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--- grundlagen:sonne:solarstrahlung [2023/09/22 12:38] – [Langjährige Monatsmittel der Einstrahlung] wfeist
+++ grundlagen:sonne:solarstrahlung [2024/04/30 22:15] (aktuell) – [Langjährige Monatsmittel der Einstrahlung] wfeist
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 |Etwas anders die Situation an einem klaren Wintertag, von denen es übrigens rund 5 im Dezember gibt. Die Dauer des hellen Tages ist mit nur noch 8 h gering - weil die Sonne auch noch sehr tief steht, erreicht die Globalstrahlung auf die Horizontale nur etwa 340 W/m². Besser sieht es für die Südfassade aus: Hier liegt das Maximum immer noch bei 840 W/m²; die Tagessumme auf die Südseite erreicht rund 4 kWh/m². Wenn im Winter am Standort die Sonne scheint, so kann diese durchaus einen nennenswerten passiv solaren Beitrag zum Ausgleich von Wärmeverlusten leisten. Die Strahlungsangebote auf die Ost- und Westseite sowie insbesondere auf die Nordseite sind aber sehr bescheiden. |
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 |Die überwiegende Zahl der Wintertage am Standort ist allerdings wolkenverhangen. Zwei dieser Tage zeigen die oben dokumentierten Messdaten: Hier wird es über 8 h des Tages durchaus noch 'hell', die Intensität der nun rein diffusen Einstrahlung beträgt aber nur um die 20 W/m². Damit sind leider keine hohen solaren Energieerträge mehr möglich - im übrigen ist das der eigentliche, tiefer liegende Grund dafür, weshalb an solchen Standorten im Winter künstlich Wärme erzeugt und zugeführt werden muss, um ein Gebäude auf komfortablen Temperaturen zu halten. Und auch der Grund dafür, dass es in den Monaten mit tiefstehender Sonne im Außenraum überhaupt so kalt wird.|\\
-Schon aus dem letzten Diagramm können wichtige Indizien für das winterliche Verhalten von Verglasungen an einem solchen Standort gezogen werden: Gehen wir von einer Außentemperatur von z.B. 2°C aus((typisch für stark bewölkte Wintertage)), dann beträgt der Wärmeverlust einer passivhaustypischen Dreischeiben-Argonverglasung mit $U_{g3}=0,6 \frac{W}{m²K}$ etwa 11 W/m². Eine solche Verglasung lässt etwa 55% der außen auftreffenden solaren Einstrahlung innen wirksam werden: Das sind bei den dort tagsüber ca. 20 W/m² gerade ebenfalls 11 W/m². Die Dreischeiben-Wärmeschutzverglasung kann somit zumindest während der hellen Stunden auch an trüben Tagen ihren Wärmeverlust gerade eben durch die passiv nutzbare Sonnenenergie kompensieren; allerdings natürlich nicht in der Nacht. Schon die Zweischeiben-Wärmeschutzverglasung mit $U_{g,2}=1,1 \frac{W}{m²K}$ kann dies, trotz des höheren Gesamtenergiedurchlasswertes von 0,65 , nicht mehr: Der Verlust ist mit rund 20 W/m² auch tagsüber höher als der Solareintrag von 13 W/m².\\ \\
+Schon aus dem letzten Diagramm können wichtige Indizien für das winterliche Verhalten von Verglasungen an einem solchen Standort gezogen werden: Gehen wir von einer Außentemperatur von z.B. 2°C aus((typisch für stark bewölkte Wintertage)), dann beträgt der Wärmeverlust einer passivhaustypischen Dreischeiben-Argonverglasung mit $U_{g3}=0,6 \frac{W}{m²K}$ etwa 11 W/m². Eine solche Verglasung lässt etwa 55% der außen auftreffenden solaren Einstrahlung innen wirksam werden: Das sind bei den dort tagsüber ca. 20 W/m² gerade ebenfalls 11 W/m². Die Dreischeiben-Wärmeschutzverglasung kann somit zumindest während der hellen Stunden auch an trüben Tagen ihren Wärmeverlust gerade eben durch die passiv nutzbare Sonnenenergie kompensieren; allerdings natürlich nicht in der Nacht. Schon die Zweischeiben-Wärmeschutzverglasung mit $U_{g,2}=1,1 \frac{W}{m²K}$ kann dies, trotz des höheren Gesamtenergiedurchlasswertes von 65%, nicht mehr: Der Verlust ist mit rund 20 W/m² auch tagsüber höher als der Solareintrag von 13 W/m². Wir haben damit auch den Hinweis bzgl. der 'energie-positiven' passiv solaren Energienutzung von der Übersichtsseite zu Verglasungen geklärt: Natürlich kann an machen Tagen //tagsüber// auch eine weniger gut wärmedämmende Verglasung als die Dreischeiben-Wärmschutz-Verglasung solare Energie in den Raum bringen - im Mittel über den Monat Dezember ist das allerdings in unseren Breiten nicht ausreichend für eine netto-positive Bilanz: Dazu sind die klaren Tage zu selten, die helle Zeit am Tag zu kurz und die Wärmeverluste bei U-Werten über 0,7 W/(m²K) zu hoch. \\ \\
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 Das solare Strahlungsangebot hat einen bedeutenden Einfluss auf den Bedarf an Heizwärme in einem Gebäude. Die Höhe dieses Angebotes ist im durchschnittlichen Jahresverlauf gut bekannt - das haben wir auf dieser Seite beschrieben. Um den Einfluss auf ein Gebäude zu quantifizieren, müssen wir wissen, auf welchem Weg die Sonnenenergie im und am Gebäude wirksam wird. Wir können dabei verschiedene Wirkungsketten unterscheiden:
-  - Aktive Nutzung der Strahlung durch Licht-Elektrizität-Energiewandler (Photo-Voltaik): Eingeführt sind dafür aus Halbleitermaterialen gefertigte Paneele, sog. PV-Module. Moderne handelsübliche Paneele wandeln etwa 12 bis 18% der auftreffender Solarstrahlung in elektrische Energie um. Das PHPP enthält auch ein Tabellenkalkulationsblatt, mit welchem die mittleren monatlichen Erträge von PV-Anlagen mit allen denkbaren Orientierungen abgeschätzt werden können. Auf einigermaßen wenige verschatteten Flächen zwischen Südwest- und Südost-Orientierung sowie auf die Horizontale lassen sich PV-Anlage heute überall in Deutschland wirtschaftlich betreiben. Wir empfehlen daher, bei einem Neubau oder einer Dach-Neueindeckung immer die Integration einer PV-Anlage in Betracht zu ziehen. Dabei gilt: "Viel hilft viel!" oder auch "wenn schon, denn schon."; es ist empfehlenswert, Flächen immer mit dem Maximum dessen, das dort möglich und erlaubt ist, zu belegen: Viele der erforderlichen baulichen Maßnahmen hängen in ihren Kosten nur wenig von der Größe der Anlage ab. Wenn das schon einmal angepackt wird, dann ist es unklug, an der Fläche zu sparen.
+  - Aktive Nutzung der Strahlung durch **Licht-Elektrizität-Energiewandler (Photo-Voltaik)**: Eingeführt sind dafür aus Halbleitermaterialen gefertigte Paneele, sog. PV-Module. Moderne handelsübliche Paneele wandeln etwa 12 bis 18% der auftreffender Solarstrahlung in elektrische Energie um. Das PHPP enthält auch ein Tabellenkalkulationsblatt, mit welchem die mittleren monatlichen Erträge von PV-Anlagen mit allen denkbaren Orientierungen abgeschätzt werden können. Auf einigermaßen wenige verschatteten Flächen zwischen Südwest- und Südost-Orientierung sowie auf die Horizontale lassen sich PV-Anlage heute überall in Deutschland wirtschaftlich betreiben. Wir empfehlen daher, bei einem Neubau oder einer Dach-Neueindeckung immer die Integration einer PV-Anlage in Betracht zu ziehen. Dabei gilt: "Viel hilft viel!" oder auch "wenn schon, denn schon."; es ist empfehlenswert, Flächen immer mit dem Maximum dessen, das dort möglich und erlaubt ist, zu belegen: Viele der erforderlichen baulichen Maßnahmen hängen in ihren Kosten nur wenig von der Größe der Anlage ab. Wenn das schon einmal angepackt wird, dann ist es unklug, an der Fläche zu sparen.
-  - Aktive Nutzung der Strahlung durch einen thermischen Sonnenkollektor: Dieser absorbiert die Strahlung, wandelt sie in Wärme um und gibt diese an ein Medium ab - meist ist das mit Frostschutzmittel vermischtes Wasser. Thermische Kollektoren hängen bzgl. ihres Wirkungsgrades stark von der Umgebungstemperatur ab: Im Sommer sind 60% auch bei einfachsten Kollektoren 'drin'; im Winter gehen die Wirkungsgrade aber sehr in die Knie, es ist nicht selten, dass im Dezember und Januar so gut wie keine Energie geliefert wird. Das PHPP erlaubt auch eine realistische Berechnung der Erträge thermischer Solaranlagen. Solche Anlagen sind in aller Regel heute teurer als gleich große PV-Felder. Weil die PV über den erzeugten Strom und eine Warmwasser-Wärmepumpe ebenfalls Wärme erzeugen kann und das in den meisten Fällen kostengünstiger umsetzbar ist, haben thermische Solaranlagen etwas an Attraktivität eingebüßt. Richtig ist allerdings nach wie vor, dass die Sommererträge einer guten thermischen Anlage bei gleicher Fläche höher sein werden als die der PV-Wärmepumpen-Kombination. Da die Wärmepumpe allerdings im Winter dann ohnehin gebraucht wird, stellt sich die ökonomische Seite anders dar. Eine Überdimensionierung thermischer Solaranlagen ist wenig sinnvoll: Der weit überwiegende Teil der dann im Sommer zu viel erzeugten Energie ist dann nicht nutzbar; bei der PV ist das anders: Nicht selbst genutzter Solarstrom kann hier über das Stromnetz anderen Nutzern verfügbar gemacht werden.
+  - Aktive Nutzung der Strahlung durch einen **thermischen Sonnenkollektor**: Dieser absorbiert die Strahlung, wandelt sie in Wärme um und gibt diese an ein Medium ab - meist ist das mit Frostschutzmittel vermischtes Wasser. Thermische Kollektoren hängen bzgl. ihres Wirkungsgrades stark von der Umgebungstemperatur ab: Im Sommer sind 60% auch bei einfachsten Kollektoren 'drin'; im Winter gehen die Wirkungsgrade aber sehr in die Knie, es ist nicht selten, dass im Dezember und Januar so gut wie keine Energie geliefert wird. Das PHPP erlaubt auch eine realistische Berechnung der Erträge thermischer Solaranlagen. Solche Anlagen sind in aller Regel heute teurer als gleich große PV-Felder. Weil die PV über den erzeugten Strom und eine Warmwasser-Wärmepumpe ebenfalls Wärme erzeugen kann und das in den meisten Fällen kostengünstiger umsetzbar ist, haben thermische Solaranlagen etwas an Attraktivität eingebüßt. Richtig ist allerdings nach wie vor, dass die Sommererträge einer guten thermischen Anlage bei gleicher Fläche höher sein werden als die der PV-Wärmepumpen-Kombination. Da die Wärmepumpe allerdings im Winter dann ohnehin gebraucht wird, stellt sich die ökonomische Seite anders dar. Eine Überdimensionierung thermischer Solaranlagen ist wenig sinnvoll: Der weit überwiegende Teil der dann im Sommer zu viel erzeugten Energie ist dann nicht nutzbar; bei der PV ist das anders: Nicht selbst genutzter Solarstrom kann hier über das Stromnetz anderen Nutzern verfügbar gemacht werden.
-  - Passive Nutzung der Sonnenenergie durch bis in die Innenräume eindringende ("transmittierte") Strahlung; durch die Verglasungen von Fenstern kommt mit dem sichtbaren Licht auch die Energie ins Gebäude herein; in der Regel auch der Teil, der im infraroten Bereich des Spektrums liegt. Im Raum wird solche Strahlung, wenn sie nicht durch irgendein Fenster wieder hinausdringen kann, letztlich an den inneren Oberflächen von Bauteilen und Mobiliar absorbiert, d.h. in Wärme verwandelt: Der Raum wirkt hier physikalisch gesehen wie ein Sonnenkollektor. Passive Sonnenenergie kann daher in der Heizzeit zumindest eine Teil der Wärmeverluste ersetzen und damit den Bedarf an Heizung reduzieren: Das ist eines der Prinzipien, die ein Passivhaus verwendet, um sehr geringe Wärmebedarfswerte zu erreichen. Um diesen Beitrag vorab berechnen zu können, benötigen wir strahlungsphysikalische Eigenschaften der Verglasungen - dazu hat sich der sog. [[Gesamtenergiedurchlassgrad|]] //g// eingeführt; wir behandeln dieses Konzept auf der nächsten Seite des Kurses. Die Bestimmung der Nutzbarkeit passiv solarer Beiträge ist ein Kernbestandteil des PHPP.
+  - **Passive Nutzung** der Sonnenenergie durch bis in die Innenräume eindringende ("transmittierte") Strahlung; **durch die Verglasungen von Fenstern** kommt mit dem sichtbaren Licht auch die Energie ins Gebäude herein; in der Regel auch der Teil, der im infraroten Bereich des Spektrums liegt. Im Raum wird solche Strahlung, wenn sie nicht durch irgendein Fenster wieder hinausdringen kann, letztlich an den inneren Oberflächen von Bauteilen und Mobiliar absorbiert, d.h. in Wärme verwandelt: Der Raum wirkt hier physikalisch gesehen wie ein Sonnenkollektor. Passive Sonnenenergie kann daher in der Heizzeit zumindest eine Teil der Wärmeverluste ersetzen und damit den Bedarf an Heizung reduzieren: Das ist eines der Prinzipien, die ein Passivhaus verwendet, um sehr geringe Wärmebedarfswerte zu erreichen. Um diesen Beitrag vorab berechnen zu können, benötigen wir strahlungsphysikalische Eigenschaften der Verglasungen - dazu hat sich der sog. [[Gesamtenergiedurchlassgrad|]] //g// eingeführt; wir behandeln dieses Konzept auf der nächsten Seite des Kurses. Die Bestimmung der Nutzbarkeit passiv solarer Beiträge ist ein Kernbestandteil des PHPP.
-  - Passive Nutzung der Sonnenenergie durch auf der Außenseite von Bauteilen absorbierte Strahlung: Das hat einen Wärmeverlust-einsparenden Effekt, weil sich die Oberflächen dadurch erwärmen, auch in dem Fall, dass das betreffende Bauteil nicht lichtdurchlässig ist. Auch dieser Effekt wird bei Bilanzen mit dem PHPP berücksichtigt - er ist aber vor allem im Sommer von Bedeutung und da natürlich problematisch, weil es in dieser Jahreszeit mehr auf das Kühlhalten als auf zusätzliche solare Gewinne ankommt; gerade, wenn es um Kühllasten geht, auch an besonders heißen Standorten auf der Welt, ist es unverzichtbar, diesen Beitrag zu berücksichtigen.
+  - **Passive Nutzung** der Sonnenenergie durch auf der **Außenseite** von Bauteilen **absorbierte Strahlung**: Das hat einen Wärmeverlust-einsparenden Effekt, weil sich die Oberflächen dadurch erwärmen, auch in dem Fall, dass das betreffende Bauteil nicht lichtdurchlässig ist. Auch dieser Effekt wird z.B. bei Bilanzen mit dem PHPP berücksichtigt - er ist aber vor allem im Sommer von Bedeutung und da natürlich problematisch, weil es in dieser Jahreszeit mehr auf das Kühlhalten als auf zusätzliche solare Gewinne ankommt; gerade, wenn es um Kühllasten geht, auch an besonders heißen Standorten auf der Welt, ist es unverzichtbar, diesen Beitrag zu berücksichtigen.
-  - Indirekter Einfluss durch die Erwärmung auch von Flächen in der Umgebung des Hauses. Jene stehen nämlich im Wärmestrahlungsaustausch mit den Oberflächen des Gebäudes - und sie erwärmen die Umgebungsluft. Das ist die überwiegende Ursache für den Tag-Nacht-Gang der Außentemperatur und in dieser auch weit überwiegend schon berücksichtigt. In geschickt genutzten Lagen kann eine lokale Erwärmung aber durchaus einen gewissen Einfluss auf die Bilanz haben; in aller Regel ist der Einfluss aber gering - das PHPP bleibt bzgl. solcher Effekte bewusst auf der sicheren Seite und macht hier, wegen der großen Unsicherheit und der ohnehin geringen Auswirkungen, keine zusätzlichen Gutschriften.
+  - **Indirekter Einfluss** durch die Erwärmung auch von Flächen in der Umgebung des Hauses. Jene stehen nämlich im Wärmestrahlungsaustausch mit den Oberflächen des Gebäudes - und sie erwärmen die Umgebungsluft. Das ist die überwiegende Ursache für den Tag-Nacht-Gang der Außentemperatur und in dieser auch weit überwiegend schon berücksichtigt. In geschickt genutzten Lagen kann eine lokale Erwärmung aber durchaus einen gewissen Einfluss auf die Bilanz haben; in aller Regel ist der Einfluss aber gering - das PHPP bleibt bzgl. solcher Effekte bewusst auf der sicheren Seite und macht hier, wegen der großen Unsicherheit und der ohnehin geringen Auswirkungen, keine zusätzlichen Gutschriften.