Weiterentwicklung eines Passivhauses zu einem Nullheizenergiehaus unter Verwendung von solaren Langzeitspeichern auf Grundlage standortspezifischer Witterungsbedingungen

Inhaltsverzeichnis

I. DANKSAGUNG

II. SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG

III. INHALTSVERZEICHNIS

IV. ABBILDUNGSVERZEICHNIS

V. TABELLENVERZEICHNIS

VI. FORMELVERZEICHNIS

VII. SYMBOLVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG

2 REFERENZOBJEKT
2.1 Objektbeschreibung
2.2 Ermittlung der geografischen Koordinaten
2.2.1 Nutzung des Internettools GoogleMaps
2.2.2 Resultierende geografische Koordinaten

3 AUSGANGSSITUATION PASSIVHAUS
3.1 Passivhausstandard
3.2 Heizwärme
3.3 Heizlast
3.4 Ausgangssituation

4 WETTERDATEN DES DEUTSCHEN WETTERDIENSTES
4.1 Datensatz
4.1.1 Stationswahl
4.1.2 Tageswerte
4.1.3 Bearbeiten des Datensatzes
4.1.4 Datensatzimport
4.2 Auswertung

5 EXTRATERRESTRISCHE SONNENSTRAHLUNG
5.1 Ausgangsgrößen
5.2 Solargeometrische Größen
5.3 Berechnung der extraterrestrischen Strahlung
5.4 Beispielberechnung der extraterrestrischen Strahlung

6 GLOBALSTRAHLUNG
6.1 Begriff
6.2 Entwicklung verschiedener Globalstrahlungsmodelle
6.2.1 Datenquellen benutzter Datensätze
6.2.1.1 TSOL
6.2.1.2 PVGIS
6.2.2 TSOL-Datensatz & Sonnenstunden
6.2.3 PVGIS-Datensatz & Sonnenstunden
6.2.4 Angepasster PVGIS-Datensatz & Sonnenstunden
6.2.5 PVGIS-Datensatz für unbedeckten Himmel & Bedeckungsgrad
6.2.6 Angström-Formel
6.3 Bewertung der Globalstrahlungsmodelle
6.4 Beurteilung des Globalstrahlungsverlaufes
6.4.1 Langjährigen Schwankungen
6.4.2 Monatliche Schwankungen

7 DIMENSIONIERUNG DER THERMISCHEN SOLARANLAGE
7.1 Zielstellung
7.2 Auslegung mit Simulationssoftware TSOL
7.2.1 Allgemeine Hinweise
7.2.2 Klima
7.2.2.1 Langjähriges Mittel
7.2.2.2 Synthetisierter Datensatz
7.2.3 Heizlast
7.2.4 Kollektor
7.2.4.1 Bauart des Kollektors
7.2.4.2 Kollektorwirkungsgrad
7.2.4.3 Ausrichtung
7.2.5 Speicher
7.3 Parameteranpassung
7.3.1 System
7.3.2 Auslegung der Heizkreise
7.3.3 Vorgehensweise
7.3.4 Anpassung der Kollektorneigung
7.3.5 Anpassung der Kollektoranzahl und der Speichergröße
7.3.6 Ergebnisse
7.3.6.1 Ergebnisse auf Grundlage durchschnittlicher Witterungsbedingungen
7.3.6.2 Ergebnisse auf Grundlage extremer Witterungsbedingungen
7.4 Auswertung der Ergebnisse

8 ZUSAMMENFASSUNG

LITERATURVERZEICHNIS

ANHANG

I. Danksagung

Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Konrad Hinrichsmeyer für die verständnisvolle Betreuung dieser interessanten Arbeit.

Außerdem möchte ich Herrn Prof. Martin Neumann und Herrn Prof. Hans Georg Beyer für ihre Bemühungen und Hinweise danken.

Für die grammatikalische und orthografische Durchsicht und die moralische Unterstützung bedanke ich mich herzlich bei meiner Freundin Karin Stagge. Ebenso möchte ich mich an dieser Stelle herzlich bei meinen Eltern und Großeltern bedanken, die mir das Studium ermöglichten.

II. Selbstständigkeitserklärung

Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe. Insbesondere versichere ich, dass ich alle wörtlichen und sinngemäßen Übernahmen aus anderen Werken als solche kenntliche gemacht habe.

Magdeburg, 23.06.2008

Andy Kohl

IV. Abbildungsverzeichnis

Abb. 2.1 Südansicht des Referenzobjektes (eigene Darstellung)

Abb. 2.2 Luftaufnahme Dornburger Weg 10 (GoogleMaps)

Abb. 2.3 Koordinaten des Referenzobjektes (GoogleMaps)

Abb. 3.1 Schema der Energiebilanzierung im Passivhaus [6]

Abb. 3.2 Übersicht maßgebender Wettersituationen [6]

Abb. 4.1 Witterungsbedingungen (Durchschnitt); Niederschlag (NM), Sonnenscheindauer (SD) und Temperatur (TMK); (eigene Excel-Darstellung)

Abb. 4.2 Entwicklung der Jahresdurchschnittstemperatur; (eigene Excel-Darstellung)

Abb. 5.1 Jährliche Änderung der Deklination der Sonne [12]

Abb. 5.2 Lage eines Punktes auf der Erdoberfläche [1]

Abb. 5.3 Zenitwinkel [2]

Abb. 6.1 Globalstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland (mittlere Jahressummen, Zeitraum: 1981 - 2000) [13 ]

Abb. 6.2 Eingabemaske des Internettools des PVGIS [14]

Abb. 6.3 Tagesverlauf der horizontalen Bestrahlungsstärke im Januar für unbedeckten Himmel (PVGIS); (eigene Excel-Darstellung)

Abb. 6.4 Vergleich der Modelle zur Globalstrahlungsbestimmung, 1981 - 2000; (eigene Excel-Darstellung)

Abb. 6.5 Globalstrahlung 1981 - 2000; Jahressummen; Standardabweichung; (eigene Excel-Darstellung)

Abb. 6.6 Vergleich der Globalstrahlung zum langjährigen Mittel (1984); (eigene Excel-Darstellung)

Abb. 7.1 Synthetisierter Strahlungsverlauf vom 9. Juni 2000; (eigene Excel-Darstellung)

Abb. 7.2 Synthetisierter Strahlungsverlauf vom 1.1.2000 - 7.1.2000; (eigene Excel-Darstellung)

Abb. 7.3 Dialogfenster „Heizwärme“; Fremdwärme; (TSOL)

Abb. 7.4 Gewinne und Verluste am Kollektor [9]

Abb. 7.5 Kollektorwirkungsgradlinien nach DIN 4757 T4; Premium SchücoSol DG (eigene Excel-Darstellung)

Abb. 7.6 Solarsystem (Darstellung TSOL)

Abb. 7.7 Aufteilung der Heizkreise im Anlagensystem (eigene Darstellung)

Abb. 7.8 Einfluss der Kollektorneigung auf solaren Deckungsanteil (TSOL)

Abb. 7.9 Solarer Deckungsanteil in Abhängigkeit von der Anzahl der Kollektoren und der Speichergröße (TSOL)

Abb. 7.10 Deckungsrate, Speichertemperatur und Systemausnutzung bei 30 Kollektoren und 10 m³ Speichervolumen; Datensatz 1981 - 2000; (eigene Excel-Darstellung auf Basis mit TSOL berechneter Werte)

Abb. 7.11 Globalstrahlung, Speichertemperatur, Außentemperatur und Holzpelletverbrauch im Januar bei 30 Kollektoren und 10 m³ Speichervolumen; Datensatz 1981 - 2000; (eigene Excel-Darstellung auf Basis mit TSOL berechneter Werte)

Abb. 7.12 Deckungsrate, Speichertemperatur und Systemausnutzung bei 30 Kollektoren und 10 m³ Speichervolumen; Datensatz 1985; (eigene Excel-Darstellung auf Basis mit TSOL berechneter Werte)

Abb. 7.13 Globalstrahlung, Speichertemperatur, Außentemperatur und Holzpelletverbrauch im Januar bei 30 Kollektoren und 10 m³ Speichervolumen; Datensatz 1985; (eigene Excel-Darstellung auf Basis mit TSOL berechneter Werte)

V. Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1 Geografische Koordinaten des Referenzobjektes (Dezimalgrad)

Tabelle 2.2 Geografische Koordinaten des Referenzobjektes (Grad, Minuten, Sekunden)

Tabelle 3.1 Ausgangssituation Passivhaus

Tabelle 4.1 Übersicht der Stationen mit frei verfügbaren Werten [11]

Tabelle 4.2 Klimadaten im KL-Standardformat

Tabelle 5.1 Berechnung der extraterrestrischen Sonnenstrahlung am Beispiel von Magdeburg

Tabelle 6.1 Datensatz Globalstrahlung für Magdeburg; (TSOL)

Tabelle 6.2 Monatliche Mittelwerte der täglichen horizontalen Globalstrahlung; (TSOL)

Tabelle 6.3 Berechnung der durchschnittlichen Bestrahlungsstärke (TSOL); (Excel-Berechnung)

Tabelle 6.4 Berechnung der durchschnittlichen Bestrahlungsstärke (PVGIS); (Excel-Berechnung)

Tabelle 6.5 Durchschnittliche Bestrahlungsstärke (PVGIS x Faktor); (Excel-Berechnung)

Tabelle 6.6 Tagesverlauf der horizontalen Bestrahlungsstärke im Januar für unbedeckten Himmel; (PVGIS)

Tabelle 6.7 Monatliche Mittelwerte der Globalstrahlungsstärke für unbedeckten Himmel (PVGIS); (eigene Excel-Berechnung)

Tabelle 6.8 Durchschnittlichen Globalstrahlung (PVGISClear x Bedeckung); (eigene Excel-Berechnung)

Tabelle 6.9 Durchschnittliche Globalstrahlung (Angström-Formel); (Excel-Berechnung)

Tabelle 6.10 Globalstrahlung 2006 (Angström-Formel); (Excel-Berechnung)

Tabelle 6.11 Vergleich gemessener Globalstrahlungswerte von 2006 mit Modell (Angström-Formel); (eigene Excel-Berechnung)

Tabelle 7.1 Vergleich Kollektorarten

VI. Formelverzeichnis

Formel 3.1 Heizwärme nach EnEV

Formel 3.2 Heizwärme nach PHPP

Formel 5.1 Deklination Formel von Cooper [1]

Formel 5.2 Stundenwinkel [1]

Formel 5.3 Stundenwinkel des Sonnenuntergangs [1]

Formel 5.4 Tageslänge [1]

Formel 5.5 Zenitwinkel [1]

Formel 5.6 Sonnenhöhenwinkel [1]

Formel 5.7 Azimutwinkel der Sonne [1]

Formel 5.8 Tagessumme der extraterrestrischen Strahlung [1]

Formel 6.1 Monatliche Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von der Sonnenscheindauer

Formel 6.2 Tägliche Globalstrahlung in Abhängigkeit von der Sonnenscheindauer

Formel 6.3 Faktor zur Anpassung der Globalstrahlung (PVGIS)

Formel 6.4 Globalstrahlung in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad

Formel 6.5 Angström-Formel [1]

Formel 7.1 Täglicher Clearness Index kT [1]

Formel 7.2 Stündlicher Clearness Index kTh [8]

Formel 7.3 Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit vom Sonnenhöhenwinkel und dem stündlichen Clearness Index [8 ]

Formel 7.4 Kollektorwirkungsgrad [9]

VII. Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

130 Dollar für einen Barrel Öl. Das Ende des Ölzeitalters rückt näher, da die weniger werdenden Ölreserven immer teurer werden. Die steigenden Kosten für andere fossile Energieträger, wie Erdgas und Kohle, sind Auswirkungen des explodierenden Ölpreises.

Das Solarzeitalter beginnt, denn der Einsatz regenerativer Energien ist die Zukunft der Energiebereitstellung, will man die Zerstörung der Atmosphäre durch schädliche Emissionen verhindern.

Die Menge der auf die Erde auftreffenden Globalstrahlung entspricht mit 1,03 10¹⁸ kWh etwa dem 15.000fachen des Verbrauchs an Primärenergie der Menschheit. Bei einem exorbitanten Angebot an Energie, wie diesem, ist es eine logische Konsequenz sich diesem zu bedienen.

Ziel dieser Arbeit ist es ein Passivhaus mit Solarenergie wärmetechnisch soweit zu unterstützen, dass auf einen zusätzlichen Einsatz fossiler Ressourcen verzichtet werden kann, und das Gebäude heizenergetisch autark ist.

Ein Passivhaus ist ein Gebäude, das im Idealfall einen so geringen Heizwärmebedarf aufweist, dass es ohne aktive Heizwärmeverteilung auskommt. Eine Lüftungsanlage, die eine gute Luftdichtigkeit des Hauses voraussetzt, sorgt durch das Regeln von Zu- und Abluft für das Erreichen des geforderten Temperaturniveaus. Die wärmebrückenfreie Ausführung und die geringen U-Werte der umhüllenden Bauteile sind neben den hohen solaren und gebäudeinternen Gewinnen weitere Faktoren für den geringen Wärmebedarf des Hauses.

In wenigen Wochen im Jahr reichen die Wärmegewinne im Haus nicht aus um das Temperaturniveau aufrechtzuerhalten. Zu diesen Zeiten soll eine Solaranlage für die Bereitstellung der Energie sorgen.

Für die Dimensionierung eines Nullheizenergiehauses ist es notwendig die standortspezifischen Witterungsbedingungen zu untersuchen, damit bei der Dimensionierung der Solaranlage die kritischsten Verhältnisse zu Grunde gelegt werden können. Die wichtigsten Parameter sind dabei die Außentemperatur, die für Wärmeverluste verantwortlich ist, und die für Wärmegewinne relevante Sonnenenergie.

2 Referenzobjekt

2.1 Objektbeschreibung

Standort des zu betrachtenden Objektes ist eine Einfamilienhaussiedlung in der Landeshauptstadt von Sachsen-Anhalt, Magdeburg. Es ist ein als Passivhaus ausgelegtes Einfamilienhaus mit einem Heizwärmebedarf von 15 kWh/m²a. Zur Sicherstellung eines behaglichen Wohnbefindens reguliert eine Lüftungsanlage die Wohntemperatur von 20°C sowie die Zu- und Abluftmengen der einzelnen Räume. Die kompakte Bauweise und die geringen U-Werte der umhüllenden Bauteile des mit in der Regel 3 Personen bewohnten Passivhauses wirken sich positiv auf den geringen Wärmebedarf des Hauses aus. Durch die intelligente Anordnung der Fenster, die überwiegend nach Süden orientiert sind, werden hohe passive solare Wärmegewinne erzielt. Besonders auffällig ist hierbei die 4 x 4 m große Fensterfläche im sich über beide Geschosse erstreckenden Wohnbereich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1 Südansicht des Referenzobjektes (eigene Darstellung)

Die genaue Objektanschrift lautet: Dornburger Weg 10

39114 Magdeburg

2.2 Ermittlung der geografischen Koordinaten

2.2.1 Nutzung des Internettools GoogleMaps

Um die genauen geografischen Koordinaten für die weiteren Betrachtungen zu erhalten, wird die Internet-Anwendung von GoogleMaps genutzt.

Nach der Eingabe der genauen Adresse des Objektes erstellt GoogleMaps einen weitgefassten Bildausschnitt, der über eine Zoomfunktion bis zu einem bestimmten Maximum vergrößert werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2 Luftaufnahme Dornburger Weg 10 (GoogleMaps)

Um die genauen geografischen Koordinaten für den Dornburger Weg 10 in Magdeburg zu ermitteln, ist ein kleiner Umweg notwendig. Die Koordinaten sind in dem von dem Tool ausgegebenen Internet-Link enthalten.

Der Link lautet wie folgt:

http://maps.google.de/maps?f=q&hl=de&geocode=&q=dornburger+weg+10+magdeburg&sl l=51.492446,12.006168&sspn=0.012451,0.029011&ie=UTF8&ll=52.121739,11.683314&sp n=0.000192,0.000453&t=h&z=21

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.3 Koordinaten des Referenzobjektes (GoogleMaps)

2.2.2 Resultierende geografische Koordinaten

Die von GoogleMaps ermittelten geografischen Koordinaten sind Fundament aller weiteren Berechnungen.

Tabelle 2.1 Geografische Koordinaten des Referenzobjektes (Dezimalgrad)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die Nutzung des Internettools der PVGIS -Website (6.2.1.2) werden die geografischen Koordinaten in das Grad-Minuten-Sekunden-Format umgerechnet.

Tabelle 2.2 Geografische Koordinaten des Referenzobjektes (Grad, Minuten, Sekunden)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Ausgangssituation Passivhaus

Die vorhergegangene Projektierung des Referenzobjektes als Passivhaus erfolgte mittels des Passivhaus Projektierungs Paketes (PHPP) und ist nicht Thema dieser Arbeit.

3.1 Passivhausstandard

Passivhäuser sind Gebäude, deren Jahresheizenergiebedarf so gering ist, dass auf eine besondere aktive Heizwärmeverteilung verzichtet werden kann. Die Restwärme kann über die ohnehin erforderliche Zuluft zugeführt werden. Dafür muss der (tatsächliche) Energiekennwert Heizwärme kleiner oder gleich 15 kWh/m²a sein. Dann sind auch am kältesten Tag die Heizlasten so gering, dass eine gesonderte Wärmeverteilung und ein gesondertes Wärmeabgabesystem nicht erforderlich sind. [6]

Die Realisierung von Passivhäusern stellt hohe Ansprüche an die verwendeten Komponenten:

- U-Werte Dämmung < 0,15 W/m²K
- U-Werte Verglasung < 0,8 W/m²K
- Gesamtenergiedurchlassgrad bei Verglasungen g 50 % nach EN 410, so dass auch im Winter Nettowärmegewinne möglich sind
- U-Werte Fenster < 0,8 W/m²K nach DIN EN 10077
- Hocheffiziente Lüftungswärmerückgewinnung bei niedrigem Stromverbrauch

wärmebrückenfreie Ausführung

ausgezeichnete Luftdichtheit (n50 0,6 h-1)

niedrigste Wärmeverluste bei der Brauchwasserbereitung und -verteilung

hocheffiziente Nutzung von elektrischem Haushaltsstrom [6]

Der Passivhausstandard ist laut [6] wie folgt definiert:

Passivhausstandard

- Energiekennwert Heizwärme 15 kWh/m²a
- Primärenergiekennwert für die Summe aller Anwendungen (Heizung, Warmwasser und Haushaltsstrom) 120 kWh/m²a
- Luftdichte Gebäudehülle mit Drucktestkennwert n50 0,6 h-1

3.2 Heizwärme

Die Heizwärme ist ein Energiekennwert, der sich auf ein komplettes Jahr bezieht. Die Differenz von Wärmeverlusten und Wärmegewinnen ist die Energie die im Jahr aufgebracht werden muss, um eine bestimmte Temperatur (Standard = 20°C) im Gebäude sicher zu stellen.

Dabei werden nicht nur die Verluste über die Gebäudehülle (Transmissionswärmeverluste) und Lüftungsanlage (Lüftungswärmeverluste) berücksichtigt, sondern Gewinne durch passive Sonneneinstrahlung über die Öffnungsflächen und durch innere Wärmequellen, d.h. die Abwärme von Personen und Geräten, mit einbezogen. Das Berücksichtigen von inneren Wärmequellen ist ein bedeutender Unterschied zur DIN 4701. [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.1 Schema der Energiebilanzierung im Passivhaus⁶

Der Unterschied zur Energieeinsparverordnung (EnEV) ist die Bezugsfläche für die Berechnung des spezifischen Heizwärmebedarfes. In der EnEV berechnet sich der spezifische Heizwärmebedarf durch die Division der Heizwärme QH durch die Normnutzfläche AN, die das 0,32fache des Bruttogebäudevolumens Ve beträgt. Die Normnutzfläche für das Referenzobjekt beträgt 334 m² (Ve = 1044 m³).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 3.1 Heizwärme nach EnEV

Laut PHPP berechnet sich der spezifische Heizwärmebedarf jedoch unter Verwendung der Energiebezugsfläche (Formel 3.2). Die Energiebezugsfläche für das Referenzobjekt beträgt 213 m².

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 3.2 Heizwärme nach PHPP

Durch die Abweichung der beiden Bezugsflächen resultieren unterschiedliche Ergebnisse für den spezifischen Heizwärmebedarf.

3.3 Heizlast

Die gebäudespezifische Heizlast ist eine Leistungsgröße in W/m², die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Raumtemperatur (Standard = 20°C) d ient. Die maximale Gebäudeheizlast wird, im Unterschied zur DIN EN 12831, im PHPP durch Bildung eines Maximums zweier extremer Wettersituationen ermittelt. Folgende spezielle Tage werden in der Berechnung verglichen:

- Sehr kalter, jedoch sonniger Wintertag (Hochdruckwetterlage)
- Etwas moderaterer, kalter Tag ohne nennenswerte Solarstrahlung

Die Begründung liegt darin, dass sehr kalte Tage im Allgemeinen bei geringer Bewölkung vorkommen und somit zwar hohe Transmissionsverluste über die Gebäudehülle, aber auch solare Gewinne über die Öffnungsflächen verzeichnet werden. Bei zunehmender Bedeckung des Himmels sind die Außentemperaturen höher als bei wolkenfreien Himmel. In diesem Fall sind die solaren Gewinne sehr gering. Auf Grund der geringeren Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenluft sind aber auch die Transmissionswärmeverluste gering. Diese Unterscheidung wird in der DIN EN 12831, neben dem Vernachlässigen von inneren Wärmequellen, wie z.B. elektrische Geräte und Personen, nicht berücksichtigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.2 Übersicht maßgebender Wettersituationen [6]

3.4 Ausgangssituation

Da die Dimensionierung mittels PHPP bereits vollzogen wurde und die weitere Planung zum Nullheizenergiehaus an die bereits ermittelten Kennwerte ansetzt, werden diese nicht erneut ermittelt, sondern als gegeben vorausgesetzt (Tabelle 3.1) und weiter verarbeitet.

Tabelle 3.1 Ausgangssituation Passivhaus

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die von der Zuluft transportierte Wärmelast beträgt 1773 W. Im Heizlastfall können somit nur 68 % der Heizwärmelast (2616 W) über die Lüftungsanlage transportiert werden. Dabei wird die Zuluft auf maximal 52°C aufgeheizt. Die re stlichen 843 W müssen auf anderem Wege zur Verfügung gestellt werden. Flächenheizungen sind dafür eine gute Alternative.

4 Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes

4.1 Datensatz

Um im weiteren Verlauf der Arbeit energetische Aspekte zu analysieren, sind standortspezifische Witterungsbedingungen notwendig. Diese stellt der Deutsche Wetterdienst (DWD) teilweise kostenfrei zur Verfügung. Wichtige enthaltene Kenngrößen zur Berechnung der Globalstrahlung und der daraus resultierenden Dimensionierung von solaren Speichern und Kollektoren sind zum Beispiel die tägliche Sonnenscheindauer und die Außenlufttemperatur.

4.1.1 Stationswahl

Der DWD stellt eine Auswahl von 44 deutschen Wettermessstationen bereit, die Tageswerte, Monatswerte und Mittelwerte einer Auswahl meteorologischer Elemente in täglichen oder monatlichen Zeitreihen liefern.

Die tabellarische Stationsübersicht zeigt die geographischen Daten der Station und den verfügbaren Zeitraum. Tabelle 4.1 zeigt die Station in Magdeburg

Tabelle 4.1 Übersicht der Stationen mit frei verfügbaren Werten¹¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.1.2 Tageswerte

Die Tageswerte für den Standort Magdeburg gibt es in zwei unterschiedlichen Zeitreihen. Für die spätere Berechnung der Globalstrahlung wird sowohl die Zeitreihe von 1947 bis 1999, als auch die Zeitreihe von 2000 bis zum heutigen Tag benötigt.

Beide Datenreihen (Tabelle 4.2) werden zunächst im KL-Standardformat als *.txt-Datei abgespeichert und sind somit mit dem Microsoft Editor zu öffnen.

Tabelle 4.2 Klimadaten im KL-Standardformat¹¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.1.3 Bearbeiten des Datensatzes

Um sich auf den gleichen Zeitraum, d.h. vom 01.01.1981 bis zum 31.12.2000, zu beziehen, wie die Karten der durchschnittlich jährlichen Globalstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland, die ebenfalls der DWD zur Verfügung stellt, werden die entsprechenden Daten aus beiden Datenreihen in einem Datensatz zusammengefasst. Der somit entstanden Datensatz vom 01.01.1981 bis 31.12.2000 im KL-Standardformat ist Grundlage der weiteren Berechnungen. Um diesen jedoch mit einem Tabellenkalkulationsprogramm, in diesem Fall Microsoft Excel, auswerten zu können, muss dieser weiter verändert werden. Diese Bearbeitungsschritte sind im Folgenden beschrieben.

Alle meteorologischen Elemente eines Tag des Datensatzes sind in einer Zeile beschrieben und somit noch nicht verwertbar. Der 1. Januar 2000 wird zum Beispiel im Standardformat vom DWD wie folgt abgespeichert.

KL03177200001010000101241101011101291101184 461 -211 674 -49 1 51 211 401 264 2 6 19 6 35 6 604 694 754 684 954 974 924 954 961 971 94116 2116 2128 31 234 81-99-99 81-99-99 71-99-99 774 001 61 51 61 41 11 11 11 31 01 001 361 861 1161 001 0011001-9999-99999-99999

Nach dem Importieren des aus 7305 Zeilen bestehenden Datensatzes in eine Excel Anwendung werden die Zeilen in einzelne Zellen geteilt. Der DWD stellt eine Beschreibung des KL-Standardformates (Kollektiv KL_90)¹¹ zur Verfügung, aus der ersichtlich wird an welcher Position welches meteorologische Element vorzufinden ist und welche Einheit und welche Umrechnungsfaktoren zu Grunde gelegt worden.

Der Wert für das Tagesmittel der Temperatur ist beispielsweise ab dem 79ten Zeichen mit einer Zeichenlänge von vier beschrieben. Dieser Wert wird laut der Beschreibung DWD in °C angegeben und muss mit dem Faktor 0,1 multiplizi ert werden. Die mittlere Außenlufttemperatur für den 01.01 2000 beträgt, laut DWD, 2,6°C.

Die Vorgehensweise für den Bedeckungsgrad und die Sonnenscheindauer ist analog. Der Bedeckungsgrad beträgt 7,7 Achtel (ab Zeichen 192; Faktor 0,1). Sonnenstunden (ab Zeichen 196; Faktor 0,1) sind an diesem Tag keine zu verzeichnen.

Auf Grund der Leistungskapazität der Computertechnik und fehlender Notwendigkeit, einiger vom DWD zur Verfügung gestellten meteorologischen Elemente, für die Bewältigung dieser Arbeit wird der Datensatz auf das Notwendigste reduziert.

Der, nach der Bearbeitung in Microsoft Excel, fertig gestellte Datensatz wird abschließend als Datenbank in Microsoft Access gespeichert. Dieser Schritt dient zur Steigerung der Ausnutzung der Computerleistung.

4.1.4 Datensatzimport

Der neu formatierte Datensatz wird für die Analyse in eine neue Excel -Anwendung importiert. Er umfasst folgende Informationen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.2 Auswertung

Als wichtigste meteorologische Elemente für die Dimensionierung thermischer Solaranlagen gelten:

- Außentemperatur
- Sonnenscheindauer
- Bedeckungsgrad

Diese werden im Folgenden für den betrachteten Zeitraum von 1981 - 2000 analysiert und auf Besonderheiten bzw. Extremwerte untersucht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 4.1 Witterungsbedingungen (Durchschnitt); Niederschlag (NM), Sonnenscheindauer (SD) und Temperatur (TMK); (eigene Excel-Darstellung)

Die durchschnittliche Außentemperatur in Magdeburg liegt in einem Bereich von 0,8 - 4,4 °C in den Wintermonaten bis 18,3 °C im Hochsommer u nd beträgt im Jahresmittel 9,3°C. Die tiefste, 2 m über dem Erdboden gemessene, Außentemperatur wurde am 22. Februar 1986 mit -24,5 °C registriert. Am Erdboden war die tiefste Temperatur am 14. Januar 1987 mit -32 °C noch niedriger. Am 9. August 1992 wurde, mit 37,9 °C, die höchste, in diesem Zeitraum gemessene, Temperatur verzeichnet. Die größte Temperaturschwankung innerhalb eines Tages gab es am 31. Juli 1983 von 22,5 K (Max. = 30,8 °C; Min = 8,3 °C).

Die längste ununterbrochene Heizlastperiode, gemessen an den Wetterbedingungen des Passivhaus Projektierungs Paketes (kalter, jedoch sonniger Tag oder etwas milderer, jedoch bedeckter Tag), dauerte 25 Tage, vom 26. Dezember 1984 bis zum 21. Januar 1985.

Im Durchschnitt scheint in Magdeburg 1674 Stunden im Jahr die Sonne, was eine tägliche Sonnenscheindauer von 4,6 Stunden bedeutet. Der „schönste“ Tag im Betrachtungszeitraum war der 24. Juni 1994, an dem 16 Sonnenstunden erreicht wurden. Die meisten täglichen Sonnenstunden werden, mit fast 7,5 Stunden, hingegen im Mai verzeichnet und nicht in den Hochsommermonaten Juni, Juli oder August. Das ist vor allem in dem geringeren Bedeckungsgrad im Gegensatz zu den Sommermonaten begründet. Im Jahresdurchschnitt ist der Himmel mit einem Bedeckungsgrad von 5,3 Achtel bewölkt. Die wolkenärmsten Monate sind Mai und August. Tendenziell nimmt die Bewölkung zu den Wintermonaten hin zu. Der Zunahme der Bewölkung in den Monaten Juni und Juli ist durch die hohen Temperaturen und der damit verbundenen vermehrten Verdunstung der Luftmassen zu erklären.

Bei der Entwicklung der betrachteten meteorologischen Elemente ist auffällig, dass die jährlichen Durchschnittswerte der Temperatur (Abb. 4.2), der Sonnenscheindauer (Anhang; A 3) sowie des Bedeckungsgrades (Anhang; A 4)eine ansteigende Tendenz aufweisen. In welchem Ausmaß der zwanzigjährige Untersuchungszeitraum Auskunft über langfristige klimatische Veränderungen gibt, bleibt jedoch fraglich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.2 Entwicklung der Jahresdurchschnittstemperatur (eigene Excel-Darstellung)

5 Extraterrestrische Sonnenstrahlung

Als extraterrestrische Strahlung wird die Sonnenstrahlung an der oberen Grenze der Erdatmosphäre bezeichnet [1].

In den folgenden Abschnitten wird die Vorgehensweise zur Berechnung der Sonnenstrahlung mittels hinreichend genauen Näherungsformeln erklärt.

5.1 Ausgangsgrößen

Zur Berechnung der extraterrestrischen Strahlung sind folgende Ausgangsgrößen notwendig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Neben den geografischen und zeitlichen Parametern ist die Solarkonstante ISC ein entscheidender Faktor. Sie beschreibt die Bestrahlungsstärke der extraterrestrischen Strahlung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

5.2 Solargeometrische Größen

Auf denen in 5.1 beschriebenen Ausgangsgrößen basierend, resultieren weitere solargeometrische Größen, die zur Abschätzung der täglichen Summe der extraterrestrischen Strahlung erforderlich sind. Diese werden im Folgenden beschrieben und mit Näherungsformeln berechnet.

Als Deklination der Sonne wird der Winkelabstand der Sonne bei ihrem höchsten Stand (im Zenit um 12 Uhr der Sonnenzeit) vom Himmelsäquator bezeichnet.

Auf Grund der scheinbaren Sonnenbewegung schwankt die Deklination der Sonne im Jahresverlauf. Der Wertebereich der Deklination ist definiert von -23,5° am 22. Dezember bis +23,5° am 21. Juni. Am 21. März sowie am 23. Se ptember beträgt sie 0°. Die jährliche Änderung der Deklination wird in Abb. 5.1 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5.1 Jährliche Änderung der Deklination der Sonne [12]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 1 Deklination Formel von Cooper [1]

Der Stundenwinkel ist der Winkel in der Äquatorebene zwischen Projektion der Linie OP (Erdzentrum - Standort) und der Projektion der Linie OOS (Standort - Zentrum der Sonne) auf die Äquatorebene, die das Erdzentrum dem Sonnenzentrum verbindet [1].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5.2 Lage eines Punktes auf der Erdoberfläche [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 5.2 Stundenwinkel [1]

Bei allen Berechnungen liegt die wahre Sonnenzeit zu Grunde. Auf die genaue Berechnung der WOZ, unter zu Nutzen machen der gesetzlichen Standardzeit und Berücksichtigung der Abweichung der geografischen Länge des zu betrachtenden Ortes vom Bezugsmeridian der gegebenen Zeitzone, wurde in dieser Arbeit verzichtet.

Somit kann auch die Berücksichtigung der Sommer-/ bzw. Winterzeit vernachlässigt werden. Der Stundenwinkel beträgt um 12 Uhr (wahre Sonnenzeit) 0°. Er ist am Vormittag positiv und am Nachmittag negativ.

Der Stundenwinkel des Sonnenuntergangs S wird mit Formel beschrieben.

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Formel 5.3 Stundenwinkel des Sonnenuntergangs [1]

Die Tagesl ä nge td ist die Stundenzahl vom Sonnenaufgang bis zum Sonnenuntergang und entspricht der maximalen Sonnenscheindauer eines Tages.

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Formel 5.4 Tageslänge [1]

Der Zenitwinkel ist der Winkel zwischen Zenit (Höchster Punkt des Himmelsgewölbes, senkrecht über dem Beobachter) und dem Sonnenstand.

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Abb. 5.3 Zenitwinkel [2]

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Formel 5.5 Zenitwinkel [1]

Der Sonnenh ö henwinkel (kurz: Sonnenhöhe) ist ein vom Beobachter aus betrachteter

Winkel zwischen dem Sonnenmittelpunkt und dem Horizont.

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Formel 5.6 Sonnenhöhenwinkel [1]

Der Azimutwinkel der Sonne aS ist die Winkelabweichung der Projektion des Sonnenstrahls auf eine horizontale Ebene vom Süden [1].

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Formel 5.7 Azimutwinkel der Sonne [1]

Der Azimutwinkel des Kollektors aK bezeichnet die Abweichung der Normalen der Empfangsfläche von der Südrichtung.

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5.3 Berechnung der extraterrestrischen Strahlung

Für die Berechnung der Tagessumme der extraterrestrischen Strahlung auf eine horizontale Fläche an einem bestimmten Tag n gilt näherungsweise:

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Formel 5.8 Tagessumme der extraterrestrischen Strahlung [1]

Die Multiplikation mit dem Umrechnungsfaktor 1/3600 führt, zu der auf die Erdatmosphäre auftreffenden, Energiemenge in der besser nutzbaren Einheit kWh/m²d.

5.4 Beispielberechnung der extraterrestrischen Strahlung

In Tabelle 5.1 erfolgt die Berechnung der Tagessumme der extraterrestrischen Sonnenstrahlung für den 3. Februar (für jedes Jahr) auf eine horizontale Fläche für den Dornburger Weg 10 in Magdeburg mit denen in 2.2.2 ermittelten geografischen Koordinaten 52,12° nördliche Breite und 11,68° östliche Länge.

Tabelle 5.1 Berechnung der extraterrestrischen Sonnenstrahlung am Beispiel von Magdeburg

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6 Globalstrahlung

6.1 Begriff

Die Globalstrahlung umfasst die gesamte am Erdboden ankommende Sonnenstrahlung, und somit die Summe aus direkter Strahlung und (diffuser) Himmelsstrahlung. Die diffuse Strahlung ist das Resultat von Reflexion und Streuung an und in der Erdatmosphäre. Beim Durchgang der Sonnenstrahlung durch die Erdatmosphäre wird die Strahlungsintensität geschwächt.

Die maßgebenden Einflussfaktoren für die Globalstrahlung sind:

- Geografische Breite
- Bewölkung
- Sonnenstand
- Verunreinigung der Atmosphäre mit Partikeln
- Ozongehalt der Atmosphäre

Die geografische Breite ist ein sehr maßgebender Faktor. So beträgt der jährliche Durchschnitt der täglichen Globalstrahlung auf eine horizontale Fläche am Äquator (Breitengrad 0) 5,9 kWh/m²d und in Mitteleuropa hingegen nur 2,9 kWh/m²d.

An klaren Sommertagen erreicht die Strahlungsstärke in Mitteleuropa bis zu 900 W/m². Dabei besteht die Globalstrahlung zu ungefähr 90% aus Direkt- und zu 10% aus Diffusstrahlung. An trüben Wintertagen mit völlig bedecktem Himmel resultiert die gesamte Globalstrahlung zu 100% aus diffuser Sonnenstrahlung und die Intensität erreicht Werte von weniger als 100 W/m².

Bei tiefstehender Sonne hat die Sonnenstrahlung einen weiteren Weg durch die Atmosphäre der Erde, d.h. die zu durchströmende Luftmasse ist größer, und daher ist die Intensität kleiner im Vergleich zum Sonnenhöchststand.

Die Summe aller Einflussfaktoren führt zu einer erheblichen Streuung der lokalen Globalstrahlung. In Deutschland schwanken die durchschnittlichen Jahressummen der horizontalen Globalstrahlung zwischen 900 und 1200 kWh/m²a.

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Abb. 6.1 Globalstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland (mittlere Jahressummen, Zeitraum: 1981 - 2000) [13]

Die Globalstrahlungskarte verdeutlicht die verschiedenen Einflussfaktoren. Besonders hohe Strahlungswerte werden in den Regionen Bayern, Baden Württemberg und Hessen erzielt, was auf die südliche Breitenlage und das wolkenärmere, kontinentalere Klima zurückzuführen ist. Eine zweite Zone hoher Einstrahlung beginnt in Sachsen und erstreckt sich über das östliche Brandenburg bis an die Küste Mecklenburg-Vorpommerns.

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