Ortsgenaue Testreferenzjahre (TRY) von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse

Zur Bewertung des thermischen Verhaltens von Gebäuden, insbesondere auch des Innenraumklimas, werden spezielle Klimadatensätze benötigt, die einerseits den am fraglichen Standort durchschnittlichen und andererseits auch extreme Witterungsverläufe innerhalb eines Jahres repräsentieren. Diese Klimadatensätze werden als Testreferenzjahre oder abgekürzt TRY (Test Reference Year) bezeichnet. Im Rahmen des vorliegenden Projekts wird das Konzept der Repräsentanzstationen für diskrete TRY-Klimaregionen durch räumlich hochauflösende TRY ersetzt. Mit integriert werden in diesem Zuge auch die bisher bei Datensätzen von Repräsentanzstationen erforderliche Modifikation der Lufttemperatur und der Feuchteparameter in städtischen Ballungsräumen sowie die Variabilität der Klimaparameter mit der Geländehöhe.Projektlaufzeit: August 2013 – April 2017

Ausgangslage

Testreferenzjahre für Zwecke der thermischen Gebäudesimulation werden vom Deutschen Wetterdienst (DWD) seit 1986 bereitgestellt. Hierfür wurde Deutschland bislang in 15 Klimaregionen eingeteilt, deren typische Klimaverhältnisse je durch eine sogenannte Repräsentanzstation dargestellt wurden. Die bisher verfügbaren, im Jahr 2011 erschienenen TRY-Datensätze basieren im Wesentlichen auf dem 20-jährigen Zeitraum von 1988 bis 2007. Zur Abschätzung der Auswirkungen des Stadtklimas auf die Lufttemperatur ist bislang ein Stadtklimamodul implementiert, das diese Einflüsse jedoch nur bedingt abbilden kann. Die "zukünftigen" TRY für den Zeitraum 2021 bis 2050 basieren beim Datensatz von 2011 auf Ergebnissen von fünf regionalen Klimaprojektionen.

Vor dem Hintergrund des Klimawandels und knapper werdender Energieressourcen gewinnt die Bereitstellung eines optimalen Gebäudeinnenraumklimas mit einem möglichst geringen Energieeinsatz auch unter zukünftig extremeren Witterungsverhältnissen (z.B. häufigere und intensivere sommerliche Hitzeperioden), zunehmend an Bedeutung. Damit steigen die Anforderungen an vor allem räumlich genauere Klimadaten in den TRY.

Ziel

Gegenstand dieses Projekts war die Entwicklung eines TRY-Datensatzes basierend auf dem aktualisierten Zeitraum 1995 bis 2012. Die Steigerung der räumlichen Genauigkeit der TRY erfolgt auf Basis in die Fläche interpolierter meteorologischer Stationsdaten sowie auf Satelliten- und Modelldaten. Der Einfluss der städtischen Wärmeinsel bzw. der Geländehöhe auf die Lufttemperatur und weitere Klimavariablen ist in den neuen Testreferenzjahren bereits integriert. Des Weiteren erfolgt die Bewertung des zu erwartenden Klimawandels in den kommenden 40 Jahren unter Verwendung von nunmehr 24 regionalen Klimaprojektionen.

Auftragnehmer des Projekts war der Deutsche Wetterdienst (DWD), Offenbach/Main.

Konzept

Die Zusammenstellung der Testreferenzjahre erfolgt in diesem Projekt wie bei den bisherigen TRY-Datensätzen, um einen Vergleich von alten und neuen Testreferenzjahren zur Bewertung der bisherigen Auswirkungen des Klimawandels zu ermöglichen. Dabei wird eine Auswahl realer Witterungsabschnitte so zusammengefügt, dass langjährige monatliche und jahreszeitliche Mittel und Standardabweichungen der Klimaparameter auf der Basis des Zeitraums 1995 bis 2012 bestmöglich wiedergegeben werden. Daneben wird wieder jeweils ein Jahr mit einem extrem warmen Sommerhalbjahr und einem extrem kalten Winterhalbjahr bereitgestellt. Auch die zukünftigen TRY sind weiterhin Teil des bereitgestellten Datenumfangs. Grundlage sind Ergebnisse regionaler Klimaprojektionen im Zeitraum 2031 bis 2060.

Eine konzeptionelle Neuerung besteht in der Bestimmung individueller TRY-Datensätze für jeden beliebigen Ort in Deutschland, mit einer räumlichen Auflösung von 1 km². Der Bezug auf Klimaregionen mit festen Repräsentanzstationen wird fallen gelassen. Ortsgenaue TRY-Datensätze liefern wesentlich verlässlichere Aussagen zu den klimatischen Verhältnissen am Untersuchungsort als die bisherigen, auf einzelnen festen Repräsentanzstationen beruhenden Klimadaten.

Das Konzept der Auswahl der Witterungsabschnitte für das mittlere gegenwärtige TRY wird modifiziert. Neben der Lufttemperatur dient nun – aufgrund ihres großen Einflusses auf den Wärmehaushalt eines Gebäudes – auch die Globalstrahlung als Leitvariable. Dies hat zur Folge, dass das Testreferenzjahr nun nicht nur bezüglich der Lufttemperatur sondern auch in Bezug auf die Globalstrahlung einen repräsentativen Jahresgang aufweist.

Neu bei Testreferenzjahren nach diesem Konzept ist ebenfalls, dass die Modifikation der Lufttemperatur und der Feuchtegrößen durch Städte und städtische Ballungsräume, gesteuert über Landnutzungsdaten, bereits mit integriert ist. Auch die Variabilität der Klimaparameter mit der Geländehöhe ist in den TRY nach neuer Konzeption bereits enthalten. Dadurch entfällt ein nachträgliches Aufprägen des Wärmeinseleffekts oder der Höhenanpassung an den Untersuchungsort durch den Anwender. Die ortsgenauen TRY können damit unmittelbar in thermischen Gebäudesimulationen verwendet werden.

Ergebnisse

Ortsgenaue Datensätze

Vor dem Hintergrund des Klimawandels und knapper werdender Energieressourcen werden zunehmend räumlich genauere Klimadaten in den Testreferenzjahren nachgefragt. Die neuen TRY erfüllen nun diese Anforderung, indem sie quasi räumlich kontinuierlich vorliegen. Dadurch treten Anwendungsprobleme wie eine unzureichende räumliche Repräsentanz oder Schwierigkeiten in der Zuordnung von Orten zu TRY-Klimaregionen nicht mehr auf. Daneben wurde die Zeitreihe, auf die sich die TRY beziehen, auf den Zeitraum 1995 bis 2012 aktualisiert. Eine weitere Anpassung erfolgte durch die Integration der städtischen Wärmeinsel sowie durch die Berücksichtigung der Höhenabhängigkeit der einzelnen Klimaparameter.

Bisher musste der städtische Wärmeinseleffekt für einen Untersuchungsstandort vom Anwender mittels eines Programmoduls aufgeprägt werden; die Definition der maximal möglichen Wärmeinsel mit der Einwohnerzahl einer Stadt als Kriterium war ungenau. So wurde beispielsweise für eine flächenmäßig große Stadt mit einer gleichzeitig geringen Einwohnerdichte (in Summe ergibt sich eine hohe Einwohnerzahl) ein zu hoher Wärmeinseleffekt aufgeprägt. Daneben war auch die eher subjektive Einschätzung eines Anwenders bezüglich der lokalen Bebauungsstruktur am Untersuchungsstandort eine Fehlerquelle.

Die Anpassung des TRY-Datensatzes an die Geländehöhe am Untersuchungsstandort erfolgte ebenfalls mit Hilfe eines Programmmoduls. Vor allem bei größeren Differenzen in der Geländehöhe zwischen Repräsentanzstation und Anwendungsort traten häufig Inkonsistenzen in den Datensätzen auf. Der Grund dafür liegt darin, dass für einige Parameter (Luftdruck, Temperatur und Mischungsverhältnis) typische Höhenabhängigkeiten definiert werden können, was allerdings für andere Parameter (Strahlungsparameter, Wind) sehr schwierig ist.

In den vorliegenden Testreferenzjahren wurde der Einfluss der Stadt auf die Lufttemperatur und auf Feuchtegrößen auf Basis empirisch ermittelter statistischer Beziehungen abgeschätzt und über eine Landnutzungskarte direkt in die TRY-Datensätze eingebracht. Auch die Variabilität diverser Parameter mit der Geländehöhe ist in den neuen Datensätzen bereits berücksichtigt.

Kurzwellige Strahlungsparameter dank Satellitendaten realistisch

Die kurzwellige Strahlung hat einen großen Einfluss auf den Wärmehaushalt eines Gebäudes. Sie beeinflusst das Innenraumklima über Rückkopplungsprozesse und ist verantwortlich für den Energieeintrag über Photovoltaikanlagen, denen bei Niedrigstenergiehäusern eine wachsende Bedeutung zukommt.

Da kurzwellige Strahlungsparameter nur an rund 30 Stationen in Deutschland erfasst werden, aber gleichzeitig räumlich stark variieren, reichen bodengestützte Beobachtungen als alleinige Informationsquelle nicht aus. Geostationäre Satelliten liefern zwar Daten von etwas geringerer Qualität als Bodenstationen, dafür aber flächendeckend und in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Durch geschickte Kombination beider Datenquellen wurde ein qualitativ hochwertiger Datensatz erstellt, der in die neuen TRY-Datensätze einfloss.

Globalstrahlung als zusätzliche Leitvariable bei Selektion der Witterungsabschnitte für die

Bei der Selektion der Witterungsabschnitte für die neuen TRY-Datensätze wurde erstmals neben der Lufttemperatur auch die Globalstrahlung als Leitvariable eingesetzt. Die Globalstrahlung leistet einen beträchtlichen Beitrag zum Energiehaushalt eines Gebäudes, sowohl direkt über die Änderung der Innenraumtemperatur als auch indirekt infolge des Energieeintrags über Solarthermie- und Photovoltaikanlagen. Aber erst Dank der Kombination boden- und satellitenbasierter Strahlungsmessungen wies der Strahlungsdatensatz eine hinreichend hohe Qualität auf, um als Leitvariable in Frage zu kommen.

Handbuch zu den neuen Testreferenzjahren 2017:

Download auf https://www.bbsr.bund.de/

Projektbericht zu den neuen Testreferenzjahren:

Download auf https://www.bbsr.bund.de/

Auswahl eines ortsgenauen Testreferenzjahr-Datensatzes 2017 mit dem Klimaberatungsmodul TRY:

Die ortsgenauen Testreferenzjahr-Datensätze 2017 stehen jedermann zum kostenfreien Download zur Verfügung. Zur Nutzung dieses Download-Verfahrens ist es allerdings erforderlich, einmalig einen User-Account für das Klimaberatungsmodul einzurichten.

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