Foto: Frontansicht des sozialen Wohnbaus Utendorfgasse Wien

PVOPTI-Ray: Optimierung reflektierender Materialien und Photovoltaik im Stadtraum bezüglich Strahlungsbilanz und Bioklimatik

Im Rahmen des Projektes PVOPTI-Ray wird der Einfluss der Reflexion und der Strahlungsbilanz in städtischem komplexem Gelände auf die Performance von fassadenintegrierter Photovoltaik (PV) untersucht. Ebenso wird der Einfluss der Solarmodule und der Strahlungswandlung an Solarmodulen auf das Stadtklima analysiert.

Kurzbeschreibung

Menschen, die sich im urbanen Gelände aufhalten, werden aber gleichermaßen den Energieflüssen ausgesetzt. Mit Hilfe von gekoppelten urbanen Stadtklima-Gebäudemodellen und PV-Ertragstools werden optimale Lösungen der Stadtplanung bezüglich der Formgebung eines Straßencanyons und der Ausgestaltung seiner Oberflächen erarbeitet. Hierbei sollen Methoden und Techniken aufgezeigt werden, die zu einem optimalen Ertrag von fassadenintegrierten PV Anlage bei gleichzeitiger Berücksichtigung der für Menschen wichtigen bioklimatischen Aspekte führen.

Ausgangssituation/Motivation

Städte sind die größten Energieverbraucher und zugleich die Hauptleidtragenden des Klimawandels. Vor diesem Hintergrund werden "Solar Cities" national und international diskutiert: Städte, die einen Großteil ihrer Energie über die Sonne direkt mit den eigenen Dächern und Fassaden gewinnen. Aktivhäuser und Solar Cities werden daher so geplant, dass sie durch möglichst unverschattete Dächer und Fassaden den Solarenergieertrag maximieren und somit eine maximale Solarernte einfahren.

Dadurch wird möglichst viel der einfallenden Solarenergie von Dächern und Fassaden absorbiert und in Form von Strom nutzbar gemacht. Sehr gut geeignet sind hierfür schwarze Solarmodule, die nur gering reflektieren und daher den höchsten Stromerzeugungs-Wirkungsgrad mit bis zu 20% auf Modulebene realisieren.

Der größte Teil der absorbierten Solarstrahlung wird jedoch in Wärme umgewandelt. Bislang liegen auf städtischer Ebene noch keine Abschätzungen und Simulationstools vor, welche Auswirkungen die angestrebte massenweise Verbreitung der Photovoltaik und Solarisierung der besonnten Fassadenflächen im Stadtraum auf das Mikroklima im Straßencanyon hat.

Im Rahmen der Anpassung an den Klimawandel wird aus den USA kommend eine genau gegenteilige Strategie propagiert: eine Stadt mit weißen Dächern, die urbane Solareinstrahlung möglichst hoch reflektierend und minimaler absorbiert.

Reflexion durch den Boden und durch umgebende Gebäude führt zu einer Erhöhung der auf die PV Modulebene einfallenden solaren Strahlung und damit zu einer Erhöhung des Ertrags der PV Anlage. Gleichzeitig kann eine Zunahme der Reflexion auch zu einer Zunahme des thermischen Stresses beim Menschen sowie zur Blendung führen.

Solarmodule reduzieren die Reflexion im städtischen Gelände und können auch ihrerseits zu einer Erwärmung der Umgebung beitragen.

Inhalte und Zielsetzungen

Ziel ist es, in der Sondierung die komplexen Strahlungs- und Energieflüsse innerhalb typischer Straßencanyons zu simulieren sowie Simulations- und Planungstools zu entwickeln, welche für eine energetisch und bioklimatisch optimierte Solarstadtplanung erforderlich sind.

Methodische Vorgehensweise

Mit Hilfe von gekoppelten urbanen Klima- und Komfort-Modellen und PV-Ertragstools werden optimale Lösungen der Stadtplanung bezüglich der Formgebung eines Straßencanyons und der Ausgestaltung seiner Oberflächen entwickelt, die einen optimalen Ertrag einer fassadenintegrierten PV Anlage bei gleichzeitiger Berücksichtigung von bioklimatischen Aspekten für den Menschen und Blendung gewährleisten sollen. Es werden unterschiedliche klimatische Situationen berücksichtigt, ebenso wie das Potential positiver Einflussnahme von Grünflächen und Fassadenbegrünungen.

Erwartete Ergebnisse

Verbesserte gekoppelte Simulationstools

Urbane Stadtklima-Gebäude Modelle und PV Ertragstools werden gekoppelt und weiterentwickelt.

Quantifizierung der einzelnen Einflussfaktoren

  • Jahreszeit, Klimazone und Wetterverhältnisse (Lufttemperatur, Globalstrahlung, Wind, relative Luftfeuchtigkeit),
  • gewählte Materialien (Albedo, spiegelnde Komponente, spezifische Wärmekapazität, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Emissionskoeffizienten),
  • Dimensionen (Breite, Höhe, Orientierung) des Straßencanyons,
  • PV Modultyp, hintere Durchlüftung der PV Module auf den Ertrag der PV Module (Angaben in kWh)
  • das lokale Klima (Lufttemperatur, Oberflächentemperaturen) und
  • die thermische Behaglichkeit des Menschen (Thermische Index UTCI)
  • den optischen Komfort (Vermeidung Blendung)

Weitergehende Analyse und Schlussfolgerungen

Rückschlüsse und Empfehlungen für eine optimierte Solarstadtplanung sowie einer sinnvollen technologischen Entwicklung von PV Modulen, sowie Anforderungen an Verkehrsflächen und Gebäudehüllen in Kombination mit der Grünraumplanung.

Projektbeteiligte

Projektleitung

Institut für Meteorologie, Universität für Bodenkultur.

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

  • Austrian Institute of Technology, Forschungsinstitut
  • Smartminerals GmbH., Forschungsinstitut

Kontaktadresse

Prof. Dr. Philipp Weihs
Peter Jordan Strasse 82
A-1190 Wien
Tel.: +43 (1) 47654 81424/ +43 (1) 47654 81410
E-Mail: philipp.weihs@boku.ac.at
Web: http://www.wau.boku.ac.at/met/

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