Verdunstungskühlung im urbanen Raum

Mit den steigenden Temperaturen durch den Klimawandel und immer mehr Menschen die in Städten leben, wächst sich das Phänomen der städtischen Hitzeinseln (UHI - Urban Heat Islands) zu einem immer dringlicheren Thema für Städteplaner aus. Dies nicht zuletzt deswegen weil gesundheitliche Probleme bis hin zu einem Anstieg von hitzebedingten Todesfällen und hoher Stromverbrauch durch Klimatisierung damit einhergehen. Mit unseren Mikroklimasimulationen läßt sich das urbane Mikroklima mit Wind, Sonnenstrahlung und Luftfeuchte vorhersagen; letzteres inklusive der thermodynamischen Kühleffekte bei der Verdampfung ausgehend von Pflanzen, Wasserflächen und ähnlichen Feuchtequellen.Eine Präsentation unserer Berechnung für Verdampfungskühlung im urbanen Raum haben wir bei der OpenFOAM Conference 2018 in Hamburg gezeigt.

Bevor wir im Text näher auf die Simulation eingehen werfen wir einen Blick auf eine entsprechende Simulation, in diesem Fall eines öffentlichen Platzes mit Springbrunnen in Wien:


 

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Für unsere Simulation haben wir das Wiener Kabelwerk ausgewählt, ein modernes Stadtentwicklungsprojekt um einen zentralen Platz mit einem Springbrunnen, Bäumen und einem Dachpool. Zusätzlich haben wir einige Grünflächen auf den Dächern und eine grüne Wand hinzugefügt. Sobald Sonnenstrahlung auf den Boden bzw. auf Gebäude trifft, erwärmen sich diese und wärmen ihrerseits die darüberstreichende Luft auf. Dieser Prozess dauert einige Zeit, sodass die Luft am früheren Morgen noch relativ kühl bleibt und erst am Nachmittag, nachdem die Sonne ihren Höchststand schon überschritten hat, ihr Temperaturmaximum erreicht. Unser Modell berücksichtigt den Einfluss der Sonnenstrahlung (natürlich mit Schattenwurf) und koppelt ihn mit den Luftbewegungen die im Zusammenspiel aus Wind, Terrain und Bebauung entstehen. Die Lufttemperatur, -feuchte und -geschwindigkeit bei Eintritt in die Simulationsdomäne ändert sich im Tagesverlauf auf Basis von gemessenen historischen Daten.

Unser Modell berücksichtigt auch die Kühlung durch Verdampfung von Wasser aus dem zentralen Springbrunnen, der Bäume, Grasflächen und des Dachpools. Verdunstung ist ein essentieller Faktor für die Berechnung des lokalen Mikroklimas: nicht nur wird dadurch die umgebende Luft direkt abgekühlt, auch die lokale Luftfeuchte ändert sich und beeinflusst so entscheidend den Humankomfort. Unser Modell kann also alle vier Hauptfaktoren für den Humankomfort vorhersagen: Luftgeschwindigkeit und -temperatur, Sonnenstrahlung und Luftfeuchte.

Die Universität von Delft hat einen Artikel über Uchimizu veröffentlicht, eine japanische Tradition um Hitze rund um Tempel und in Städten zu reduzieren, indem Wasser auf versiegelte Flächen ausgebracht wird - genau das passiert in unserer Simulation beim zentralen Brunnen. Mit einer Verringerung der Lufttemperatur von 2°C sagt die Simulation dabei den selben Wert voraus wie die ~2°C, die auch im Experiment gemessen wurden.

Damit können Städteplaner und Objektentwickler Fragen beantworten wie: Wie angenehm wird das Klima auf diesem öffentlichen Platz sein? Wo ist der beste Ort für einen Gastgarten? Wie groß ist der Einfluss von "grüner" Infrastruktur (Dächer, Wände, Grünflächen, Bäume) auf den Urban Heat Island Effekt? Wie schnell ändert sich die Temperatur der Gebäudemasse in Regionen die saisonale Temperaturschwankungen aufweisen?

Das obenstehende Bild zeigt den Vergleich zwischen einem Gründach und einem gewöhnlichen Flachdach (für zwei Gebäude auf ca. 35m Höhe). Es ist klar ersichtlich, dass die Lufttemperatur über dem Gründach etwa zwei Grad unter der des normalen Flachdaches liegt. Dementsprechend ist auch die Luftfeuchte über dem Gründach etwa 10% höher. Die Lufttemperatur in der rechts Außen gezeigten Ecke des zweiten Gebäudes ist besonders hoch. Dies ist ein schönes Beispiel für den städtischen Hitzeinsel-Effekt (UHI): die beiden an die Ecke grenzenden Wände "beleuchten" sich gegenseitig mit sekundärer Infrarot-Strahlung was die jeweilige Oberflächentemperatur erhöht; zusätzlich bewegt sich die Luft in der Ecke langsamer - die Kombination der beiden Effekte ergibt eine erhöhte Lufttemperatur.


Unser Modell ist nicht beschränkt auf Freiflächen, es kann auch für die Beurteilung des Innenraumklimas verwendet werden und auch für die Interaktion zwischen beiden. Dabei können gekrümmte Flächen, Durchbrüche, Brücken, Arkadengänge, Terrain etc. räumlich vollständig berücksichtigt werden. Unsere Lösung kann für große Flächen verwendet werden, abhängig von der Auflösung und der Komplexität können Flächen mit bis zu 25km² berechnet werden. Nachdem unsere Simulationen parallel auf hunderten CPUs gleichzeitig laufen können, sind sie auch schnell zu berechnen, in vielen Fällen schneller als Echtzeit (also beispielsweise 3 Tage Berechnung für 5 simulierte Tag im Modell).

Derzeit befindet sich unsere Software in einem fortgeschrittenen Demonstrationsstadium. In der Zukunft werden wir detaillierte Boden- und Pflanzenmodelle sowie bessere Unterstützung von Gründächern und anderen "grünen" Bebauungsmöglichkeiten einführen. Schon jetzt kann all dies über manuelle Einstellungen simuliert werden.

Wenn Sie Interesse an einer Demonstration haben oder sich an der Weiterentwicklung beteiligen wollen, kontaktieren Sie uns per Email!