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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.