Exposition

Die Orientierung von Flächen nach Himmelsrichtung und Neigungswinkel führt zu unterschiedlichen Einstrahlungsbeträgen, wobei die tages- und jahreszeitlichen Veränderungen des Sonnenstandes zu berücksichtigen sind. (Zwischen Sommer- und Wintersonnenwende ändert sich der Sonnenstand (Sonnenhöhe) am Mittag um immerhin 47 Grad!) So verschiebt sich im Winter das Strahlungsmaximum wegen des niedrigeren Sonnenstandes zu stärker nach Süden geneigten Flächen.

Eine einfache Arbeitshilfe zur Beurteilung einer Flächenorientierung zur Nutzung der jährlichen Sonnenenergieeinstrahlung stellt die aus BIASIN u. DIETRICH (1992) entnommene Abbildung 3/6 dar.

In diesem Diagramm wird von einer mittleren jährlichen Einstrahlung auf die horizontale Fläche von 982 kWh/m² ausgegangen. Im Falle einer nach Süden orientierten und um 30° geneigten Fläche ergibt sich ein Maximum der jährlichen Einstrahlung von 1 055 kWh/m².

In Bezug auf diesen gleich 100% gesetzten Maximalwert bedeuten alle anderen Richtungsorientierungen und Neigungswinkel geringere prozentuale Strahlungsausbeuten. Betrachtet man die Verhältnisse im Falle einer Gebäudewand (Neigungswinkel 90°), stellt man für Orientierungen im Himmelshalbkreis zwischen Ost über Süd nach West eine vergleichsweise geringe Veränderung gegenüber der nach Osten und Westen abnehmenden Sonnenhöhe fest, d.h. die jährliche Einstrahlung bleibt im Bereich zwischen ca. 60% und 68% des Maximalwertes. Dies bedeutet allerdings weitaus weniger Strahlungsgewinn als im Falle einer horizontalen Fläche, die im Einstrahlungsdiagramm bei 93% läge. Nur der von der 93%-Kurve umschlossene Expositionsbereich bedeutet somit eine die horizontale Fläche übertreffende Strahlungsausbeute.

Bei der Bedeutung senkrechter Wände ist es erforderlich, die Angaben für Wände unterschiedlicher Orientierung differenzierter zu betrachten: In den Abbildungen 3/7 und 3/8 sind unter Einbeziehung auch nördlicher Wandorientierungen Jahresgänge der Globalstrahlung und des diffusen Strahlungsanteils dargestellt, wobei nach mittleren Verhältnissen (Abbildung 3/7) und heiteren (fast wolkenlosen) Tagen unterschieden wird (Abbildung 3/8).

Die Abbildungen 3/7 und 3/8 lassen in Bezug auf senkrechte Oberflächen (Wände) zusammenfassend die folgenden Schlüsse zu:

Die höhere Globalstrahlung an heiteren Tagen mit nahezu wolkenlosem Himmel ist mit geringeren Anteilen der diffusen Himmelsstrahlung verbunden. Ihr Anteil beträgt an heiteren Tagen zwischen 27% (im Falle einer Südwand) und 81% (Nordwand). Im Mittel jedoch, d.h. bei Berücksichtigung der mittleren Bewölkungsverhältnisse ergeben sich für den diffusen Strahlungsanteil die Vergleichswerte von 51% (Südwand) und 94% (Nordwand).

Der unter mittleren Bedingungen hohe diffuse Strahlungsanteil bewirkt einen gewissen Ausgleich der Globalstrahlung bei unterschiedlicher Orientierung. Die Globalstrahlung auf Ost- bzw. Westwand beträgt im Mittel (Abb. 3/7) 81% derjenigen der Südwand im Fall heiterer Tage (Abb. 3/8) sind es nur 73%. Die Vergleichswerte für das Verhältnis Nordwand zu Südwand betragen 48% im Mittel, an heiteren Tagen 26%.

Während der Monate Juni, Juli und August (heizungsfreie Zeit) weisen west- oder ostorientierte Wände größere Tagessummen der Globalstrahlung auf als die Südwand. Dies gilt insbesondere an heiteren Tagen mit entsprechend großen Anteilen der direkten Sonnenstrahlung.

Der energetische Vorteil einer Südorientierung kommt jedoch während der Heizzeit zur Geltung. Vor allem während der Monate November, Dezember und Januar zeigen sich deutliche Strahlungsdefizite bei den von Süden abweichenden Expositionen. Bei Betrachtung der Heizzeit schneidet dann auch die Nordwand noch wesentlich ungünstiger ab als im Vergleich der Jahresmittelwerte.

Ein weiterer Gesichtspunkt spricht für die Südexposition von Gebäudebreitseiten bzw. größerer Fensterflächen: In der Realität der gebauten Stadt ergibt sich bei niedrigem Sonnenstand (morgens und abends, insbesondere in den Wintermonaten) aufgrund umgebender Bebauung stets eine gewisse Horizontüberhöhung ("Verschattung"), die späteren Sonnenaufgang und früheren Sonnenuntergang bewirkt. Somit besteht für den Südhimmel eine größere Chance der Verschattungsfreiheit, wodurch die Südexposition zusätzlich an Bedeutung gewinnt. Dabei vermindert eine Orientierung der Fenster eines Gebäudes ausschließlich nach Süden den Energieverbrauch um etwa 10%.

Die positive Wirkung der Südorientierung für einzelne Räume hängt stark vom Fensterflächenanteil und der Fensterqualität ab. Für einen bei DÜTZ u. MÄRTIN (1982) näher beschriebenen Modellraum ergaben sich bei Doppelverglasung und 50% Fensterflächenanteil in Abhängigkeit von der Orientierung die folgenden Verhältnisse bei den Jahresvollbenutzungsstunden der Heizung:

Nord: 100%, Süd: 83%, West: 94%, Ost: 93%.

Verschattung bedeutet Verminderung der astronomisch möglichen Besonnung durch Horizontüberhöhung (z.B. Berge) oder umgebende Baulichkeiten. Vor allem bei Tallagen und nordexponierten Lagen, aber auch im Bereich dichter städtischer Bebauung ergeben sich empfindliche Einschränkungen der Sonnenscheindauer.

Aufgrund der Verschattung bei niedrigem Sonnenstand erhalten Nordhänge mit Neigungen bis 10° im Winter 10% bis 30% weniger Globalstrahlung als südlich exponierte Lagen. Nordhangbebauungen sollten daher so weit wie möglich vermieden werden, da diese mikroklimatischen Nachteile nur unzureichend durch andere bauliche oder siedlungsstrukturelle Maßnahmen kompensiert werden können (DÜTZ u. MÄRTIN, 1982).

Hilfreich für die Planung sind berechnete Solarkarten die diese Zusammenhänge verdeutlichen. Die Abbildung 3/9a zeigt die direkte Sonnenstrahlung als Jahresmittel für das Stadtgebiet von Stuttgart. In der Abbildung 3/9b ist die Gesamtstrahlung dargestellt. Die Unterschiede der Einstrahlung bei unterschiedlicher Hanglage sind deutlich zu erkennen.

In Abbildung 3/9c ist das Ergebnis einer Computerberechnung der Sonnenenergieeinstrahlung für ein in West-Südwesthanglage geplantes Baugebiet wiedergegeben (GORETZKI, 1990). Obgleich man hier auf den ersten Blick wegen der günstigen Exposition beste Voraussetzungen zur passiven Sonnenenergienutzung erwartet hätte, zeigt die Simulation für die Heizperiode aufgrund von Hangverschattung (als Folge der Geländeform) eine teilweise um bis zu 30% verminderte Einstrahlung.

Mit Hilfe des Polarkoordinaten-Diagramms Abbildung 3/10 kann die astronomisch mögliche Sonnenscheindauer eines Standortes, aber auch ihre Einschränkung durch Horizontüberhöhung und Verschattung aus den für unterschiedliche Jahreszeiten geltenden Sonnenkurven ermittelt werden. Das Diagramm gilt streng für 48° 46" nördl. Breite, 9° 11" östl. Länge und ist in dieser Form mit genügender Genauigkeit in Baden-Württemberg zu verwenden. Bei dieser geographischen Breite ergeben sich die Extremwerte des Sonnenstandes um 12 Uhr Ortszeit (nicht MEZ !) zu:

64,5° (21. Juni, Sommer-Sonnenwende)
17,6° (21. Dezember, Winter-Sonnenwende)

Für andere Termine und Uhrzeiten kann der Sonnenstand aus Abbildung 3/10 gleichfalls entnommen werden:

Sonnenbahnen anderer Orte und beliebiger Tage können abgefragt werden unter der Internetadresse:
http://www.stadtklima-stuttgart.de/index.php?klima_sonnenstand

Die punktierten Linien geben die Uhrzeit in MEZ (!) an. Die konzentrischen Kreise sind mit einer Grad-Skala der Sonnenhöhe versehen. Den gesuchten Sonnenstand erhält man durch das Aufsuchen des Schnittpunktes einer durchgezogenen Datumskurve mit einer punktierten Uhrzeit-Kurve. Am Schnittpunkt lassen sich der Winkel der Sonnenhöhe (konzentrische Kreise) sowie der Sonnen-Azimut (Himmelsrichtung der Sonne) ablesen, letzterer indem man den Schnittpunkt mit dem Mittelpunkt des Diagramms verbindet und aus der Kompass-Skala die zugehörende Himmelsrichtung abliest.

Überträgt man in ein solches Diagramm das Gelände- oder Verbauungsbild aus der Perspektive des zu untersuchenden Ortes, gibt der durch Horizontüberhöhung nicht verdeckte Kurvenbereich der Sonnenbahn die noch verbleibende Besonnungsmöglichkeit an. Damit lässt sich die Verschattung etwa durch vorhandene oder geplante Bebauung im südlichen Teil der Himmelshalbkugel beurteilen. Diese Methode wird ausführlich bei TONNE (1954) (Vgl. Kap. 3.2.3) beschrieben.

Das Verbauungsbild muss in Zentralprojektion in das Diagramm übertragen werden, so wie es sich als Spiegelbild auf einer verspiegelten Halbkugel abbilden würde, die auf der Horizontebene aufliegt. Der Mittelpunkt des Diagramms entspricht somit dem Zenit, auf den sämtliche senkrechte Baulinien radial zulaufen. Der Außenkreis des Diagramms entspricht dem Horizont. Parallel zum Horizontkreis verlaufende Raumkanten bzw. horizontale Baulinien werden je nach ihrer Höhe auf den konzentrischen Kreisen abgebildet.

Dabei ist zu beachten, dass die Dachkante eines langen, geraden Gebäudes dem Betrachter bei größeren Seitenwinkeln unter einem kleineren Höhenwinkel erscheint, so dass das Verbauungsbild gemäß der Variation des Höhenwinkels die konzentrischen Kreise entsprechend schneidet.

Im Gelände selbst ist der Einsatz einer Kamera mit Fischaugen-Objektiv empfehlenswert. Unter Einbeziehung der Himmelsrichtung kann das so gewonnene Bild mit den Solarkurven des Polardiagrammes überlagert werden. Die Abbildung 3/10a zeigt ein Ergebnis für den Standort Marktplatz-Mitte in Stuttgart

Abbildung 3/11 zeigt ein von LOHMEYER et al. (1992) übernommenes Beispiel für die auf diese Weise untersuchte Beschattung durch bestehende und geplante Bebauung.

Es handelt sich hier im übrigen um die gleiche Planungssituation, die Gegenstand des Schattenwurfmodells Abbildung 3/17 ist. Im übrigen bezieht sich die im Abschnitt 4.2.3 beschriebene Windkanaluntersuchung ebenfalls auf den obigen Fall.

Zur Beurteilung der Besonnungs- bzw. Verschattungsverhältnisse werden verschiedene Kriterien für Mindestanforderungen an die tägliche Besonnungmöglichkeit vorgeschlagen. Nach GRANDJEAN u. GILGEN (1973) wird der "mittlere Wintertag" (8. Februar) als Stichtag empfohlen. Die maximale Sonnenhöhe (Mittagshöhe) beträgt dann 26° (für 49°nördl. Breite). Die gleiche Sonnenhöhe ergibt sich auch am 4. November. Man kann davon ausgehen, dass ausreichende Besonnungsverhältnisse im Hinblick auf Anforderungen des gesunden Wohnens bei einer möglichen zweistündigen Besonnung an diesem Stichtag gegeben sind, wobei der Lichteinfall mindestens 15° zur Fensterfläche betragen soll. Weitere Kriterien für ausreichendes Tageslicht in Innenräumen findet man in DIN 5034. Die DIN 5034 legt für den Stichtag 17. Januar eine Besonnungsmöglichkeit von mindestens einer Stunde fest. Eine Zusammenstellung gängiger Beurteilungskriterien zeigt die Tabelle 3/2.

Tab. 3/2: Kriterien für die für Fensterflächen von Wohnungen mindestens zu fordernde mögliche Sonnenscheindauer (Quelle: BLAZEK et al., 1998)

Sofern sich durch entsprechend gewählte Gebäudeabstände diese Minimalanforderung an die Besonnungsmöglichkeit nicht erfüllen lässt oder wo dies wegen der sich ergebenden Abstände städtebaulich nicht erwünscht ist, sollte mittels abgestaffelter Gebäudehöhen die Besonnung der Südfassaden (Ausrichtung der Gebäudelängsachsen vorwiegend in Ost-West-Richtung) gewährleistet werden. Die höheren Bebauungsformen sind dabei im Norden vorzusehen.