

5 Ergebnisse

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen beispielhaft den Verlauf der Global- und UV-Strahlung sowohl für den Sommer (20.06. bis 22.06.) als auch für den Winter (20.12. bis 22.12.) an drei unterschiedlich orientierten Oberflächen für das generierte soTRY. Beim Vergleich der Ergebnisse ist darauf zu achten, dass die Einteilung der Ordinate zwischen den Diagrammen zur Globalstrahlung und den Diagrammen zur UV-Strahlung variiert. Die betrachteten Zeiträume wurden so gewählt, um sowohl Ergebnis-se für den Zeitabschnitt mit den meisten als auch den Zeitabschnitt mit den wenigsten Sonnenstunden zu erhalten.

Nord

Ost

Süd

West

0 °15 °

30

45 °

60 °

75 °

90 °

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

27. Juni, Tag 178,Stunde 12

Solarstrahlung[W/m²]

100

300

500

700

900

1100

1300

5 Ergebnisse

Bild 5-1 Verlauf der Globalstrahlung im Sommer an unterschiedlich orientierten Flächen

Bild 5-2 Verlauf der Globalstrahlung im Winter an unterschiedlich orientierten Flächen

Bild 5-3 Verlauf der UV-Strahlung im Sommer an unterschiedlich orientierten Flächen

Bild 5-4 Verlauf der UV-Strahlung im Winter an unterschiedlich orientierten Flächen

Die Ergebnisse zeigen zum einen eine deutliche Abhängigkeit zwischen dem Wert der jeweiligen Strahlung und der Orientierung der Fläche. Zum anderen kann es innerhalb einiger Tage zu relativ großen Schwankungen kommen, was vor allem auf die Anfällig-keit der Solarstrahlung in Bezug auf äußere Witterungseinflüsse zurückzuführen ist. In Bild 5-1 und 5-2 fällt der Wert der Globalstrahlung auf der Fläche West 45° im Ver-gleich zu Ost 45° höher aus. Betrachtet man dagegen die UV-Strahlung auf die Flächen Ost 45° und West 45° in Bild 5-3 und 5-4 fällt auf, dass hier der Unterschied wesentlich geringer ausfällt und die Kurven der beiden Flächen zwar zeitlich versetzt, aber sehr homogen verlaufen. Eine mögliche Ursache hierfür könnte eine stärkere Bewölkung am Vormittag sein, da diese einen großen Einfluss auf den Wert der Globalstrahlung, aber kaum auf die UV-Strahlung hat. Da für die Messstation Schauinsland/Schwarzwald keine Daten zum Bewölkungsgrad vorliegen kann diese These jedoch nicht näher unter-sucht werden. Weiterhin wurde der jährliche Verlauf der Strahlungssumme für Global- und UV-Strahlung für verschieden geneigte Oberflächen untersucht. Die Bilder 5-5 und 5-6 zeigen für die Betrachtung von südlich orientierten Flächen in 90°- und 30°-Neigung sowie dem Zenit (horizontale Fläche) den Verlauf der beiden Strahlungsarten.

Glo

bals

trahl

ung

[W/m

²]

Süd 45°Ost 45° West 45°

1200

20.6.0 Uhr

20.6.12 Uhr

21.6.0 Uhr

21.6.12 Uhr

22.6.0 Uhr

22.6.12 Uhr

900

600

300

0

Glo

bals

trahl

ung

[W/m

²]


1200

20.12.0 Uhr

20.12.12 Uhr

21.12.0 Uhr

21.12.12 Uhr

22.12.0 Uhr

22.12.12 Uhr

900

600

300

0

UV-

Stra

hlun

g [W

/m²]


60

20.6.0 Uhr

20.6.12 Uhr

21.6.0 Uhr

21.6.12 Uhr

22.6.0 Uhr

22.6.12 Uhr

45

30

15

0

UV-

Stra

hlun

g [W

/m²]


60

20.12.0 Uhr

20.12.12 Uhr

21.12.0 Uhr

21.12.12 Uhr

22.12.0 Uhr

22.12.12 Uhr

45

30

15

0


90° sowie eine horizontale Fläche definiert. Für jede dieser Oberflächen wird anschlie-ßend der stündliche Wert der solaren Einstrahlung errechnet, womit bei einem Betrach-tungszeitraum von einem Jahr 8760 Werte pro Oberfläche entstehen. Durch diese feine Aufgliederung kann der Einfluss des Sonnenganges und der Jahreszeit auf das Maß der Strahlungseinwirkung sehr gut nachverfolgt werden. Zur visuellen Betrachtung werden die Ergebnisse auf der erzeugten Kuppel aufgetragen. Die Bilder 4-1 und 4-2 zeigen die modellierte Kuppel mit den verschieden ausgerichteten Oberflächen sowie die Visuali-sierung der Ergebnisse.

Bild 4-1 Kuppel mit 49 verschieden orientierten Oberflächen

Bild 4-2 Darstellung der Ergebnisse

5 Ergebnisse

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen beispielhaft den Verlauf der Global- und UV-Strahlung sowohl für den Sommer (20.06. bis 22.06.) als auch für den Winter (20.12. bis 22.12.) an drei unterschiedlich orientierten Oberflächen für das generierte soTRY. Beim Vergleich der Ergebnisse ist darauf zu achten, dass die Einteilung der Ordinate zwischen den Diagrammen zur Globalstrahlung und den Diagrammen zur UV-Strahlung variiert. Die betrachteten Zeiträume wurden so gewählt, um sowohl Ergebnis-se für den Zeitabschnitt mit den meisten als auch den Zeitabschnitt mit den wenigsten Sonnenstunden zu erhalten.

Nord

Ost

Süd

West

0 °15 °

30

45 °

60 °

75 °

90 °

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

27. Juni, Tag 178,Stunde 12

Solarstrahlung[W/m²]

100

300

500

700

900

1100

1300

5 Ergebnisse

Bild 5-1 Verlauf der Globalstrahlung im Sommer an unterschiedlich orientierten Flächen

Bild 5-2 Verlauf der Globalstrahlung im Winter an unterschiedlich orientierten Flächen

Bild 5-3 Verlauf der UV-Strahlung im Sommer an unterschiedlich orientierten Flächen

Bild 5-4 Verlauf der UV-Strahlung im Winter an unterschiedlich orientierten Flächen

Die Ergebnisse zeigen zum einen eine deutliche Abhängigkeit zwischen dem Wert der jeweiligen Strahlung und der Orientierung der Fläche. Zum anderen kann es innerhalb einiger Tage zu relativ großen Schwankungen kommen, was vor allem auf die Anfällig-keit der Solarstrahlung in Bezug auf äußere Witterungseinflüsse zurückzuführen ist. In Bild 5-1 und 5-2 fällt der Wert der Globalstrahlung auf der Fläche West 45° im Ver-gleich zu Ost 45° höher aus. Betrachtet man dagegen die UV-Strahlung auf die Flächen Ost 45° und West 45° in Bild 5-3 und 5-4 fällt auf, dass hier der Unterschied wesentlich geringer ausfällt und die Kurven der beiden Flächen zwar zeitlich versetzt, aber sehr homogen verlaufen. Eine mögliche Ursache hierfür könnte eine stärkere Bewölkung am Vormittag sein, da diese einen großen Einfluss auf den Wert der Globalstrahlung, aber kaum auf die UV-Strahlung hat. Da für die Messstation Schauinsland/Schwarzwald keine Daten zum Bewölkungsgrad vorliegen kann diese These jedoch nicht näher unter-sucht werden. Weiterhin wurde der jährliche Verlauf der Strahlungssumme für Global- und UV-Strahlung für verschieden geneigte Oberflächen untersucht. Die Bilder 5-5 und 5-6 zeigen für die Betrachtung von südlich orientierten Flächen in 90°- und 30°-Neigung sowie dem Zenit (horizontale Fläche) den Verlauf der beiden Strahlungsarten.

Glo

bals

trahl

ung

[W/m

²]


1200

20.6.0 Uhr

20.6.12 Uhr

21.6.0 Uhr

21.6.12 Uhr

22.6.0 Uhr

22.6.12 Uhr

900

600

300

0

Glo

bals

trahl

ung

[W/m

²]


1200

20.12.0 Uhr

20.12.12 Uhr

21.12.0 Uhr

21.12.12 Uhr

22.12.0 Uhr

22.12.12 Uhr

900

600

300

0

UV-

Stra

hlun

g [W

/m²]


60

20.6.0 Uhr

20.6.12 Uhr

21.6.0 Uhr

21.6.12 Uhr

22.6.0 Uhr

22.6.12 Uhr

45

30

15

0

UV-

Stra

hlun

g [W

/m²]


60

20.12.0 Uhr

20.12.12 Uhr

21.12.0 Uhr

21.12.12 Uhr

22.12.0 Uhr

22.12.12 Uhr

45

30

15

0


Auch hier ist wieder zu beachten, dass sich die Skalierung der Ordinate zwischen Bild 5-5 und Bild 5-6 verändert.

Bild 5-5 Jährlicher Verlauf der Globalstrahlung an unterschiedlich orientierten Flächen

Bild 5-6 Jährlicher Verlauf der UV-Strahlung an unterschiedlich orientierten Flächen

Auch in diesen Bildern ist die Abhängigkeit zwischen dem Wert der Strahlung und der Orientierung der Fläche gut zu erkennen. Zudem zeigt sich, dass die auftreffende Strah-lung über das Jahr mehr oder weniger stark schwankt. Haben die Kurven für die Fläche Süd 30° und den Zenit ihr Maximum im Monat Juni, zeigen sich bei der Fläche Süd 90° eher ein Minimum im Juni und zwei Maxima im März und Oktober, auch wenn deren Wert unterschiedlich hoch ausfällt. Die Ursache für diese Ergebnisse liegt vor allem im Sonnenstandsverlauf und der Tatsache, dass die Energieausbeute pro Quadratmeter umso höher wird, je mehr eine Fläche zur Sonne ausgerichtet ist. Bild 5-7 zeigt ab-schließend die Verteilung der stündlichen Strahlungsenergie sowohl für Global- als

Glo

bals

trahl

ung

[kW

/m²]

Süd 30°Süd 90° Zenit

200

Jan

160

80

40

0

120

Feb Mrz Apr Mai Jun Jul DezAug Sep NovOkt

UV-

Stra

hlun

g [k

W/m

²]


10

Jan

8

4

2

0

6


6 Wertung und Ausblick

auch UV-Strahlung auf eine Südfläche mit einer Neigung von 30° zur Horizontalen. Die Werte sind hier geordnet, beginnend mit dem höchsten aufgelistet. Ähnlich wie auch in den Bildern 5-1 bis 5-6 würden Kurven von Flächen mit einer anderen Neigung deutli-che anders verlaufen.

Bild 5-7 Auflistung der Strahlungsenergie pro Stunde für Global- und UV-Strahlung, beginnend mit dem höchsten


Die Solare Einstrahlung kann bei Kunststoffen zu Materialveränderungen und damit zur Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit führen. Möchte man diese Materialbeanspruchun-gen auf den Labormaßstab übertragen, dann bedarf es der genauen Kenntnis der Ein-wirkungen auf die Gebäudehülle. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die solare Strahlungsbelastung von Bauteilen stark von deren Orientierung und den jeweiligen, am Standort vorherrschenden Witterungseinflüssen abhängig ist. Mit Hilfe von Simulati-onssoftware ist es möglich, diese Einwirkung zu bestimmen, solange man zuverlässige Klimarandbedingungen zur Verfügung hat. Anhand der Station Schauinsland wurde beispielhaft das Vorgehen zur Erstellung eines repräsentativen Klimadatensatzes zur Abbildung der Einwirkungen Global-, UV-A- und UV-B-Strahlung aufgezeigt. Die Tatsache, dass die zur Verfügung stehenden Messdaten nicht bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts zurückgehen und diese zudem teilweise auch große Lücken aufweisen zeigt, dass die hier gezeigten Ergebnisse nur ein Anfang sind und die gebildeten Mittel-werte der Global- und UV-Strahlung in Zukunft mit weiteren Daten untersetzt werden müssen. Um den generierten Datensatz qualitativ weiter zu verbessern sollten zudem weitere Parameter, wie z.B. Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit usw. an den UV-Messstationen aufgezeichnet werden. Ziel zukünftiger Untersuchungen wird die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf bisherige Umweltsimulations-verfahren sein. Die Basis für diese Prüfverfahren bilden heute solare Bestrahlungsstär-

Glo

bals

trahl

ungs

ener

gie

[Wh/

m²]

Global Süd 30° UV Süd 30°

1500

0

1200

600

300

0

900

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 50004500

Sonnenstunden [h]

100

80

40

20

0

60

UV-

Stra

hlun

gsen

ergi

e [W

h/m

²]


Auch hier ist wieder zu beachten, dass sich die Skalierung der Ordinate zwischen Bild 5-5 und Bild 5-6 verändert.

Bild 5-5 Jährlicher Verlauf der Globalstrahlung an unterschiedlich orientierten Flächen

Bild 5-6 Jährlicher Verlauf der UV-Strahlung an unterschiedlich orientierten Flächen

Auch in diesen Bildern ist die Abhängigkeit zwischen dem Wert der Strahlung und der Orientierung der Fläche gut zu erkennen. Zudem zeigt sich, dass die auftreffende Strah-lung über das Jahr mehr oder weniger stark schwankt. Haben die Kurven für die Fläche Süd 30° und den Zenit ihr Maximum im Monat Juni, zeigen sich bei der Fläche Süd 90° eher ein Minimum im Juni und zwei Maxima im März und Oktober, auch wenn deren Wert unterschiedlich hoch ausfällt. Die Ursache für diese Ergebnisse liegt vor allem im Sonnenstandsverlauf und der Tatsache, dass die Energieausbeute pro Quadratmeter umso höher wird, je mehr eine Fläche zur Sonne ausgerichtet ist. Bild 5-7 zeigt ab-schließend die Verteilung der stündlichen Strahlungsenergie sowohl für Global- als

Glo

bals

trahl

ung

[kW

/m²]


200

Jan

160

80

40

0

120


UV-

Stra

hlun

g [k

W/m

²]


10

Jan

8

4

2

0

6



auch UV-Strahlung auf eine Südfläche mit einer Neigung von 30° zur Horizontalen. Die Werte sind hier geordnet, beginnend mit dem höchsten aufgelistet. Ähnlich wie auch in den Bildern 5-1 bis 5-6 würden Kurven von Flächen mit einer anderen Neigung deutli-che anders verlaufen.

Bild 5-7 Auflistung der Strahlungsenergie pro Stunde für Global- und UV-Strahlung, beginnend mit dem höchsten


Die Solare Einstrahlung kann bei Kunststoffen zu Materialveränderungen und damit zur Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit führen. Möchte man diese Materialbeanspruchun-gen auf den Labormaßstab übertragen, dann bedarf es der genauen Kenntnis der Ein-wirkungen auf die Gebäudehülle. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die solare Strahlungsbelastung von Bauteilen stark von deren Orientierung und den jeweiligen, am Standort vorherrschenden Witterungseinflüssen abhängig ist. Mit Hilfe von Simulati-onssoftware ist es möglich, diese Einwirkung zu bestimmen, solange man zuverlässige Klimarandbedingungen zur Verfügung hat. Anhand der Station Schauinsland wurde beispielhaft das Vorgehen zur Erstellung eines repräsentativen Klimadatensatzes zur Abbildung der Einwirkungen Global-, UV-A- und UV-B-Strahlung aufgezeigt. Die Tatsache, dass die zur Verfügung stehenden Messdaten nicht bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts zurückgehen und diese zudem teilweise auch große Lücken aufweisen zeigt, dass die hier gezeigten Ergebnisse nur ein Anfang sind und die gebildeten Mittel-werte der Global- und UV-Strahlung in Zukunft mit weiteren Daten untersetzt werden müssen. Um den generierten Datensatz qualitativ weiter zu verbessern sollten zudem weitere Parameter, wie z.B. Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit usw. an den UV-Messstationen aufgezeichnet werden. Ziel zukünftiger Untersuchungen wird die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf bisherige Umweltsimulations-verfahren sein. Die Basis für diese Prüfverfahren bilden heute solare Bestrahlungsstär-

Glo

bals

trahl

ungs

ener

gie

[Wh/

m²]

Global Süd 30° UV Süd 30°

1500

0

1200

600

300

0

900

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 50004500

Sonnenstunden [h]

100

80

40

20

0

60

UV-

Stra

hlun

gsen

ergi

e [W

h/m

²]


ken auf horizontale Flächen unter typischen atmosphärischen Bedingungen [1]. Durch die durchgeführten Simulationen konnten neigungs- und richtungsabhängige Werte der Bestrahlungsstärke gewonnen werden. Damit kann mit der Anpassung gängiger Prüf-verfahren und Prüfbedingungen an reale Einwirkungen begonnen werden, um mittelfris-tig zu einer beanspruchungsgerechten Untersuchung der eingesetzten Kunststoffe über-zugehen.

7 Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förde-rung der Forschungsprojekte REGKLAM und GLASKONNEX-Transfer, durch welche grundlegendes Wissen über die hier aufgezeigte Problemstellung entstanden ist.

Ein besonderer Dank gilt zudem dem Deutschen Wetterdienst sowie dem Bundesamt für Strahlenschutz für die Bereitstellung der Messdaten von Global-, UV-A- und UV-B-Strahlung.

8 Literatur

[1] Internationale Beleuchtungskommision (CIE): Solar spectral irradiance. CIE-Publication 85, Fassung 1989. Wien, CIE, 1989.

[2] Weller, B.; Hemmerle, C.; Jakubetz, S.; Unnewehr, S.: Detail Praxis Photovolta-ik. Technik, Gestaltung, Konstruktion. München: Institut für internationale Ar-chitekturdokumentation, 2009.

[3] Deutscher Wetterdienst – Abteilung Klima- und Umweltberatung: Allgemeines zur Globalstrahlung. Hamburg, 2005.

[4] Riecke, W.: Email-Verkehr – AW: Frage zu Globalstrahlungsdaten. Hamburg, 26.06.2013.

[5] Christoffer, J.; Deutschländer, T.; Webs, M: Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse TRY. Offenbach, 2004.

[6] Bundesamt für Strahlenschutz: Solare bodennahe UV-Strahlung in Deutschland – Jahresberichte über das solare UV-MESSNETZ in Deutschland (sUV-Mo-Net). Salzgitter, 2011.

[7] Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung: Projektbericht – Aktualisierte und erweiterte Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere, extreme und zukünfti-ge Witterungsverhältnisse. Offenbach, 2011.

Flüssigkristallbasierte Verglasung zur Regelung des Licht- und Energieeintrags in Gebäude

Dr.-Ing. Walter Haase1, Mgr Inż. Arch. Marzena Husser1, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Werner Sobek1,2,3, Dipl.-Ing. Eberhard Kurz4, Dipl.-Ing. Lothar Rau4, Prof. Dr.-Ing. Norbert Frühauf4

1 ILEK, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 14,

70569 Stuttgart, Deutschland

2 Werner Sobek Group GmbH, Albstraße 14, 70597 Stuttgart, Deutschland

3 IIT, Illinois Institute of Technology, 3300 South Federal Street, Chicago, IL 60616-3793, USA

4 IGM, Institut für Großflächige Mikroelektronik, Universität Stuttgart, Allmandring 3b, 70569 Stutt-

gart, Deutschland

Herkömmliche Gebäudeverglasungen können auf Veränderungen der Außen- und der Innenraumsi-tuation nur eingeschränkt oder überhaupt nicht reagieren. Von den Autoren wird ein schaltbares System zur Regelung des Licht- und Energieeintrags vorgestellt. Dieses System beruht auf der Funktionsweise einer verdrillt-nematischen Flüssigkristallzelle. Durch die Verwendung eines sol-chen schaltbaren Systems in einem Isolierglasverbund kann eine Anpassungsfähigkeit der Gebäu-dehülle erzielt werden, die sowohl eine gute Verschattungsregelung als auch die Optimierung der Tageslichtsituation und eine Kontrolle des Energieeintrags ins Gebäude gewährleistet. Nachfolgend werden Forschungsergebnisse zur Herstellbarkeit, zu den erzielbaren optischen und bauphysikali-schen Eigenschaften des Systems sowie zu dessen Langzeitstabilität dargestellt.

Liquid Crystal Based Glazing System for the Control of Light and Energy Flux into Buildings. Static glazing systems are subject to vast limitations concerning their reaction to changes in the exterior and the interior conditions. Therefore a switchable glazing system was developed by the authors. The system is based on modified twisted nematic liquid crystal cells. Due to the unique characteristics of this glazing system, shading control, optimized daylight management, as well as control of the energy flux into the building are possible. The functional principle, manufacturability and some properties of this adaptive system are further presented within the article.

Schlagwörter: schaltbare Verglasung, Adaptivität, Flüssigkristall

Keywords: switchable glazing, adaptability, liquid crystal

1 Einführung

Die Gebäudehülle bildet die Schnittstelle zwischen Innen- und Außenraum und muss komplexe Aufgaben erfüllen. Einerseits bietet sie Schutz vor unerwünschten Außenein-flüssen, andererseits lässt sie gewünschte Außeneinflüsse wie Tageslicht ins Gebäude-innere. Da die Außenbedingungen und die Nutzeranforderungen variieren, ist zur Erzie-

Rechnerische Bestimmung der solaren Strahlungseinwirkung auf Gebäudehüllen

Documents

Transcript of Rechnerische Bestimmung der solaren Strahlungseinwirkung auf Gebäudehüllen