BK 2: Solarenergie · an Solarenergie die dann in Abhängigkeit von der Himmelsrichtung und der Neigung der besonnten Fläche zur Verfügung steht. Die Daten sind in Abhängigkeit

Sommersemester 2010 / 6. Semester / Modul 6.2 Ökologie II / Teilmodul Baukonstruktion

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Hochschule München Fakultät Architektur Professor Clemens Richarz Architekt 16. März 2011 Seite: 1

BK 2: Solarenergie


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Hochschule München Fakultät Architektur Professor Clemens Richarz Architekt Seite: 2 16. März 2011

Inhaltsverzeichnis Grundlagen Seite 04 - 09 Klimabeschreibung Seite 12 - 25 Solarenergienutzung Seite 26 - 35 Anlagentechnik Seite 36 - 38 Kennwerte Seite 39 - 43 Fragen Seite 44 Links Seite 45 Anlagen Seite 46 - 48


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Grundlagen

Klimabeschreibung Die Atmosphäre stellt die Trennung dar zwischen Erdoberfläche und Weltraum. Sie besteht im Wesentlichen aus Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). Die Atmosphäre erstreckt sich in etwa in einer Dimension von 1000 km und wird in vier Schichten gegliedert:

- Troposphäre Schichtdicke zwischen 8 – 18 km, Temperatur an der Obergrenze – 52 Grad. Die Troposphäre enthält 99 % des gesamten Wasserdampfes. In der der Troposphäre entsteht das „Wetter“. Die Tropopause trennt die Troposphäre von der Stratosphäre.

- Stratosphäre Die Stratosphäre erstreckt sich bis etwa 50 km über der Erdoberfläche. Die Temperatur an ihrer Oberfläche beträgt etwa 0 Grad. Die Temperaturzunahme wird durch die Ozonschicht bewirkt, die sich in etwa 40 km Höhe erstreckt. Die Ozonschicht absorbiert die UV-Strahlung der Sonne, wobei sich der Bereich aufheizt. Die Stratopause trennt die Stratosphäre von der Mesosphäre.

- Mesosphäre Die Mesosphäre erstreckt sich bis etwa 85 km über der Erdoberfläche. Aufgrund der geringen Sauerstoffanteile sinkt die Temperatur hier auf - 90 Grad. Hier kann eine Schichtung der Materie aufgrund der Masse beobachtet werden. Innerhalb der Mesosphäre verglühen die meisten Meteore. Die Trennschicht zur Thermosphäre ist die Mesopause.

- Thermosphäre Die Thermosphäre reicht bis 600 km über die Erdoberfläche. Die geringe Dicht führt zu einer starken Aufheizung der Thermosphäre bis 1700 Grad. In diesem Bereich umkreist die Raumstation ISS die Erde.

Die Exosphäre als letzte Schicht wird nicht mehr der Atmosphäre zugeschlagen, sie stellt bis etwa 1000 km den Übergang zum Weltraum dar. Häufig wird der Begriff Wetter und Klima verwechselt. Wetter ist ein sich schnell verändernder Zustand der Atmosphäre, der sich auch regional ganz unterschiedlich ausbilden kann. Die Summe der Wetterzustände über einen bestimmten Zeitraum betrachtet bezeichnet man als Klima, wobei regionale typische Klimata – oder Klimazonen – beschrieben werden können.

Abb. Darstellung der einzelnen Schichten der Erdatmosphäre. Die Spurengase CO2 (50 %), CH4 (13 %) O3 (7 %), N2O (5%) bilden in der unteren Atmosphäre die Schicht, die verhindert, dass eingestrahlte Wärmemenge wieder in den Weltraum zurückreflektiert wird.


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Von entscheidender Bedeutung für umweltverträgliches und effizientes Bauen ist eine Integration des jeweils herrschenden Klimas in den Entwurfsprozess. Die Berücksichtigung natürlicher Prozesse bei der Konditionierung des Gebäudes (Raumklima) – und damit eine Reduktion beim Einsatz technischer Anlagen - ist nur dann möglich. Wesentliche das Klima bestimmende Faktoren sind: - Die Ozeane (Hydrosphäre) - die mit Eis und Schnee bedeckten Bereiche (Kyrosphäre) - die Vegetation (Biosphäre) - die Bodenflächen (Pedosphäre) - die Gesteinsflächen (Lithosphäre)

Abb. Übersicht über die das Klima beeinflussenden Faktoren

Die verschiedenen Austauschprozesse zwischen den Sphären werden durch die unterschiedliche Intensität der solaren Einstrahlung in Bewegung gehalten. Die qualitativen und quantitativen Unterschiede der Sphären und die unterschiedliche Intensität der solaren Einstrahlung sind verantwortlich für die regional unterschiedlichen Klimata. Natürlich ist das Eingehen auf spezifische Gegebenheiten des Klimas oft nur ansatzweise möglich, da andere Anforderungen, die an das Gebäude gestellt werden, dominieren. Dies ist dann immer mit einem höheren Ressourceneinsatz bei der Konditionierung des Gebäudes verbunden.


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Sonne Entscheidend für die Klimasituation ist der Breitengrad, auf dem das zu betrachtende Objekt bzw. die Region liegt. Die Sommer – Winter – Unterscheidung ergibt sich aus der um 23,5 Grad geneigten Drehachse Der Erde bezogen auf die Rotationsebene um die Sonne.


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Die Einteilung der Erdkugel wird wie folgt vorgenommen: - Äquator ist die Ebene senkrecht zur Drehachse - Nördlicher Wendekreis ist die Linie, die um die Erdkugel verläuft bei senkrechter Einstrahlung am 21.6. (Äquator + 23,5 Grad) - Südlicher Wendekreis ist die Linie, die um die Erdkugel verläuft bei senkrechter Einstrahlung im Winter (Äquator – 23,5 Grad) Für jeden Ort der Erde lassen sich deshalb über entsprechende Winkelbetrachtungen Strahlungs- daten generieren. Am Beispiel von Regensburg (Lage 49 Grad nördliche Breite) heißt das: Einstrahlungswinkel im Frühjahr und Herbst (21.3./ 23.9.: 90 – 49 = 41 Grad Einstrahlwinkel im Sommer (21. Juni): 90 – 49 + 23,5 = 64,5 Grad Einstrahlwinkel im Winter (21. Dezember): 90 – 49 – 23,5= 17,5 Grad

Abb. Quelle: Pistohl-Handbuch der Gebäudetechnik Band 2


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Je nach Lage (Breitengrad) und Jahreszeit ergibt sich ein unterschiedlicher Verlauf der Sonne. Der Verlauf der Sonne wird mit dem Höhenwinkel und dem Azimutwinkel (Abweichung von Süden) beschrieben. In Regensburg geht am 21.3/23.9 die Sonne genau im Osten auf und im Westen unter, ihre maximale Höhe beträgt 41 Grad. Sonnenaufgang und Untergang können ebenfalls zeitlich fixiert werden sodass für jeden Ort Und jede Zeiteinheit die Sonnenwanderung in Form des Höhenwinkels und des Azimutwinkels beschrieben werden kann. In Kenntnis dieser Zusammenhänge können dann unter Berücksichtigung des Standortes und der Verbauung gezielt klimagerechte bauliche Maßnahmen entwickelt werden (z.B. Sonnenschutz, Optimierung solarer Energieeinträge),

Abb. Quelle: Pistohl-Handbuch der Gebäudetechnik, Band 2


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Die unterschiedlichen Klimazonen resultieren vor allem aus der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung. Die Leistung der Sonne wird mit der Solarkonstanten beschrieben. Sie beschreibt die Leistung auf eine horizontale Fläche. Außerhalb der Atmosphäre ist die Leistung 1,37 KW/ m². Berücksichtigt man die Leistungsreduktion beim Durchgang der Strahlung durch die Atmosphäre so spricht man von der terrestrischen Solarkonstanten, sie beträgt 1,0 kW / m². In der Äquatorzone scheint die Sonne doppelt so viele Stunden wie auf der nördlichen oder südlichen Halbkugel. Es stellt sich vor diesem Hintergrund die Frage, wie sinnfällig die Stromerzeugung in unseren Breitengraden ist.

Abb. Mittlere jährliche Globalstrahlung in kWh/m²

Abb. Mittlere tägliche Globalstrahlungswerte in kWh/m² auf eine horizontale Fläche

Abb. Jährliche Sonnenscheindauer in Stunden für verschiedene Orte.


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Klimadaten In übersichtlicher Form werden die Klimadaten für Deutschland in der DIN 4108-6 dargestellt. Die Daten sind für 23 Regionen erfasst, um so auch lokale klimatische Differenzierungen erfassen zu können. In der untersten Zeile ist die Durchschnittstemperatur des beschriebenen Ortes dargestellt Großen Raum nimmt die Darstellung der Menge an vorhandener Solarenergie ein, die dann über Fenster passiv oder über Anlagentechnik aktiv genutzt werden kann. Zur Ermittlung der Energiemenge wird die jeweils angegebene mittlere monatliche Strahlungsleistung mit den Stunden des Monats (also z.B. für Januar 31 x 24 h) multipliziert. Man erhält dann die Menge an Solarenergie die dann in Abhängigkeit von der Himmelsrichtung und der Neigung der besonnten Fläche zur Verfügung steht. Die Daten sind in Abhängigkeit von - Monat - Himmelsrichtung - Neigung der Fläche dargestellt. Beispielhaft kann die Tabelle wie folgt praktisch verwendet werden: So kann die Durchschnittstemperatur in einer angenommenen Heizzeit von Oktober bis März wie folgt berechnet werden: Oktober 31 Tage 7,9 Grad 244,9 Gradtage November 30 Tage 2,8 Grad 084,0 Gradtage Dezember 31 Tage -0,7 Grad -021,7 Gradtage Januar 31 Tage -2,1 Grad -065,1 Gradtage Februar 28 Tage -0,7 Grad -019,6 Gradtage März 31 Tage 3,0 Grad 093,0 Gradtage 182 Tage 315,5 Gradtage Die Durchschnittstemperatur in der Zeit von Oktober bis März beträgt in Weihenstephan 1,73 Grad. Bei einer gewünschten Innentemperatur von 20 Grad beträgt die mittlere auszugleichende Temperaturdifferenz 18,27 Kelvin. In gleicher Weise kann die zur Verfügung stehende solare Energiemenge berechnet werden. Auf eine 30 Grad nach Osten geneigte Fläche steht beispielsweise folgende Energiemenge im September zur Verfügung: 130 W/m2 + 31 d * 24 h/d = 96.720 Wh oder 96,72 kWh Welche Energiemenge in den Raum gelangt hängt von der Qualität der Verglasung ab. Welche Energiemenge davon mittels Kollektoren oder PV-Elementen erzeugt werden kann hängt von den Anlagenverlusten des jeweiligen Anlagensystems ab.


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Abb. Klimadaten aus DIN 4108-6 für Region 14 (Weihenstephan)


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Wind Häufig unterschätzt werden bei der Entwicklung klimagerechter Konzepte die Stärke und die Richtung des Windes. Wind trägt in heißen Klimazonen zur Kühlung bei, sodass dort die Gebäude so orientiert werden, dass eine maximale Winddurchströmung erreicht wird. In Mitteleuropa ist häufig eine natürliche Querlüftung dann gut möglich, wenn die Lüftungsöffnungen nicht in Hauptwindrichtung angeordnet sind. Häufig spielen bei der Optimierung hinsichtlich Windexposition regionale Gegebenheiten eine große Rolle.

Abb. Winddiagramm mit Windrichtung, Windstärke und Windhäufigkeit in Berlin. Quelle: Hillmann, Nagel, Schreck Klimagerechte und energiesparende Architektur, C.F. Müller Karlsruhe, 1981

Hauptaussagen: - Hauptwindrichtung WSW - Die häufigsten Wind kommen aus Westen - Die stärksten Winde kommen aus Westen


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Klimabeschreibung

Übersicht Eine Typisierung der auf der Erde herrschenden Klimata kann nach unterschiedlichen Verfahren vorgenommen werden. Eine Typisierung nach Koeppen/Geiger unterscheidet fünf Klimazonen (Makroklima), die dann in weiteren Schritten noch präziser eingegrenzt werden können (Mikroklima): Schneeklima (Sibirien, Nordkanada) (Polare Zone) E – Zone Höchste Monatstemperatur über 10 Grad Schnee-Wald-Klima (Grönland, Kanada) (Kaltgemäßigte Z.) D-Zone Tiefste Monatstemperatur unter – 3 Grad, höchste Temperatur über + 10 Grad Warm gem. Klima (Deutschland) (kühlgemäßigte Z.) C-Zone Monatstemperatur liegt über – 3 Grad und unter 18 Grad Trockenklima Mittelmeerländer) (Subtropen) B-Zone Abhängigkeit von Temperatur und Niederschlagsmenge Tropisches Klima (südl. Saharagebiete) (Tropen) A-Zone Mitteltemperatur in allen Monaten über 18 Grad


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Die fünf Makrozonen können durch Hinzufügen eines weiteren Buchstaben untergliedert werden, sodass dann acht Klimazonen beschrieben werden. Die Differenzierungen werden anhand definierter Niederschlagsmengen und Jahresmittel der Temperatur vorgenommen. So wird beispielsweise die für Europa geltende Klimazone C in Cs und Cf untergliedert. Cs bedeutet, dass der trockenste Sommermonat weniger als 40mm Niederschlag aufweist und weniger als ein Drittel der Niederschlagssumme des feuchtesten Wintermonates. Dies ist südlich der Alpen der Fall. Cf bedeutet, dass alle Monate im Jahr feucht sind, d.h. sie besitzen mindestens eine Niederschlagsmenge von 60mm.

Abb. Klimatypen nach Köppen Geiger Quelle: Energetische Sanierung Detail Praxis


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Die Klimatypen können durch präzisere Untergruppierungen in Klimauntertypen aufgegliedert werden. So fällt beispielsweise die für Deutschland relevante Zone Cf mit dem dritten Buchstaben b verstehen. Dieser Buchstaben beschreibt den Untertyp „warme Sommer“ der dann auftritt, wenn die Mitteltemperatur des wärmsten Monats unter + 22 Grad liegt und vier Monate vorhanden sind, deren Durchschnittstemperatur über + 10 Grad beträgt.

Abb. Klimauntertypen nach Köppen Geiger Quelle: Energetische Sanierung Detail Praxis


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Klimabeschreibung im Detail Im Detail wird das Klima wird durch folgende Parameter beschrieben werden: - Monatliche Durchschnittstemperatur - Minimale und maximale Temperatur im Monat und auch innerhalb von 24 h - Durchschnittliche monatliche Strahlungsleistung der Sonne (Globalstrahlung) auf eine horizontale Fläche - Sonnenscheinstunden - durchschnittliche monatliche Niederschlagsmenge in mm - mittlere Windstärke in m/sec.

Abb. Klimabeschreibung von Zürich

Abb. Klimabeschreibung von Davos


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Tropisches Klima (A – Zone) - Hohe relative Luftfeuchte (60 – 100 %) - hohe Niederschlagsmengen (1200- 2000 mm / Jahr) - hoher Anteil diffuser Strahlung - hohe Durchschnittstemperaturen, - Geringe Temperaturunterschiede im Jahr (max. 30 Grad, minimal 25 Grad) - Geringe Temperaturunterschiede am Tag (ca. 7 K) - niederer Luftdruck - oft geringe Luftbewegungen, jedoch auch starke Stürme

Abb. Typische Klimadaten im Äquatorialklima A-Klima nach Koeppen/Geiger Standort: Kuala Lumpur


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- Leichtbau um unerwünschte Speicherung zu vermeiden - Förderung der Durchlüftung zur Unterstützung der Wärmeabgabe über Hautverdunstung –

Öffnungen müssen verschließbar sein (Sturm) geringe Bautiefe in Durchlüftungsrichtung, Kamineffekt zur Luftabfuhr

- Schutz von Gebäuden vor Sonnenstrahlung durch Sonnenschutz, Baukörperform und Orientierung (Loggien, Vorbereiche)

- Schutz vor Durchfeuchtung durch Dachüberstände (aufgeständerte Bauten) - Baustoffe mit geringer Feuchtespeicherung Fehlerhafte bauliche Maßnahmen: - Massive Gebäude - Luftdichte Gebäude - hoher Verglasungsanteil - Lehmbaustoffe

Abb. Typisches Gebäude im Äquatorialklima (Architekt Glenn Murcutt)


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Trockenklima ( B – Zone) - intensive direkte Sonneneinstrahlung - niedrige relative Luftfeuchte (10 – 50 %) - geringe Niederschlagsmengen (bis 250 mm /Jahr) - seltene Regenfälle, kurzzeitig hohe Niederschlagsmengen - hohe Lufttemperaturen am Tag (bis 40 Grad) - relative niedere Lufttemperaturen nachts - hohe Temperaturschwankungen Tag – Nacht - starke Luftbewegungen - meist klarer Himmel mit hohem direkten Strahlungsanteil Kennzeichnend für das Trockenklima sind die großen Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht. Im Durchschnitt liegen die Temperaturen im behaglichen Bereich, so dass kein heizen und kühlen nötig ist. Wichtig ist eine hohe wirksame Wärmespeicherfähigkeit.

Abb. Typische Klimadaten im Trocken-Klima B-Klima nach Koeppen/Geiger Standort: Medina


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Wichtigstes bauliches Ziel ist die Vermeidung hoher Wärmeeinträge - kompakter Baukörper um Wärmeeinträge zu reduzieren - kleine Fensteröffnungen auf Nordseite und Südseite (mit horizontalem Sonnenschutz - helle Oberflächen - Massivbauweise zur temporären Wärmespeicherung (zeitversetzte Wärmeabgabe, geringe

Temperaturamplitudenverhältnis)) - Nachtlüftungsmöglichkeit zum Abbau der Wärmemenge (Innenhöfe) - kompakte Baukörper - Schlafräume im Osten - Dachterrassen als Schlafraum - Optimierung der Lüftung (Kamineffekt, Zuluft auf verschatteter Seite bzw. Zuluftführung über

Wasserfläche) - natürliche Kühlung - doppelschalige Dächer Fehlerhafte Konstruktionen Leichtbauten, hoher Verglasungsanteil,

Abb. Typische Lehmhäuser im Trockenklima


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Schneeklima (E – Klima) Die mittlere Temperatur des wärmsten Monats liegt unter + 10 Grad liegt die Außentemperatur aller Monate unter 0 Grad, so wird diese Untergruppe des E-Klimas mit dem Buchstaben F verstehen. Das EF – Klima ist das Klima des ewigen Frostes. Liegt an mindestens einem Monat die Temperatur über 0-Grad, so spricht man vom Tundra-Klima (Index T)

Abb. Typische Klimadaten im Polarklima E-Klima nach Koeppen Geiger Standort: Jakobshavn


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Alle Maßnahmen sind darauf ausgerichtet, um Wärmeverluste und den Wärmebedarf zu reduzieren: - kompakte Bauform um Wärmeverluste zu vermeiden - tief liegender Eingang um Abzug der Warmluft zu reduzieren (Windfang) - Fensterflächen reduzieren - Wind orientiertes Bauen (Eingang, Form) - Reduktion der Innentemperatur Der Iglu ist optimiert darauf Wärmeverluste zu vermeiden. Eine entscheidende Voraussetzung. Hierfür ist seine kompakte Halbkugelform. Der Eingang liegt tief und windgeschützt, damit der Abzug von Warmluft vermieden wird.

Abb.

Typisches Gebäude im Polarklima:


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Schnee-Wald-Klima (D – Zone) - niedere Jahresdurchschnittstemperaturen (0 bis 6 Grad) - geringe tägliche Temperaturunterschiede sowohl im Sommer wie im Winter

(lange Besonnung im Sommer, kaum Besonnung im Winter) - Hohe jährliche Temperaturunterschiede - lange Frostperioden - relativ geringe relative Luftfeuchte - geringe Niederschlagsmengen

Abb. Typische Klimadaten in der kühl-gemäßigten Zone D-Klima nach Koeppen Geiger Standort: Helsinki


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Schutz vor Kälte - Kompaktheit - Dämmung - Orientierung nach Süden - Zonierung der Räume (Pufferräume an der Nordseite, Dachböden, Keller) - Verschlussmöglichkeit der Fensteröffnungen außerhalb der Nutzungszeit - tief heruntergezogene Dächer auf der dem Wind zugewandten Seite - Windfang beim Eingang Nutzung der Wärme im Sommer Die Saltbox mit großer Wandfläche nach Süden und tief heruntergezogenem Dach auf der Nordseite stellt eine typische Wohnhausform im D-Klima dar. Holzstapel auf der Nordseite dienen häufig als zusätzliche Wärmedämmung


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Warm gemäßigtes Klima (C – Zone) Das Klima ist unterschiedlich und stark abhängig von den Jahreszeiten - die Hälfte des Jahres liegen die Monatstemperaturen unter 12 Grad - hohe jährliche Temperaturunterschiede von Winter zu Sommer (16 K) - in der Regel geringe Temperaturunterschiede im Tagesverlauf - kurzzeitig hohe Temperaturunterschiede im Sommer im Tagesverlauf - mittlere bis hohe relative Luftfeuchte (60-80 %)

Abb. Typische Klimadaten im mitteleuropäischen Klima. (C-Klima nach Koeppen-Geiger)


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Vermeidung von Wärmeverlusten im Winter - kompakte Bauform - wärmedämmende Konstruktionen - Einrichtungen zum Verschluss der Öffnungen in der Nacht Vermeidung von Wärmeeinträgen im Sommer - kompakte Bauform - Fensterflächenanteil und funktionierende Sonnenschutzeinrichtung - Orientierung - Wärmespeichernde Baukonstruktion Sonstiges - Schutz vor Niederschlägen (Dachform, Dachüberstand, funktionierende d.h. kontrollierte

Entwässerung, Fassade, Keller – Lichtschacht) - Dichtheit der Gebäudehülle - Vorzonen /Arkaden - natürliche Lüftbarkeit (Gebäudetiefen, Atrien etc.)

Abb. Typischer Bau im C-Klima

Im Gegensatz zu den Gebieten, die ein Klima besitzen, das sich im Jahresverlauf kaum verändert, müssen Bauten im C- Klima auf divergierende Anforderungen reagieren können. Sind beispielsweise im Winter große Südfenster und Leichtbaukonstruktionen von Vorteil, bringen diese Konstruktionen im Sommer große Nachteile mit sich (Überwärmung). Hier ist ein differenziertes auf den einzelnen Standort und vor allem ein auf die Nutzung abgestimmtes Vorgehen bei der Planung wichtig.


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Solarenergienutzung

Solarzelle Auszug aus Pistohl, Gebäudetechnik 1: „Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Licht in elektrischen Strom. Die photovoltaische Umwandlung von Sonnenstrahlung in Elektrizität geschieht mit Hilfe von Solarzellen.Solarzellen bestehen z.B. aus einer negativ (z.B. mit Bor) und einer positiv (z.B. mit Phosphor) verunreinigten Halbleiterschicht, meist aus Silizium, aber auch aus anderen Verbindungen wie Galliumarsenid, Cadmiumtellurid oder Kupfer-Lindium-Diselenid. Solarzellen sind also prinzipiell wie Halbleiterdioden aufgebaut. Die Stromerzeugung beruht auf dem sog. „photovoltaischen Effekt“: Bei Bestrahlung einer Solarzelle mit Licht werden im n-Material Elektronen freigesetzt. Sie können aber wegen der Diodenwirkung der Übergangsschicht nicht zum p-Material wandern. Ihre ursprünglichen Plätze werden von Elektronen aus dem p-Material eingenommen, die durch die Übergangsschicht nicht behindert werden. Dadurch entsteht der M;inuspol am n-Material. Zwischen n- und p-Material lässt sich also eine Gleichspannung – etwa 0,5 V – abgreifen. Verbindet man die beiden Kontakte an der Ober- und Unterseite der Solarzelle, so fließt Gleichstrom. Aus physikalischen Gründen kann nur ein Teil der einfallenden Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Angestrebt wird eine Erhöhung der Wirkungsgrade (heute ca. 10 %) bei gleichzeitiger Reduktion der Kosten.“ Normbedingungen für Leistungsvergleich (Laborbedingung): Einstrahlung der Sonne: 1000 W/ Sonnenähnliches Lichtspektrum Meßtemperatur 25 Grad

Abb. Schematische Darstellung der regenerativen Stromerzeugung

Aufgrund intensiver Förderung ist der Einsatz der Solarzelle zur regenerativen Stromerzeugung sehr beliebt. Die Nutzung der Solarenergie zur Stromerzeugung ist in unseren Breitengraden jedoch nicht unumstritten. Die jährliche Sonnenscheindauer beträgt in Deutschland ca. 1700 Stunden, in Israel 3500 Stunden und in der Sahara 4000 h. Da Strom im Gegensatz zur Wärme problemlos transportiert werden kann, wäre aus Effizienzgründen eine großtechnische regenerative Stromerzeugung in südlichen Ländern wesentlich effizienter. Für die Photovoltaik spricht, dass mit Strom eine Energieform erzeugt wird, Mit der alle energetisch relevanten Prozesse abgedeckt werden können. Strom wird deshalb auch als „elegante“ Energie bezeichnet. Des Weiteren ist Strom auch Grundlage der Wasserstoffwirtschaft (Wasserstofferzeugung) sodass Strom auch eine äußerst zukunftsträchtige Energieform ist.


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Die Leistung der Photovoltaikzelle wird In KWpeak beschrieben. Sie wird unter standardisierten Bedingungen ermittelt und erlaubt einen Vergleich der unterschiedlichen Module. Eine monokristalline Siliziumzelle von 10 x 10 cm Größe erzeugt eine Spitzenleistung unter Normbedingungen von ca. 1,5 Wh. Die Spannung liegt bei 0,5V Bei einer Stromstärke von 3 A für das Laden von 12 V – Batterien werden 36 Zellen in Reihe geschaltet, bei größeren Anlagen entsprechend mehr. Der Wirkungsgrad der Photovoltaikzelle gibt an, wie viel der eingestrahlten Energie in Strom umgewandelt wird.

Zellentyp Monokristallin ca. 16 % Polykristallin ca. 12 % Amprph ca. 8 %


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Solarkollektor Grundsätzlich werden zwei Kollektortypen unterschieden: Bei Flachkollektoren handelt es sich um gedämmte Blechkästen, die luftdicht mit einer Glasscheibe abgeschlossen sind. Die unterseitige Dämmung ist durch ein schwarz lackiertes Blech abgedeckt, auf dem in Rohrschlangen die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Bei Röhrenkollektoren wird die Wärme über eine Trägerflüssigkeit aufgenommen und im Wärmetauschverfahren in einen Speicher abgegeben. Die Rohrschlangen sind mit einem geriffelten Sicherheitsglas abgedeckt, der Kollektorkörper ist mit einer Wärmedämmung versehen. Der höhere Wirkungsgrad bei Vakuum-Röhrenkollektoren resultiert aus der hohen Effizienz die durch die in einem Vakuum platzierten Absorberflächen entstehen. Die Wärme wird über Wasser aufgenommen das verdampft. Im oberen Teil des Kollektor wird in einem weiteren Tauschvorgang der Dampf abgekühlt, indem die Wärme von einer Tauscherflüssigkeit aufgenommen wird. Vakuum-Röhrenkollektoren sind etwa doppelt so teuer wie Flachkollektoren. Ihr Einsatz rechnet sich dann, wenn hohe Temperaturen erzeugt werden sollen. Kollektortyp Kollektorbauart und Wirkungsgrad bei Temperaturdifferenz Umgebungstemperatur und mittlerer Kollektortemperatur


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Nicht die gesamte Energie, die auf den Kollektor trifft kann weitergegeben werden. Aufgrund verschiedener Verluste gehen im Kollektor selbst etwa 20 – 25 % verloren, weitere 10 – 25 % gehen in dem Verteilnetz verloren, das den Kollektor mit dem Wärmespeicher verbindet. Auch der Wärmespeicher selbst hat – besonders wenn es sich um einen Langzeitspeicher handelt – noch relativ hohe Speicherverluste. Wirkungsgrad Der Kollektor (hier: Flachkollektor) selbst nutzt je nach Bauart nur einen Teil der auf ihn auftreffenden Wärmemenge. Der Kollektorwirkungsgrad liegt bei circa. 80 %. Weitere Verluste entstehen bei der Verteilung der Wärme vom Kollektor hin zu den Speichermedien.

Der Kollektor besitzt unterschiedliche Kenngrößen. Wichtig für die Auslegung ist die Aperturfläche, die die Größe der Glasfläche beschreibt. Der optische Wirkungsgrad und die Wärmeverlustbeiwerte sind auf die Absorberfläche (Blechfläche innen bezogen Die maximale Stillstandstemperatur ist die Temperatur die an der wärmsten Stelle des Kollektor bei einer Strahlungsleistung von 1000 W/qm auftritt.

Solarstrahlung

Wärmeträger-medium

Abstrahlung(Emission)

Glas-ReflexionKonvektion undWärmeleitung

Nutzwärme

Wärmeleitung

5% 100%

8% 12%

72%

92%

3%


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Abb. Technische Angaben für die Kollektor-Typen Vitosol 100, Typ SV1 und SH1 Quelle: Viessmann


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Hybridkollektoren

Die staatliche Förderung von Solaranlagen hat dafür gesorgt, dass sich Hersteller dieser Anlagen seit Jahren über volle Auftragsbücher freuen können und heutzutage unzählige Hausdächer mit ebendiesen Anlagen verziert werden. Das so genannte Marktanreizprogramm der Bundesregierung sorgt zwar mancherorts angesichts der damit verbundenen hohen Kosten für Kopfschmerzen, kann jedoch aus ökologischer Sicht als einer von vielen Schritten hin zu einer Energiewende angesehen werden. In den meisten Fällen verdient man damit nicht gerade einen Schönheitspreis, hat jedoch einen Beitrag zu einem guten Gewissen geleistet.

Auf den Dächern wird die Kraft der Sonne zum einen mittels Photovoltaik-Anlagen zur Produktion von Strom verwendet (zum Eigenbedarf oder zur Einspeisung ins Stromnetz), zum anderen wird in Solarthermie-Anlagen Wärme für Warmwasser oder die Heizungsanlage gewonnen. Man könnte nun meinen, dass bei der Nutzung der Sonnenenergie mehr gleich mehr ist. Sprich: je mehr und je intensiver die Sonneneinstrahlung, desto mehr Strom wird auch von den Photovoltaik-Modulen erzeugt. Allerdings stimmt diese Annahme nicht, da ähnlich wie für viele andere Materialen auch für Solarzellen gilt, dass es eine maximale Temperatur gibt, welche beim Überschreiten zu einer Senkung des optimalen Wirkungsgrads führt, d.h. es wird dann weniger Strom produziert.

Naheliegend wäre es also, die beiden Techniken Photovoltaik und Solarthermie zu kombinieren und in eine einzige Anlage zu integrieren. Die "überhitzten" Solarzellen könnten durch kaltes Wasser abgekühlt werden und somit weiterhin auf bestmöglichem Niveau Energie produzieren. Das Wasser wird dann in erwärmter Form wieder dem häuslichen Kreislauf zugeführt. Was zunächst simpel und plausibel klingt, stellt Ingenieure bei der Enwicklung einer serienreifen Anwendung jahrelang vor große Schwierigkeiten, sodass sich auf vielen Dächern sowohl Photovoltaik- als auch Solarthermie-Einheiten tummeln.

Mittlerweile sind allerdings integrierte Photovoltaik-/Solarthermie-Anlagen technisch möglich und werden sogar bereits in Serie produziert. Ermöglicht wird dies durch einen Kollektor, der Energie aus den verschiedenen Spektren des Sonnenlichts gewinnt: das sichtbare Lichtspektrum für die Photovoltaik sowie das Infrarotspektrum für die Solarthermie. Zusätzlich existiert ein Kühlsystem, dass die Aufheizung der Photovoltaik-Module stoppt.

http://www.solarhybrid.ag/Solarthermie-Kollektor.164.0.html

http://www.solarhybrid.ag/Solarthermie-Kollektor.164.0.html

http://www.solarhybrid.ag/Photovoltaik-Kollektor.163.0.html


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Wärmespeicherung Da Solarenergie in großem Unfang dann vorhanden ist, wenn der Wärmebedarf gering ist, wird mittels Langzeitspeichern versucht, im Sommer die Energie zu speichern, um sie dann ab September zu Heizzwecken zu nutzen. Die gespeicherte Energiemenge lässt sich relativ einfach berechnen, indem man die Menge Wasser die um eine bestimmte Temperaturdifferenz Erwärmt mit der spezifischen Wärmekapazität von Wasser (1,16 Wh/ m3 *K) Multipliziert. Werden also 1000 Liter Wasser um 60 Grad erwärmt oder entwärmt so werden 70 kWh hierfür benötigt bzw. werden 70 kWh frei gesetzt. Wie viel Prozent der benötigten Heizwärme solar gedeckt werden können, hängt vom Heizwärmebedarf ab. Je geringer der Heizwärmebedarf ist, desto höher ist der möglich Deckungsgrad der Heizwärme durch Solarenergie. Das Problem bei der Nutzung der Solarenergie besteht darin, dass in den Zeiten in der Energie benötigt wird, Kaum solare Energie vorhanden ist. Eine intensive Nutzung solarer Energie Ist deshalb nur mittels eines Langzeitspeichers möglich. Die im Sommer Gespeicherte Energie wird im ersten Winterhalbjahr zur Wärmeerzeugung genutzt.

Abb. Wärmebedarf für ein Einfamilienhaus (ca. 20.000 kWh) und solare Energiemenge in Zürich Quelle: Jenni (www.jenni.ch)

Die Energieverluste bei der Wärmespeicherung sind dann relativ hoch, wenn der Langzeitspeicher im unbeheizten Bereich (Erde, Keller) aufgestellt ist. Da die Wassertemperatur im Speicher am Ende der Ladezeit ca. 90 Grad beträgt, sind die Wärmeverluste zu Beginn der Heizzeit besonders hoch. Soll nun Wärme beispielsweise von September bis Dezember gespeichert werden, um auch für die zweite Hälfte der Heizperiode noch solare Wärme zur Verfügung zu haben, so verliert der Speicher in den 3 Monaten Lagerzeit über die Hälfte der anfänglich gespeicherten Energie. Ernsthaft zu überlegen ist deshalb bei solar beheizten Gebäuden immer, ob der Speicher nicht innerhalb der beheizten Hülle aufgestellt werden kann, Da dann die Speicherverluste für die Beheizung des Gebäudes genutzt werden können.


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Abkühlung eines 13.000 Liter Speichers der mit 40 cm Dämmung umhüllt ist. In 100 Tagen kühlt das Wasser aufgrund von Speicherverlusten auf 60 Grad ab. Das ist ein Wärmeverlust von 480 kWh oder eine mittlere Verlustleistung von 200 Watt.

Abb. Quelle: Jenni (www..jenni.ch)

In Wasser kann die Wärme auf kleinstem Raum gespeichert werden. Wasser stellt deshalb ein preisgünstiges und effizientes Speichermedium dar. Denkbar ist auch die Speicherung der Wärme in Steinschichten. Künftig wird Energie auch in so genannten Latentwärmespeichern zwischengelagert werden können. Diese Speicher sind kleiner, weil sie durch eine Änderung des Aggregatzustandes während des Speicher- bzw. des Entladevorganges besonders viel Energie aufnehmen und dann wieder abgeben können.

Abb. Übersicht über Speichersysteme

Speicher

thermische Speicher

chemischeSpeicher

sensibleWärme

latente Wärme

Reaktions-wärme

flüssig fest fest-flüssigflüssig-

gasförmig

Eis Parafine Fettsäuren SalzhydrateGemische von Salzen


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Speichermedien Die Speicherfähigkeit von unterschiedlichen Speichermedien unterscheidet sich stark. Am einfachsten zu handhaben sind Wasserspeicher. Wasser wird in den Sommermonaten von 15 auf bis zu 90 Grad erhitzt, die darin enthaltene Energie kann dann für Heizzwecke genutzt werden. Wasserspeicher erfordern allerdings ein relativ großes Volumen. Deutlich kleiner sind die so genannten Latentspeicher, die besonders viel Energie aufnehmen können, da sie bei definierter Temperatur ihren Aggregatzustand ändern. Insbesondere die thermochemischen Speicher können im Vergleich zu Wasserspeichern bei gleichem Volumen in etwa das 10 –fache an Energie aufnehmen. Diese Speicher nutzen reversible chemische Prozesse. Diese Speicherform befindet sich noch im Test, eine Serienreife ist noch nicht gegeben.

Abb. Speicherarten und Erzielbare Energiedichten Quelle: Autor

0

50

100

150

200

250

Energ

iedic

hte

[kW

h/m

³]


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Latentspeicher Durch die Änderung des Aggregatzustandes kann ein Latentspeicher bei Gleichem Volumen eine deutlich größere Energiemenge aufnehmen als dies bei Wasser der Fall ist. Die Temperatur, bei der ein Wechsel des Aggregatzustandes erreicht wird hängt von der Zusammensetzung des Speichermediums im Latentspeicher ab.

Die Einbindung des Latentspeichers in das Anlagensystem erfolgt in gleicher Weise wie die Einbindung eines Wasserspeichers.


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Anlagentechnik Gebäudebezogene Anlagentechnik Eine relativ einfache Form der Solarenergienutzung ist die Erwärmung des Brauchwarmwassers. Das Brauchwarmwasser wird in einem Speicher sowohl vom Heizkessel wie auch vom Kollektor erwärmt. Bei ca. 1 – 1,5 qm Kollektorfläche pro Bewohner können etwa 70 % des Energiebedarfes für die Brauchwasserbereitung solar gedeckt werden. Brauchwasser kann nicht nur zur Körperpflege genutzt werden, sondern auch der Spülmaschine und der Waschmaschine als vorgewärmtes Wasser zugeführt werden. Allerdings müssen diese Geräte über einen Warmwasseranschluss verfügen. Die jährliche Bilanz sieht im Vergleich etwa wie unten dargestellt aus, wobei der Gasbedarf zum Teil durch Solarenergie substituiert werden kann. Strombedarf Strombedarf Gasbedarf Spülmaschine: 325 kWh 168 kWh 225 kWh Waschmaschine: 118 kWh 54 kWh 98 kWh

Abb. Speicher im Speicher für Warmwasser und Heizungsunterstützung.


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Solare Nahwärme Mittels so genannter Nahwärmenetzen kann Solarenergie großtechnisch zur Wärmeerzeugung genutzt werden. Das Problem bei der solaren Nahwärmeversorgung besteht in den hohen Verteilverlusten, wie am Beispiel der Anlage in Hannover - Kronsberg dargestellt werden kann: Die Kollektoren speisen 390 MWh ins Netz ein bei einer eingestrahlten Energiemenge von ca. 1500 MWh. Circa 10 % der eingestrahlten Energiemenge geht im Verteilnetz hin zum Speicher verloren. Aus dem Speicher entnommen werden 283 MWh, die Speicherverluste betragen ca. 20 % bezogen auf die eingespeicherte Energie. 60 % der für die Heizung benötigten Energie wird noch zugeführt. Die Verteilverluste betragen 141 MWh. Davon entfallen 40 % auf die solar erzeugte Wärme (56 kWh). Insgesamt werden von den 1583 MWh der zur Verfügung stehenden Solarenergie lediglich 227 MWh in Wärme um gesetzt. Das ist ein Gesamtwirkungsgrad von 14 % !.

Abb. Schema einer Solaranlage mit Langzeitspeicher für eine Wohnanlage mit 7350 qm Wohnfläche in Hannover.


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Heizung Während mit herkömmlichen Speichern im Zuge der Brauchwarmwasserbereitung etwa 10 % der Wärme auch für Heizwecke genutzt werden kann, ist eine großmasstäbliche Nutzung der Solarenergie nur mit so genannten Saisonspeichern möglich. Wasser wird im Sommer bis 90 Grad erwärmt. Ab Oktober wird dann dem Saisonspeicher die Wärme entnommen. Eine solare Deckung von 50 % des Heizenergiebedarfs ist als Grenzwert anzusehen, weil in diesem Fall die Energie von Oktober bis Dezember aufgebraucht wird. Eine länger dauernde Speicherung und damit ein höherer Deckungsgrad muss mit deutlich höheren Speicherverlusten erkauft werden. Eine 100–prozentige solare Beheizung hat im Vergleich zu einer 50-prozentigen Deckung eine etwa dreifache Menge an Kollektoren und eine doppelte Speichergröße zur Folge.

Abb. Solarer Deckungsgrad als Funktion der Kollektorfläche und der Speichergröße bei QH 10kW in München Quelle Jenni Energietechnik, Burgdorf (CH)

Bei dem mehrfach in einschlägigen Fachzeitschriften publizierten Gebäude stellt sich die Frage, warum die Hüllfläche aus Ziegelmauerwerk erstellt wurde. Sinnvoller wäre es, zunächst die Hülle zu optimieren – d.h. die Wärmeverluste zu reduzieren. Zusätzlich dazu sollte zur Reduktion der Lüftungswärmeverluste eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung installiert werden. Erst dann – also auf der Basis des reduzierten Wärmebedarfes sollte dann die teuere Solartechnik dimensioniert werden. Wie auch bei diesem Objekt wird häufig bei Solarhäusern die Grundrissqualität und damit zusammenhängend auch die räumliche Qualität vollkommen vernachlässigt.

Abb. Energieautarkes Einfamilienhaus in Regensburg Speiche: 40.000 Liter Kollektoren 84 qm

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120

Deckungsgra

d [%

]

Kollektorfläche [m²]


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Kennwerte Evaluierte Projekte Bei der Nutzung der Solarenergie zu Heizzwecken spricht man von der solaren Deckungsrate. Um hier Begriffsverwirrungen zu vermeiden muss klar sein ob von der Deckung des Wärmebedarf getrennt für die Warmwasserbereitung und die Heizung gesprochen wird, oder ob der Wärmebedarf als Ganzes – also für Warmwasser und Heizung – gemeint ist. Die solaren Deckungsraten des Wärmebedarfes für die Beheizung sind immer projektabhängig zu ermitteln, da der jeweilige Wärmebedarf abhängig ist vom baulichen Konzept. Warmwasserbereitung 70 % Deckung des Wärmebedarfes für Warmwasser 1,5 m² Kollektorfläche pro Person Einfamilienhaus 1,0 m² pro Person Mehrfamilienhaus Heizungsunterstützung ca. 10 % des Heizenergiebedarfes bei Gebäude EnEV - Standard zusätzlich zur Warmwasserbereitung 0,15 m² pro m² Wohnfläche Solare Heizung (bis 50 % Deckungsgrad) P 1 P 2 P 3 Wohnfläche (qm) 21000 14800 7360 Wärmebedarf (Kwh/qm) 078 108 094 Wärme regenerativ (Prozent) 28 49 39 Kollektoren (qm/qmWF) 0,14 0,20 0,18 Speicher (Liter / qm WF) 560 300 370 Die Firma Jenni Energietechnik empfiehlt bei Langzeitspeichern max. 1000 Liter Speichervolumen je m² Kollektor Die Firma Jenni aus Burgdorf in der Schweiz hat bereits zahlreiche Objekte mit solarer Heizungsunterstützung realisiert und kann auf eine breite Datenbasis zurückgreifen. Bezogen auf die Heizleistung (ermittelt bei – 10 Grad) kann etwa eine 70 % Deckung mit folgenden Kennwerten erreicht werden: Kollektorfläche / Heizleistung: 5 Speichergröße - Liter/ m² Kollektorfläche: 300 Liter / m² Erfahrungswerte ausgewerteter Anlagen Haustyp EFH EFH MFH Heizleistung (kW) 5 5 20 Kollektorfläche (qm) 4 53 110 Wärme regenerativ (Prozent) 7 80 70 Kollektoren/Speicher (l/m²) 222 434 227 Speicher (Liter ) 10000 23000 25000


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Beispiel thermische Solarenergie Am Beispiel einer thermischen Solaranlage könen der monatliche Ertrag, der durchschnittliche Jahresertrag pro Quadratmeter und die solaren Deckungsraten für die Heizung und die Warmwasserbereitung dargestellt werden.


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Fragen 01 Berechnen Sie für Freiburg, Garmisch-Partenkirchen und Norderney: - Wärmeverlust und Wärmegewinn durch ein Südfenster der Größe 10 m

2 im Januar

(Uw,BW = 1,3 W/m2K, g-Wert: 65 %)

- die Durchschnittstemperatur der Monate Oktober – März (angenommene Heizzeit) und die daraus resultierende Gradtagzahl unter der Voraussetzung, dass die durchschnittliche Innentemperatur 21 Grad beträgt. EnEV- Neubaustandard (Heizgrenztemperatur 10 Grad) und für ein Passivhaus (Heizgrenztemperatur 8 Grad). - die Gradtagzahlen für die jeweiligen Objekte und den Transmissionswärmeverlust durch eine Wand mit einem U-Wert von 0,3 W/m

2K

- den Ertrag einer Photovoltaikanlage als Endenergie und als Primärenergie für 30 Grad Ost, 45 Grad Süd und 90 Grad Süd. - den Ertrag einer thermischen Solaranlage mit gleicher Orientierung 02 Ermitteln Sie die entsprechenden Klimadaten für - Athen - Nowosibirsk - Peking - Manila Und entwickeln Sie entsprechende Aussagen für die genannten Standorte


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Links

Klima www.klimadiagramme.de Informationen zum Klima www.dwd.de Link zur Homepage des deutschen Wetterdienstes www.volker.quaschning.de Sonnenstandsdiagramme, Klimadaten, Informationen

Solarenergie - www.solarserver.de Überblick - www.eurosolar.de Überblick - www.erneuerbareenergien.de Überblick - www.jenni.ch Die bekannteste Firma für den Bau von Solaranlagen mit Langzeitspeichern

http://www.klimadiagramme.de/

http://www.dwd.de/

http://www.volker.quaschning.de/

http://www.solarserver.de/

http://www.eurosolar.de/

http://www.erneuerbareenergien.de/

http://www.jenni.ch/


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Anlagen

Anlage 1

Klimadaten für Freiburg

Quelle: DIN 4108-6


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Anlage 2

Klimadaten für Garmisch-Partenkirchen

Quelle: DIN 4108-6


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Anlage 3

Klimadaten für Norderney

Quelle: DIN 4108-6

Documents

BK 2: Solarenergie · an Solarenergie die dann in Abhängigkeit von der Himmelsrichtung und der Neigung der besonnten Fläche zur Verfügung steht. Die Daten sind in Abhängigkeit