Entscheidungsunterstützung für die Stadtplanung

Sonneneinstrahlung auf städtische Flächen.
© Fraunhofer IBP
Jährliche Sonneneinstrahlung auf städtische Flächen.

Ungekoppelte Stadthindernismodelle ersetzen die vollwertige atmosphärische Darstellung durch ein rechnerisch leichtes Äquivalent, das in Zusammenhang mit der Optimierung von Entwürfen verwendet werden kann. Dieser Art von Modell können Randbedingungen aufgeprägt werden, die entweder gemessen oder durch eine mesoskalige Simulation gewonnen wurden. Üblicherweise werden für solch ein Modell die Daten einer nahen Wetterstation im ländlichen Umland (z.B. eines Flughafens) ausgewertet. Um daraus die Randbedingungen abzuleiten, wird der Impuls- und Energieaustausch zwischen der Stadthindernisschicht und der umgebenden Atmosphäre drastisch vereinfacht.

Im Stadthindernismodell wird die echte Stadtgeometrie durch eine gleichwertige vereinheitlichte Anordnung von Gebäuden und Straßen, die auf den durchschnittlichen morphologischen Parametern des realen Stadtgebiets basiert, ersetzt. Um die thermischen Wechselwirkungen zwischen Gebäuden und der urbanen Umgebung darzustellen, kommt ein dynamisch-thermisches »lumped-parameter« Netzwerkmodell zum Einsatz. Diese Interaktionen finden hauptsächlich in der Luft in den Straßenschluchten statt, da diese Luft Kontakt mit den bebauten Flächen und der freien Atmosphäre oberhalb der Stadthindernisschichts steht. Das Modell verwendet dafür anspruchsvolle Modelle für die Aerodynamik und Evapotranspiration. Die Simulation läuft für jede Stunde eines Standardjahres. Die wesentlichen Ergebnisse sind die durchschnittliche Energienutzung von Gebäuden und die Intensität der städtischen Wärmeinsel.

Unter den entkoppelten Stadthindernismodellen gibt es zwei Hauptkategorien: einschichtig und mehrschichtig. Der Fokus des einschichtigen Modells liegt auf dem Gesamtaustausch von Wärme, Impuls und Feuchtigkeit mit der Atmosphäre direkt oberhalb ders Stadthindernisschichts. Dabei wird in den Straßenschluchten eine konstante Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit angenommen. Das mehrschichtige Modell wird typischerweise hinsichtlich der horizontal gemittelten Strömung und des skalaren Transports parametrisiert. Dieser Ansatz ermöglicht eine höhere Auflösung der atmosphärischen Prozesse, was jedoch mit einem höheren Rechenaufwand verbunden ist.

Anwendungsbeispiele:

  • Planung der Energieversorgung (Energieversorgungsunternehmen, Netzbetreiber)
  • Wirkungsanalyse der urbanen Vegetation, Dach- und Wandbegrünung, Kühlflächen, Photovoltaik (nationale energiepolitische Entscheidungsträger)
  • Optimierung der Stadtgestaltung (Stadtplaner)
  • Klimabewusste Gebäudeplanung (Architekten und Gebäudeenergietechniker)

Publikationen

  • Afshari, A., Ramirez, N. (2021), Improving the accuracy of simplified urban canopy models for arid regions using site-specific prior information, Urban Climate, Volume 35, 100722, https://doi.org/10.1016/j.uclim.2020.100722
 

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