Verschattungsprognose

Für spezielle Fragestellungen zu Verschattungswirkungen durch Gebäudestrukturen wurde in unserem Büro das numerische Modell zur Verschattungsprognose ProShad (PROgnosis of SHADowing due to buildings) entwickelt. Das Herzstück des Programms zur Verschattungssimulation bildet der „solar position algorithm for solar radiation applications“ (SPA-Algorithmus), mit dem sich der Sonnenstand nach Azimut α und Höhenwinkel β durch Vorgabe von Längen- und Breitengrad des Bezugsortes, des Datums und der sekundengenauen Uhrzeit sehr präzise (± 0,0003 Grad) berechnen lässt. Damit lässt sich  die Sonnenposition für jeden beliebigen Ort exakt für den betreffenden Tag und die Uhrzeit bestimmen, zu der Verschattungen durch die zu untersuchenden Gebäude festgestellt werden sollen.

Das Modell wurde anhand von verschiedenen städtischen Hochbauten bekannter Abmessungen und Lage hinsichtlich der prognostizierten Besonnungs- bzw. Verschattungsstunden validiert.  Die Abweichungen von beobachteten und berechneten Verschattungszeiten an definierten Bezugsorten liegen hierbei im Bereich von einer bis max. zwei Minuten.

Zentralprojektion des Schattens eines Hauses mit Horizont und Fluchtpunkt SF

Das Simulationsmodell wird vor allem dort eingesetzt, wo eine hohe räumliche (cm-Bereich) und zeitliche (Minuten-Bereich) Auflösung der Verschattungsprognose erforderlich ist. Außerdem lassen sich sog. Verschattungskalender für bestimmte Bezugsorte wie z. B. betroffene Fenstermitten oder Terrassenzentren erstellen.

 

Auszug aus einem Verschattungskalender

Des Weiteren lässt sich mit dem Modell die Randbedingung der DIN 5034-1 berücksichtigen, dass nur Sonnenstände größer gleich 6 Grad Erhöhung über Horizont zu den Besonnungsstunden beitragen.

Der Programmcode von ProShad wurde so optimiert, dass große Aufpunktfelder für vielteilige Gebäudekomplexe in meist weniger als einer Stunde errechnet werden, um zusätzlich zu ausgewählten Bezugsorten auch flächendeckend die Verschattungswirkung von Gebäuden beispielsweise an Fassaden darstellen zu können. Die Visualisierung solcher Ergebnisfelder erfolgt mit Hilfe von farbigen Isoflächendarstellungen der Besonnungsstunden, womit eine anschauliche Übersicht der Schattenwirkungen von Gebäuden auf einer Fläche möglich ist.

Isoflächendarstellung der Besonnungsstunden am 21. März an den Südfassaden eines Gebäudekomplexes

3D-Gebäudemodell

Zur Erstellung des dreidimensionalen Gebäudemodells müssen CAD-Dateien, geeignete Lagepläne oder Grundrisse sowie Höhenangaben der relevanten Gebäude vorliegen; ergänzend können (perspektivische) Luftbilder zur Veranschaulichung von Details der Bestandsbauten herangezogen werden.

Der grundlegende Modellbaukörper von ProShad beruht auf einem allgemeinen Viereck mit ungleichen Seitenlängen und unterschiedlichen Winkeln (vierseitiges Prisma), wobei die Grundfläche am Boden liegt und diese senkrecht nach oben – der Höhe des Gebäudeteils entsprechend – zu einem 3D-Körper erweitert wird. Aus einem solchen Grundkörper lassen sich die meisten Gebäudestrukturen mit ausreichender räumlicher Auflösung zusammensetzen, auch beispielsweise solche mit Giebeldächern oder runden Grundrissen. Die Gebäudekoordinaten und –abmessungen werden in einer Datei zusammengefasst und mit einem Ray-Tracer Computergrafikprogramm visualisiert.

Je nach Tag und Uhrzeit (Sonnenposition) lässt sich der Schattenwurf des Gebäudemodells an Fassaden und horizontalen Flächen hinsichtlich seiner Abmessungen zum Beispiel im Rahmen einer Verschattungsstudie feststellen.

3D-Gebäudemodell zur Prognose der Verschattungszeiten mit ProShad

Zur Verschattungsprognose werden die geographische Lage des Gebäudeensembles, das Bezugsjahr und die Bezugsorte für die Prognoseergebnisse vorgegeben. Bezugsorte können entweder einzelne Punkte sein (z. B. die Mitte eines untersuchten Wohnungsfensters) oder Aufpunktfelder wie übereinander liegender Fenstermitten, horizontale Flächen wie Innenhöhe oder Terrassen oder Gebäudefassaden. Der Bezugszeitraum der Ergebnisgröße (Besonnungs- oder Verschattungszeit) kann beliebig gewählt werden: einzelne Tage (wie 17. Januar oder 21. März), bestimmte Wochen oder Monate oder das ganze Jahr. Auch lassen sich die Tage mit maximaler Besonnungs- oder Verschattungsdauer feststellen.

Im Regelfall wird auf einen ganzjährig wolkenlosen Himmel, d. h. auf eine astronomisch maximal mögliche Sonnenscheindauer abgestellt. Alternativ lassen sich auch statistische Bewölkungsdaten für einzelne Monate oder Wochen verwenden, um  genauere Aussagen zu den tatsächlichen Besonnungs- oder Verschattungszeiten zu erhalten.

Anwendung Schattenprognose

Als Gutachter setzen wir das validierte Schattenprognosemodell bei Gebäudekomplexen und Hochbauten sowohl für die Bestandssituation als auch für bauvorhabenbezogene Neu- oder Umbauten ein, um an beliebigen Aufpunkten die jährlichen Verschattungs- bzw. Besonnungsstunden, die maximale tägliche Verschattungsdauer oder die Besonnungsdauer für bestimmte Tage (wie den 17. Januar oder 21. März nach DIN 5034-1) schnell und genau zu prognostizieren. Damit kann die Verschattungswirkung eines Bauvorhabens einschließlich evtl. Planungsvarianten direkt der Bestandssituation gegenüber gestellt werden.

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