Stadtbauphysikalische Modellierung

Der gegenwärtige weltweite Trend zur Urbanisierung ist mit erheblichen Umweltkosten und nachteiligen Auswirkungen auf die Gesundheit und das Wohlbefinden der Stadtbewohner verbunden. Das Verständnis der Stadtbauphysik ist eines der wirksamsten Instrumente zur Milderung der negativen Auswirkungen der Urbanisierung. Städtische Klimaphänomene umfassen sowohl hochfrequente als auch niederfrequente Ereignisse, welche über einen kurzen Zeitraum (Tage bis Wochen) oder einen längeren Zeitraum (ein Jahr oder länger) analysiert werden können. Langfristige Phänomene werden in der Regel von der globalen Erwärmung beeinflusst - was eine Kopplung mit einem globalen Atmosphärenmodell erfordern kann. Dank der raschen wissenschaftlichen und rechnergestützten Entwicklung der letzten Jahrzehnte haben Wissenschaftler der Stadtbauphysik ihr Fachwissen zunehmend auf reale Applikationen angewandt, welche für Betroffene ohne Spezialwissen wie Kommunen, Umweltpolitiker und Stadtplaner relevant sind. Insbesondere durch die stadtbauphysikalische Analyse lassen sich heute die städtische Wärmeinsel, der Energiebedarf von Gebäuden, der thermische Komfort und die Schadstoffausbreitung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung charakterisieren und vorhersagen.

Die Endnutzer der neuen Erkenntnisse über das Stadtklima sind vielfältig und decken unterschiedliche Aufgaben, Ziele und Bedürfnisse ab. Einerseits müssen sie die spezifischen Mechanismen eines bestimmten Klimaphänomens verstehen. Andererseits müssen sie Klimaphänomene vorhersagen und daraus Strategien für Gegenmaßnahmen ableiten. Beispiele sind:

  • Hochauflösende räumliche Kartierung der aktuellen oder zukünftigen städtischen Wärmeinsel (Gemeinden)
  • Hochwasserschutz (Gemeinden)
  • Vermeidung von Hitzebelastung oder Luftverschmutzung (Gesundheitsbehörden, Stadtbewohner)
  • Planung der Energieversorgung (Energieversorgungsunternehmen, Netzbetreiber)
  • Vorhersage von Extremereignissen (Behörden für öffentliche Sicherheit, Versicherungsgesellschaften)
  • Wirkungsanalyse der urbanen Vegetation, Dach- und Wandbegrünung, Kühlflächen, Photovoltaik (nationale energiepolitische Entscheidungsträger)
  • Kombinierte Wirkung von städtischer Wärmeinsel und globaler Erwärmung (Gemeinden, nationale energiepolitische Entscheidungsträger)
  • Optimierung der Stadtgestaltung (Stadtplaner)
  • Klimabewusste Gebäudeplanung (Architekten und Gebäudeenergietechniker)

Das Ziel dieses Fachgebiets ist es, den Bedürfnissen eines breiten Spektrums von Endnutzern gerecht zu werden und gleichzeitig bewährte Verfahren der Aufzeichnung und Analyse des Stadtklimas zu befolgen. Die Stadtbauphysik ist ein umfangreiches und komplexes Gebiet, und wir sind uns bewusst, wie wichtig es ist, Lösungen auf die durch die Entscheidungs-/Entwurfsprozesse der Endnutzer vorgegebenen Zeitvorgaben zuzuschneiden. Zu diesem Zweck werden drei Modellierungsansätze verfolgt. Mesoskalige Modelle, die die Parametrisierung der Stadthindernisschicht einbeziehen, dienen dazu, das Stadtklima mit horizontalen Gitterauflösungen von mehreren hundert Metern abzubilden. Falls höhere horizontale Gitterauflösungen erforderlich sind, kommen mikroskalige Modelle zum Einsatz. Diese Modelle aus der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) berücksichtigen die Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und den städtischen Strukturen mit Hilfe einer umfassenden physikbasierten 3D-Strömungsanalyse. Beide oben genannten Modellierungsansätze sind rechenintensiv, insbesondere wenn es sich um längere Simulationszeiträume handelt. Dies macht ihren Einsatz in Zusammenhang mit einer Entscheidungsanalyse problematisch, weil in solchen Fällen typischerweise mehrere ganzjährige Simulationen des städtischen Mikroklimas erforderlich sind. Entkoppelte Modelle zur Berechnung der Stadthindernisschicht sind deutlich weniger rechenintensiv als mesoskalige oder mikroskalige CFD-Modelle. Das Stadthindernismodell, das diesem dritten Modellansatz zugrunde liegt, ähnelt der durch mesoskalige Modelle implementierten städtischen Parametrisierung, ist jedoch nicht an eine vollständige mesoskalige atmosphärische Berechnung gekoppelt.

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 Stadthindernises 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.