Wind in Stadtplanung und Architektur

In urbanen Räumen wird das Mikroklima und der persönliche Komfort stark von den vorherrschenden Windbedingungen beeinflusst. Diese wiederum werden vor allem durch hohe Bauwerke und andere Strukturen (manchmal auch bodennahe) verändert. In diesem Artikel zeigen wir die Haupteffekte auf, die Windbewegungen in der Stadt beeinflussen, wir gehen kurz darauf ein, welche folgen starker Wind für die Öffentlichkeit haben kann (unbehagliches Mikroklima, Verletzungsgefahr) und wie er sich auf Unternehmen auswirken kann (schlechte Besuchszahlen, hohe Betriebskosten). Wir zeigen auf, welche Vorteile man aus einer entsprechenden Analyse ziehen kann und zeigen Beispielvideos.

Haupteffekte von Windbewegungen in urbanen Räumen

Alle Bauwerke und insbsondere Hochbauten stellen ein Hinderniss für Wind dar. Abhängig von der Höhe und dem Profil in Hauptwindrichtung können eine Reihe von Phänomenen auftreten, die Luftbewegungen in der Stadt komplex beeinflussen:

  • Abwinde ("downdraft or downdraught effect")
  • Aufwinde - sie bewirken oft hohe Windgeschwindigkeiten und Druckgefälle
  • Strömung durch Gebäudelücken - "Venturi Strömung" bewirkt Turbulenzen
  • Langsame Wirbel auf der windabgewandten Seite von Bauten
  • Rückströmungen - starke, lokal Änderung der Windrichtung


Das untenstehende Video (englisch) zeigt einige dieser Effekte schematisch und zeigt dann - auf Basis einer unserer CFD simulationen - wie sich diese Effekte zu einem komplexen Strömungsbild zusammenfügen:


 

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In der Praxis sind diese Strömungen ohne CFD-Analyse extrem schwierig vorherzusagen. Oft bewirken die Strömungseffekte eine erhöhte Windgeschwindigkeit auf Bodenhöhe, die starke lokale Störungen bewirken kann durch die im Extremfall Menschen verletzt oder sogar getötet werden. Wind kann auf dem Level eines mehrstöckigen Hauses leicht doppelt so stark sein wie in Bodennähe - was dort eine angenehme Briese ist, kann hier zu einem ernsten Problem werden. In der Simulation die wir unten zeigen legen wir eine Windgeschwindigkeit von ca. 40 km/h zu Grunde ("frische Briese"; der Wetterreport verwendet als Bezugshöhe 10 m über dem Boden). Durch die Bebauung wird dies in der Simulation in Bodennähe auf über 55 km/h verstärkt - 60 km/h wären schon genug um eine Person zu fall zu bringen.

Einfluss von Wind auf Unternehmen in Städten

Auch wenn niemand verletzt wird, kann Wind für Unternehmen zu einem Problem werden. Starker Wind kann dazu führen, das Personen Plätze meiden und es stattdessen vorziehen angenehmere Orte aufzusuchen. Schon ab etwa 10 km/h wird es schwierig, eine Zeitung in Ruhe zu lesen, keine guten Nachrichten wenn die Shopping-Arkade oder der Gastgarten des Cafes in einem Gebiet liegen, in dem dies öfter der Fall ist. So kann Wind zu einem Problem für Geschäfte und Restaurants werden oder auch für öffentliche Erholungsorte wie Plätze und Parks in denen sich Menschen längere Zeit aufhalten sollen. Wenn aber Geschäfte nicht den geplanten Umsatz erreichen können, hat dies letztendlich auch Auswirkungen auf die erzielbaren Mieten und letztendlich auf die Kapitalerträge des Bauherren. Bei sehr hohen Gebäuden können darüber hinaus unangenehme Windbedingungen auf Aussichtsplattformen, Dachgärten und -pools und ähnlichen Nutzungsarten entstehen. Idealerweise berücksichtigt man solche Situationen schon in der Planungsphase - zwar sind auch später Adaptionen möglich, jedoch in der Regel kostenintensiver.

Darüber hinaus beeinflussen die Strömungen um ein Gebäude auch die laufenden Kosten. Häufige starke Strömungen und die damit einhergehenden Druckbedingungen können sich auf das Instandhaltungsbudget niederschlagen, wenn häufiger Reparaturen notwendig werden (zB beschädigte Fassadenelemente). Auch die Anordnung von Zu- und Abluftöffnungen kann die laufenden Kosten für die Klimatisierung dramatisch beeinflussen. Wenn beispielsweise eine Abluftöffnung an einer Stelle installiert wird, die aufgrund der vorherrschenden Windrichtung häufig höherem Druck ausgesetzt ist, so müssen die Ventilatoren dort gegen dieses Druckgefälle ankämpfen, was sich direkt in den Stromkosten niederschlägt. Hat man andererseits die Öffnungen an den richtigen Stellen geplant, so drückt der Überdruck Luft in das Gebäude, während der Unterdruck sie an der Abluföffnung aus dem Gebäude saugt. Ähnlich sieht es bei Kühlanlagen aus - in einem Bereich installiert, in dem die Luft nur langsam strömt wird der Wirkungsgrad sinken - wie bei einem Radiator ohne Ventilation.

Um solche Effekte zu Beurteilen bevor Schaden entsteht, zeigen CFD Simulationen schon in der Planungsphase welche Auswirkungen ein Bauprojekt auf die Luftströmungen haben wird. Dadurch wird es möglich schon vor dem Bau durch - oft kleinere - Änderungen entsprechend zu agieren. Als technische Demonstration zeigen wir eine solche Simulation in untenstehendem Video. Anders als manche andere städtebauliche Strömungsberechnungstools, sind wir nicht auf einheitliche Zellgrößen und rechtwinkelige Gebäude beschränkt. Wie man in der Simulation sehen kann gehen wir ohne Probleme mit Biegungen, Löchern, Tunneln und - hier nicht gezeigt - auch mit Strukturen um die Wind verlangsamen - beispielsweise Büsche, Bäume oder auch Lochbleche. Auch können wir die Topographie mit Neigungen, Hügeln, Tälern, Hanglagen etc. voll berücksichtigen. Die unten gezeigte Simulation wurde mit ca. 14 Millionen Zellen in verschiedenen Größen beginnend bei wenigen Zentimetern in Wand und Bodennähe durchgeführt um alle notwendigen architektonischen Details voll zu erfassen. Die simulierte Fläche umfasst ca. 1 Million Quadratmeter.


 

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In der Tat zeigt die Simulation auch ein Gebiet in dem vor einiger Zeit eine Person durch starke Winde ernsthaft verletzt wurde. Eine darauffolgend Klage durch mehrere Instanzen wurde letztendlich mit der Begründung zurückgewiesen, dass die Situation nicht vorhersehbar gewesen sei (Link zum Artikel in "Die Presse"). Auf Basis unserer einfachen Simulation jedoch, sieht es sehr wohl so aus, als hätte man mit Problemen rechnen können.

Urbaner Wind: Wie man ein Problem in einen Vorteil verwandelt

Der einfachste Weg um mit Wind in der Stadtplanung umzugehen ist, den Einfluß von - vor allem aber nicht nur - hohen Gebäuden zu berücksichtigen. In vielen Fällen kann zumindest Wind aus der Hauptwindrichtung schon in der Planung entsprechend berücksichtigt werden, wenn Strömungstechniker, Bauingenieure, Architekten und Stadtplaner schon früh zusammenarbeiten. Richtig gemacht, kann Wind auf diese Weise von einem Problem zu einem Vorteil werden: Kleinwindkraftanlagen können, am richtigen Ort installiert, Energie für das Gebäude liefern; richtig platzierte Zu- und Abluftöffnungen minimieren den Energiebedarf der Belüftung und angenehmes Mikroklima in den umliegenden öffentlichen Räumen kurbelt das Geschäft an und erhöht die Akzeptanz von Projekten in der Bevölkerung.

Auch bei Bestandsobjekten gibt es eine Reihe von Maßnahmen um Situationen zu entschärfen und zu verbessern. Überdachungen, Glaswände und auch Büsche und Bäume am richtigen Ort, sorgen dafür, dass Wind verlangsamt wird und sorgen darüber hinaus für Schatten im Sommer, was den Erholungswert von öffentlichen Plätzen erhöht. Eine andere interessante, wenn auch etwas ausgefallene, Lösung sind kleine, bodennahe Windturbinen, "Windbäume" die, indem sie die Windgeschwindigkeit verringern, lokal auch noch Energie bereitstellen und auch ästhetischen Wert haben.

Noch weiter gedacht - hinsichtlich der Pläne vieler Logistikunternehmen, Drohnen zur Zustellung von Waren in der Stadt einzusetzen: diese Luftfahrzeuge sind besonders leicht und daher auch stark von Luftströmungen beeinflusst. Plant man eine Lande- / Abflugplattform auf einem Gebäude wird es in Zukunft nicht nur wichtig werden, am Landeplatz selbst sichere Windbedingungen zu bieten sondern auch sichere An- und Abflugkorridore - je nach vorherrschender Windrichtung - zu definieren. Dies wird die Sicherheit und damit die öffentliche Akzeptanz erhöhen sowie Lieferzeiten und Reichweiten verbessern.

Urbanes Mikroklima: Mehr als nur Wind

Abgesehen vom Wind selbst ist auch die Luftfeuchte (sowie die Strahlungswärme) wichtig für das Mikroklima und das persönliche Wohlempfinden. In unseren Simulationen können wir den Einfluss von Luftfeuchte (Verdampfung, Kondensation, räumlichen und zeitliche Ausbreitung) von Quellen wie Bäumen, Parks, Gewässern etc. berücksichtigen und so noch genauere Information über das Mikroklima liefern. So können wir beispielsweise die gefühlte Temperatur an einem heißen Sommertag vorhersagen - einmal mit und einmal ohne den Springbrunnen, über den Sie vielleicht nachdenken.

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