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[ Forschung ]

Form follows Energy

Gestaltete Technik: Wie beeinflusst die Gebäudeform die Effizienz von Solartechnologie? Am besten sind unkonventionelle, asymmetrische Baukörper.

Halbtonne: Wie wird die solare Exposition einer Photovoltaik-Dachfläche verbessert? Indem etwa ihre Form die Bahn der Sonne nachvollzieht (Feuerwehrhaus in Houton, Niederlande, von Samyn and Partners, architects & engineers).

Christina Rullán Lemke

Zur Gewinnung von Solarenergie sind Gebäude prädestiniert. Selbst an ungünstigen Standorten fällt auf deren Gesamt­oberfläche ein Vielfaches der zum Betrieb notwendigen Energie in Form solarer Strahlung. Dieses Potenzial kann der Gebäudesektor ausschöpfen, wenn ein nennenswerter Anteil der Oberflächen solar bestückt ist und die einzelnen Teiloberflächen entsprechend dem lokalen Strahlungsangebot geome­trisch optimiert werden. Was natürlich das eingeschlossene Gebäudevolumen und damit die Gebäudeform beeinflusst.

Über die Gebäudehülle wird nicht nur Energie gewonnen. In Abhängigkeit vom Außenklima des jeweiligen Standorts und vom mittleren Dämmstandard entstehen dort Transmissionsverluste. Deren Minimierung stand bisher im Fokus des energieoptimierten Bauens. Um die Verluste möglichst gering zu halten, fordert die sogenannte Verlustminimierungsstrategie eine stringente Reduktion der Gebäudeoberflächen, was zu möglichst kompakten Bauformen führt. Nach diesem Prinzip entstehen heute die meisten Häuser, um ihre Jahresenergiebilanz aufzubessern.

Nun kann sich aber die Nutzungsphase eines heute errichteten Hauses bis ins 22. Jahrhundert erstrecken, und die absehbare Verknappung fossiler Energieträger wird die Notwendigkeit erhöhen, auf erneuerbare Energie zu setzen. Form und Orientierung von Gebäuden können dann aber nicht mehr nachträglich an einen wachsenden Bedarf an solarer Nutzfläche angepasst werden.

Gewinnmaximierung statt Verlustminimierung lautet die Devise. Maximale Kompaktheit ist zudem nur so lange sinnvoll, wie der Dämmstandard der Außenhaut, der Wirkungsgrad der Solartechnik und der solare Belegungsgrad der Gebäudehülle noch vergleichsweise gering sind. Die Entwicklung der letzten Jahre zeigt aber, dass sich Wirkungsgrade stetig verbessern und Preise gleichzeitig sinken. Effizienz und Belegungsanteil werden wachsen – soweit, bis ab einem bestimmten Moment (Break-even-Point) die Gebäudehülle nicht mehr als Verlustfläche, sondern als Energiegewinnfläche zu bewerten ist.

Die intelligente Anpassung der Gebäudeform an das solare Strahlungsangebot am jeweiligen Standort wird die Kompaktheit ersetzen müssen. Welche Gebäudeformen sich unter energiegeometrischen Aspekten am besten eignen, ergab eine weltweite Formenstudie. Sie stellte eine Gruppe konventioneller Gebäudeformen einer Gruppe unkonventioneller Formen gegenüber, wobei alle ein konstantes Volumen von 1 000 m³ umfassten. Zur Gruppe konventioneller Formen zählen etwa Turm, Halle, Scheibe, Zeile, Würfel, Block und Satteldachhaus, zu den unkonventionellen zählen unter anderem schiefe Pyramiden, Halbtonne, Schrägfassade und Nurdachhaus (Grafik 1). Insgesamt betrachtete die Dissertation 64 unterschiedliche Formen.

Grafik 1

Um die Veränderungen während der Gebäudestandzeit abzubilden, wurden die drei Hüllenparameter Dämmstandard, Technologiewirkungsgrad und Belegungsgrad in ihrer möglichen Entwicklung betrachtet. Die künftige technologische Verbesserung der drei Parameter zeigt eine Zeitachse, die die Entwicklung von tendenziell schlechten zu guten Werten abbildet. So entstanden 45 Parameterkombinationen (Grafik 2), die auf die 64 Formen an 42 Standorten zwischen Nordpol und Äquator angewendet wurden. Die Dissertation analysiert und interpretierte die Einzelergebnisse der entstandenen mehr als 120 000 Kombinationsmöglichkeiten.

Die Ergebnisse (Auswahl):

I) Die Gebäudeform ist entscheidend für die Energiebilanz eines Hauses, besonders für sein solares Potenzial

Am Standort Madrid wurden für alle untersuchten Gebäudeformen die Energiebilanzen aus thermischen Verlusten und solaren Gewinnen über die Gebäudehülle berechnet. Die günstigste Form erzielt nach Abzug der thermischen Lasten einen solaren Überschuss von rund 14 400 kWh/a, die ungünstigste nur rund 900 kWh/a. Damit kann die Gebäudeform unter den konkreten lokalen Bedingungen die Energiebilanz mindestens mit dem Faktor 16 beeinflussen.

Bezieht man die erzielten Überschüsse auf die jeweilige innere Gebäudenutzfläche, stellt die beste Form rund 60 kWh/m²a zum autarken Betrieb zur Verfügung, die schlechteste nur 3 kWh/m²a. Diese Abweichung erklärt sich ausschließlich durch die unterschied­liche dreidimensionale Ausformung und betont die energetische Bedeutung der Formfindung in der frühen Entwurfsphase.

Auch in unseren Breitengraden oder selbst an Extrem­standorten kann es zu Energieüberschüssen kommen, die einen autarken Gebäudebetrieb ermöglichen. Das zeigen das Beispiel Berlin und eine Polarstation in der Arktis. Die NASA gibt für Berlin 3.817 Heiz- und 94 Kühlgradtage an, die zu­sammen einer thermischen Belastung der Gebäudehülle von 47 kWh/m²a (bei einem angenommenen mittleren Dämmwert von U = 0,5 W/m²K) entsprechen. Für die Polarstation ergibt sich trotz Annahme eines optimierten Wärmeschutzes von U = 0,1 W/m²K wegen der klimatischen Belastung von 13 086 Heiz- und Kühlgradtagen noch ein Verlust von 32 kWh/m²a.

Grafik 2

Den thermischen Verlusten stehen solare Gewinne gegenüber, die an beiden Standorten die am besten geeigneten
33 Prozent der Gebäudehülle und Solartechnologie mit 20 Prozent Wirkungsgrad erzielen. Nach NASA-Angaben steht in Berlin eine Globalstrahlung von 960 kWh/m²a zur Verfügung, für die Polarsta­tion sind es 710 kWh/m²a. Die Energiebilanzen aller 64 Formen der Studie wurden unter diesen Bedingungen an den Standorten Berlin und Station Nord berechnet.

In Berlin dominiert die Diffusstrahlung, während der Direktstrahlungsanteil eher gering ist. Erstere trifft – mit Ausnahme eines zirkumsolaren Anteils sowie der Horizonthelligkeit – aus dem gesamten halbkugelförmig gedachten Himmelsdom fast gleichmäßig auf die Horizontale. Da eine stark geneigte Empfangsfläche (etwa eine senkrechte Fassade) nur noch die Hälfte des Himmelsdoms „sieht“, empfängt sie auch nur die Hälfte der Energie der Diffusstrahlung. Die beste Form für Berlin benötigt daher flach geneigte Hülloberflächen.

Am Standort der Polarstation begünstigt die tief stehen-
de Sonne vertikale Empfangsflächen. Diese werden zudem – anders als flach geneigte Oberflächen – gut von bodenreflektierten Strahlungsanteilen getroffen. Ein Effekt, der im Polargebiet wegen der ganzjährigen Schnee- und Eisdecke entsprechend stark ausfällt.

II) Unkonventionelle Formen zeigen signifikante Steigerungen gegenüber konventionellen Gebäudeformen

In der Formenstudie schneiden die unkonventionellen Gebäudeformen deutlich besser ab als die konventionellen. Die solare Energiegewinnung profitiert, wenn statt orthogonaler Planung Hüllflächen geschaffen werden, die nicht mehr eindeutig in Dach- oder Fassadenflächen zu kategorisieren sind. Einzelstudien zeigten zudem, dass nicht rotationssymmetrische und asymmetrische Formen besonders günstig sind.

Der Grund: Auch das Strahlungsangebot verhält sich nicht symmetrisch. Obwohl die Sonnenbahn vormittags und nachmittags in Relation zum Höchststand um 12 Uhr spiegelsymmetrisch verläuft, ist das Strahlungsangebot auf den Ost- und Westseiten der Gebäude nicht identisch. Ebenso wenig muss das Strahlungsmaximum des Tages bei Sonnenhöchststand zu messen sein. Für Hamburg etwa zeigen NASA-Daten, dass die Strahlung gegen 13.30 Uhr am intensivsten ist. Eine asymmetrische Gebäudeform sollte demnach die südwestlich ausgerichteten Oberflächen eher betonen und die östlichen zurücknehmen.

Die Abweichungen erklären neben strahlungsgeometrischen auch strahlungsphysikalische Aspekte. So variieren während des Tagesverlaufs der Bewölkungszustand und das Maß der natürlich oder industriell bedingten Schwebepartikel in der Luft. Diese für jeden Ort typisierbaren Bedingungen beeinflussen die Strahlendurchlässigkeit der Atmosphäre, den Anteil an absorbierter oder reflektierter Strahlung, das Verhältnis von Direkt- und Diffusstrahlung sowie die Änderung des Einfallswinkels. Da die Strahlungsverteilung an keinem der untersuchten Standorte orthogonal oder symmetrisch war, schneiden konventionelle, kubische Formen schlechter ab als unkonventionelle. Eine solare Formensprache ist also sinnvoll und verspricht hohe Steigerungsraten bei maximaler solarer Exposi­tion der Hülle.

III) An jedem Standort kann für eine Gebäudeform ein ­solarer Formwirkungsgrad ermittelt werden

Ein in der Dissertation entwickelter solarer Formwirkungsgrad gibt den Grad der Konzentration der Einstrahlung auf die Gebäudehülle an und spiegelt so das Maß der Spezialisierung einzelner Gebäudehüllenanteile. Der solare Formwirkungsgrad ist dann umso höher, je mehr die einzelnen Teile der Hülle in potenzielle Empfangsflächen und solche mit geringer Einstrahlung differenziert werden. Angestrebt wird die maximale Exposition bestimmter Hüllflächenanteile, sodass sich die Konzentration der Einstrahlung erhöht und die Effizienz der eingesetzten Technologie ansteigt. Mit dem solaren Formwirkungsgrad werden verschiedene Entwurfsvarianten miteinander vergleichbar.

IV) Es gibt keine universelle solaroptimierte Form

Weder global noch lokal gibt es die ideale solare Gebäudeform. Sie hängt immer von äußeren Vorgaben ab, etwa den Para­metern zu Dämmstandard, solarem Wirkungsgrad und Belegungsgrad der Hülle. Der zukünftige Wandel dieser Parameter entlang der Zeitachse verändert auch die jeweils ideale Form. Hinzu kommen das lokale Strahlungsangebot (per Satellit ermittelbare Globalstrahlung auf die Horizontale) und die klimatisch bedingte thermische Belastung (Anzahl der Heiz- und Kühlgradtage). Dieser individuelle thermisch-solare Fingerabdruck eines Orts bestimmt die ideale Form maßgeblich mit.

V) Maximale Kompaktheit wird zum Nachteil

Für alle untersuchten Standorte ergab sich auf der Zeitachse der erwähnte Wendepunkt, an dem die Entwurfsempfehlung schlagartig von Verlustminimierung auf Gewinnmaximierung umspringt. Den Zeitpunkt bestimmt der thermisch-solare Fingerabdruck, das heißt, bei mildem Klima und hohem Strahlungsangebot setzt der Wendepunkt früher ein als bei hoher thermischer Heiz- beziehungsweise Kühllast oder geringem Strahlungsangebot. Ist die Wende da, kann die Gebäudehülle mehr Energie gewinnen, als sie an Transmissionsenergie verliert. Das bestätigte die Vermutung, dass kompakte Formen zukünftig bei der Nutzung solarer Energie benachteiligt sind. Zugleich gilt jetzt das Prinzip der Oberflächenvergrößerung, nach dem nicht zuletzt auch die pflanzlichen Chloroplasten aufgebaut sind, um die Photosynthesegewinne zu erhöhen.

Nun heißt all das nicht, künftig möglichst unkompakt zu bauen. Es gilt vielmehr, gemäß den beschriebenen Erkenntnissen eine Form mit möglichst hohem solarem Formwirkungsgrad und maximaler Exposition zur Sonnenstrahlung zu ermitteln. Form follows Energy – die dreidimensionale Ausformung des Gebäudes sollte nach Himmelsrichtungen differenzieren und die lokal typischen, meteorologisch-atmosphärischen Verläufe berücksichtigen. Diese Empfehlungen mit inneren Strukturen und äußeren stadtplanerischen Vorgaben zu verbinden, ist eine Aufgabe für Architekten und Planer. Und ein wichtiger Beitrag, damit sich der Gebäudesektor vom Energieverbraucher zum Energielieferanten wandeln kann.

Dipl.-Ing. Architektin Christina Rullán Lemke ist Doktorandin am Institut für Angewandte Bautechnik der TU Hamburg-Harburg. Der Text ist eine geraffte Zusammenfassung ihrer Dissertation, die unter dem Titel „ArchitekturForm & SolarEnergie“ als Fachbuch erschienen ist.