Stadtbauphysikalische Modellierung

Der gegenwärtige weltweite Trend zur Urbanisierung ist mit erheblichen Umweltkosten und nachteiligen Auswirkungen auf Gesundheit und Wohlbefinden der Stadtbewohner verbunden. Städtische Klimaphänomene umfassen hochfrequente und niederfrequente Ereignisse, welche über einen kurzen (Tage bis Wochen) oder längeren Zeitraum (mind. ein Jahr) zu analysieren sind. Langfristige Phänomene sind zumeist auf die globale Erwärmung zurückzuführen, wodurch die Kopplung mit einem globalen Atmosphärenmodell erforderlich sein kann. Dank der raschen wissenschaftlichen, rechnergestützten Entwicklung der letzten Jahrzehnte können Wissenschaftler*innen der Stadtbauphysik ihr Fachwissen nun gezielt auf reale Applikationen anwenden: Städtische Wärmeinseln, der Energiebedarf von Gebäuden, der thermische Komfort und die Schadstoffausbreitung sind mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung bestimmbar und vorhersagbar. Mittels der stadtbauphysikalischen Untersuchungen können folglich städtebauliche Bedingungen und Entscheidungen umfassend charakterisiert bzw. frühzeitig abgewägt werden.

Für die Forschung des Fraunhofer IBP sind drei Simulationsmodelle von Bedeutung: Mesoskalige Modelle stellen das Stadtklima mit horizontalen Gitterauflösungen von mehreren hundert Metern dar. Mikroskalige Modelle aus der numerischen Strömungsmechanik (engl. »Computational Fluid Dynamics«, kurz CFD) bieten eine höhere Auflösung und berücksichtigen die Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und den städtischen Strukturen mit Hilfe einer umfassenden physikbasierten 3D-Strömungsanalyse. Während diese Modellierungsansätze – v. a. bei längeren Simulationszeiträumen – rechenintensiv sind, ermöglichen entkoppelte Modelle schnellere Berechnungen.

Unsere Modelle verwenden:

  • Umfassende städtische Metadaten (Landnutzung, 3D-Morphologie)
  • Vor-Ort-Messungen urbaner meteorologischer Variablen, eventuell an mehreren Orten in der Stadt und in mehreren Höhen
  • Fernerkundung der Landbedeckung, der Landoberflächentemperatur und der Aerosolkonzentration
  • Drohnengestützte Messung der Eigenschaften städtischer Grenzschichten

Mesoskalige Analyse

Mesoskalige Modelle, die eine Parametrierung des Stadthindernisses einbeziehen, werden benutzt, um das Stadtklima mit horizontalen Gitternetzauflösungen von mehreren hundert Metern abzubilden.

Mikroskalige Analyse

Gebäude- und vegetationsaufgelöste Stadtklimasimulationen werden zur Analyse und Optimierung konkreter stadtplanerischer Fragestellungen genutzt.

Entscheidungsunterstützung für die Stadtplanung

In Zusammenhang mit einer Entscheidungsanalyse, werden rechnerisch leicht entkoppelte Stadthindernismodelle verwendet.