To the relation of urban building types and energy

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Die Nutzung von Solarenergie hat von Beginn an maßgeblich die Form von Architektur und Stadt bestimmt. Erste Beispiele hierzu finden sich bereits im antiken Griechenland. Der dort entwickelte ‚Urtypus’ einer Solararchitektur, das Megaron, wird zum Grundprinzip der antiken Stadtplanung. Dies lässt sich unter anderem am Beispiel der Stadt Priene demonstrieren, deren Struktur eine maximale passive Nutzung von Solarenergie in allen Gebäuden gewährleistet. Über erste gesetzliche Planungsprinzipien des britischen „Prescription Act 1832“, des amerikanischen „Zoning Law“ von 1916 aber auch im Rahmen von Entwürfen der Architekten und Planer des „International Style“ setzen sich die Bemühungen zur Nutzung der Sonne in Architektur und Stadtplanung bis in die Neuzeit fort. Ab den 1920er Jahren werden radikale Gegenkonzepte zur horizontal verdichteten europäischen Stadt mit überwiegend gerichteten und solitären Stadtstrukturen beschrieben. Viele der dargestellten Entwürfe dieser Zeit arbeiten mit Ost-West-orientierten Zeilenstrukturen (vgl. Ludwig Hilberseimer: Entwicklungsprojekt Friedrichstadt, Berlin, 1928 sowie Marcel Lods: Wiederaufbauplan Wallstraße, Mainz, 1947). Die Ursprünge energieeffizienter Architektur ab Mitte der 1980er Jahre wiederum ‚drehen’ die bis dato vielfach favorisierte Ost-West-Orientierung um 90° und propagieren ab sofort die Nord-Süd-Zeile. Diese beruht auf einer Fortschreibung entsprechender energetischer Berechnungsmethoden im Bereich der Heizwärme. Das Passivhaus und ab dem neuen Jahrtausend auch das Plusenergiehaus machen diese gerichteten Nord-Süd-Strukturen zum Dogma solaren Bauens. Letzteres nutzt vor allem exponierte 30° Süd-geneigte Dächer, um über aktive Systeme (z.B. Photovoltaik) Strom zu produzieren. Die ursprünglich für die Berechnung von Wärmebedarfen entwickelten Bilanzierungsmethoden werden dabei auch zur Ermittlung von Strombedarfen und Strompotenzialen aus aktiven Solarsystemen verwendet. Vor dem Ziel des maximalen Ertrags (hier auch als Paradigma ‚Energie’ tituliert) werden fortan Gebäude konzipiert, die im Jahresverlauf mehr Strom erzeugen, als sie benötigen. Das öffentliche Stromnetz dient dabei als unbegrenzter Speicher. Hierbei wird jedoch dem volatilen Charakter regenerativen Solarstroms nicht in ausreichendem Maße Rechnung getragen. Bei stündlicher, leistungsspezifischer Betrachtung fällt der momentane Ertrag aufgrund von sich verändernden Einfallswinkeln oder wandelnden wetterbedingten Strahlungssituationen ganz unterschiedlich aus. Daneben unterliegt auch die eigentliche Nachfrage je nach Nutzung intensiven Schwankungen im Stunden-, Tages- und Wochenverlauf. Die Betrachtung einer maximalen Eigenversorgung (Paradigma ‚Leistung’) anstatt eines maximalen Ertrages (Paradigma ‚Energie’) erscheint in diesem Zusammenhang notwendig. Hieran anknüpfend wird die Hypothese entwickelt, dass dieses neue Paradigma zu einer Neubewertung darüber führen wird, welche Strukturen (z.B. Nord-Süd, Ost-West, gerichtet, ungerichtet, etc.) zukünftig als leistungseffizient erachtet werden. In diesem Zusammenhang wird hinterfragt, ob unter einem neuen Paradigma ‚Leistung’ die bisher präferierten Nord-Süd Strukturen mit 30° geneigten solaraktiven Süddächern noch Gültigkeit besitzen. Auch stellt sich die Frage, ob unterschiedliche Nutzungen entsprechend anders geartete Formen bevorzugen, um leistungseffizient zu sein. Zuletzt wird der Frage nachgegangen, wie sinnvoll aktive Systeme in Fassaden oder in Elementen des Freiraums (z.B. Carports, Garagen, Wegeüberdachungen, etc.) sind und in welcher Weise sie zu einer Verbesserung der Leistungseffizienz von Stadträumen beitragen können. Zur Beantwortung gestellter Forschungsfragen wird eine eigene Typisierung von Stadtstrukturen vorgenommen und leistungsspezifische Typtage entwickelt. Diese berücksichtigen stündliche Änderungen sowohl auf der Nachfrageseite mit entsprechenden Strombedarfen und auf der Angebotsseite mit den Strombereitstellungspotenzialen. Ein eigens programmiertes Energiemodell dient einer systematischen leistungsspezifischen Analyse verschiedener abstrahierter Grundfiguren (Testkörper) sowie aller gängigen Stadtstrukturen (Bebauungstypen). Eine vergleichende Bewertung untersuchter energetischer (Energiedeckung) und leistungsspezifischer (Anteil Eigenversorgung) Verhaltensweisen erfolgt quantitativ und qualitativ anhand von Kurvendiskussionen. Ziel der Arbeit ist es, ein neues Verständnis solaren Bauens unter den Prämissen vorliegender und zu erwartender technologischer Entwicklungen im Bereich aktiver Systeme zu befördern.

Since the beginning, the usage of solar energy has significantly influenced the form of urban structure and architecture. First examples of this go as far back as to Ancient Greece. The Megaron an archetype of solar architecture became a guiding principle of ancient urban planning. The city of Priene is one of the examples of an urban structure that profited from maximal solar energy through passive measures. The attempt to integrate the use of solar energy into architecture and city planning has been continued into modern times through planning principles like the British Presciption Act in 1832 or the American Zoning Law in 1916 but also through designs from Architects and Planners of the „International Style“. In the 1920’s, radical counter concepts of horizontal densified European cities were composed of predominantly directed and solitary urban structures. Several of the designs of this time period work with East-West-oriented strip-like structures (e.g. Ludwig Hilberseimer: development project Friedrichstadt, Berlin, 1928; Macel Lods: reconstruction plan Wallstrasse, Mainz, 1947) The origins of energy-efficient architeture since the mid 1980s, however, turn the previously preferred East-West-Orientation by 90 degree and promote North-South line-like buildings. This row is based on the extrapolation of energy calculation methods used for thermal heat. The Passive House and now even the Surplus House, developed in the new millennium, make the North-South orientation a dogma of solar building. The latter mainly uses exposed 30 degrees South tilted roofs to produce electricity via active systems (e.g. Photovoltaic). Accounting methods developed to calculate heat requirements are also used to determine electricity demands and potentials from active solar systems. Buildings that produce more electricity throughout the year than they require were designed with the goal to maximize yield (here also titled as „Energy“ paradigm). The public electricity grid hereby serves as an unlimited storage system. However, this method doesn‘t sufficiently take the volatile character of regenerative solar energy into account. An hourly load analysis shows that the current yield varies significantly due to changing solar wave angles or changing weather situations. In addition, the demand itself changes throughout and hour, day and week. Therefore, it appears necessary to move from maximizing the yield (paradigm ‘energy’) to maximizing self-sufficiency (paradigm ‘load’). Consequently, this paper develops the hypothesis that this new paradigm leads to a re-evaluation of which structures (e.g. North-South, East-West, aligned/not aligned, etc.) are considered most load efficient in the future. In this context, this research questions if the until now preferred North-South, 30 degree tilted solar active roof top systems are still the preferred model. Additionally, the paper evaluates how different usages require different forms to be most load efficient. Finally, the work examines how useful active systems in facades or free space elements (e.g. carports, garages, canopies) are and in which ways these systems can contribute to a higher performance of urban spaces. In order to answer these research questions, a typification of urban structures is made and performance-specific day tapes are developed. These take hourly changes in terms of the side of the demand, the overall electricity demand, the side of the supplier and the current deployment potential into account. A custom programmed energy model analyzes systematically the load of different abstracted primitives (test bodies) as well as of all common urban structures (buildings types). The paper uses curve sketching to provide a qualitative and quantitative evaluation of different scenarios from an energy (energy coverage) and a load (self-sufficiency percentage) perspective. Goal of the research is to promote a new understanding of solar building under the premises of the present and anticipated technological developments in the field of active systems.

Depuis le début de la civilisation, l’usage de l’énergie solaire a eu une influence significative sur la structure et l’architecture urbaine. Nous trouvons les premiers exemples de cette influence dans la Grèce Antique : le Mégaron, l’archétype de l’architecture solaire, devenait un des principes directeurs de l’urbanisme antique. La ville de Priène est un des premiers exemples d’une ville où la structure des bâtiments permet de maximiser l’utilisation de l’énergie solaire. Les efforts visant à intégrer l’usage de l’énergie solaire dans l’architecture et la planification de la ville, ont depuis évolué par des lois sur l’urbanisme, comme le « Prescription Act » britannique de 1832, et le « American Zoning Law » de 1916, et aussi par les dessins des Architectes et des Planificateurs de l’ « International Style ». Depuis les années 1920, des concepts ont vu le jour qui s’opposent radicalement à l’horizontal; par exemple des villes européennes denses qui ont des rangées des structures autonomes. Beaucoup de designs de cette période utilisent des structures en bandes orientées est-ouest (Par exemple, Ludwig Hilberseimer: projet de développement, Friedrichstradt, Berlin, 1928; Marcel Lods: la reconstruction de la Wallstrasse, Mainz, 1947) Les origines de la construction efficace en énergie remontent au milieu des années 1980, quand l’orientation est-ouest précédemment préférée a été tournée de 90 degrés pour promouvoir des rangées nord-sud. Cette nouvelle approche est basée sur l’extrapolation des méthodes de calcul énergétique utilisée pour la chaleur thermique. Depuis le début des années 2000, la structure nord-sud est devenue la notion centrale de la construction solaire à la fois dans la maison passive et dans la maison à « Énergie Plus ». Cette dernière utilise principalement des toits exposés, orientés de 30 dégrées en direction sud, afin de générer l’électricité par des systèmes actifs (comme les Photovoltaïques). Des méthodes de calcul, développées pour calculer des besoins en chaleur, sont également utilisées pour déterminer les besoins en électricité et le potentiel électrique à partir de systèmes actifs. Pour maximiser le rendement, les bâtiments sont développés pour produire plus d’énergie pendant l’année qu’ils en exigent. (Ceci est appelé le « paradigme énergétique » dans cet article.) Le réseau énergétique public sert comme solution de stockage illimité pour cette surproduction. Néanmoins, cette méthode ne prend pas suffisamment en compte le caractère volatil de l’énergie solaire. Une analyse détaillée de la performance horaire montre que le rendement varie significativement en fonction des angles des rayons solaires et des changements météoroliques. En outre, la demande elle-même change pendant la journée et la semaine. Il apparaît donc nécessaire de déplacer l’idée de maximiser le rendement (le paradigme énergétique) à partir de l’idée de maximiser l’autosuffisance. (« le paradigme de charge ») Par conséquence, l’hypothèse est développée dans cet article que ce nouveau paradigme nécessite une réévaluation de la question selon quelles structures (par exemple, nord-sud, est-ouest, incliné/plat, etc.) sont les plus efficaces. Dans ce contexte, cette recherche approfondit la question selon laquelle le système de toît solaire photovoltaïque nord-sud avec un angle de 30 dégrées, est toujours le modèle préféré. En outre, l’article évalue comment de différents profiles d’utilisation ont besoin de différents systèmes pour être plus efficaces. Finalement, l’ouvrage examine l’utilité des systèmes actifs sur des éléments d’espace libre (par exemple, des parkings de voitures, des garages, des auvents); et comment ces systèmes peuvent améliorer l‘efficacité de la charge des espaces de ville. Pour répondre à ces questions de recherche, le document développe une typologie des structures urbaines, ainsi que, des types de jours de performances spécifiques. Celles-ci prennent en considération les changements horaires de la demande (les besoins en électricité) et de l’alimentation (les sources d’alimentation électrique). Un modèle d’énergie programmé d’une façon unique, analyse systématiquement la performance des différentes structures de base (le corpstest) aussi bien que, toutes les structure urbaines principales (des types de développement). Le document utilise la courbe d’esquisse pour fournir une évaluation qualitative et quantitative des différents scénarios d’un point de vue énergétique (couverture de l’énergie) et d’une perspective de charge (pourcentage de l’autosuffisance). L’objectif de cette recherche est de promouvoir une nouvelle approche de la construction solaire, sous la prémisse des innovations technologique actuelles et futures dans le domaine des systèmes actifs.

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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultäten und Einrichtungen:
Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen » Architektur » Dissertationen
Dewey Dezimal-Klassifikation:
700 Künste und Unterhaltung » 720 Architektur » 720 Architektur
Keywords:
Städtebau, Stadtform, Bebauungstypen, Energiewende, Solarenergie, Solare Stromerzeugung
Contributors:
Prof. Dr.-Ing Siems, Tanja [Thesis advisor]
Prof. Dr.-Ing Siems, Tanja [Reviewer]
Prof. Hegger, Manfred [Reviewer]
Language:
Deutsch
Collection / Status:
Dissertationen / Document published
Date of doctoral degree:
13.10.2015
Date of doctoral thesis submission:
08.04.2015
Files changed on:
20.09.2016
Medientyp:
Text