· Die vorliegende Arbeit wurde vom Fachbereich Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung der Universität Kassel als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines

Hendrik Matthias Laue

Gefühlte Landschaftsarchitektur Möglichkeiten der thermischen Einflussnahme in städtischen Freiräumen

kassel

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Die vorliegende Arbeit wurde vom Fachbereich Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung der Universität Kassel als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) angenommen. Erster Gutachter: Prof. Wigbert Riehl Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Lutz Katzschner Tag der mündlichen Prüfung 10. Juli 2009 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2009 ISBN print: 978-3-89958-772-2 ISBN online: 978-3-89958-773-9 URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0002-7730 © 2009, kassel university press GmbH, Kassel www.upress.uni-kassel.de Printed in Germany

http://dnb.ddb.de/

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VORWORTDie Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Landschaftsarchitektur - Technik der Universität Kassel in der Zeit von 2005 bis 2009.

Meinen besonderen Dank gilt Herrn Prof. Wigbert Riehl und Herrn Prof. Dr. Lutz Katz-schner, die mir während meiner Zeit am Fachbereich Architektur, Stadt- und Land-schaftsplanung einen idealen Rahmen boten, um die Arbeit durchzuführen. Ihre An-regungen und Unterstützungen haben die Inhalte der vorliegende Arbeit nachhaltig beeinflußt und geprägt.Des Weiteren gilt mein Dank Herrn Prof. Dr. Pauleit vom Centre for Forest, Landscape and Planning der Universität Kopenhagen für die anregenden Diskussionen und Bei-träge während meines 7 monatigen Aufenthalts in Kopenhagen im Wintersemester 2007/2008.Den vielen Freunden und Familienangehörigen danke ich zudem für das mühsame Kor-rekturlesen eines nicht ganz unerheblichen Seitenumfanges.

Allen Mitgliedern meines Fachgebietes und des Fachgebietes Umweltmeteorologie, meinen Studenten und den Diplomanden möchte ich für die gute Zusammenarbeit und Unterstützung danken.

Hendrik Laue, Kassel im Juli 2009

0.0

Vorwort

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INHALTSVERZEICHNIS

I Zusammenfassung 11II Abstract 12

1.0 Einleitung 15 1.1 Klimawandel und Klimaveränderungen 171.2 Steigende Bedeutung von Aufenthaltsqualität in städtischen Freiräumen 181.3 klimatisch angepasste Stadtplanung 191.4 Steigende Divergenz von Innen- und Außenraumklima 20

2.0 Ziele und Vorgehensweise 23 2.1 Thesen 252.2 Fragestellungen 262.3 Vorgehensweise 26

3.0 Grundlagen 31 3.1 Klima 333.1.1 Klima – Begriffsdefinition 333.1.2 Klimasysteme 343.1.3 Strahlung 343.1.4 Wind 373.1.5 Zusammenhänge „Landschaftsarchitektur“ 38

3.2 Stadtklima 393.2.1 Begriffsdefinition – Stadtklima 393.2.2 Stadtstrukturen und Besonderheiten 393.2.3 Stadtraumeinheiten und ihre Besonderheiten 453.2.4 Aufgabenfeld „Landschaftsarchitektur“ 48

3.3 Mikroklima 493.3.1 Grundlagen: Wärmeumsätze im Boden und in Bodennähe 493.3.2 Grundlagen: Wärmetransport in der Luft 503.3.3 Einfluss der Unterlage 513.3.4 Einfluss durch Material und Oberfläche 523.3.5 Einfluss durch Sonnenwinkel und Lage im Raum 543.3.6 Einfluss durch Vegetation 573.3.7 Einfluss durch Topografie 573.3.8 Einfluss durch Windeffekte 593.3.9 Aufgabenfeld „Landschaftsarchitektur“ 60 3.4 Thermische Behaglichkeit – wie funktioniert der Mensch? 633.4.1 Der thermische Wirkungskomplex 633.4.2 Wärme- und Kälteregulierung 643.4.3 Bewertungsindizes der thermischen Behaglichkeit 653.4.4 Einflussgrößen nach Frank 65

0.1

Inhaltsverzeichnis

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3.4.5 Physikalische Einflussgrößen 673.4.6 Intermediäre Einflussgrößen 703.4.7 Physiologische Einflussgrößen 733.4.8 Planungsrelevante Erkenntnisse 75

4.0 Grundlagen – Forschungstätigkeiten und Methoden 79

4.1 Architektur und Landschaftsarchitektur 814.2. Stadtklimatologie 824.2.1 Überblick der Studien- und Forschungsergebnisse 824.2.2 Ratgeber in Deutschland 834.2.3 Forschungsprojekte 844.2.4 RUROS 844.3 Das Bewertungsmodell ENVI-met 864.3.1 Grundsätzliches zum Programm ENVI-met 864.3.2 Funktionsweisen des Programms 874.3.3 Anwendungsbereich des Programms 914.4 Bewertung und Zielformulierungen 92

5.0 Auswertung und weiteres Vorgehen 95

5.1 Zusammenhänge von Stadtklimatologie und Landschaftsarchitektur 975.2 Einflussparameter zur thermischen Behaglichkeit 99 - Ort. Zeit, Ausrichtung und Topografie 99 - Raum, Dimensionen und Homogenität der Raumeinheit 99 - Nutzer und Verhaltensmuster 99 - Oberflächen und Materialien 100 - Elemente (baulich) 100 - Vegetation 1005.3 Methodik und weiteres Vorgehen 101 - Zielsetzungen 101 - weiteres Vorgehen 101

6.0 Numerische Untersuchungen 105

6.1 Simulationen 1076.2 Varianten und Eingangsparameter 1086.3 Ergebnisse: Vergleich von Planungsvarianten einer Freiraumeinheit 112 Standort: Kassel 6.3.1 Ausrichtung 1136.3.2 Nutzer 1166.3.3 Materialien und Oberflächen 1186.3.4 Vegetation 1216.3.5 Fazit 1246.4 Ergebnisse: Vergleich von Planungsvarianten bei doppelter Platzgröße 129 Standort: Kassel 6.4.1 Dimensionen 1296.4.2 Vegetation 1306.4.3 Fazit 131

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6.5 Ergebnisse: Vergleich von Planungsvarianten einer Freiraumeinheit 133 Standorte: Kassel und Göteborg 6.5.1 Windeinflüsse 1336.5.2 Ort und Zeit 1346.5.3 Vegetation 1366.5.4 Fazit 1386.6 Zusammenfassung 139

7.0 Experimentelle Untersuchungen 142

7.1 Übersicht der Bauprojekte / Untersuchungen 1487.2 Oberflächentemperaturmessungen / Freiräume am ZUB, Kassel 153 - Thermografie 153 - Thermografie mit Infrarotkamera 1537.2.1 Thermografieergebnisse 1557.2.2 punktuelle Oberflächenmessungen / Freiräume am ZUB, Kassel 161 - Zielsetzungen /Einteilungen der Oberflächen 161 - Ergebnisse Deckoberflächen 163 - Ergebnisse Sitzoberflächen 164 - Ergebnisse mauerartiger Bauteile 1657.2.3 Fazit 166

7.3 2 Freiraumelemente mit aktiven Steuerungsmöglichkeiten 169 zur Behaglichkeitsveränderung7.3.1 BetonCube 170 - Beschreibung des Objektes 170 - Untersuchung und Ergebnisse 1707.3.2 Segelobjekt 173 - Beschreibung des Objektes 173 - Untersuchung und Ergebnisse 1757.3.3 Fazit 176

8.0 Diskussion und Ausblick 179

8.1 Rahmenbedingungen 1818.2 Thesen und Fragestellungen 1838.3 Methodik der Untersuchungen 1848.4 Ergebnisse der Untersuchungen 1858.4.1 Ort und Zeit 1858.4.2 Ausrichtung 1868.4.3 Topografie 1878.4.4 Dimensionen 1878.4.5 Materialen und Oberflächen 1888.4.6 Nutzer 1888.4.7 Vegetation 1888.4.8 Elemente im Freiraum 1898.5 Ausblick 189 - Stadtklimatologie und Bauphysik 189 - Landschaftsarchitektur 190 - Besondere Ideenansätze 191

Inhaltsverzeichnis

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A Appendix I 193

A1 Abkürzungsverzeichnis 195A2 Literaturverzeichnis 199 - Websites 211A3 Abbildungsverzeichnis 213A4 Tabellenverzeichnis 221

B Appendix II 223B1 Onlineumfrage Text 225B2 Onlineumfrage Ergebnisse 229

C Appendix III 233C1 verbal argutmentatives Bewertungssystem 235 - Beispiel I 235 - Beispiel II 238

D Appendix IV 241D1 Simulationen 243 - Ergebniskarten 243 - Ergebnisdiagramme 249 - Ergebnistabellen 253D2 Allgemeines 261

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Inhaltsverzeichnis

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ZUSAMMENFASSUNG

RahmenbedingungenMit absehbaren globalen Klimaveränderungen werden sich auch die klimatische Bedingungen in städtischen Freiraumeinheiten zunehmend verschärfen (Umweltbundesamt, 2004:4). Neben den absehbaren klimatischen Auswirkungen haben wir es gleichzeitig mit steigenden Anforderungen an öffentliche Räume durch gesellschaftliche Veränderungen zu tun. Diese Veränderungen der letzten Jahrzehnte in den westlichen Kulturen haben ihre Ursachen in den gesellschaftlichen Umstrukturierungen von der Industriegesellschaft zur Freizeit- und Erlebnisgesellschaft (Henseling, C. / Buchmann, I. / Strubel, V., 2002:8). Als Folge der zunehmenden Globalisierung und des technischen Fortschritts ist auch ein Wandel der Architektur zu verzeichnen. Vergleicht man historisch gewachsene Städte mit moderneren Stadtbauprojekten der letzten 50 Jahre, so kann man in Teilen eine zunehmende Abkoppelung von Struktur und Ort feststellen. Historische Stadtbereiche weisen in der Regel eine an örtliche klimatische Gegebenheiten angepasste Architektur auf. Je nach primären energetischen Einflüssen durch Wind oder beispielsweise Strahlung, ist auch eine bautypische Anpassung in Hinblick auf Dimension, Ausrichtung und Material zu finden. Diese Anpassung ist mit steigender Technisierung, Rationalisierung und Ästhetisierung immer weiter aus dem Bewusstsein gerückt. Gleichzeitig finden wir aber gerade bei industrialisierten Kulturen im Zuge allgegenwärtiger Nachhaltigkeits- und Energiediskussionen umfangreiche Bemühungen energetischer Bilanzierungen und Verbesserungen für Gebäudeeinheiten. Mit nicht gleichgewichteten Schwerpunktsetzungen planerischer Fokussierungen, zum einen auf den Ort und zum anderen auf die klimatischen Besonderheiten in städtischen Freiräumen kann man teilweise von einer zunehmenden Divergenz der Innen- und Außenklimate sprechen.

Fragestellung und ZielsetzungDie gebaute Umwelt ist einer der wesentlichen Gestaltungsfaktoren der Menschheit. Sie verursacht in einem erheblichen Umfang ökologische und soziale Veränderungen und ist einer der wichtigsten ökonomischen Faktoren aller Gesellschaften. Um den ökonomischen, sozialen und ökologischen Herausforderungen durch absehbare Veränderungen der Umwelt gerecht zu werden, müssen die Entwicklungen in den gestaltenden und ausführenden Disziplinen der gebauten Umwelt in den kommenden Jahren mehr denn je von den Zielsetzungen des nachhaltigen Handelns geprägt sein. Der Landschaftsarchitektur kommt in diesem Zusammenhang als gestaltende und umsetzende Disziplin von Freiräumen eine besondere Bedeutung und Aufgabe zu. Es stellt sich die Frage, wie Planungsstrategien der Landschaftsarchitektur mit Verbesserungen und Optimierungen den Komfort- und Lebensqualitäten städtischer Freiräume gerecht werden können. Welche planerischen Mittel können genutzt und zielbewusst eingesetzt werden? Welche Werkzeuge stehen der Planungsdisziplin Landschaftsarchitektur zur Verfügung? Und welche Planungshandlung mit Veränderung der Parameter beeinflusst mit welcher Differenz die jeweilige thermische Situation?

VorgehensweiseDie Arbeit fasst wichtige Erkenntnisse aus dem Bereich Umweltmeteorologie und Stadtklimatologie zusammen und bedient sich im weiteren Vorgehen eines drei-dimensionalen energetischen Strömungs- und Bilanzierungsmodells. Erkenntnisse aus der Stadtklimatologie werden mit Planungsschritten und Kriterien der Landschafts-

0.2

Zusammenfassung

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und Freiraumplanung hinsichtlich thermischer Auswirkungen im städtischen Freiraum verknüpft. Für den Vergleich einzelner Planungshandlungen wird eine gewählte Raumsituation in Varianten simuliert. Im Weiteren dienen Experimente und Messungen ergänzende Untersuchungen zum Einfluss von Materialien und Elementen im Freiraum.

ErgebnisseDie Untersuchungen der Arbeit bestätigen Potentiale der Landschafts- und Freiraumplanung, durch gezielte Planungshandlung thermische Defizite auszugleichen. Mit Entscheidungen zur Ausrichtung von Freiraumeinheiten und den Dimensionsverhältnissen, mit der Materialwahl, dem Einsatz von Vegetation und durch bauliche Elemente im Raum sind große Unterschiede im Rahmen der gewählten Beispielsituationen festgestellt worden. Es ergaben sich durch Veränderung dieser Parameter bei gleichen äußeren Bedingungen Unterschiede bis zu 35°C PET (physical equivalent temperature – nach VDI als Standardbewertungsindex für Behaglichkeitstemperaturen definiert). Die ergänzenden Untersuchungen von Materialien und Oberflächen sowie einzelner Elemente und deren Auswirkungen zeigen weitergehende Ideen und Möglichkeiten zum Einfluss auf Behaglichkeitstemperaturen städtischer Freiräume auf.

0.3 ABSTRACT

General frameworkConcerning the foreseeable global changes in climate, the climatic conditions in urban areas will also aggravate in a continuous manner (Federal Office for Environment Protection-Germany, 2004:4). In addition to the climatical requirements toward municipal regions, we also have to cope with social changes. These changes have their causes in the social restructurings from an industrial to a recreational society during the last decades. (Henseling, C. / Buchmann, I. / Strubel, V., 2002:2). Proceeding globalization und technological progress bring changes to architecture. A comparison of historical grown cities with more modern and fast grown planning areas shows evidence for a separation of structure and location. Historic quarters usually evince an architecture that has been adjusted to local climatical conditions. Here, primary energetic influences like wind or solar radiation impose constructional adjustments with regard to dimension, orientation and materials. These adaptions were repressed from the collective perception through ongoing progress in technology, aesthetic configuration and economization. But at the same time especially industrialized cultures show extensive efforts for energetic balancing and improvements of houses due to general sustainability and energy discussions. With unbalanced emphasis on local and climatical arrangements one must realize the partly increasing divergence between inner- and outer climate of urban areas.

Question and objectiveThe constructed environment is one of the crucial design factors of mankind. It leads to tremendous ecological and social changes and is one of the most important economic factors of all societies. In order to meet these requirements posed by foreseeable environmental changes, developments in framing and executing disciplines of the constructed environment need to be characterized by the objectives of sustained

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Zusammenfassung

action. Landscape architecture plays a central role in this topic, designing and shaping free spaces. This leads to the issue of how to adjust strategies of the landscape architecture improving and optimizing thermal comfort and living quality of urban free spaces. What measures can be used in a purposeful way? Which possibilities does landscape architecture offer? And which means do influence a given thermal situation to a certain extent? ApproachThis thesis sums up important cognitions from the fields of environmental meteorology and urban climatology and subsequently uses a three-dimensional energetic current and balancing model. Findings from urban climatology are linked to criteria of landscape architecture in terms of thermal repercussion in urban free spaces. For the comparison of single planning steps, a given spatial setting is simulated in variants. Subsequently, experiments and measurements provide additional information on the impact of materials and elements in free space units

ResultsThe studies this dissertation is comprised of confirm the potentials of the landscape architecture to apply goal oriented approaches in order to handle thermal deficits. With decisions for the consideration of changes concerning dimension, the choice of materials, the usage of vegetation, and constructional elements, big differences could be observed in the framework of the chosen examples. By changing these properties differences of up to 35°C PET (physical equivalent temperature – rating for comfort temperatures as defined by VDI) could be made out under comparable external conditions. Subsidiary studies of materials and surfaces as well as single elements and their impact show further ideas and possibilities to influence comfort temperature in urban free zones.

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EINLEITUNG1.1 Klimawandel und Klimaveränderungen1.2 Steigende Bedeutung von Aufenthaltsqualität in städtischen Freiräumen1.3 klimatisch angepasste Stadtplanung1.4 Steigende Divergenz von Innen- und Aussenraumklima

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EINLEITUNG

Klimawandel und Klimaveränderungen„Man befürchtet derzeit bis zum Jahre 2100 einen Temperaturanstieg zwischen 1,4 bis 5,8°Celsius. Eine solche Temperaturänderung wäre größer als alle während der letzten Jahrhunderte beobachteten natürlichen Temperaturschwankungen. Auch die Dynamik, mit der diese Vorgänge ablaufen, ist beängstigend. Die Temperaturänderungen erfolgen mit einer Schnelligkeit, wie sie in den letzten 10.000 Jahren nicht vorkamen.“ (Umweltbundesamt, 2004:4)

Seit 1979 ist die arktische Eisdimension um ca. 20 % zurückgegangen (Rahmstorf, 2005:2) und lässt bei Meteorologen und Klimaforschern eine Besorgnis wachsen. Der damit verbundene Meeresanstieg durch zusätzlich frei werdende Wassermengen zieht nicht abzuschätzende Folgen nach sich. Eine wichtige Diskussion ist um das zusätzlich frei werdende Süßwasser in den Polarregionen entstanden. Das Klima der Nordhalbkugel wird maßgeblich durch die warmen Meeresströmungen aus den äquatorialen Regionen gemildert. Warme Meeresströmungen fließen bis an die arktischen Regionen und sinken dort durch Abkühlung auf den Meeresboden in den Rücklaufstrom. Diese Strömungen bescheren z. B. Nordeuropa einen relativ milden Winter. Durch übermäßige Massen an frei werdendem Süßwasser in den Nordpolarregionen kann dieser Salzwasserstrom gebremst und verlangsamt werden. Das bedeutet der zunächst durch anthropogenen Einfluss aufgeheizten Atmosphäre folgt im Anschluss eine Abkühlung der nördlichen Regionen. Welche Zeitdimensionen dieses Szenario hat, ist bis jetzt nicht abzusehen. Jedoch belegen Bohrkernuntersuchungen in Grönland (Alley, 2005:42), dass Klimaveränderungen geschichtlich betrachtet immer „sprunghaft“ in kurzen Änderungsperioden vonstatten gingen. Durch die Gremienarbeit des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) wurde eindeutig festgestellt, das für die globale Erwärmung der Mensch verantwortlich ist. Vor allen Dingen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe ist die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre bislang um ein Drittel angestiegen. Neben Wasserdampf ist Kohlendioxid das wichtigste Treibhausgas. Der atmosphärische Wärmestau wird primär durch den Glashauseffekt der Treibhausgase in der Atmosphäre verursacht. Das bedeutet, die kurzwellige Sonnenstrahlung dringt ungehindert durch die Atmosphäre und ein Teil wird von der Erdoberfläche wieder in langwelliger Strahlung zurückgestrahlt. In der Atmosphäre verhindert eine größere Konzentration an Treibhausgasen jedoch wiederum die Ausstrahlung in den Orbit. Durch eine erhöhte Treibhausgaskonzentration wird ein großer Teil von den Gasen absorbiert und zieht so eine Erwärmung der Atmosphäre nach sich. Ohne einen natürlichen Treibhauseffekt in der Atmosphäre wäre die Temperatur auf der Erde um ein Vielfaches geringer (-18°C im Durchschnitt). Extremwetterereignisse werden insgesamt mit zunehmender Erwärmung global gesehen zunehmen. Das bedeutet Dürreperioden, Niederschlagsrekorde und heftige Windbewegungen in Form von Hurricanes. Diese Szenarien bedeuten eine erhebliche Veränderung der Lebensbedingungen für Mensch, den Lebewesen und für die Flora und Fauna in einem -erdgeschichtlich betrachtet- kurzen Zeitraum. Um die bevorstehenden Veränderungen zu verlangsamen, ist eine Reduktion der Verbrennungsprozesse unabdingbar. Durch die Agenda21 (1992) in Rio de Janeiro und durch das Kyoto-Protokoll (1997) sind wichtige Aktionsprogramme zum weltweiten Nachhaltigkeitshandeln und zur Reduktion der Treibhausgase formuliert worden. Nach derzeitigen Statistiken der UN leben ca. 50% aller Menschen in städtischen Räumen. Bis zum Jahr 2030 wird diese Zahl vermutlich auf ca 60% (4.9 Milliarden) ansteigen. (UN World Urbanization prospects report, 2005). In städtischen Räumen

Kurzzusammenfassung: Klimawandel und Klimaveränderungen fordern einen nachhaltigen und bewus-steren Umgang mit den klimatischen Faktoren (verstärkte Auseinanderset-zung mit den klimatischen Faktoren aus ökonomischen, ökologischen und menschbezogenen thermischen Grün-den (nachhaltige Stadt).

1.0

1.1

Einleitung

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1.2Kurzzusammenfassung: Steigende Bedeutung von städtischer Aufenthaltsqualität in Freiräumen durch gestiegene Ansprüche auf Grund gesellschaftlicher Veränderungen (von der Industriegesellschaft zur Freizeit-gesellschaft)

bildet sich aufgrund von Baumassen und Stadtstruktur ein oft vollkommen anderes Klima im Vergleich zum städtischen Umland ab (vergl. Kap. 3.2). Für gewöhnlich herrschen in städtischen Verdichtungsräumen veränderte und extremere Bedingungen. Durch sich verändernde globale klimatische Bedingungen werden sich in urbanen Räumen ohne planerische Eingriff die ohnehin extremeren klimatischen Bedingungen weiter verschärfen. Bei einer gleichzeitig zunehmenden städtischen Bevölkerung bedeutet das eine Verschlechterung der Lebensbedingungen für einen Großteil der Erdbevölkerung. Das fordert eine verstärkte Auseinandersetzung mit Stadtklima und mit den damit verbundenen planerischen Steuerungsmöglichkeiten. Dadurch wird ebenso den Forderungen einer zukunftsfähigen und nachhaltigen Stadt im Rahmen der Agenda21 Rechnung getragen. Mit ansteigender Bedeutung der städtischen Räume als menschliche Lebensräume werden die ökonomischen, ökologischen und sozialen Tragfähigkeiten einer Stadt an die Grenze und über die Grenzen hinaus ausgelotet. Das entwicklungs- und umweltpolitische Aktionsprogramm Agenda21 gibt für Veränderungen in Richtung einer nachhaltigen Stadt die Vorgaben. Die Maßnahmen geben kurz gesagt Handlungsanweisungen zur Sicherung des zukunftsfähigen Lebens und fordern eine Veränderung der derzeitig oft eindimensionalen Konzepte von Wachstum und nicht kreislaufgerichteten Stoffströmen einer Stadt. Die Landschaftsarchitektur ist zum einen als Handlungsdisziplin für die Verbesserung der Freiraumqualitäten und zum anderen als Bindeglied zwischen ökologischen und ökonomischen Fragestellungen gefragt.

Steigende Bedeutung von Aufenthaltsqualität in städtischen Freiräumen„Es tut sich was! Der öffentliche Raum wird reanimiert, von der Presse wird »die Inbesitznahme der Stadträume gefeiert, die neue Lust auf Stadt, ... das Citytainment, der öffentliche Raum als Inszenierung, die vielen ›Möglichkeitsräume‹, die noch der Entdeckung harren« Neue Nutzungsmuster lassen wie selbstverständlich Fahrbahnen temporär zu Flaniermeilen werden, Stadträume und Stadtparks werden bis in die tiefe Nacht für Stadtjubileen, Schützenfeste oder Rockevents genutzt.“(Töllner, M / Schmidt, J. in STADT UND RAUM 6/2008:292)

Neben der unter 1.1 prognostizierten Verschlechterungen der klimatischen Lebensbedingungen in städtischen Räumen haben wir es gleichzeitig mit einer steigenden Stadtbevölkerung und einer steigenden Nutzung von öffentlichen Räumen zu tun. Die Veränderungen der letzten Jahrzehnte in den westlichen Kulturen haben ihre Ursachen in den gesellschaftlichen Umstrukturierungen von der Industriegesellschaft zur Freizeit- und Erlebnisgesellschaft (Henseling, C. / Buchmann, I. / Strubel, V., 2002:8). Durch diese Entwicklung haben die Freizeitaktivitäten und die Nutzung von öffentlichem Raum ein verstärktes Gewicht bekommen. Die Verkürzung der Arbeitszeiten stellt einer breiten Bevölkerungsmasse einen größeren Anteil Freizeit von der Lebenszeit zur Verfügung. Gleichzeitig gewinnt durch die steigende Lebenserwartung die Lebensphase des Ruhestandes und somit die „freie“ Zeit an Bedeutung. Insbesondere in den westlichen Gesellschaften ermöglicht zudem ein gestiegenes Pro-Kopf-Einkommen eine aktivere und intensivere Freizeitgestaltung als in den früheren Jahren. In diesem Zusammenhang haben sich u.a. durch eine steigende Professionalisierung im Freizeitsektor die Freizeitumsätze stark erhöht (Henseling, et.al. , 2002:8). Diese Entwicklung bringt eine steigende Bedeutung von städtischer Aufenthaltsqualität mit sich. Der Landschaftsarchitektur kommt in Zusammenarbeit mit der Stadtplanung eine zunehmende Bedeutung als Planungsdisziplin zu. Es gilt, den veränderten gesellschaftlichen Bedingungen durch Planungshandlungen gerecht zu werden. Mit einem „Mehr“ Nutzern im öffentlichen Raum muss zum einen den gesellschaftlichen

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Wünschen sowie zum anderen den grundsätzlichen Anforderungen an „Qualität des Aufenthaltes“ im Freiraum Rechnung getragen werden. Das bedeutet neben steigenden ästhetischen und funktionalen Ansprüchen auch eine Verbesserung der klimatischen Bedingungen in städtischen Freiräumen.

Klimatisch angepasste StadtplanungHistorische traditionelle Architektur und Stadtplanung berücksichtigen in der Regel die klimatischen Einflussfaktoren und werden somit einer an den Ort angepassten Architektur gerecht. Technische und ökonomische Grenzen erforderte bei traditioneller Stadtplanung eine gezielte Anpassung der Architektur an die regionalen und örtlichen klimatischen Bedingungen. Zudem ist der menschliche Organismus im Vergleich zu anderen Lebensformen nur bedingt anpassungsfähig an die örtlichen klimatischen Gegebenheiten. Deshalb lassen sich in vielen klimatischen Regionen der Erde unterschiedliche Bauformen und angepasste Architekturen finden. (Olgay, 1973:3).* Lediglich repräsentative und Macht-demonstrative Gründe durchbrechen diese angepasste Bauweise zu menschlichen Bedürfnissen und Lebensqualitäten (ästhetisierte Machtdemonstrationen durch Architektur und Gebäude betrachten die Zusammenhänge von Architektur und Mensch unter einer anderen Zielsetzung). Mit einer zunehmenden Technisierung der Architektur stiegen auch die technischen Möglichkeiten klimatisch optimierte Räume unabhängig vom Ort zu schaffen. Klimaanlagen, besondere Verglasungssysteme, Dämmungsmöglichkeiten und andere technische Verbesserungen ermöglichen bei ausreichendem energetischen Aufwand ein immer zu gewährleistendes, optimiertes Innenraumklima. Hierbei wird aber zum einen der energetische Aufwand und zum anderen die dadurch steigende Divergenz von Innen- und Außenklima vernachlässigt (vergl. 1.4). Bei innovativen technischen Lösungsmöglichkeiten nachhaltiger Architektur wird jedoch wieder der Ortsbezug mit den regionalen klimatischen Besonderheiten mit einbezogen.

Zudem ist eine globalisierte Architektur und eine damit verbundene Mischung der Baustile für eine weitere vom Ort und den klimatischen Besonderheiten entfernende Entwicklung mitverantwortlich. Durch die globalisierte Vernetzung und Kommunikation werden unter anderem Bilder und Lebensarten vermischt und ausgetauscht. Das bedeutet für die Architektur ein Export von Gestalt, Ästhetik und Technik. Die regionalen und historisch - klimatisch angepassten Bauweisen werden zunehmend durch technische Vereinheitlichungen (zum Beispiel die Betonskelettbauweise) verdrängt und vermischt. Der Einfluß der Moderne ausgehend von den mitteleuropäischen Bereichen ist beispielsweise in vielen Regionen der Erde zu erkennen. Athen als Hauptstadt Griechenlands oder Kairo als Hauptstadt Ägyptens vermittelt heute einen Eindruck einer mitteleuropäischen Stadt mit Gestaltfragmenten aus den südlichen Teilen Europas. Die Stadt- und Gebäudestrukturen reagieren im Vergleich zu ihren historischen Vorbildern zum Teil nur noch wenig auf die örtlichen, topografischen und klimatologischen Gegebenheiten. Diese Tendenz lässt sich auch im verstärkten Ausmaß in den neuen Entwicklungsregionen Mittelasiens erkennen. Die klimatischen Probleme von Überhitzung, über Verschmutzung bis hin zu extremen Windverhältnissen sind nicht nur eine Folge der Verdichtung und Überbevölkerung der Städte. Es werden in vielen Verdichtungsregionen vollkommen ungünstige thermische Freiraumbedingungen erzeugt. Neben energetisch aufwändigen Innenraumklimatisierungen büßt auch der öffentliche Raum in der oben genannten Konsequenz seine Qualitäten nachhaltig ein und verschwindet nicht minder selten vermehrt in den Untergrund oder in die Hülle des Gebäudes. Die veränderten Stadtbilder benötigen wieder stärkere planerische Überprüfungen. Demnach kommt der Freiraumplanung mit Ihren Mitteln und Möglichkeiten im Bestand

Kurzzusammenfassung: Historisch gesehen gab es eine klima-tisch angepasste Stadtplanung / glo-balisierte Architektur / Technisierung und Veränderung der Architektur bei gleichzeitig abnehmender Fokussierung von klimatisch angepassten Städtebau

* Je nach klimatischen Besonderheiten finden sich in vielen Regionen der Erde angepasste Baustile wieder: In der Regel sind beispielweise in den nordeuropäischen Ländern „geduckte“ an höhere Windgeschwindigkeiten angepasste Architektur mit großen Fensteröffnungen zu finden / mit zunehmender thermischer Belastung durch Sonneneinstrahlung im südlicheren Europa finden sich dagegen Bauweisen mit kleinen Fensteröffnungen, engen Gassen und zur Sonne abgewandten Fassaden wieder.

1.3

Einleitung

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und auch in der Neuplanung eine besondere Bedeutung zu. Gibt es Möglichkeiten den entstandenen klimatischen Defiziten mit planerischen Mitteln entgegen zu wirken? Können bestimmte thermische Situationen vermieden oder verändert werden?

Steigende Divergenz von Innen- und Außenraumklima Mit zunehmenden Technisierungen in der Architektur sind auch die Möglichkeiten zur Verbesserung des Innenraumklimas gestiegen. Neben den immer noch üblichen energetisch aufwendigen Lösungen durch den beispielsweise verstärkten Einsatz von Klimaanlagen sind inzwischen im Rahmen von energetischen Gesamtbilanzierungen auch zahlreiche Lösungsansätze im Sinne nachhaltiger und kostenneutraler Betrachtungen üblicher geworden. Speziell in Deutschland haben sich durch die EnEV (Energieeinsparverordnung, 2007) die rechtlichen Grundlagen verändert und eine Basis für nachhaltige Gebäudekonzepte geschaffen. Neben den energetischen Vorteilen resultieren technische Verbesserungen im Gebäudesektor nicht zuletzt auch aus dem Anspruch an ein verbessertes Innenraumklima. Durch den ansteigenden thermischen Komfort im Innenbereich steigt auch die Leistungsfähigkeit der Menschen (betrifft speziell die steigende Anzahl an Arbeitsplätzen in Innenräumen). Zahlreiche technische Anstrengungen werden unterschiedlichen Ansprüchen bei unterschiedlichen Tätigkeiten gerecht.* Eine Aufenthaltsqualität eines Ortes lässt sich allgemein daran festmachen, ob man sich wohlfühlt oder nicht. Dies hängt von einem komplexen Zusammenwirken innerer und äußerer Bestimmungsgrößen ab. Die Steigerung des Behaglichkeitsempfindens ist in allen sozioökonomischen Lebensbereichen festzustellen. Von Büroklimasystemen mit zusätzlichen Licht-Raum-Optimierungen über voll klimatisierte und begrünte „Shopping-Malls“ bis hin zu kleinklimatisierten und Pollen gefilterten Autoräumen werden zahlreiche Anstrengungen unternommen, dem Menschen den Aufenthalt so bequem wie möglich zu machen.Die Verbesserung des Komforts nach klimatisch- thermischen Aspekten bringt zwei grundsätzliche Probleme mit sich: Zum einen kann Komfort auch als die Abwesenheit von Diskomfort also auch als Abwesenheit von unangenehmen Empfindungen definiert werden. Ein Verständnis jedoch für die Verschiedenheit der klimatischen Bedingungen und ihrer Zustands-, Prozess- und Feldgrößen bleibt mit verbesserten klimatischen Bedingungen zunehmend abwesend. Das ‚Außen’ bleibt die unkalkulierbare und gefühlsunangenehme Größe. Das bedeutet das Bewusstsein für Klimafaktoren und den damit zusammenhängenden komplexen Faktoren geht auch verloren. Es werden keine Relationen im unmittelbaren Wahrnehmungsfeld aufgezeigt. Die menschlichen Lebensformen verkünstlichen und zunehmend gilt uns optimierte Behaglichkeit im kleinskaligen Umfeld als reales thermisches Konstrukt. Zusammenhänge von großskaligen zum kleinskaligen Raum sind immer weniger zu differenzieren. Optimierte Behaglichkeit fungiert in diesem Gefüge als Verblendung und überlagert reale Dimensionen.Zum anderen ergibt sich daraus eine ansteigende Divergenz von gefühltem Innen- und Außenklima und eine damit ansteigende Differenz der Temperaturunterschiede. Mit einem einseitigen Schwerpunkt, nur das Innenraumklima und nicht das „Außen“ oder das „Dazwischen“ gleichzeitig zu verbessern, geht die Schere der Temperaturempfindung bei den Nutzern auseinander. Das bedeutet auch die kurzfristige Anpassungseigenschaft an die jeweiligen thermischen Bedingungen sinkt mit schwindenden thermischen Reizen. Je mehr sich Menschen in optimierten Räumen aufhalten, um so geringer wird die Eigenschaft der Anpassung.* Das bedeutet für die drei Planungsdisziplinen Architektur, Stadtplanung und Landschaftsarchitektur eine verstärkte Auseinandersetzung mit Innen-, Außenklima und mit dem „Dazwischen“. Die gefühlten Unterschiede dürfen nicht zu hoch

1.4Kurzzusammenfassung: Entstehende Divergenz von Innen und Außen / zahlreiche Optierungen im Innenraum verbessern Lebensqualität und Leistung, Zusammenhang Außen / Der menschliche Organismus besitzt nur ein geringes Spektrum der Tempe-raturanpassung.

*nach Bruder, TU Darmstadt, Institut für Arbeitswissenschaft, 2006, sind in Innenräumen bei einer Veränderung der Lufttemperatur von 20°C 5 abnehmende Leistungsstufen erkennbar

* Man „verwöhnt“ sich und reagiert sensibler auf Diskomfort - in dem For-schungsvorhaben RUROS, vergl. 4.2, wird durch Befragungen und Untersu-chungen in verschiedenen europäischen Ländern u.a. auch das Behaglichkeits-empfinden untersucht: Reizklima und steigenden Jahresbelastung an thermi-schen Reizen bringt eine grundsätzli-che steigende Anpassungsfähigkeit der jeweilig Befragten mit sich.

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Einleitung

und gleichzeitig sollten auch thermische Reize im „Dazwischen“ (unmittelbares Gebäudehüllenumfeld) die Toleranz zur Adaption (dem Ort angepasst) erwirken. Neben der Verbesserung der thermischen Behaglichkeit scheint auch eine Notwendigkeit zu bestehen, einen Wiedergewinn und einen Ausbau an grundsätzlichem Bewusstsein für Natur- und Klimakreisläufe durch planerische Intentionen zu fördern. In diesem Zusammenhang sind die Entwicklungen nicht nur von Schutzmaßnahmen sondern auch von Technologien und Methoden zum Umgang mit einer sich veränderten Umwelt sowie eine stimulierende Wahrnehmung im Außen- und Innenraum eine neue Herausforderung in der Architektur und Landschaftsarchitektur. Um ein Bewusstsein für klimatische Zusammenhänge erkennbar zu stimulieren, müssen mehrere Wahrnehmungsebenen angesprochen werden.

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ZIELE UND VORGEHENSWEISE2.1 Thesen 2.2 Fragestellungen2.3 Vorgehensweise

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ZIELE UND VORGEHENSWEISE

ThesenDie im Rahmen der unter 1.0 aufgezeigten Probleme lässt der Planungsdisziplin „Landschaftsarchitektur“ eine besondere Bedeutung zukommen. Die vorliegende Ar-beit möchte in diesem Zusammenhang zwei elementare Behauptungen hinterfragen und belegen.Zum einen ist zu vermuten, dass die Landschaftsarchitektur mit ihren planerischen Mitteln einen wichtigen Beitrag zur Lösung der unter 1.0 aufgezeigten Problemati-ken beisteuern kann. Die Freiraumplanung besitzt Mittel und Möglichkeiten, durch gezielte Planungshandlungen thermische Defizite in Freiräumen auszugleichen und zu verhindern. Diese Möglichkeiten gilt es, im Verlauf der Arbeit herauszufiltern und aufzuzeigen. Planungsträgern und der Öffentlichkeit sind im Rahmen veränderter Umweltbedingungen sowie einer zunehmend städtischen Bevölkerung die Bedeu-tung von klimatischen Faktoren und einer thermisch optimierten Umwelt der Nut-zer wieder zunehmend bewusster geworden. In der Stadt- und Landschaftsplanung hat in diesem Kontext in den letzten 15 Jahren eine verstärkte Auseinandersetzung mit dem Wirkungsgefüge Klima und Behaglichkeit stattgefunden. Neben den For-schungstätigkeiten der Einzeldisziplinen wie Meteorologie, Klimatologie und Bio-Meteorologie ist ein Wissenstransfer zur Stadt, zur Stadtklimatologie, zur Stadtpla-nung und zur Landschaftsarchitektur zu verzeichnen. Zum anderen sind aber zur Zeit die Möglichkeiten der planerischen Einflussnah-me zwar bekannt (aus der Stadtklimatologie), werden aber nicht ausreichend ange-wendet. Vorhandene Modelle und Methoden aus der Stadtklimatologie lassen sich analog nur bedingt in den Planungsdisziplinen anwenden. Es besteht demnach ein Bedarf, eine Verknüpfung von ausführenden und erforschenden Disziplinen herzu-stellen. Sowohl auf der Seite der Anwender (Planungsdisziplinen) als auch auf der Seite der erforschenden Disziplinen (Stadtklimatologie, Meteorologie u.a.) fehlt in großen Teilen das Verständnis für die jeweiligen Arbeitsweisen. Dazu kommt ein nicht unerhebliches Wissensdefizit von den Möglichkeiten der Einflussnahme. In einer im Rahmen des Dissertationsvorhabens durchgeführten Umfrage * im Som-mer 2007 wurden 800 Planungsbüros aus dem Bereich Architektur, Stadtplanung und Landschaftsplanung in Deutschland und weiteren ausländischen Umfeld be-fragt. Der Umfrage zur Folge besteht zum einen ein Bedarf des Handelns aber auch eine derzeitig kaum bestehende Perspektive und Grundlage dafür. Demnach ist eine Handlungsbereitschaft vorhanden aber eine Zusammenarbeit und eine klare Aufga-benverteilung ist nicht gegeben. Eine Einbindung der thermischer Aspekte bei Pla-nungsprozessen ist nicht üblich. Ingegärd Eliasson spricht in diesem Zusammenhang von fünf Säulen der Problematik im Umgang mit klimatischen Faktoren in städtischer Planung „(…) The low impact is a result of several constraints which could be related to five explanatory variables i.e. conceptual and knowledge based, technical, policy, organisational and the market. (…)“ ELIASSON, 1999:1)

2.0

2.1

Ziele und Vorgehensweise

Kurzzusammenfassung: These 1: Die Landschaftsarchitektur kann einen wichtigen beitrag zur ver-besserung der unter 1.0 aufgezeigten Problematiken leisten.These 2: Derzeitige existente Hand-lungsanweisungen zum Umgang mit den thermischen Einflussfaktoren aus der Stadtklimatologie lassen sich nur bedingt in der Planungsdisziplin Land-schaftsarchitektur anwenden.

* Onlinumfrage vom 30.08.2007, Ver-gleiche Appendix II Aufgeteilt in fünf Frageblöcke wurden Fragen an 800 Planungsbüros mit den Arbeitsbereichen Landschaftsarchitek-tur Objektplanung (52%), Landschafts-planung (23%), Städteplanung (7%) und andere (18%) gestellt.Block I Klimawandel: Verbindung zum eigenen Berufsstand und Bedeutung?Block II Stadtklima: Wie wichtig ist die Stadtklimatologie und die Einbindung in den Planungsprozess?Block III Biometeorologie: Sind For-schungen aus der Biometeorologie be-kannt? Verstärkte Einbindung?Block IV Einflussgrößen: Materialver-wendung und thermische Auswirkun-gen? Bedeutung Wind, Wasser und anderen Einflussgrößen?Block V thermischer Komfort: Klima-karten und Komfortkarten als sinnvolle Ergänzungen im Planungsprozess?

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FragestellungenDie zwei miteinander in Zusammenhang stehenden Thesen führen zu den Frage-stellungen der Arbeit. Wenn man davon aus geht, dass zum einen ein Bedarf des Handelns besteht und zum anderen die Landschaftsarchitektur ein wichtigen Bei-trag zur Veränderung leisten kann, stellt sich die Frage: Welche planerischen Mit-tel und Möglichkeiten besitzt die Landschaftsarchitektur um thermische Defizite in städtischen Freiräumen auszugleichen? Welche Einflussfaktoren sind wichtig, wie planerisch nutzbar und anwendbar? Und: Welche Ergebnisse können bestimmte pla-nerische Handlungen erzielen, welche thermischen Verbesserungen können erzielt werden und wo gibt es Grenzen der Anwendung?Grundsätzlich ist das Planen mit den klimatischen Einflussfaktoren und Planen für thermischen Komfort im Außenbereich kein neues Thema. Geschichtlich betrachtet hat es immer bei menschlichen Siedlungstätigkeiten Auseinandersetzungen mit Ort und Lage und den damit verbundenen klimatischen Besonderheiten gegeben. Mittel-alterliche Städte in den verschiedenen Regionen der Klimazonen haben auch nicht selten eine dementsprechend angepasste Architektur und Landschaftsarchitektur aufzuweisen. Mit zunehmender Technisierung und mit Veränderung der Architektur ist aber der Fokus auf die thermischen Einflüsse im Freiraum zurückgegangen (ver-gl. 1.3). Historische Vorbilder könnten Wege der Möglichkeiten aufzeigen. Je nach örtlichen Besonderheiten gibt es mehr oder minder bestimmende meteorologische Faktoren (Strahlung, Wind, Feuchte o.a.). Die historischen Vorbilder berücksichtigen in der Regel eben diese Eingangsgrößen. Nach welchen Kriterien sind Planungsent-scheidungen gefällt worden?Neben den physikalischen Eingangsgrößen bestimmen zudem noch physiologische oder intermediäre Einflüsse das Behaglichkeitsumfeld eines Menschen (vergl. 3.5 – der thermische Wirkungskomplex des Menschen). Wie entscheidend sind aber alle Einflüsse im Rahmen einer Bilanzierung und welches sind die primären interessanten Faktoren für die Planungsdisziplinen? Die Landschafts- und Freiraumplanung besitzt Mittel und Bausteine die im unmittel-baren Zusammenhang mit dem thermischen Wirkungskomplex des Nutzers im Frei-raum stehen. Es haben sicherlich auch ästhetische Entscheidungen Einfluss auf das Behaglichkeitsempfinden aber primär entscheidend sind planerische Handlungen zur Ausgestaltung des Ortes (vergl. 3.3). Dazu kommen im Zusammenarbeit mit Archi-tektur und Städtebau grundsätzliche Entscheidungen zur Ausrichtung, Dimension und Raumaufteilung. Gebäudestellungen, Gebäudehöhen und Raumgrößen können ebenso Unterschiede wie Material oder Elemente im Raum (Vegetation, Einbauten usw.) hervorrufen. Im Rahmen der Fragestellung gilt es zum einen den konkreten Einfluss durch Planungsentscheidung sowie zum anderen auch die Zusammenhänge von Planungsbausteinen und thermischen Effekten zu hinterfragen. Ist es möglich, einzelne Planungshandlungen bezogen auf das thermische Empfinden konkret verbal oder sogar numerisch zu benennen? Kann man thermische Effekte auf Planungsbau-steine beziehen (Fassade, Boden, Element im Raum)?

VorgehensweiseDie Fragestellungen lassen ein methodischen Vorgehen erahnen. Welche Grundlagen hinsichtlich Klima und Stadtklima sind im Rahmen planerischen Vorgehen zu unter-suchen? Welche Einflussfaktoren auf den Mensch bezogen können in der Planung als „nutzbar“ angesehen werden? Welche Aussagen liefern existente Handlungsan-leitungen und Methoden aus der Stadtklimatologie? Wie kann man dann Planungs-bausteine auf thermische Effekte beziehen und welche Ergebnisse liefern diese? Und konkret auf Bestandsituationen im Raum: Welchen Einfluss haben Bausteine wie Material und Oberfläche auf das thermische Behaglichkeitsumfeld des Menschen?

2.3

2.2Kurzzusammenfassung:Fragestellungen: Welche planerischen Mittel und Möglichkeiten besitzt die Landschaftsarchitektur um thermische Defizite in städtischen freiräumen aus-zugleichen? Welche Einflussfaktoren sind wichtig, wie planerisch nutzbar und anwendbar? Welche Ergebnisse können bestimmte Planungshandlun-gen erzielen, welche thermischen Ver-besserungen können erzielt werden und wo gibt es Grenzen der Anwendung?

Kurzzusammenfassung:Vorgehensweise: Zusammenstellung der elementaren Grundlagen zu ener-getischen Kreisläufen, Besonderheiten der Stadtklimatologie, Handlungsanlei-tungen und Methoden der Stadtklima-tologie, Thermischer Komfort, Einfluss-faktoren und planerische Nutzbarkeit, Simulation einer städtischen Raum-einheit in Varianten, Experimente zu Oberflächen und aktiven Elementen

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Abschließend möchte die Arbeit nach der Diskussion der Ergebnisse aus den Erkennt-nissen ein beispielhaftes Bewertungsmodell für ein strategisches Vorgehen in land-schaftsarchitektonischen Planungsprozessen vorstellen (Diskussion und Appendix).

Die vorliegende Arbeit untersucht die Fragen Schritt für Schritt und kombiniert dabei Untersuchungsergebnisse aus externen Literatur- und Forschungserkenntnissen mit eigenen Erkenntnissen aus experimentellen und numerischen Untersuchungen.

In Kapitel 3 werden die wichtigsten Grundlagen analysiert und in Bezug zur Pla-nungsdisziplin „Landschaftsarchitektur“ gestellt. Begrifflichkeiten wie Klima, Stadt-klima und Mikroklima werden kurz erläutert und bezogen auf die übergeordneten Fragen ausgewertet. Dem anschließend folgt eine punktuelle Bewertung der Ein-zelfaktoren und ihrer Einordnung unter dem Aspekt der planerischen „Nutzbarkeit“. Ein wichtiger zusätzlicher Augenmerk gilt dem thermischen Wirkungskomplex des Menschen. Das drückt sich in den Fragestellungen „Wie funktioniert der Mensch“ und „Welche thermischen Eigenschaften sind gemäß der Planungshandlungen ent-scheidend“ aus. In Kapitel 4 werden thermische Indizes aufgelistet und die einzelnen Modelle und Methoden aus der Stadtklimatologie benannt und gewertet. Wie sind diese existen-ten Modelle und Methoden bezogen auf eine analoge Übertragung aus den For-schungsdisziplinen in die Handlungsdisziplinen zu bewerten? Das Kapitel 5 dient als Zwischenschritt der Sortierung gewonnener Erkenntnisse aus den externen Quellen in Kapitel 3 und 4. Welche Fragen bleiben unbeantwortet und können nur in eigenen Untersuchungen und Experimenten beantwortet werden? Entscheidend in Kapitel 5 ist der Wertungsschritt von den einzelnen Einflussfaktoren und der in der Stadtklimatologie definierten Wechselbeziehungen hin zu den Ein-flüssen im Zusammenhang von Planungsfragen und Planungsschritten. Unter dem Aspekt von Planen mit „Klima“ in der Landschaftsarchitektur sind Begriffe wie Ort, Zeit, Dimension, Ausrichtung, Nutzer, Material und Element in Bezug zu potentiellen Einflussmöglichkeiten zu setzen. Welche analysierten primären Einflussgrößen sind durch weitere Untersuchungen in Bezug zu den o.g. Begrifflichkeiten im Planungs-prozess noch zu definieren und zu benennen? Das Kapitel 5 definiert so im Verlauf das weitere konkrete methodische Vorgehen hinsichtlich der eigenen offenen Fra-gen. Das Kapitel 6 beschreibt eine numerische Versuchsreihe mit dem Programm ENVI-met (Bruse, 1999) und beantwortet offene Fragen zum Planungseinfluss der Frei-raumplanung. An Hand eines gewählten Beispiels einer platzartigen Freiraumsitua-tion werden verschiedene Planungsvarianten durchgespielt. Die Variablen sind nach Ort, Dimension, Ausrichtung, Material, Ausgestaltung und Nutzer unterschiedlich gewählt. Die Raumkonstellation bleibt dagegen immer gleich. Es bietet sich so die Möglichkeit konkrete Planungshandlungen zu benennen. Karten und numerische Daten von Wind-, Strahlungs- und Temperaturverhältnissen sowie der wichtigsten Bewertungsgröße PET (physical equivalent temperature – vergl. 4.1 – der wichtigste Bewertungsindex zur Behaglichkeit) können analog miteinander verglichen werden. Im konkreten Beispiel werden in diesem Kapitel auch „anfassbare“ Werte hinsichtlich planerischen Handlungen erzeugt. Die Einflüsse durch Entscheidungen zum Material oder beispielsweise zur Vegetation werden durch verständliche Karten erst anfass-bar und für die Landschaftsarchitektur lesbar. Die erzeugten Karten aus ENVI-met sind ein großer Vorteil dieses derzeit noch nicht allzu bekannten Programms. Die jeweiligen Simulationen und Ergebnisse werden direkt im Kapitel auf Planungspro-zessschritte bezogen und bewertet. Das Kapitel 7 baut auf den Erkenntnissen von Kapitel 6 auf und stellt durch Mes-sergebnissen zu verschiedenen Materialien ergänzende Perspektiven zum Einfluss


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der Oberfläche in städtischen Freiraumeinheiten dar. In experimenteller Herange-hensweise sind Objekte und Oberflächen mit dem Anspruch einer Behaglichkeitsma-nipulation im mikroklimatischen Freiraum auf dem Campus der Universität Kassel entstanden. Es ist zum einen mit verschiedenen Oberflächen als auch mit verschie-denen Bauweisen experimentiert worden. Im Kapitel 7 werden zum einen Flächen und Bauteile hinsichtlich eines passiven Einflusses untersucht und gedeutet. Zum anderen gilt der Fokus zwei entstandenen Objektinstallationen zur aktiven Mani-pulation von Strahlung- und Windeingangsdaten. Es werden experimentelle Ideen als mögliche Ausblicke einer Lenkung und Manipulation untersucht und bewertet. Die Objekte gehen von einer aktiven Einflussnahme durch planerische Elemente aus. Das bedeutet eine zusätzliche technisierte aber auch nachhaltige Perspektive für die Landschaftsarchitektur (Objekte im sogenannten „Low-tech“ Verfahren).Das Kapitel 8 fasst Untersuchungsergebnisse hinsichtlich der Thesen und Fragestel-lungen kritisch zusammen. Wie sind die Ergebnisse gemäß der vermuteten Bedeu-tung der Planungsdisziplin „Landschaftsarchitektur“ auf die thermischen Verhält-nisse in städtischen Freiräumen jetzt und für die Zukunft zu bewerten? Ist eine Bedeutung für zukünftiges Handeln im dem Maße vorhanden? Welche spezifischen Fragen konnten ggf. nicht beantwortet werden? Inwieweit sind realistische Perspek-tiven zum veränderten Handeln vorhanden?

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GRUNDLAGEN 3.1 Klima 3.2 Stadtklima 3.3 Mikroklima 3.4 Thermische Behaglichkeit – wie funktioniert der Mensch?

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GRUNDLAGENDie Landschaftsarchitektur ist eine Planungsdisziplin und verändert mit Ihrem Han-deln Freiräume und Lebensbereiche nicht nur aus architektonischen, ästhetischen, sozialen und funktional-nutzerbezogenen Gesichtspunkten. Vielmehr greift Sie nicht selten durch Ihre Planungshandlungen auch in kleinskalige klimatische Systeme ein. Somit kann sich das System verändern und beeinflusst auch die Behaglichkeit des Freiraumes. In dem folgenden Kapitel werden wichtige Grundlagen zum Themenfeld „Klima“ definiert, analysiert, in Bezug untereinander und in Bezug zur Planung ge-setzt. Dem folgt eine Einordnung des Menschen in das thermische Umfeld.

Klima „Klimatologen, Geographen, Geophysiker, Ozeanographen, Geologen, Hydrologen und Glaziologen – sie alle benötigen für ihre Arbeit ein solides meteorologisches Grundwis-sen.(…) selbst der (…) Landschaftsarchitekt muss wissen, welche klimatische Situation ihn im Gelände erwartet und inwieweit er bei seinen Maßnahmen in das meteorologi-sche Geschehen eingreift.“ (Häckel, 2005:11)..

Klima - BegriffsdefinitionJe nach Entwicklungsstand der Klimaforschung gibt es verschiedene Definitionen (vgl. Hupfer, 1991). Als Klima wird der langfristige Zustand der Atmosphäre über einem Ge-biet (bzw. der langfristige Aspekt des Wetters) bezeichnet. Es beschreibt die Synthese sämtlicher Elemente wie z. B. Lufttemperatur, Luftfeuchte, Niederschlag, Luftdruck, Windverhältnisse, Bewölkungsgrad oder Strahlungsintensität. Nur langjährige Beob-achtungen beschreiben daher mit einer ausreichenden Genauigkeit die Ausprägung des jeweiligen Klimas (Hobert, 2000:1). Das Klima beinhaltet damit die für dieses Gebiet typischen Witterungsabläufe und ihre Faktoren. Man unterscheidet nach der Ausdehnung des betreffenden Gebietes in Makroklima, Mesoklima und Mikroklima. Das Makroklima betrachtet das größte Feld mit einer Ausdehnung bis über 30 Mio. km² und markiert die oberste Grenze. Als Orientierung in Abgrenzung zu Mesoklima-ten werden alle die gesamte Erde umspannenden sowie ozean- bzw. kontinentenweit wirksamen Effekte zu den Makroklimaten gezählt. Weniger eindeutig, jedoch im Re-gelfall zutreffend, ordnet man auch überregionale Effekte wie den Monsun, den El Niño oder sehr große Regionalklimate wie den brasilianischen Regenwald mit zu den Makroklimaten. Alle Makroklimate stehen dabei in engen gegenseitigen Wechsel-wirkungen und beeinflussen sich daher auf vielfältige Weise, wobei vor allem diese Wechselwirkungen zueinander noch nicht vollständig verstanden und Thema aktuel-ler Forschung sind. Das Mesoklima erstreckt sich auf räumlich begrenzte Klimaeinheiten, bezieht sich auf Areale zwischen einigen 100m und einigen 100 km (Geländeklima, Stadtklima, Lokalklima). (vgl. Ermer/Hoff/Mohrmann 1996: 58/59)Vom Mikroklima spricht man im kleinräumigen Bereich von 1 cm bis 100 m, und die Luftschichten bis 2 m über Grund. (vgl. Ermer/Hoff/Mohrmann 1996: 58/59)„Alle Makroklimate stehen in einer engen gegenseitigen Wechselwirkung und beein-flussen sich daher auf vielfältige Weise, wobei vor allem diese Wechselwirkungen noch nicht vollständig verstanden und Thema aktueller Forschung sind. Letztlich kann auf-grund dessen kein Makroklimat für sich allein betrachtet werden und in ihrem dyna-mischen Zusammenspiel führen sie direkt zum umfassenden Konzept des globalen Kli-mas.“ (Zitat, verändert und ergänzt vergl. www.klimawandel.com, Zugriff 10/2008)

3.0

3.1

3.1.1

Klima - Grundlagen

Kurzzusammenfassung: Was ist Klima und welche Besonderheiten sind im Rahmen der Fragestellungen auszu-werten? Welche Zusammenhänge be-stehen zwischen groß- und kleinräum-lichen Einheiten? Meteorologische Grundkenntnisse als Basis für ange-passtes Planen im Planungskontext.

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Mit globalen Klimaverschiebungen und Klimaveränderungen wandeln sich auch die kleinräumlichen Verhältnisse und somit auch die Grundvoraussetzungen für das Auf-gabenspektrum der Stadt- und Landschaftsplanung.

KlimasystemeDer energetische Antrieb der Klimasysteme beruht im Wesentlichen auf der Ener-giezufuhr der Sonne. Neben der Sonnenenergie spielt auch im geringen Maße die geothermische Aktivität der Erde eine Rolle. Das Klima der Erde wird maßgeblich durch zwei große Kreislaufsysteme bestimmt: der atmosphärischen und ozeanischen Zirkulation. Grundsätzlich werden bei der Zirkulation Masse und Energie von den Wärmeüberschussregionen in die kühleren Gebiete transportiert (Vom Äquator zu den polaren Regionen). Motor für die atmosphärische Zirkulation ist die regional und jah-reszeitlich unterschiedliche Sonneneinstrahlung auf der Erde. Erwärmte Luft steigt auf und bewegt sich entsprechend der Corioliskräfte in Richtung der Polarregionen (vergl. Reinders, 1969: 49). Dort wird die latente Energie frei, die Luft zieht sich zu-sammen und es entsteht ein Druckgefälle. Die Corioliskraft ist die seitliche durch die Erddrehung entstehende Ablenkung. Diese Bewegungsvorgänge werden zudem noch durch lokale geografische Unterschiede wie Topografie, Pflanzenwuchs oder Einfluss der Wasserflächen beeinflusst. „Der stetige Wechsel zwischen Sonnenwärmeeinfall, Wasserverdampfung und eine Wolkenbildung, die zeitweilig jede Zustrahlung von außen sperrt, bringen neben Tem-peraturänderung und Luftbewegung auch Änderungen im Luftdruck mit sich. Es ent-stehen sogenannte Hoch- und Tiefdruckgebiete, die in Bezug auf die mit ihnen verbun-denen Luftströmungen wieder ihre eigenen Gesetze haben und die wiederum Begleit-erscheinungen der schon erwähnten Corioliskräfte sind“ (Reinders, 1969:49)Bei einem Hochdruckgebiet drücken die den höheren Druck verursachenden Luft-massen bei ständigem Sinken nach außen. Die Luft erwärmt sich und kann mehr Feuchte aufnehmen – das Wetter ist in der Regel dadurch sonnig und klar. Bei einem Tiefdruckgebiet strömen im Gegensatz zum Hochdruckgebiet die Luftmassen nach oben und verlieren die Wärme. Die abgekühlte Luftmasse gibt dabei die überschüssi-ge Feuchtigkeit in Form von Wolken an die Umgebung ab. Fällt die Temperatur weit unter den Taupunkt, fällt das Kondenswasser in Form von Regen zur Erde.Die großen Wassermassen der Erde in den Ozeanen haben einen entscheidenden Ein-fluss auf das Klimasystem der Erde. Sie bilden mit ihren nahezu 96% ein gigantisches Wärmespeicherpotential. Reiben Luftmassen an den Oberflächen (Upwelling) der Meere, werden Wassermassen in Bewegung gesetzt. Durch die Viskosität des Wassers werden in diesem Zusammenhang auch tiefere Wasserschichten in Bewegung ver-setzt. Durch das unterschiedliche Erwärmen und Abkühlen der Wassermassen entwik-kelt sich Strömungen. Eine Vielzahl an Strömungen variieren bedingt durch meteo-rologische Einflussfaktoren im jahreszeitlichen Rhythmus. Ein weiterer Einflussfaktor ist das Relief und die Topografie der Meeresböden. Unterschiedliche Höhen erzeugen Druck- und Temperaturgefälle. Infolge dessen werden große Massen an Wasser in verschiedene Gebiete transportiert und durch variable Dichteeigenschaften zum Ab- oder Aufsteigen angeregt.

3.1.2

3.1.3 StrahlungDer für das Klima wichtigste Energietransport durch Strahlung verläuft ohne Ma-terie. Nach dem physikalischen Grundlagengesetz von Stefan und Boltzmann wird die Emission der Wellen durch die Temperatur der Oberflächen der entsprechenden Materie bestimmt.

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TABB 3.01: Übersicht Strahlungsarten

TABB 3.02: Emission, Absorption und Reflexion / Definitionen

BegriffsdefinitionUnter Strahlung versteht man den Transport von Energie mit Hilfe elektromagnetischer Wellen. „Elektromagnetische Strahlung ist die Übertragung der Energie des elektroma-gnetischen Feldes in Form von räumlichen eletromagnetischen Transversalwellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten“ (Zmarsky/Kuttler/Pethe, 2002:11). Die mit der Strahlung transportierte Energie wird als Energie pro Fläche und Zeit in W/m² an-gegeben. Die verschiedenen Strahlungsarten unterscheiden sich in der Wellenlänge, deren Bereich sich von 10-15m (kosmische Höhenstrahlung) bis 10-6m (Wechselströme) erstreckt und der Frequenz im Bereich von 10 Hz bis 1020 Hz. Strahlung breitet sich im Vakuum gradlinig aus, näherungsweise gilt dies auch für Luft, so dass ein von einer punktförmigen Strahlungsquelle ausgehender Strahlungs-strom mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Es besteht ein einfacher Zusam-menhang zwischen der Wellenlänge und dem Energiehaushalt der Strahlung: Je kür-zer die Wellenlänge desto energiereicher die Strahlung (vergl. Häckel, 2005:162). „Mit jeder Verkürzung der Wellenlän-ge auf ein Zehntel steigt der En-ergieinhalt auf das 10fache. So enthält UV-Strahlung (…) 10mal mehr Energie als Infrarotstrah-lung(…).“ (Häckel, 2005:162)Wenn Strahlung auf Materie trifft ist Absorption, Reflexion, Transmission und Streuung zu unterscheiden (vergl. Zmar-sky/Kuttler/Pethe, 2002:13). Von Absorption spricht man, wenn Materie Strahlungsen-ergie aufnimmt und in andere Energieformen umwandelt. Tritt sichtbares Licht in ein Medium wie beispielsweise Wasser ein, nimmt die Strahlungsintensi-tät mit zunehmender Länge des Weges ab. Diesen Vorgang nennt man Extinktion. Außer von der Wellenlänge hängt die Extinktion von einem material-spezifischen Absorptionskoeffizienten ab. Die Reflexion der kurzwelligen Sonnenstrahlung wird als Albedo bezeichnet und ist im Wesentlichen von der Farbe und dem Helligkeitsgrad des Materials abhängig. Die Albedo ist von Beschaffenheit der Oberfläche, der Wellenlänge und dem Ein-fallwinkel der Strahlung abhängig (vergl. Zmarsky/Kuttler/Pethe, 2002:16). Generell nimmt die Albedo vom Äquator zu den Polen auf Grund des flacher werdenden Ein-fallswinkels zu. Im kleinen wie auch im großräumlichen Umfeld hat die Albedo einen starken Effekt auf das thermische Spektrum.

StrahlungshaushaltWenn wir von einer Größe von hundertprozentiger solarer eingehenden Energiestrah-lung ausgehen, gelangt nur etwa ein Drittel direkt zur Erdoberfläche. Ca. dreißig Pro-zent werden direkt von der Atmosphäre, den Wolken und den Oberflächen der Erde in den Weltraum zurückgestrahlt. Ca. 20 Prozent werden von Wolken und Atmosphäre und ca. 50 Prozent von Ozeanen und Landmasse absorbiert.Die gesamte auf die Erdoberfläche treffende Strahlung bezeichnet man als Global-strahlung G. Sie setzt sich wie in der Abbildung aus der direkten Strahlung B und der diffusen Strahlung D zusammen (G= B+D). Ein Teil dieser Strahlung wird direkt

Klima - Grundlagen

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ABB 03.01: Strahlungshaushalt der Erde (nach verschiedenen Quellen, u.a. Häckel 2005, NASA 2007)

reflektiert, so dass die kurzwellige Energiebilanz der Erde durch folgende Formel be-schrieben wird: Qk = B+D–R Der positive Anteil wird von der Erde absorbiert, in Wärme umgewandelt, zwischenge-speichert und schließlich wieder abgestrahlt. Die Ausstrahlung der Erde A ist langwel-lig (3µm - 30µm) und stellt für die Erde einen Energieverlust dar. Die Erde erhält aber auch einen nach unten gerichteten, langwelligen Strahlungsstrom, die atmosphäri-sche Gegenstrahlung AG, als positiven Faktor der langwelligen Strahlungsbilanz: Ql= AG – A Die atmosphärische Gegenstrahlung geht z.B. von den Wassertropfen der Wol-ken aus, was dazu führt, dass in klaren Nächten die Abkühlung wesentlich stärker ist als in bewölkten. Insgesamt ist aber die langwellige Strahlungsbilanz immer negativ, weil der Betrag von AG im Durchschnitt nur 70% von A erreicht. Quelle und Ursprung der einfallenden kurzwelligen Strahlung ist ausschließlich die Sonne und trägt daher auch den Namen „solare Strahlung“. Sie deckt den Wellenlängenbereich von 0.2 – 3µm ab und hat ihren energiereichsten Bereich bei ca. 0.5µm. Die Globalstrahlung wird in Einheit W pro m² oder in kJ pro Minute und cm² ange-geben. Umrechnung wie folgt: 1 kJ/min cm²= 1,67 105 W/m² sowie 41,67 W/m²= 1kWh/m²d Die Globalstrahlung erreicht bei wolkenlosem Himmel im Sommer in Mitteleuropa etwa 1000 W/m². Bei trübem, wolkigem Wetter besteht sie nur aus dem Diffusstrah-lungsanteil und ihr Wert sinkt auf Werte unter 100 W/m². Ab einem Wert von 120 W/m² spricht man von Sonnenschein.In Deutschland liegt die eingestrahlte Sonnenenergie im Jahresmittel zwischen 900 und 1200 kWh pro m² und Jahr auf eine horizontale Fläche, das entspricht ca. 100 bis 135 W/m². „In Spanien beträgt die Globalstrahlung etwa 2000 kWh/(m² · a) (230 W/m²), in der Sahara 2500 kWh/(m² · a) (285 W/m²)“(...) (verändert nach http://de.wikipedia.org/wiki/Globalstrahlung, Zugriff 11.09.2007)Der Energieeintrag durch die Sonne auf einer Fläche kann mit der Energiebilanzglei-

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chung an einer Oberfläche wie folgt ausgedrückt werden.Qnet= Q+B+H+VQnet Summe aller Energieeinträge an einer OberflächeQ StrahlungsbilanzB Bodenwärmestrom (Wärmefluss der absorbierten Wärmeenergie in tiefer liegende Bodenschichten)H Fluss fühlbarer Wärme (Pro Fläche und Zeit zwischen Bodenoberfläche und der Luft ausgetauschten Wärmemenge)V Strom latenter Wärme (Energiefluss zufolge Kondensations- und Verdunstungsvorgänge)

Den größten materialabhängigen Einfluss auf die einer Oberfläche einwirkende Ener-gie weist der Anteil der Strahlungsbilanz auf. Insofern ist der Fokus auf die Zusam-mensetzung des Terms Q von Interesse.Q= (1-α) * (AG-A) (1-α) bezeichnet die kurzwellige Strahlungsbilanz und (AG-A) bezeichnet die langwellige Strahlungsbilanz. Es gilt:Q Strahlungsbilanz einer Oberfläche (Nettostrahlung)α Albedo einer OberflächeG Globalstrahlung (Summe der direkten und der diffusen Sonneneinstrahlung)AG Atmosphärische Gegenstrahlung (Langwellige von der Erde zur Atmosphäre gerichtete Strahlung)A Langwellige Ausstrahlung von der Erdoberfläche (Abstrahlung einer Oberfläche in die Atmosphäre)

Die langwellige Strahlung hat verschiedene Ausstrahlungsquellen. Ausgestrahlt wird sie von der Erdoberfläche, der Atmosphäre und der gesamten Umwelt. Sie ist sowohl eine Rückstrahlung als auch eine Eigenstrahlung. Langwellige Strahlung liegt in einem Wellenlängenbereich von 3µm bis 60µm und befindet sich damit entfernt von unserem sichtbaren wahrnehmbaren Bereich. Der Mensch kann bestimmte Strahlungslängen lediglich über die Haut als Wärme wahrnehmen. Ihre maximale Ausstrahlung liegt dabei bei etwa 10µm und ist im Gegensatz zur kurzwelligen Strahlung recht energie-arm. Wie o.g. nach Häckel besteht der Zusammenhang zwischen Energieinhalt und Strahlung in der Wellenlänge: Je kürzer desto energiereicher die Strahlung. Je höher die Strahlungsenergie ist, desto höher ist auch die Energieabgabe der Strahlung an den angestrahlten Körper. Der Körper erreicht durch die Aufnahme dieser Strahlung einen höheren Energiezustand und drückt dieses durch eine höhere Temperatur aus.

WindUnter Wind versteht man die Bewegung von Luft. Die Windgeschwindigkeit beschreibt den Weg, die Luft in einer bestimmten Zeit im Raum zurücklegt.Prinzipiell entsteht Wind durch großräumliche Veränderungen der Druckverhältnisse und wird stark von regionaltopografischen Besonderheiten beeinflusst. Grundsätzlich gibt es immer eine Luftbewegung vom kalten zum warmen Element. Das beruht darauf, dass die Luft über dem warmen Gebiet erwärmt und leichter wird. So steigt die spezifisch leichte und warme Luft auf und erzeugt einen Unterdruck. Der Unterdruck wird durch nachrückende kalte Luftmassen ausgeglichen und es entsteht eine thermische Zirkulation zwischen warmen und kalten Gebieten. Je nach Tages- und Jahresverlauf unterliegen die Windverhältnisse einer hohen Variabilität. Auf Grund regionaler und

3.1.4

Klima - Grundlagen

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Zusammenhänge „Landschaftsarchitektur“Gerade im Zusammenhang mit den unter 1.1 genannten prognostizierten Veränderun-gen des globalen Klimas ändern sich auch die Bedingungen kleinskaliger Planungs-räume der Freiraumplanung. Die Ausführungen machen Verflechtungen vom Großen zum Kleinen und umgekehrt deutlich. Kleinere und größere städtische Raumeinheiten stehen immer auch im Bezug zueinander und im Bezug zu großskaligen Gesetzmä-ßigkeiten. Kleinskalige Raumeinheiten können aufgrund der umgebenden Struktu-ren (vergl. 3.2) eigene klimatische Besonderheiten aufweisen. Der Austausch zu den großmaßstäblichen Verhältnissen bleibt jedoch immer bestehen (nur eine Hülle kann unter bestimmten Umständen gewünschte Unabhängigkeit vom Übergeordneten lie-fern). Das bedeutet für die Freiraumplanung auch bei kleinskaligen Planungsaufgaben immer eine Einordnung in regionale und überregionale klimatische Gegebenheiten. Dementsprechend sind planerische Grenzen durch Wetter- und Jahreszeiteneinfluss als logisch zu betrachten. Jedoch können Anpassungen, Schutz- und Optimierungs-maßnahmen in einem gewissen Rahmen die Lebensbedingungen verbessern und somit den unter 1.0 aufgestellten Rahmenbedingungen Rechnung tragen. Die ma-kroklimatischen physikalischen Gesetzmäßigkeiten erzeugen im großräumlichen und kleinräumlichen Bereich immer bestimmte Zustände, die es zum einen zu verstehen und zum anderen in einem gewissen Rahmen planerisch zu nutzen gilt. Ein wichtiger planerischer Fokus gilt den Gesetzmäßigkeiten energetischer Flüsse im Raum. Der primäre Eintrag erfolgt durch Strahlung. Demnach werden makroskalige sowie auch mikroskalige Freiräume primär durch die Strahlungseinträge und den Umsätzen am Boden bestimmt. Im Zusammenhang mit Luftbewegungen lassen sich gezielte Pla-nungshandlungen und Effekte abschätzen. Das gilt für groß- sowie für kleinskalige Bereiche.

lokaler Besonderheiten sind die Windverhältnisse schwer vorherzusagen und damit auch schwerer zu beeinflussen. Jedoch gibt es bestimmte Gesetzmäßigkeiten und immer wiederkehrende Effekte in städtischen Freiräumen.

Die Geschwindigkeit des Windes wird über die Beaufortskala eingeteilt (Beaufort 1806). Gemessen werden Windgeschwindigkeiten in der Regel mit einem Schalenkreuzanemometer (rotierendes Windmessgerät - von griechisch anemos = Wind). Die Windgeschwindigkeit wird in Meter pro Sekunde (m/s), Knoten (kn) = Seemeilen/Stunde (sm/h) oder in Meilen pro Stunde (mph) definiert.

1 kn = 1 sm/h = 0,514 m/s = 1,852 km/h (exakt)1 m/s = 1,944 kn = 3,6 km/h (exakt) = 2,237 mph1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph1 mph = 0,8690 kn = 0,447 m/s = 1,609344 km/h (exakt)

3.1.5

-39-

3.2.1

3.2.2

Kurzzusammenfassung: Begriffsdefini-tion und kurze Einleitung zu Besonder-heiten des Stadtklimas. Welche Struk-turen erzeugen welche Besonderheiten und kann man bestimmte Klimatope mit ähnlichen klimatischen Eigen-schaften definieren (Raumeinheiten)? Welche Aufgaben ergeben sich aus den bewerteten Gesetzmäßigkeiten für die Landschaftsarchitektur?

StadtklimaDie Energieumsätze der Einstrahlung der Sonne finden an den bestrahlten Oberflächen statt. Die Anordnung und ihre Auswirkung nach Art, Material, Form oder Farbe sowie den Größen Feuchte, Reflexion und Wärmeleitung, ist im städtischen Umfeld primär geprägt durch die Gebäudemasse. Entscheidend ist auch der Anteil und die Ausge-staltung der Freiräume einer Stadt. Zusammengefasst lassen sich folgende Gründe zu einer speziellen Herausbildung eines Stadtklimas benennen: Zum einen die erhöhte Wärmekapazität durch die Baumassen, eine damit verbundene verstärkte Wärmelei-tung, eine geringere Verdunstung und ggf. eine Windbremsung durch erhöhte Rauig-keit. Zum anderen unterscheidet sich das Stadtklima im Vergleich zum Umland durch stark veränderte Windverhältnisse. Es können so zum einen wesentlich höhere wie auch wesentliche niedrigere Windgeschwindigkeiten gemessen werden.

3.2

Begriffsdefinition - StadtklimaDas Stadtklima ist allgemein gesehen ein Mesoklima (Klima einer Raumdimension von einem Durchmesser zwischen 10 und 50km). Dabei bildet sich nach Fezer (1995:33) ein ganz besonderes Klima neben der umgebenden Landschaft ab. Die Stadt kann

Stadtklima - Grundlagen

als Strömungshindernis, als Wär-meinsel und als Emissionsquelle meteorologisch beschrieben werden. Stadtklimatisch ist nach Oke (2007) eine vertikale Gliede-rung des unteren Bereiches der atmosphärischen Grenzschicht in die Schicht vom Boden bis zur mittleren Hausdachhöhe (Ur-ban Canopy Layer – UCL – ver-gl. 3.3) und die Schicht oberhalb der Hausdächer (Urban Boundary Layer – UBL) getroffen worden. Im direkten Umfeld unterschied-licher Oberflächen und deren Einflüsse können sich kleinräumliche Mikroklimate mit großen Temperaturdifferenzen in unmittelbarer Nachbarschaft ergeben. Typisch sind erhöhte Oberflächen- und Lufttemperaturen während der Nacht und Veränderungen der Windbewegungen durch Gebäudehöhen und Gebäudestellungen. Das kann zum einen Bereiche mit sehr geringer Belüftung wie auch zum anderen Bereiche mit er-höhten Windgeschwindigkeiten bedeuten.

Stadtstrukturen und BesonderheitenStadtstruktur und örtlich regionale AnpassungDer Grundriss einer Stadt ist so etwas wie sein genetischer Code und gibt Aufschluss über Geschichte und Morphologie. Viele Städte weisen einheitliche Muster als Be-sonderheiten auf. Vereinfachend können zwei grundsätzliche Stadtstrukturen nach thermisch klimatischen Aspekten unterschieden werden: Zum einen an den Ort an-gepasste Strukturen und zum anderen weniger oder nicht an den Ort angepasste Stadtstrukturen. Nicht selten sind angepasste Strukturen historisch gewachsen und resultieren im Zusammenhang der Siedlungstätigkeit aus topografischen und klima-tischen Gesetzmäßigkeiten des Ortes. Das bedeutete neben strategischer Schutzfunk-tion auch immer eine Anpassung an regionale Wetter- und Klimaeinflüsse (Olgay, 1973:3ff spricht von „Human Life and Shelter“). Mit zunehmenden technischen Mög-

ABB 03.02: Stadtklima - klimatischer Vergleich Stadt und Umland

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lichkeiten, ansteigenden Bevölkerungszahlen und veränderten sozialen und ökono-mischen Bedingungen ist vermehrt ein Bewusstsein für ortstypische Anpassungen abhanden gekommen (vergl. Kapitel 1.3). Vergleicht man zum Beispiel in Kopenhagen auf der Halbinsel Amanger die Planstadt-entwicklung Örestad nach dem Masterplan eines finnischen Architekturbüros direkt mit den angrenzenden gewachsenen Stadtteilen jenseits der Hochbahnmetro, so fal-len schon direkt beim Betrachten des Grundrisses die vollkommen unterschiedlichen Dichten der Baustrukturen von alt und neu auf. In dem neu entstandenen und noch entstehenden Stadtareal der letzten 10 Jahre sind die Dimensionen und Strukturen im Vergleich zu bestehenden Nachbarstrukturen nach ersten Beobachtungen nicht an örtliche klimatische Gegebenheiten angepasst. Die örtlichen Windverhältnisse in unmittelbarer Nähe zur Ostsee wirken aufgrund eigener Erfahrungen auf den Nutzer im Raum zu bestimmten Jahreszeiten als starker extremer negativer Komfort entge-gen. In dem bestehenden Stadtteil hingegen ist eine Kleinteiligkeit auffällig: kleine Grundrisse, kurze Wege, enge Gassen und raumbildende Vegetationsstrukturen. Nach eigenen Erfahrungen sind die alten Strukturen rechtsseitig der Hochbahn durch Ge-stalt und Struktur den örtlichen physikalischen Einflüssen besser angepasst als die neuen Bereiche linksseitig der Hochbahn (vergl. Abbildung).

Der „Wärmeinseleffekt“Die durchschnittliche europäische Stadt ist primär aus Beton, Asphalt und Stein er-baut. Einfallende solare Strahlung wird von den Materialien reflektiert und absorbiert. Man spricht von städtischen Wärmeinseln, wenn die während des Tages gespeicherte Wärme in den festen Massebestandteilen der Materialien am Abend wieder freige-setzt wird und ein Abkühlen der Luft verhindert (Kuttler, 1997). Der Wärmeinseleffekt kann in kalten Gebieten als positiv und in warmen Regionen als negativ empfunden werden. Einer Überwärmung der Städte kann durch planerische Eingriffe entgegenge-wirkt werden. Im Jahresdurchschnitt sind Städte wärmer als die ländliche Umgebung. Bei starken Sonneneinstrahlungen im Sommer können diese Überwärmungseffekte in südlichen Städten 10°C und mehr die Folge haben (vergl. Fezer 1995:45ff.). In der Nacht kühlen die Städte wegen der langwelligen Abstrahlung der erwärmten Gebäu-demasse bis zu 6°C weniger ab (vergl. Horbert, 2000:62ff.). Prinzipiell bestimmt bei gleich bleibender Strahlungsmenge die Masse von Gebäuden in Relation zu den Frei-flächen den Überwärmungsfaktor. Daneben sind Struktur und Oberfläche der Gebäude von Bedeutung. Breite baumlose Straßen und Plätze werden z. B. mittags sehr heiß und kühlen nachts rasch aus. Bei engen Gassen mit Gebäudevolumen und Vegetation

ABB 03.03: Kartenausschnitt, Kopen-hagen Halbinsel Amager, Örestad – Ausschnitt GoogleEarthPro

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verhält es sich dagegen umgekehrt. Nach Wypych und Bokwa (in ESPERE-ENC2003, http://www.atmosphere.mpg.de/Zugriff 11.2007) zeigen städtische Wärmeinseln eine gewisse Abhängigkeit von der Einwohnerzahl. In Großstädten (500.000 bis 1 Million) liegt nach den Untersuchungen die Temperatur um 1.2°C (Im Temperaturmaximum 6°C) höher als im städtischen Umland. Je nach Jahreszeit und regionaler Verortung kann der Wärmeinseleffekt sehr stark schwanken. Der Temperaturunterschied zwi-schen Stadt und Umland kann nach Fezer (1995) und Hobert (2000) in mitteleuropä-ischen Breiten im Winter doppelt so hoch wie im Sommer sein. Insgesamt beeinflusst das Phänomen der Wärmeinsel das städtische Klima. Im Vergleich zum Umland gibt es weniger kalte Tage, mehr heiße Tage, eine längere Vegetationsperiode, erhöhte Niederschläge und eine erhöhte Anzahl an Wolken und somit eine damit verbundene „Wärmeglockenbildung.

Einfluss durch Dichte und WeiteAus der Sicht eines städtischen Betrachters wird der Öffnungswinkel zum Himmel (bestimmt durch den Quotienten Höhe/Straßenbreite) nach Oke (1981) als „Sky-View-Faktor“ (SVF *) betitelt. Es ist möglich diesen Faktor darzustellen und zu benen-nen (durch sogenannte „Fischaugenkameras“). Ein Sky-View-Faktor von 1 bedeutet keine Horizonteinengung und ein SVF von 0 ist eine totale Einengung des Horizonts. Die Lufttemperaturen in diesem Fall sind durch langwellige Zustrahlungen dominiert. In eng bebauten Städten des südlichen Europas liegt der SVF etwa bei 0.2 (vergl. RUROS, 2004:20) während in modernen Städten in Mitteleuropa der SVF etwa bei 0.8 liegt. Dieses Phänomen der Enge bei historischen Städten ist auf den ehemaligen Grundrissen der Städte begründet. Der Platz war durch die meist aus Verteidigungs-gründen umgebende Stadtmauer begrenzt. Eine weitere Nachverdichtung setzte mit dem Wegfall der Hausgärten und Jungviehweiden im 19. Jh. ein. Im 20. Jh. folgte eine ergänzende Umstrukturierung der Städte für veränderte Verkehrsbedingungen (vgl. Fezer, 1995:131). Für europäische Städte lassen sich typische Sky-View-Faktoren zusammenstellen. Je nach örtlichen morphologischen Gegebenheiten und politischer sowie sozialer Steuerung, fallen diese Werte jedoch im konkret bebauten Raum ganz unterschiedlich aus. Dieser Öffnungsgrad zum Himmel kann im Sommer mehr oder weniger als stabil mit der Temperatur der Luft im Zusammenhang betrachtet werden. Die Sonne trifft nur unmittelbar direkt bestrahlte Flächen – die nicht oder nur eingeschränkt besonnten Flächen sind auf die langwellige Zustrahlung und Wärmeleitung angewiesen. Schat-tendiagramme stellen die Beschattungsverläufe eines bestimmten Ortes im Tagesver-lauf und in Abhängigkeit von der Jahreszeit dar. Die mittlere Strahlungstemperatur wird dabei durch direkte Sonneneinstrahlung erhöht. Das bedeutet, dass verdichtete Räume auf Zustrahlung angewiesen sind. Sie erwärmen sich später, bieten über Nacht eine verzögerte Ausstrahlung und sind somit wärmer als die offenen Bereiche. Die städtische Morphologie und Dichte generiert neben den unterschiedlichen Strah-lungsverhältnissen auch vollkommen variable Windverhältnisse im Vergleich zum Umland. Wie Sonnenstands- und Schattendiagramme können Windschattendiagram-me erstellt werden. Bauhöhen und Dichte der Strukturen haben den bestimmenden Einfluß auf diese Diagramme. Ergebniskarten (vergl. RUROS, 2004:21) beinhalten Son-nen- wie auch Windschattendiagramme und können als einfache Handlungsanleitun-gen im Planungsprozess mit eingebunden werden. Sie können für jedes Klima, jeden Ort und in jeder Saison erzeugt werden. Grundsätzlich führen gradlinige Strukturen in Kombination mit erhöhten Dimensionen von Höhe zu Weite zu verschärften Wind-situationen. In der Umgebung höherer Gebäude treten zunehmend Turbulenzen und Zugerscheinungen auf. Auch je höher die Gebäude, desto stärker ist der Zugeffekt an den Ecken. Freiräume entlang einer Achse zur Hauptwindrichtung weisen bei längeren Strecken einen Kanalisierungseffekt auf. Es besteht im Allgemeinen eine komplizierte


* aus dem Englischen: Sky-View-Fac-tor kann man ins Deutsche als „Him-melsblick-Faktor“ bezeichnen. Dieser Faktor als Größe ist durch die Höhe der städtischen Gebäude bestimmt. Wieviel Winkelgrad ist sichtbar - Der Maximalwert dieses Faktors für offe-ne Landschaften ohne Bebauung be-trägt 1,0 (sinngemäß nach Oke (1981, 1987).

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Abhängigkeit zwischen Länge und Breite der Freiräume sowie in Abhängigkeit zur Hauptwindrichtung.Die Abhängigkeit von örtlichen Wind- und Strahlungsverhältnissen steigt bei Ge-bieten mit sehr kalten und heißen Jahreszeiten oder mit starkem Windeinfluss. Eine falsche Orientierung oder Dimensionierung der Strukturen kann einen starken Einfluß auf den thermischen Komfort des Nutzers haben. Komplizierte Abhängigkeiten und Nutzungsanforderungen korrelieren zudem mit einer ausreichenden Durchlüftung ei-ner Stadt. Je enger die Straßen und je höher die Gebäude sind, desto schwächer wer-den sie be- und entlüftet (vergl. Fezer, Stadt Heidelberg, 1995:133). „(…) Liegt eine Stadt im Tal, so werden nur die Straßen in der Talachse gut belüftet, die Parallelstraßen einigermaßen, die Querstraßen schlecht. (…).

Einfluss durch Gebäudeformen der „Moderne“Unter dem Einfluss der „Moderne“ * und in Verbindung mit bedarfsorientierten Stadtbauentwicklungen entstanden ab der 50er Jahre des letzten Jahrhunderts in vielen europäischen Städten „scheibenartige“ Geschosswohnungsbauten in lockeren fast parkähnlichen Grünflächen. Das unterschied sich im Wesentlichen von den ge-schlossenen Zeilenbauten in der ersten Dekade des vorangegangenen Jahrhunderts. Dazu entstanden aus wirtschaftlichen Gründen vermehrt Wohngebäude in Form von Hochhausbauten. In diesen neuen Vierteln ergeben sich auch aufgrund des verstärkt eingesetzten Betons als Grundsubstanz (unter anderem) und den Dimensionen von Höhe zu Weite eine vollkommen veränderte thermische Situation im Freiraum. Freige-stellte Flächen heizen sich in direkter Bestrahlung wesentlich stärker auf und kühlen gleichzeitig durch extremere Exposition viel stärker aus. Die physikalischen Witte-rungseinflüsse sind in diesen Stadtbereichen stärker und intensiver zu spüren. Der wirtschaftliche Hintergrund eines gebündelten Energie- und Versorgungssystems re-lativiert nicht selten mit dem zusätzlichen technischen Aufwand einer Klimatisierung im Innenbereich und einer verschlechterten Thermik im Außenbereich. Eine starke Einstrahlung an den Fassaden, eine starke Auskühlung in der Nacht und verstärkte Windbewegungen an hohen Gebäuden, verringern den thermischen Komfort dieser Wohngebiete in klimatisch extremeren Regionen in den Übergangsjahreszeiten. Sind dagegen die Dimensionen der Baustrukturen von Höhe zu Weite im Bezug zu den Vegetationsstrukturen angepasst (zum Beispiel bei Gartenstädten), kann bei nahezu gleicher baulicher Dichte ein parkähnliches Klima entstehen. Die nächtliche Über-wärmung einer üblichen Stadt ist dann weniger spürbar und einer Überhitzung durch aufgewärmte Fassaden wird nachhaltig durch Beschattung vorhandener Grünstruk-turen vorgebeugt.

Einfluss durch GrünstrukturenGrünflächen können erst ab einer bestimmten Dimension und Größe eine merklich klimatisierende Wirkung erzielen (vergl. Hobert, 2000:174). Je nach Dichte, Art, An-ordnung, Geländeausformung und Bodenbeschaffenheit können kleinklimatische Ver-änderungen und Verbesserungen erzielt werden. Die Transpirationskühle der Grünflä-chen senkt in überwärmten Städten die Lufttemperatur. Die Kühlwirkung ist in den warmen Jahreszeiten am stärksten. Allgemein gilt, je größer die Grünfläche, desto größer ist der Kaltlufteinfluss auf die umgebende Bausubstanz. Die unterschiedlichen Temperaturen zwischen Grünflächen und bebauten Flächen erzeugen ein Druckgefälle und bewirken Zirkulation. Aus die-sem Grund werden Grünflächen als „Kaltluft-Erzeuger“ bezeichnet. Zudem bremsen Bäume und Vegetation auch im entlaubten Zustand die Windgeschwindigkeiten der Starkwinde je nach Dimension auf ein erträgliches Maß herab. Aufgrund höherer Temperaturen schlagen Bäume in der Stadt früher aus und sind bis in den Herbst

ABB 03.05: Grünfläche, München BUGA Gelände, Sommer 2006Strahlungsabschirmung durch Blatt-massen, Kühlung der Lufttemperaturen durch Verdunstungsvorgänge

ABB 03.04: Wohngebäude, Amager / Ørestad, Kopenhagen, 2007

*Die „Moderne“ als Zeitepoche der Architekturgeschichte mit Ihren Ausprägungen im Bereich Hochhaus/Geschosswohnungsbau usw..

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länger aktiv als in freier Landschaft. „(…) In den bebauten Zonen wird das Windfeld in den bodennahen Luftschichten durch das sehr unterschiedliche Relief des Stadtkörpers und durch die damit verbundenen horizontalen und vertikalen Zirkulationssysteme be-stimmt. (…) In unmittelbaren Bereich der Grünflächen ist dagegen (…) eine starke Ver-minderung der Belüftung zu erwarten. Diese „Windschutzwirkung wird durch die meist lockeren Vegetationsstrukturen“ von Parkanlagen noch verstärkt.“ (Hobert, 2000:179). Die Reduktionsgröße der Windgeschwindigkeit hängt von den Vegetationsstrukturen ab. Es gibt wenige Unterlagen über die eigentlichen Größenordnungen der Windbrem-sung unterschiedlicher Vegetationsstrukturen. Die Funktion der Windbremsung steht im unmittelbaren Vergleich zu der Funktion des Lufttransportes. In der Regel werden in der Stadtplanung aufgrund der erhöhten Schadstoffkonzentrationen Grünflächen primär unter dem Aspekt des Luftaustausches betrachtet. In kühleren Regionen mit höheren Windgeschwindigkeiten (z. B. Kopenhagen) ist jedoch dieser Schwerpunkt neu zu überdenken. Die Bedeutung der Grünflächen zur Optimierung des thermischen Komforts für den Nutzer im städtischen Raum wird derzeit noch nicht ausreichend planerisch erkannt.Nach Bruse (ENVI-met 1998) kann eine Verbesserung des Mikroklimas in Städten durch einen erhöhten Grünanteil stark verbessert werden. In analysierten Horizon-talquerschnitten von Straßen sind verminderte Lufttemperaturen durch den Einfluß von Straßenbäumen eindeutig feststellbar. Die Lufttemperaturen werden gesenkt, Luftschadstoffe werden durch die Blattmassen gebunden und auch die Verschattung durch Bäume lässt die Behaglichkeitstemperatur sinken. Das Kronendach verhindert durch Verschattung eine Überhitzung und der Verdunstungsprozess der Blätter kühlt die Umgebungstemperatur. In Parkanlagen ist dieser Effekt durch natürliche Bodeno-berflächen deutlicher spürbar als bei Straßenoberflächen. In der Nacht kühlt der obere Kronenbereich aufgrund seines geringen Masseanteiles relativ schnell aus und kühlt so auch umgebende Luftschichten. Im Bereich des Stammes verhindert dagegen in Abhängigkeit von Dichte und Blattstruktur des Kronenbereiches die Auskühlung der Oberflächen (langwellige Ausstrahlung wird „gehalten„).

Zusammenfassend ergeben sich drei wichtige Funktionen für städtische Grünflä-chen:- Beitrag zum Abbau der Überwärmung - Beitrag zum Windschutz und zum thermischen Komfort (in kühleren Regionen)- Schaffung günstiger bioklimatischer und lufthygienischer Verhältnisse für NutzerIm Gesamtzusammenhang sollten städtische Grünflächen nach unterschiedlichen Kriterien bewertet werden. Grünflächen als „Kaltluftproduzenten“ (Kaltluft und Luft-transport durch Temperaturgefälle) und zum anderen Grünflächen zur Verbesserung von Lebensqualitäten in der Stadt (Verbesserung des thermischen Komforts durch Windlenkung, Windbremsung und Schatteneinfluss).

Einfluss durch WindbewegungenDer Strom latenter und fühlbarer Wärmeübergänge hängt ganz erheblich von den Windverhältnissen und den Windgeschwindigkeiten in der UCL (Urban Climate Layer) und der UBL (Urban Boundary Layer- vergl. Oke 2007) ab. Neben topografischen und geografischen Gegebenheiten ist in der Stadt das örtliche Windprofil stark von der Stadtstruktur abhängig. Eine Stadt weist abhängig von den Gebäudestellungen, Höhen und allgemeinen Di-mensionen einen typisch erhöhten Turbulenzgrad auf. Je nach Rauigkeit der Struktur sind neben erhöhten Turbulenzen aber auch in der Regel geringere Windgeschwindig-keiten in Teilbereichen zu verzeichnen. An Tagen mit intensiverer Sonneneinstrahlung kommt es nachts aufgrund der Überwärmung der Stadt zu Windbewegungen in die Stadt hinein. Dieser Effekt verstärkt sich mit Kanalisierung der Windschneisen (Stra-

ABB 3.06: Dänischer Runfunk, Kopen-hagen, 2007, Starke Windentwicklung an glatten und hohen Fassaden

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ABB 3.07: Windprofile über unter-schiedlichen Oberflächen – nach Bjer-regaard 1981, Kofoed 2004)

Umrechnungsfaktor für Windsituatio-nen über den Dachflächen (keine Fuss-gängerbereiche): Windangaben aus meteorologischen Stationen ausserhalb der Stadt in 10m Höhe können auf die Windsituationen in der Stadt und einer bestimmten Höhe umgerechnet werden (Kofoed 2004).

TABB 3.03: Umrechnungswerte für Windsituationen an den Dachoberflä-chen, nach Kofoed 2004

ßen). Dagegen kann aber auch in Städten aufgrund der Baustrukturen ein Luftaus-tausch verhindert werden. Feste Baustrukturen können zu stabilen Luftschichtungen führen und einen aus lufthygienischen Gründen stattfindenden Austausch verhin-dern. Über Grünflächen ergeben sich diese festen Schichtungen wegen der geringeren Wärmeentwicklung der Oberflächen weniger. In topografisch bewegten Stadtgelän-debereichen herrschen ebenso kaum Austauschprobleme. Der Luftaustausch kann dy-namisch erfolgen. In Tal- oder Muldenlagen dagegen wird ein natürlicher Austausch

durch Bebauungsstrukturen zusätzlich verhindert und die Luftschichtungen durch-mischen sich nur schwer. Abfließende Kaltluft von den Hängen in den Abendstunden stabilisiert zudem noch die UCL.. Der freie Wind in der unteren Atmosphäre wird geostrophischer Wind genannt und variiert in der Höhe zwischen 275m und 500m über dem Erdboden (vergl. Kofoed 2004). In der Grenzschicht näher zum Boden wird der Wind durch Reibung an Hindernissen gebremst und gelenkt. Je nach Beschaffenheit und Struktur der Bodenoberfläche ergeben sich unterschiedliche Windprofile in den oberen 100- 500 Metern. Die jeweilige Beschaffenheit der Bodenoberfläche wird mit einem Rauhigkeitsfaktor= α angegeben. Das bedeutet: je höher und inhomogener die Oberfläche gestaltet – desto höher ist der Rauhigkeitsfaktor. Über städtischen Räumen werden die freien Winde je nach Stadtstruktur unterschiedlich beeinflusst. Bei flachem offenem Land ist der freie Wind in ca. 275m und einem Faktor von α =0.16 zu finden. In suburbanen Räumen in 400m Höhe und einem Faktor von α =0.28 und bei stark bebauten städtischen Räumen bei etwa 500m und einem Rauhigkeitsfaktor von α =0.4. Die unterschiedlichen Windprofile geben Aufschluss über die Grenzhöhe zwischen geostrophischem und abgelenktem Wind über der Bodenoberfläche. In der Regel existieren Daten von meteorologischen Stationen mit Windangaben in der Höhe von 10m. Diese Angaben können abgefragt und in Windrosen je nach Jahreszeit

und örtlichen Verhältnissen bildlich ausgedrückt werden. Nach Kofoed (2004) können diese Daten auf bodennahe Freiraumsituationen umgerechnet werden (siehe links). Das bedeutet bei 10m Höhe in der Stadt beträgt die Windgeschwindigkeit nur

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ABB 3.08: Lufttemperaturen in 2m Höhe, 11.09.1985, Camp-Lintfort über verschiedenen Gebieten – aus Hobert 2001:52

3.2.3

89% der entsprechenden Station außerhalb der Stadt bei 10m Höhe gemessen. Bei 60m sind es 73%.

Einfluss der LufttemperaturenKennzeichnend für die Lufttemperatur in der Stadt ist eine intensivere Amplitude

cherung durch Baumassen und verringerte Verdunstung der primär befestigten Flä-chen zur Aufheizung bei. Je nach Stellung der Baumassen kommt es auch zu einem erheblich reduzierten Luftaustausch im Vergleich zum Umland. Die anthropogenen Wärmequellen wie Industrie und Verkehr sind zusätzlich für eine Überwärmung ver-antwortlich. Die Unterschiede der Überwärmung hängen wesentlich von den Nut-zungsformen in den jeweiligen Gebieten ab. Innerhalb der verschiedenen Raumein-heiten können sowohl die Tagesamplituden als auch die Nachtamplituden komplett unterschiedlich ausfallen. Wie in der Grafik zu erkennen, sind die Tag- und Nachttemperaturen je nach Nut-zungsform sehr unterschiedlich. Offene und durchgrünte Flächen weisen nachts eine wesentlich schnellere Abkühlung als die stark überbauten Gebiete auf. Neben der Speicherung durch Gebäudemasse spielt in diesem Zusammenhang auch der oft ein-geschränkte Luftaustausch eine Rolle. Die Veränderung des Klimas und der Lufttem-peraturen erfordert im Einzelfall eine möglichst genaue Kartierung und Messung der Stadtgebiete. Nur so können eindeutige Aussagen zur Lufttemperatur, dem Luftaus-tausch oder Aussagen zur relativen Luftfeuchte getroffen werden. Neben Messfahrten lassen sich aber auch vorab planerische Aussagen zu möglichen örtlichen Gesetzmä-ßigkeiten anhand der vielen bereits bestätigten Erkenntnisse gewinnen. Zum Beispiel sind im Rahmen des Umweltatlas Berlins von 1995 eine Vielzahl an stadtklimatischen Erkenntnissen zusammengetragen worden. In Berlin treten durch die Vielzahl an ver-änderten Umweltbedingungen Temperaturunterschiede von 7 bis 10°C Differenz zum Umland Berlins auf. Der hohe Versiegelungsgrad und die Masse an Bauvolumen er-zeugen in Berlin eine Vielzahl an Wärmeinseln und Mikroklimaten in der westlichen Innenstadt. Die Grünanlagen bilden in diesem Zusammenhang immer wieder kühle Regionen als Gegenpol zur überwärmten Stadt.

Stadtraumeinheiten und ihre BesonderheitenAnhand der vorangegangenen Erkenntnisse können städtische Räume in typische Raumkategorien eingeteilt werden. Die „Städtebauliche Klimafibel“ vom Land Baden- Württemberg (2007) spricht von einzelnen „Klimatopen“ mit jeweils ähnlichen klima-tischen Bedingungen. Nach den vorangegangenen Erkenntnissen lassen sich Raum-einheiten mit ähnlichen Eigenschaften definieren:*

Raumeinheiten mit kleinen einzelnen baulichen SetzungenEine städtische gut durchmischte Struktur, die sich auch an topografische Gegeben-

*Die Klimatope sind nur nach stadt-klimatologischen Gesetzmäßigkeiten beurteilt und benannt (Grünanlagen- Klimatop, Stadtrand - Klimatop, Bahn-anlagen - Klimatop usw.) und wenig hilfreich für ausführende Disziplinen „gebauter Umwelt“. Im folgenden wer-den Raumeinheiten aus dem archi-tektonisch-baulichen Blickwinkel und dem damit verbundenen thermischen Auswirkungen betrachtet.


im Vergleich zum Umland. Diese Amplitude wird be-sonders nachts durch den geringeren Austausch und die Abstrahlungsenergie aus den Baumassen deut-lich. Die Überwärmung hat ihre Ursache in der ver-stärkten Absorption kurz-welliger Sonnenstrahlung und in der Verstärkung langwelliger Gegenstrah-lung. Dazu trägt die Spei-

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heiten anpasst, ist klimatisch gesehen zu bevorzugen. In diesem Zusammenhang ist aber der gesamte Lufttransport in sogenannten Kaltluftschneisen hinsichtlich der Durchlüftung entscheidend. Bei typischen Bereichen mit Einfamilienhäusern han-delt es sich klimatisch gesehen um Übergangsbereiche mit keiner besonders starken durchschnittlichen Überhöhung der Maximaltemperaturen gegenüber dem Umland. Durch die geringe Überbauung und einen üblich hohen Grünanteil kommen die Über-wärmungstendenzen nicht so stark zum Tragen.

Raumeinheiten mit großen und hohen baulichen SetzungenHochhäuser weisen im Rahmen aller Bebauungsformen die höchsten Windwerte auf. Es kommt zu vielfältigen Windeffekten und zu hohen Windbelastungen. Hochhäuser stellen als intensivste Verdichtungsform der städtischen Bebauung den Planer im-mer wieder vor große stadtklimatische Probleme. Eine gewählte Bebauungsform mit Hochhäusern erhöht den üblichen Temperaturanstieg durch Baumasse noch um ein Vielfaches gegenüber der normalen Blockbebauungsverdichtung und lässt die Tempe-raturdifferenz von Stadt zu Land weiter steigen. Durch die erhöhte Verschattung wird weniger das Tagesmaximum erhöht, als vielmehr die Abkühlung über Nacht reduziert. Dieses verhindert in den Sommermonaten die thermisch gewünschte Abkühlung über Nacht.Hinsichtlich des Luftaustausches stellen Hochhäuser oft Barrieren mit nicht zu unter-schätzenden Auswirkungen dar. Dazu treten durch Stellung und Dimension stärkere Verwirbelungen und Düseneffekte auf (vergl. 3.4). Im Windschattenbereich kommt es hingegen zu großen Windreduktionen. Insgesamt erhöht sich mit einem zunehmen-den Prozentsatz an hochgeschossigen Gebäuden immer auch der Grad der Turbulen-zen. Diese Windbelastungen sind durch spürbare bodennahe Turbulenzen an großen Plätzen nahe großer Gebäude bekannt. So genannte Hochhauswinde erzeugen an hohen Fassaden Verwirbelungen und Turbulenzen und können erheblich die Komfort-bedingungen der Nutzer im unmittelbaren Freiraum beeinflussen.

Innenhöfe und PlätzeInnenhöfe sind typisch in mehrgeschossigen Blockbebauungen. Gegenüber Freiräu-men in der Stadt ergeben sich bei Innenhöfen veränderte Strahlungs- und Windsitua-tionen. Sie weisen demzufolge auf das Jahr gesehen geringere Maximal- und höhere Minimaltemperaturen auf. Aufgrund der umgebenden Baumasse und der Horizont-abschirmung erfolgt die Abkühlung über Nacht nicht so stark. Je nach Verhältnis der umgebenden Gebäudehöhen zur Fläche ist die Besonnung eingeschränkt und der Tem-peraturverlauf kann verschoben oder verringert sein. Jedoch wird mit zunehmender Horizonteinengung auch die Abstrahlung über Nacht reduziert und somit relativiert sich der Zusammenhang von Höhe und Breite. Entscheidend im Bezug auf die Dimen-sionen von Innenhöfen kann der Anteil von Grünflächen und Baumüberstand sein. Horizont eingeengte Innenhöfe mit zusätzlichem Baumüberstand können in Spitzen-zeiten aufgrund der zusätzlichen Verschattung eine niedrigere Temperaturkurve auf-weisen. Auch die Abstrahlung über Nacht kann geringer sein (Blätterdach verhindert eine zu starke Abstrahlung). Durch diesen Effekt reduzieren sich die warmen Tage als auch die Frost- und Kältetage. Diesen Effekt kann man auch bei engen Gassen und Plätzen feststellen. Begrünte Teilflächen (Fassadenbegrünung) verringern ebenso wie Baumüberstände die Temperaturamplitude. Nach Horbert (1992:146ff.) können Be-grünungsformen in unmittelbarer Nachbarschaft in Spitzenumsatzzeiten bis zu 7°C die Temperatur im Vergleich zu versiegelten Bereichen senken. Das bestätigen auch die Ergebnisse aus den Vergleichen der Material- und Vegetationsvarianten in den späteren Versuchsergebnissen (vergl. 6.0). In begrünten Innenhöfen ist aufgrund der geringeren Maximaltemperaturen und durch die in Pflanzenform gehaltene Feuchtig-keit auch immer die Luftfeuchte etwas erhöht. Das kommt im trockenen Stadtklima

ABB 3.09: Radhuspladsen (Rathaus-platz) Kopenhagen im Januar 2008Ein großer Platz mit weit geöffeneten Dimensionen: erhöhte Windeinflüsse, schnelle Auskühlung durch große Ab-strahlungswinkel

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ABB 3.10: Kongens Have, Kopenhagen, 2007

auch dem thermischen Komfort zugute. In stark verdichteten innerstädtischen Lagen erfüllen so Innenhöfe als wohnungsnahe Freiflächen eine wichtige bioklimatische Funktion. Hinsichtlich des Luftaustausches spielen bei Innenhöfen Dimensionen und angrenzenden Bebauungshöhen die entscheidende Rolle. Grundsätzlich gilt, je enger und dichter die Umgrenzung umso schlechter sind die Höfe durchlüftet. In diesem Zusammenhang wären Fassadenbegrünungen einer Baumpflanzung vorzuziehen. Bei Stadtplätzen spielt ähnlich wie bei Innenhöfen und Straßen die Größe der Grund-fläche in Bezug zur umgebenden Baumasse und deren Höhe die wichtigste Rolle. Durch die Verschattung und die umgebende Baumasse wird im Sommer der Tagesgang verzögert und nach oben und unten abgepuffert. Entscheidend in diesem Zusammen-hang ist wie auch bei Höfen neben der Wahl der Oberflächen die Ausgestaltung mit Vegetation. Ein üblicher Altbaumbestand auf Stadtplätzen kann das Klima erheb-lich beeinflussen. Die Windverhältnisse sind durch unterschiedliche Baustrukturen, Ausgestaltung des Platzes sowie durch die oft zahlreichen Öffnungen in den Seiten schwierig zu bestimmen und sehr inhomogen. Es kann zu Windreduktionen wie Wind-verstärkungen auf Plätzen kommen. Gehölze fördern in der Regel eine Windabschwä-chung und Abkühlung der Luft, wogegen an warmen strahlungsintensiven Flächen Aufwind erzeugt wird.

GrünräumeVorwiegend abiotische Baustrukturen verursachen eine sommerliche Überhitzung. Mit der Zunahme von Baumasse verschärft sich die klimatisch-thermische Situation. Die Wärmespeichereigenschaft der Materialien führt im Zusammenhang einer auf ein Mindestmaß verringerten Verdunstung zur Speicherung der Strahlungsenergie in Form von Wärme. Während des Tages kommen diese Wärmequellen durch die oft vorhandenen Windbewegungen nicht so stark zum Tragen. In der Nacht kommt es dagegen zum bekannten Effekt der oben beschriebenen Wärmeinseln. Vegetations-strukturen und Grünräume können in diesem Zusammenhang eine Entlastung schaf-fen. Es ergibt sich die Möglichkeit, in den Wirkungskomplex der Überwärmung durch Vegetation einzugreifen. Allgemein gelten größere Grünflächen als Kaltluftproduzenten im städtischen Gefü-ge. Im Vergleich zu hoch versiegelten und Massen angereicherten Bereichen puffern die vegetativen Raumeinheiten die Temperaturamplitude. Tagsüber wird eine große Überwärmung verhindert und in der Nacht kühlen diese Bereiche schneller aus. Der wirksamste Effekt der Kühlung erfolgt durch Beschattung. Dadurch erhitzen sich die Oberflächen unter den Baumdächern nicht so stark. Während der Nacht kühlt die Fläche aufgrund der sehr geringen Speichermasse der Blätter relativ schnell aus. Da-gegen kann ein dichtes Blätterdach die Auskühlung des Bodens nach oben wirksam verhindern.

StraßenräumeVon Verkehrsachsen gehen erhebliche Belästigungen durch Geruch, Lärm und Windbe-wegungen in der Stadt aus. Gleichzeitig wird eine ausreichende Belüftung der Städte oft über Verkehrskorridore gewährleistet. Die aus Kostengründen meist asphaltierten Verkehrswege weisen hohe Temperaturamplituden auf und üben einen starken Ein-fluß im direkten thermischen Freiraum aus. Asphalt und dunkle Beläge absorbieren einen großen Strahlungsanteil und geben diese Energie als Wärmestrahlung an die umgebende Luft wieder ab. Eine Verschattung durch Laubbäume verringert den Über-wärmungseffekt in den Sommermonaten und gleichzeitig erwärmt der Belag in den Übergangsjahreszeiten die Lufttemperatur (keine Belaubung in den Übergangsjahres-zeiten). Entscheidend bei Verkehrswegen bleibt die Dimension von Länge zu Breite. Windkanalisierungseffekte sind mit der Verkehrsbedeutung und der Belüftungsfunk-tion abzuwägen.

ABB 3.11: typischer Straßenquerschnitt Kopenhagen, Rolighedsvej, Januar 2008, 15 Uhr, niedriger Sonnenstand in der Winterjahreszeit verursacht große Schattenläufe, starker Windeinfluss durch Kanalisierungseffekt


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Die fast vollständige Versiegelung der Oberflächen und die linear – meistens ent-lang von Häuserzeilen – gerichteten Straßenräume setzen den Nutzer im Raum oft ungeahnten vollkommen unkomfortablen Thermiken aus. Gerade in Straßen bilden sich stadttypische klimatische Verhältnisse heraus: Es kommt zu Überwärmungen durch Versiegelung und Baumasse, zu einer erheblichen Verringerung der Luftfeuchte und die Windbewegungen erzeugen Zug- und Turbulenzeinschränkungen. Das un-terschiedliche Relief einer Stadt kann zu einer variablen horizontalen und vertikalen Zirkulation führen. Straßen sind hinsichtlich der Windbedingungen im hohen Maße von der Hauptwindrichtung abhängig. Liegen Straßen im direkten Strömungsfeld der Windbewegungen verstärken zudem Kanalisierungseffekte die Geschwindigkeiten. An Kanten kann es durch Unterströmung zu Turbulenzen kommen und die Windbelastung steigt. Durch diesen Einfluß können zusätzliche Gegenströmungen entstehen. Inso-fern ist ein Luftaustausch in Straßen nicht immer ganz unproblematisch: Zum einen lassen sich häufig Turbulenzen und eine Steigerung der Windgeschwindigkeit fest-stellen. Zum anderen ist ein geregelter Luftaustausch dennoch nicht immer gewähr-leistet. Vegetation im Straßenraum ist in diesem Zusammenhang nicht in jedem Fall förderlich. Je nach Weite und Enge des Straßenraumes verhindert ein geschlossenes Blätterdach den Luftaustausch und vergrößert so die Immissionsbelastungen. In breiten Straßen ist durch eine Überstellung mit Gehölzen der vertikale Luftaus-tausch dagegen nicht gefährdet und aus bioklimatischen Gründen empfehlenswert. Fußgänger- und Straßenbereiche können durch Beschattung im Sommer die maxi-male Temperaturamplitude verringern und durch Verdunstung über die Blattmassen zusätzlich das Klima verbessern.

Aufgabenfeld „Landschaftsarchitektur“Die Stadt ist aufgrund ihrer besonderen Baustrukturen ein Ort mit vielfältigen ther-mischen Besonderheiten. Neben den oft ungünstigen thermischen Verhältnissen (Überwärmung, Windeffekte etc.) bietet sich aber die Möglichkeit aus planerischer Perspektive diese Vielschichtigkeit als Chance zu betrachten. Ausgehend von der Stadtstruktur können im Zusammenhang mit Topografie und ört-lichen Besonderheiten unterschiedliche thermische Faktoren zum Tragen kommen. Einen entscheidenden Einfluss haben hierbei die baulichen Elemente. Die jeweilige Baustruktur kann zu Überwärmungen durch erhöhte Absorption von Strahlung, zu ungünstigen Windverhältnissen durch bauliche Dimensionen und zu allgemein extre-meren klimatischen Bedingungen durch fehlende Abpufferungen mangels gestörter Wasserkreisläufe führen. In diesem Zusammenhang gilt es in planerischen Prozessen den Strukturen und ihren Besonderheiten Rechnung zu tragen. Das bedeutet, welche vorhandenen oder geplanten Strukturen erzeugen unter dem Aspekt der thermischen Behaglichkeit welche Effekte? Gibt es Mittel für die Freiraumplanung auf eventuelle Defizite zu reagieren? In diesem Zusammenhang sind Materialwahl, Materialdimen-sionen und verwendbare Grünstrukturen für die Freiraumplanung von Bedeutung. Die Stadtklimatologie richtet ihren wissenschaftlichen Fokus primär auf die gesundheit-lichen Nachteile durch Überhitzung der Städte. In diesem Zusammenhang sind Grün-flächen als Kaltluftproduzenten, Wasserflächen als Regulatoren der Temperaturampli-tuden, Oberflächen und Materialien als Wärmespeicher und ein funktionierender Luftaustausch durch planerische Steuerung der Baustrukturen von Bedeutung. Der planerische Umgang mit den Phänomenen der „Wärmeinseln“ in Übergangsjahreszei-ten und ihren positiven Effekt auf den thermischen Komfort der Nutzer bleibt dagegen weitgehend unbeantwortet. Die abgestrahlte Wärme aus Gebäuden und Oberflächen könnte auch gezielt planerisch als positiver Temperaturpuffer zwischen jahreszeitli-chen Amplituden genutzt werden. Je nach Art, Massenvolumen und Ausrichtung zur

3.2.4

ABB 3.12: Nørrebrogade, Kopenhagen, 2007, Verschattung der Straßenseite durch Baumüberstand

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3.3

3.3.1

ABB 3.13: Tagestemperaturgang im Mai in einem Sandboden nach Geiger, verändert, 1992:S33

Sonneneinstrahlung sind der positive Effekt und damit verbundene Kenngrößen bis jetzt weitgehend unbekannt.Eine interessante Einteilung der einzelnen Freiraumeinheiten nach klimatischen Ähn-lichkeiten kann im Vorfeld eine hilfreiche Methodik zur analytischen Betrachtung sein. Bestimmte Stadtstrukturen (ähnliche Bautypologien) reagieren im Zusammen-spiel mit ähnlichen Freiraumstrukturen auch ähnlich hinsichtlich thermischer Aus-wirkungen. Planerisch kann dementsprechend auch ähnlich darauf reagiert werden. Vorab kann man die einzelnen physikalischen Einflussfaktoren bewerten und gemäß der Einflussmöglichkeiten gezielt einsetzen. Je nach Besonderheiten lassen sich Ele-mente der Freiraumplanung gezielt unter Behaglichkeitsaspekten anwenden. In die-sem Zusammenhang ist immer der Ort mit seinen Besonderheiten unter dem Aspekt der Zeit zu betrachten. Welche Defizite können durch Planung zu welcher Zeit und unter welcher Zielsetzung hinsichtlich des Nutzens ausgeglichen werden? Welche Defizite dienen einer verbesserten Lebensqualität im Zusammenhang der baulichen Nutzungen? Wie ist der Planungsaufwand im Zusammenhang der Bilanzierung von Nutzen und Aufwand zu beurteilen? Die genauere Betrachtung der einzelnen energe-tischen Vorgänge bezogen auf kleinskalige Freiraumeinheiten folgt im Kapitel 3.3.

MikroklimaNach einer vorangegangenen Einteilung in Freiraumbereiche mit klimatischen Ähn-lichkeiten sind im Folgenden die physikalischen Besonderheiten als Ursachen der Effekte in diesen Bereichen zu untersuchen. In den kleinskaligen mikroklimatischen Raumeinheiten laufen bestimmte Vorgänge ab, die es aus Perspektive der Freiraum-planung aus Gründen möglicher Planungseingriffe zu verstehen gilt. Dabei spielen die Vorgänge im Boden, in Bodennähe und den darüber liegenden Luftschichten eine wesentliche Rolle. Die Behaglichkeit und somit auch die Lebensqualität eines Freirau-mes in der Stadt sind bezogen auf den menschlichen Nutzer bis zu einer Höhe von ca. 2-3m zu bewerten. Vorgänge darüber sind nur indirekt (Wechselbeziehungen wie zum Beispiel Windeffekte usw.) für Planungsziele im Rahmen der Fragestellungen von Interesse. Entscheidend bleibt das thermische Resultat im unmittelbaren Wahr-nehmungsraum in unmittelbarer Wahrnehmungshöhe. Demzufolge sind gerade die Vorgänge in Bodennähe von Bedeutung.

Grundlagen: Wärmeumsätze im Boden und in BodennäheWärmebewegungen im BodenDer Umsatz an Strahlung an der Bodenoberfläche verursacht je nach Klima und Bo-denbeschaffenheit im Laufe des Tages und Jahres unregelmä-ßige Schwankungen der Ober-flächentemperatur (vergl. nach Geiger, 1961). Die Temperatu-ren der bodennahen Luftschicht und auch die Temperaturen der unter der Oberfläche liegenden Erdschichten werden davon nachhaltig beeinflusst. Der Aus-tausch im Boden hängt von der Beschaffenheit der Bodenart ab, das heisst von der mineralischen oder organischen Substanz, der Dichte und deren spezifischer

Mikroklima - Grundlagen

Kurzzusammenfassung: Unmittelbare physikalische Vorgänge im Boden und Bodennähe beeinflussen die thermi-sche Behaglichkeit. Welche Vorgänge sind entscheidend aus Sicht der Frei-raumplanung und welche Elemente oder Faktoren verursachen thermische Zustände? Neben den grundsätzlichen Vorgängen in Bodennähe sind dabei Unterlage und Oberflächen, Vegetati-on oder Topografie von großer Bedeu-tung.

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Wärme. Das gibt Aussage über die Wärmeleitfähigkeit. Je größer die Dichte und die spezifische Wärme, desto geringer ist auf eine bestimmte Menge bezogene Tempera-turerhöhung. Im Vergleich zur Luft mit geringerer Dichte kommt so eine Verzögerung der Temperatur von oben nach unten und umgekehrt zustande. In der Abbildung von Geiger (1992:S33) ist deutlich die Verzögerung im Tages- und Jahresmittel zu erken-nen. Für das Mikroklima in Bodennähe steht der Boden als regulierender Wärmespei-cher zur Verfügung. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang auch der Wasser- und Luftgehalt im Boden. Wasser kann aufgrund seiner guten Leitungsfähigkeit einen Wärmetransport im Vergleich zu einer mehr oder weniger isolierenden Wirkung von Luft im Boden gewährleisten. Der Wärmeüberfluss in strahlungsintensiven Tageszeiten wird gespeichert und über Nacht in Form von langwelliger Abstrahlung verzögert abgegeben. Diese Bedeutung ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Bodens: Bei gut leitenden Böden ist im unmittelbaren Mikroklima ein abgemilderter Tagesgang zu erkennen. Bei einer guten Wärmeleitfähigkeit erhöht sich aber die Temperatur des Bodens relativ schnell mit der Oberfläche, kühlt über Nacht jedoch auch schnell wieder aus. Entscheidend ist das Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität. Eine geringere Wärme-leitfähigkeit kann dabei durch eine höhere Wärmekapazität ausgeglichen werden. Die Speicherwirkung des Bodens und der stattfindende Bodenwärmestrom gleicht in vielen Situationen eine zu starke Tagestemperaturamplitude aus. In Zusammenhang zur Wärmeleitfähigkeit ist in der Regel der Anteil der Wassersät-tigung (Wasser als Träger- und Leitermaterial) im Boden für die Intensität des Bo-denwärmestroms verantwortlich. Der veränderte und oft gestörte Wasserkreislauf im städtischen Umfeld beeinflusst insofern nicht selten die natürlichen Vorgänge.

Wärmeumsatz an der BodenoberflächeDie Temperaturverhältnisse der bodennahen Luftschichten werden durch die Umsatz-größen der Bodenoberfläche bestimmt. Die Bodenoberfläche kann sich unter ungün-stigen Verhältnissen sehr stark erhitzen (vergl. Geiger, 1961:13). Die entstehenden Wärmemengen werden je nach Beschaffenheit der Oberfläche mehr oder weniger an den Untergrund abgegeben. An einem typischen Strahlungstag im Sommer nimmt von oben genähert die Tem-peratur Richtung Bodenoberfläche zu. Direkt an der Bodenoberfläche ist ein Sprung zwischen Boden und Luft zu verzeichnen (vergl. Geiger, 1942:88). Die direkte Boden-oberfläche weist die höchste Temperatur auf. Je nach Bodenbeschaffenheit nimmt in den meisten Böden dann die Temperatur in den ersten 10-15cm sehr stark ab. In der bodennahen Luftschicht ist im Vergleich zu den höheren Luftschichten der Einfluss der unmittelbaren Oberfläche auf die Luftbewegung sehr stark. Die feste Oberfläche wirkt hemmend auf die Luftbewegung und der Strahlungseinfluss kann sich je nach Umsatzgrößen sehr stark bemerkbar machen.

Grundlagen: Wärmetransport in der LuftGrundsätzlich ist die Wärmeleitung der Luft im Vergleich zum Boden erheblich ge-ringer . Aufgrund ihrer geringen Dichte besitzt die Luft jedoch eine gute Temperatur-leitfähigkeit. Das erklärt eine schnell geänderte und angepasste Temperatur der Luft über einer Oberfläche. Im Boden wird Wärme primär durch Leitung übertragen. In den bodennahen Luftschich-ten trägt der Massenaustausch kleinster Teilchen in der Luft für den Wärmetransport von oben nach unten und umgekehrt bei. „Entscheidend für den Wärmetransport in der Luft ist (…) der Massenaustausch“ (Geiger, 1961:35). Dieser Wärmeaustausch kann laminar und turbulent erfolgen. Bei geringen Windbewegungen sind die Luftschichten

3.3.2

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3.3.3

über dem Boden (bodennahe Luftschichten) relativ stabil und es kommt nur erschwert zum Temperaturaustausch (laminare Strömungen bzw. Schichtungen). Bei zunehmen-den Turbulenzen und Strömungen kommt es zu Vermischungen der unterschiedlichen Luftschichten und zu einem erhöhten Temperaturaustausch (Austausch der Massen) in den bodennahen Luftschichten. Dies hat auch eine Auswirkung auf die Bodentem-peratur. Das bedeutet umso turbulenter die Luftbewegung desto mehr Austausch fin-det zwischen den Luftschichten selbst und zwischen Luftschichten und Boden statt. Dieser Austausch wird als dynamischer Austausch bezeichnet. Zum dynamischen Austausch kommt der Konvektionsaustausch. „Überhitzte Teilchen sind bestrebt, sich vom Boden zu lösen und aufzusteigen, an ihrer Stelle sinken kühlere Luftteile ab. Man nennt diesen Erwärmungsvorgang verbundene Vertikalbewegung Konvektion.“ * (Gei-ger, 1961:41).

Einfluss der UnterlageDie Unterlage kann wie bereits erwähnt durch Wasserverhältnisse, Reflexionseigen-schaft sowie durch die eigentliche Zusammensetzung und Eigenschaft das Kleinklima beeinflussen. Neben der Reflexionseigenschaft (Albedo) sind Zustand und Art des Bo-dens entscheidend. Das erklärt auch die zahlreichen Mikroklimate über den verschie-densten Oberflächen. Die Abbildung zeigt exemplarisch die unterschiedlichen Wärmeeigenschaften und

* im Gegensatz zur Advektion, dem horizontalen Antransport fremder Luftmassen

ABB 3.14: Temperaturunterschiede in verschiedenen Böden, aus Geiger, verändert, 1942:133

die Auswirkungen von drei ge-wählten Bodentypen sowohl in der bodennahen Luftschicht wie auch im Boden bis in 60cm Tiefe. An der Granitoberfläche ist bei starker Zustrahlung die Tempe-ratur tagsüber am höchsten und nimmt mit Tiefe stetig ab. In um-gekehrter Reihenfolge steigt bei kalten Oberflächentemperaturen die Temperatur mit der Tiefe. Gra-nit ist im Durchschnitt wärmer aber in der Oberflächenschicht im Maximum fast 10° kälter (aber dagegen im Minimum fast 5° wärmer). Der schlecht leitende Sandboden heizt sich zwar in der Oberschicht stärker auf, kühlt auch stärker wieder aus. Sowohl beim Moorboden als auch beim Sandboden sind die Tagestempe-ratureinflüsse in tieferen Bodenschichten im Gegensatz zum Granitboden geringer zu spüren. Dazu weist der Moorboden insgesamt eine relativ geringe Temperaturampli-tude auf. Nur in den oberen Schichten kommt eine starke Erwärmung aufgrund der niedrigen Albedo zum Tragen. Die Grafik veranschaulicht die unterschiedlichen Einflüsse der Oberfläche auf das Mi-kroklima. Bei unterschiedlicher Struktur, Albedo und Wassergehalt können die Wär-meleitfähigkeit und der mikroklimatische Nutzen manipuliert werden. In der Landwirt-schaft ist dieser Einfluß eine gängige Praxis um die kleinklimatischen Bedingungen für die Kulturen zu verändern. Bodenbearbeitung und Bodenmischung verändern die Bodenarten und sorgen für andere Temperaturgänge in bodennahen Luftschichten. Neben Öffnung des Bodens kann auch eine Verschließung des Bodens (Walzen etc.)


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einen Vorteil für das bodennahe Klima bedeuten. Bei lockeren Sandböden oder Böden mit einer Oberschicht von lockeren Humusbestandteilen kann Walzen eine bessere abgemilderte Temperaturamplitude in den unteren Schichten des Bodens bedeuten. Ein Öffnen der Bodenoberschicht verbessert in trockenen Gebieten vor Regenperioden die Wasseraufnahme und kann den Wassergehalt verbessern. In städtischen Räumen sind die natürlichen Bodenoberflächen oft artifiziellen Bodenbelägen gewichen. Die oft eingebrachten mineralischen Substrate bei befestigten Flächen haben in Kom-bination mit der Oberfläche einen nicht zu vernachlässigen Einfluss auf die boden-nahen Luftschichten. Sie verändern einen Boden und zeichnen sich durch relativ gute Wärmeleitfähigkeit aus. Je nach Wassergehalt und Dimension der Schichten können sie ähnliche Temperaturkurven aufweisen wie Felsböden.

Einfluss durch Material und OberflächeSimple Wechsel von hell auf dunkel können große Temperatureinflüsse erwirken. Grundsätzlich ist dieser Absorptionsgrad entscheidend für die Oberflächentempera-tur. Über diesen Albedowert werden die Energieaufnahme und infolgedessen auch die Oberflächentemperatur beeinflusst (Reflexionseigenschaft).Der Einfluss der Albedo (Oberflächen in Städten mit einem Gesamtflächenanteil von 50%) auf die Lufttemperatur ist teilweise im städtischen Raum ganz erheblich für die Überwärmung verantwortlich. Das bedeutet aber auch bei gezielter Planung lässt sich das thermische Behaglichkeitsempfinden über die Albedo der Oberflächen ma-nipulieren.

3.3.4

ABB 3.16: Albedowerte verschiedener Materialien, zusammengestellt aus verschiedenen Quellen, u.a. Matzarakis (2001), Brown/Gillespie (1995), Häckel (2005) und Oke (2007)

Wärme kann durch 3 verschiedene Vorgänge übertragen werden. Erstens durch Wär-meleitung: dabei wird die thermische Energie von einem Molekül zum anderen wei-tergegeben. Zweitens durch Konvektion: An festen Begrenzungswänden von Körpern, die angeströmt werden bzw. strömend sind, wird die Wärme durch einen flüssigen oder gasförmigen Körper mitgeführt. Und drittens der Wärmeübergang durch Strah-lung: Feste Körper oder Gase senden thermische Energie in Form von elektromagne-tischen Wellen aus und wandeln umgekehrt absorbierte Strahlungsenergie in Wärme um. (vergl. Kap. 1.1)Wärmeleitung: Die Wärmeleitfähigkeit λ gibt an, wie schnell Wärmeenergie bezogen auf eine bestimmte Masse übertragen werden kann und wird in W/m K angegeben.

ABB 3.15: Bodenbearbeitung in der Landwirtschaft– Veränderung der Albedo und Verbesserung des Luft-haushaltes, Osnabrück, 2008

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Bei elektrisch leitenden Stoffen nimmt mit zunehmender Leitfähigkeit auch die Wär-meleitfähigkeit zu. Bei Nichtmetalle spielt die Dichte eine wesentliche Rolle: Mit zu-nehmender Dicht steigt auch die Wärmeleitfähigkeit. Konvektion: Der Wärmeübergangskoeffizient α wird in W/m² K angegeben. Er be-zeichnet den Wärmestrom, der bei einer wirksamen Temperaturdifferenz von 1 K von einer Wand mit der Fläche A=1m² an eine Flüssigkeit oder Gas und umgekehrt über-geht. Einflussfaktoren sind Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Dichte, spez. Wärmekapazität und Viskosität sowie der Gestalt und Oberfläche des Körpers. Die Grenzschicht, in der sich diese Vorgänge abspielen, wird durch die Art der Strömung entlang der Wandfläche bestimmt. Bei laminarer Strömung (parallel) findet der Wärmeübergang nur durch Wärmeleitung quer zur Strömungsrichtung statt. Bei turbulenter Strömung wird der Wärmeübergang durch Querbewegungen von Molekü-len begünstigt (größerer Wärmeübergang). Strahlung: Die Wärmeabstrahlung nimmt mit der Temperatur des Körpers zu. Drei Gesetzmäßigkeiten beeinflussen den Strahlungsfluss: Reflexion, Absorption und die Durchlässigkeit eines Stoffes. Setzt man die auftretende Strahlung gleich 1, so ergibt sich Absorptionsverhältnis (a) + Reflextionsverhältnis (r) + Durchlassverhältnis (d) = 1. Wenn a = 1 ist, spricht man von einem schwarzen Körper und wenn r=1 ist, von einem weißen Körper. Real feste und flüssige Substanzen geben nur einen Teil der Strahlung ab was als Emissionsverhalten ε bezeichnet wird.Ein Objekt reflektiert, transmittiert (lässt durch) und emittiert (strahlt ab) Energie. Objekte mit hohem Reflexionsanteil besitzen nur eine geringe Emission (z.B. polierte und glänzende Metalle), während Objekte mit hoher Emission (z.B. Papier, Kunststof-fe, Textilien und lackierte(!) Metalle) Strahlung nur in geringem Maße reflektieren. Der Wärmedurchgangskoeffizient K wird in W/m² K gemessen und bezeichnet die Wärmemenge, die pro Zeit-, Flächen- und Temperatureinheit ausgetauscht wird. Die Temperatur bezieht sich dabei auf den Temperaturunterschied zwischen Wärme- und Kälteträger.Die spezifische Wärmekapazität c wird in Wh/kg K angegeben und bezeichnet die Wärmemenge, die notwendig ist, um 1kg des Stoffes um 1K zu erwärmen.Man kann die üblich im Baugewerbe verwendeten Materialien in drei Stoffgruppen einteilen. Metalle, anorganische Feststoffe und organische Feststoffe. Metalle weisen, bis auf wenige Ausnahmen, die höchsten Dichten auf. Sie reichen z.B. von 19300 kg/m³ bei reinem Gold, über den anorganischen Feststoffen wie z.B. Granit mit 2750kg/m³ bis hin zu organischen Feststoffen wie z.B. 415kg/m³ von Fichtenholz. Bei der spezifischen Wärmekapazität sind die Zahlen umgekehrt. Bei der Wärmeleit-fähigkeit spielt neben der Dichte auch die molekulare Zusammensetzung eine Rolle.

ABB 3.17: b-Werte unterschiedlicher Feststoffe, zusammengestellt nach ver-schiedenen Quellen, u.a. Geiger (1961)


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3.3.5 Einfluss durch Sonnenwinkel und Lage im RaumDer Gewinn an Strahlungsenergie an den Oberflächen ist zum größten Teil abhängig vom Standort, der geografischen Breite und der Jahreszeit. Das bedeutet unterschied-liche Sonnenstände (Sonnenwinkel) und Intensitäten der Strahlung. Je nach Winkel zur Sonne ergeben sich an den Oberflächen zudem variable Umsätze an Energie. Mit der Exposition und Neigung kann die Strahlungsaufnahme und Speicherung ver-bessert oder verschlechtert werden. In Städten ist die Strahlungssituation auf Grund schräg geneigter Dächer, senkrechten Wänden und unterschiedlich engen und wei-ten Raumsituationen extrem verändert. Mit entsprechenden Messgeräten lassen sich aber die Werte und der Strahlungsgewinn bestimmen. Direkt an der Oberfläche wird die Strahlungsabsorption von den Materialeigenschaften und der Reflexion (Albedo) ganz erheblich beeinflusst. Mit dem Einfluss auf die Albedo, der Bestrahlungsfläche allgemein und dem variablen Einstrahlungswinkel lassen sich im städtischen Gefüge durch Planungshandlungen sehr unterschiedliche mikroklimatisch thermische Situa-tionen erzeugen. Die von der Temperatur der Oberfläche abhängige Strahlungsemissi-on hat nach Wahl der Materialien mit ihrer unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität immer einen unterschiedlichen Strahlungsumsatz (vergl. thermische Materialeigenschaften).

ABB 3.18: Strahlungsumsätze im Ver-hältnis zur Flächenexposition, sinnge-mäß nach Brown/Gillespie in „Microcli-matic Landscape Design“, 1995

Grundsätzlich lässt sich mit der Kenntnis der geografischen Lage der Einfluß der Son-neneinstrahlung auf die Raumsituation bestimmen. Die Länge der Schattenlinie ver-längert sich mit dem Ortswechsel von Süd nach Nord. Die Abbildungen rechts ver-deutlichen die unterschiedlichen Schattenlängen nach geografischer Lage von Nord nach Süd in Anhängigkeit von Barrierenhöhen (5, 10, 15 u. 20m). Der Vergleich zeigt die großen Unterschiede der Schattenlinien an den verschiedenen Standorten. Es kön-nen demnach Rückschlüsse auf die Bestrahlungszeiten gezogen werden. Für jeden Ort kann mit dieser einfachen zeichnerischen Technik die Schattenlinie in Bezug zu einem Hindernis definiert und verglichen werden. In den angeführten Bei-spielen sind jeweils die Sonnenstände vom Sommer und vom Frühjahr/Herbst in Bezug zu einem Hindernis von 5/10/15 und 20m gesetzt worden. Der Schattenbereich eines 20m großen Hindernisses ist mit 31,38m wesentlich größere als der zur gleichen Zeit bei beispielsweise in Mailand mit 20,29m. Das bedeutet auf eine Platzfläche bezogen eine kürzere Einstrahlungszeit und somit ein nachhaltiger Einfluss auf die thermische Situation des Platzes. Die Schattendifferenz bei einem 20m hohen Hindernisses be-trug in etwa 3m, bei Standortvergleich mit München statt Kassel wären es ca. 4.5m gewesen. Bezogen auf die Einstrahlung lassen sich Tendenzen und grob damit zusam-

Bei Metallen kommen z.B. zu der Dichte auch noch die frei umherwandernden Lei-tungselektronen hinzu. Aus den drei Werten lassen sich nun Temperaturleitfähigkeit a, Wärmeeindringko-effizient b und die Wärmespeicherzahl s errechnen. Der Wärmeeindringkoeffizient e ist die maßgebliche physikalische Größe bei Wärmeaustauschvorgängen zwischen zwei Körpern. Bei einem hohen b Wert erwärmt sich das Material langsamer kann die Wärme aber länger halten.

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ABB 3.19: Konstruierte Schattenlinien im Bezug zu Hindernissen von 5, 10, 15 und 20m, für Sonnenstandsmaximum am 21.06. und zum Herbst (23.09.) und Frühling (20.03.) am Standort Göte-borg, 57°N, 11°O

ABB 3.20: Konstruierte Schattenlinien im Bezug zu Hindernissen von 5, 10, 15 und 20m, für Sonnenstandsmaximum am 21.06. und zum Herbst (23.09.) und Frühling (20.03.) am Standort Ham-burg, 53°N, 9°O

ABB 2.21: Konstruierte Schattenlinien im Bezug zu Hindernissen von 5, 10, 15 und 20m, für Sonnenstandsmaximum am 21.06. und zum Herbst (23.09.) und Frühling (20.03.) am Standort Kassel, 51°N, 9°O

ABB 3.22: Konstruierte Schattenlinien im Bezug zu Hindernissen von 5, 10, 15 und 20m, für Sonnenstandsmaximum am 21.06. und zum Herbst (23.09.) und Frühling (20.03.) am Standort Mailand 45°N,9°O


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ABB 3.23: Screenshot aus GoogleEarth-Pro – Ort: Kopenhagen Radhuspladsen

ABB 3.24: Screenshot aus SketchUpPro: Kopenhagen Radhuspladsen, integrier-tes Kartenwerk aus GoogleEarthPro, nachgebaute Gebäudeumgebung, Son-nenstand für den 08.11. um 13.30Uhr

ABB 3.25: Screenshot aus SketchUp-Pro: Kopenhagen Radhuspladsen, Son-nenstandssimulation für den 08.11. um 13.30 Uhr, Voreingestellte geographi-sche Lage

menhängende Temperaturdifferenzen ablesen. Es ist ein einfacher und relativ simpler Vergleich ohne Anspruch auf konkrete Festlegung. Jedoch lassen sich bei ähnlichen Windverhältnissen zumindest grobe planerische Aussagen bezüglich der Sonnen- und Strahlungsverhältnisse in kurzer Bearbeitungszeit gewinnen.

Computerprogramme können mittlerweile den Orts- und Planungsbezug sowie die Vorstellung des Planers der eigentlichen Raumsituation stark verbessern. Mit einfa-chen Handgriffen lassen sich 3-D Situationen für Plätze, Gärten oder Straßen abbil-den. Mit Programmen wie z.B. SketchupPro und GoogleEarthPro stehen Programme zur Verfügung, mit denen sich auch Licht- und Strahlungsverhältnisse einfach abbil-den lassen. Für jeden Ort der Wahl können Sonnenstandsdiagramme bei Kenntnis der Gebäude- und Baumhöhen einfach produziert werden. Ein verbessertes Verständnis für die Licht- und Strahlungsverhältnisse ist zu erwarten. Mit dem Programm GoogleEarth steht den Planern ein Freeware-Programm mit ei-nem kompletten Kartenwerk (Luftbilder) der ganzen Erde zur Verfügung. Viele Re-gionen der Erde (städtische Verdichtungsräume o.ä.) sind mit ungewöhnlich hohen Auflösungen bereits für städtische Planungszwecke sinnvoll zu nutzen. Viele Karten-ausschnitte sind durch 3-D Modelle auch für den 3-D Blick erweitert. Ähnlich wie Wikipedia ist GoogleEarth eine freie Plattform mit der Möglichkeit der freien Einpfle-

gung von Datensätzen. Das Pro-gramm SketchUpPro bietet die Möglichkeit einfache 3-D Ab-bildungen in kurzer Zeit zu fer-tigen. Es können Sonnenstände von jedem Punkt der Erde per Eingabe simuliert werden. Mit einer besonderen Schnittstelle zu Google bietet sich zum einen die Möglichkeit freie Materialbi-bliotheken von Google zu nutzen

und zum anderen einen direkten Import von GoogleEarth Kartenausschnitten zu ver-wenden. Jeder abgebildete und geöffnete Kartenausschnitt aus Google Earth wird direkt mit korrekten geografischen Daten importiert.

Zusätzlich bietet sich die Mög-lichkeit aus dem SketchUpPro eine Rückführung in Google EarthPro (PlaceModel) zu täti-gen. Ergänzte 3-D Raumsitua-tionen können so im Kontext der Umgebung betrachtet werden. Die Abbildung zeigt den König-platz Kassel mit in SketchUpPro skizzierten Raumkanten (Dau-er der Prozedur insgesamt ca. 2 min.). Beide Programme sind mit wenig Aufwand in einem Tag zu lernen und aus diesem Grund sehr anwenderfreundlich. Einfache 3-D Darstellungen zur Betrachtung der Raumsituatio-nen im Kontext der Umgebung und im Kontext der Jahreszeiten und geografischer Lage können

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die Beurteilung der thermischen Situation im Raum erheblich verbessern. Mittels der definierten Verortung aus Google Earth sind die Sonnenstandsdiagramme auch im Sketch Up ohne zusätzliche Eingaben problemlos zu erstellen. Der Strahlungseinfluss ist einfach abzuschätzen und im Vorfeld mehrere Varianten gegeneinander abzuwä-gen. Die Rückführung in Google Earth bietet die positive Möglichkeit einer Kontext-betrachtung.

Einfluss durch VegetationIn der Regel wird wie erwähnt am Tage Wärme an die angrenzenden Bodenschichten abgegeben. In der Nacht dagegen werden durch die langwelligen Strahlungsverlu-ste den Oberflächen wiederum Wärme durch angrenzenden Luftschichten entzogen. Dieser in beide Richtungen verlaufende Vorgang bezeichnet man als Strom fühlba-rer Wärme. Unterstützt wird dabei der Austausch durch die Bewegungen der Luft. Der Strom fühlbarer Wärme wird durch Vegetation (Baumüberstand) und Bebauung teilweise erheblich verlangsamt. Eine Art „künstliche“ Glocke verhindert dabei die schnelle Auskühlung und wirkt als Isolierung. Den energetischen Austauschprozessen in der UCL unterliegt auch der Strom latenter Wärme (in Wasserform geführte Aus-tauschprozesse).Durch Verdunstung und Transpiration über die Pflanzen werden Oberflächen und an-grenzende Bodenschichten Energie entzogen und den angrenzenden Luftschichten in Form latenter Energie zur Verfügung gestellt. Erst die Kondensation stellt in anderen Räumen die Energie wieder zur Verfügung. Ein Niederschlag ist also immer auch ein Energiezugewinn für die unmittelbare Raumeinheit. Im umgekehrten Fall wird über Verdunstung ein großer Teil der Wärme abtransportiert – Vegetation verbessert dabei mit ihrer zusätzlichen pflanzlichen Transpiration einen Wärmeabtransport. Bei fehlender Vegetation und fehlenden Wasserreserven im Boden zur Verdunstung kommt es in Städten oft zu Wärmestau. Man verhindert somit eine natürliche Wär-meregulierung und eine natürliche Luftfeuchte.

Einfluss durch TopografieDie Geländegestaltung und die Topografie können sowohl tagsüber als auch nachts einen unterschiedlichen Einfluß auf das Mikroklima haben. Das bedeutet Hangnei-gung oder Himmelsrichtung haben nach Tages- und Jahreszeit unterschiedliche Aus-wirkungen auf die örtlichen Mikroklimate. Mit der Topografie bekommen die bodennahen Luftschichten eine neue Dimension des Einflusses: Mit Höhen und Tiefen sind die Vorgänge in der bodennahen Luft-

3.3.6

3.3.7

ABB 3.26: Hang- und Talwinde im Tagesverlauf, verändert, Geiger, 1961:428

schicht nicht mehr auf wenige Meter vom Boden beschränkt. Kalte Luft: Kalte Luft hat die Eigenschaft schwerer als warme Luft zu sein. Kalte Luft versucht sich also immer unter die war-me Luft zu schieben und es kommt zu Strömungen. Mit der Bildung der Kalt-luft in Bodennähe über nacht bleiben die Schich-ten dagegen relativ stabil. Bestehen hingegen unter-schiedliche Boden- oder


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Höhenverhältnisse kommt es zu Ausgleichsströmungen (Kaltluftströmungen an Hän-gen etc.). Die Luft verhält sich in diesem Zusammenhang ähnlich wie Wasser. An tie-fen Punkten wie zum Beispiel Tälern kann es zu regelrechten Kaltluftseen kommen. Dieses Problem ergibt sich primär in stark bewegten Geländeabschnitten. Das bedeu-tet bei ungünstigen Verhältnissen auch Kaltluftprobleme in den Sommermonaten. Je nach Vertiefungsart kommen grundsätzlich unterschiedliche Kaltlufteinflüsse zum Tragen: Handelt es sich um nur kleine aber tiefe Mulden, kann die Bodenwärme den eigentlichen Kaltlufttemperatureffekt verringern. Dabei kann die Art der Oberfläche sehr entscheidend sein. Vegetation kann unter ungünstigen Verhältnissen zusätzlich die Bedingungen verschlechtern (der Kaltluftabfluss kann behindert oder aufgehal-ten werden). Gleichzeitig kann aber auch eine Vegetation Bereiche vor Kaltluftein-flüssen schützen. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturentwicklungen durch Strahlungsumsätze am Boden entstehen auch zeitlich Windbewegungen. An einem strahlungsintensiven Sommertag sind in Tälern oft Aufwinde an den Talwänden zu finden (warme Luft steigt auf). Mit der Temperaturentwicklung am Tage kommt es je nach örtlichen Gegebenheiten zu Kaltluftnachflüssen aus den umgebenden Gebieten. Zum Abend entwickelt sich mit dem Rückgang der Strahlungsumsätze eine Umkehr der Strömungsverhältnisse: Mit dem Erkalten der Flächen in der Talregion kommt es zum Einsetzen der Hangabwinde. Über Nacht erlöschen die Hangabwinde und es stellt sich wie oben beschrieben eine Stabilität der Luftschichten ein. In städtischen Räumen haben Vegetationsflächen eine entscheidende Funktion als Kaltluftprodu-zenten. Über Grünflächen kühlt die Luft stärker als über den befestigten Flächen aus und sorgt so für ein Druckgefälle. Dieses Druckgefälle sorgt für Luftbewegungen und

ABB 3.27: Verschiedene Umsatzgrö-ßen nach Exposition, Tages- und Jah-reszeit in cal/cm², verändert, Geiger, 1961:392)

„Frischluftnachschub“. Warme Luft: Durch Topografie erge-ben sich zwangsläufig andere Expositionen der Flächen. Das bedeutet unterschiedliche Um-satzgrößen an solarer Strahlung. Verschieden geneigte Hänge verursachen Ausgleichsströmun-gen (Druckausgleich) und prägen nachhaltig die unterschiedlichen Mikroklimate. Die unterschiedlichen Neigungs-winkel kennzeichnen mit Gefälle und Orientierung zur Sonne je nach Jahreszeit ein bestimmtes Klima. Im Vergleich zur ebenen

Fläche haben west-, ost-, nord oder südexponierte Flächen und Hänge verschiede-ne Auswirkungen auf Vegetation, Mensch oder Tier. Eine nach Süden geneigte Flä-che im nordeuropäischen Raum kann auch Frühjahr, Herbst und Winter ungewohnt hohe Umsätze an Strahlung an der Oberfläche erzeugen. Für Planer sind diese Ge-setzmäßigkeiten gerade für die Übergangsjahreszeiten in kälteren Regionen von au-ßerordentlichem Interesse. Im Weinbau nutzt man schon lange diese physikalischen Kenntnisse und Unterschiede, um bessere Erträge zu erzielen. Die direkte Strahlung wird nach Geiger (1961:388) durch 5 Faktoren beeinflusst: geografische Breite, Jah-reszeit, Sonnenhöhe und Tageszeit, die Hangneigung und die Hangrichtung. Nach Be-stimmung des Ortes ist neben den anderen Faktoren die Nettowirkungszeit (jährliche Sonnenscheindauer) entscheidend. Die Wirkung im Gelände auf die unterschiedlichen Hangneigungen finden wir wiederum bei Geiger (1961:393)(vergl. Abbildung oben).

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ABB 3.28: Windschutzprinzip, verän-dert, nach Design Principles for Farm Forestry, Rural Industries Research and Development Corporation (RIRDC), 1997

Anströmwinkel

Hindernis

Durchlässigkeit und Hindernis

Down-Wash -Effekt

Eckeneffekt

Kummulativeffekt

Trichter- oder Düseneffekt

Wirbeleffekt

Podesteffekt

Einfluss durch Windeffekte Bei einer Umströmung eines Hindernisses kommt es je nach Gegebenheit zu unter-schiedlichen Effekten. Als Luvseite wird die dem Wind zugekehrte Seite bezeichnet, als Lee wird die dem Wind abgewandte Seite. Es kommt zu unterschiedlichen Luft-druckverhältnissen: Wenn die Windgeschwindigkeit hoch ist kommt es dabei auch zu starken Luftdruckunterschieden. Die Entfernung vom Windschutz wird in Einheiten der Windschutzhöhe (H) angegeben. Je nach Struktur lassen sich Erfahrungswerte und Empfehlungen zu dem Downwind minimierten Raum (Windschutzbereich) nach dem Objekt benennen. Bei Aufstellung einer Windbarriere ergeben sich in der Regel 4 Effekte. Erstens: Es entsteht eine Schutzzone vor dem Objekt. Zweitens: Am Objekt selber kommt es oben zur Beschleunigung der Windgeschwindigkeit. Drittens: Hinter dem Objekt entsteht eine Windschutzzone (die Länge ist abhängig von der Höhe des Objektes, seiner Durchlässigkeit und der Anströmrichtung) und viertens: In größere Distanz zum Windschutz kann es zu Turbulenzen kommen

3.3.8

Dazu ist der Schutzbereich nach dem Objekt von der Durchlässigkeit einer Barrie-re abhängig. Bei geringer Durchlässigkeit entsteht eine intensivere Abbremsung der Windgeschwindigkeit (verbunden mit einem stärkeren Gefälle zwischen den Berei-chen). Bei 0-20% Durchlässigkeit kann es am und kurz hinter dem Objekt zu Turbu-lenzen kommen. Der letzte entscheidende Punkt ist der Anströmwinkel. Umso mehr der Windschutz zum rechten Winkel der Hauptwindrichtung steht umso größer ist der beruhigte Bereich danach. Ist der Anströmwinkel relativ groß, kann die Durchlässig-keit erhöht werden.

In städtischen Räumen sind auf Grund der Baumassen und der Dimensionen eine Vielzahl an immer wiederkehrenden Effekten zu finden. Man spricht von Downwash-Effekten bei höheren Gebäuden den damit verbundenen Abwinden bedingt durch die Höhe der Gebäude. Steht das Gebäude auf einem Sockelgeschoss finden sich gerade auf dem Sockelgeschoss die Downwash-Effekte verstärkt. Durch die Höhe und Masse der Gebäude oder Hindernisse werden dazu Ecken-Effekte deutlicher. Die Geschwin-digkeit steigt zum Rand der Hindernisse. Bei größeren Einheiten kann es dahinter zu Wirbeleffekten kommen. Bei einer kumulativen (in der Höhe ansteigend) Struktur von Hindernissen und Gebäu-den kommt es ebenfalls zu einem kumulativen Effekt der Windgeschwindigkeit. Bei pyramidalen Strukturen wird der gleiche ansteigende Effekt als Pyramiden-Effekt in der Fachliteratur benannt. Eine bestimmte Gebäudestellung bzw. bestimmte Stellung von Hindernissen können Windgeschwindigkeiten verstärken. Bei trichterförmigen und langen kanalartigen Strukturen kommen Kanal- und Trichtereffekte zum ragen. Eingegrenzte Raumeinheiten wie Höfe und Plätze verringern in Schutzbereichen die Windgeschwindigkeiten, verstärken sie aber in Durchlässen. Regeln und Erkenntnisse können die aufgezeigten Effekte minimieren. Grundsätzlich kann durch Streuung, kleinere Hindernisse oder mittels Durchlässigkeit ein Teil der Effekte verhindert bzw. vermindert werden.


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Aufgabenfeld „Landschaftsarchitektur“ Mit den physikalischen Gesetzmäßigkeiten und den damit verbundenen thermischen Auswirkungen bieten sich für die Freiraumplanung aufgrund der Abhängigkeiten von Boden, Oberfläche und umgebenden Elementen Möglichkeiten des Eingriffes. Je nach örtlichen Gegebenheiten können planerische Entscheidungen in Zusammenhang mit Architekten aber auch in bestehenden mikroklimatischen Freiraumeinheiten ohne Ar-chitekten einen mehr oder weniger starken Einfluss auf das Behaglichkeitsempfinden des Nutzers haben. Es bleiben immer regionale oder überregionale klimatische Bedin-gungen bestimmend. Jedoch können thermische Extreme in Grenzen verändert und verringert werden.

Material und OberflächeDurch unterschiedliche Reflexionseigenschaften (Albedo) auf seitlichen und horizon-talen Oberflächen (Boden, Wände) kann sich auch eine unterschiedliche Wärmeent-wicklung auf der Oberfläche und im umgebenden Einfluss ergeben. Je nach Reflexi-onseigenschaften erfolgt eine starke oder schwache Rückstrahlung und dementspre-chend steht mehr oder weniger Strahlungsenergie für die Umwandlung in Wärme zur Verfügung. Im weiteren spielt die Eigenschaft und Zusammensetzung der Oberfläche hinsichtlich Wärmespeicherung und Wärmekapazität eine große Rolle. Eingehende Strahlungsenergie und der Umsatz in Wärme an der Oberfläche kann nachhaltig die Temperaturentwicklung eines Ortes im Tagesgang prägen.

Wasser und FeuchteDa Wasser in der Stadt oft nicht wieder natürlich dem Boden zugeführt, sondern ab-geführt wird, können abpuffernde Bodenwärmeströme weniger als im Umland wirken. Die Temperaturamplituden an den Oberflächen erhöhen sich somit ohne funktionie-rende Speichermasse. Befestigte Flächen sind aus statischen Gründen auf mehr oder weniger drainierte Substrate gesetzt und haben im Vergleich zu Grünflächen einen weniger intensiven Bodenwärmestrom zu verzeichnen. Die Tagestemperaturamplitu-den sind aufgrund dessen weniger abgepuffert. Dementsprechend können Entschei-dungen der Landschaftsarchitekten zur Oberfläche und zur Struktur der Oberfläche durchaus bestimmte thermische Effekte in mikroklimatischen Freiraumeinheiten er-zielen. Ein mehr oder minder funktionierender Wasserhaushalt zeigt gerade in kleine-ren Freiraumeinheiten klimatische Auswirkungen.

Vegetation Durch den Einsatz von Vegetationsstrukturen ist ebenfalls eine Steuerung von Feuch-te wie auch Strahlung möglich. Die Bedeckung mit Pflanzen ist nicht nur räumlich, sondern auch von den Eigenschaften her als Übergangszone zu bezeichnen. Pflanzen puffern, schirmen Strahlung ab, isolieren als Zwischenschicht, verdunsten Wasser und stehen im ständigen Wärmeaustausch mit umgebenden Luftschichten. Nach Geiger (1961) stellen Pflanzenorgane ein aktives physikalisches System dar: Sie können re-gelnd in den Klimakreislauf eingreifen. Pflanzen üben so eine Rückwirkung auf das Mikroklima des Standortes aus. Durch Vegetation oder filternde Elemente wie Glas o.ä. lässt sich die Transmission steuern. Bäume filtern durch ihre Blätter einen Groß-teil der Strahlung. Jede Gehölzart hat unterschiedliche Transmissionseigenschaften und kann dementsprechend klassifiziert werden. (vergleiche Appendix: Strahlungs-durchlässigkeit verschiedener Gehölze). Der Landschaftsarchitektur bietet sich somit die Möglichkeit durch Bepflanzung und geeignete Auswahl der Gehölze je nach In-tensität bestimmte Einstrahlungsmaxima zu verhindern.

Ort, Topografie und ExpositionZudem stellt sich aus der Perspektive des Städtebaus die Frage nach Verortung, Topo-

3.3.9

Reflexionsei-genschaften und Albedo-

werte

Strahlungs-durchlässigkeit von Vegetation

Verdunstung-leistung von

Vegetation

Pufferwirkung durch Aggre-gatszustände des Wassers

Wärmespei-cherkapazität

-61-

Exposition und Sonnenwinkel

grafie und Sonnenhöhe und Winkel zur Sonne der primären Volumenflächen. Je nach geografischer Lage und Jahreszeit ist der Sonnenwinkel unterschiedlich und somit auch der Umsatz der Sonnenstrahlung variabel. Eine gezielte Ausrichtung der Flächen zum Sonnenwinkel und zur Sonnenrichtung kann große Unterschiede in thermischer Hinsicht bewirken. Topografische Gegebenheiten sind nur bedingt realistisch im Be-stand beeinflussbar. Wohl aber die planerischen Entscheidungen zur Verortung in der Topografie. In allen Jahreszeiten hat der Südhang die größten Umsatzgrößen in der Mittagszeit. Das unterscheidet Südhänge von z. B. Osthängen. Eine mittlere Expositi-on im Winkel ist im Sommer und im Frühjahr die optimale Ausrichtung. Im Winter ist ein steilerer Winkel von Vorteil. Bei nordexponierten Flächen ist im Sommerhalbjahr der Sonnenaufgang für alle Neigungen derselbe. Mit zunehmendem Winkel ist auch der Umsatz zunehmend begrenzt und bei sehr steilen Winkeln scheint nur morgens und abends die Sonne. Ostexponierte Flächen unterscheiden sich von nord- oder sü-dexponierten Flächen durch variable Bestrahlungsstärken mit Jahres- und Tageszeit. Die Intensitäten nach Hangneigung verschieben sich mit den Jahreszeiten. Im Ver-gleich mit einer horizontalen Fläche sind alle himmelsgerichteten exponierte Flächen im Jahresmittel unterlegen. Nur die südexponierten Flächen können z. B. bei einem Winkel von 45° in den Herbst- und Wintermonaten höhere Umsätze erzielen.

Dimensionen Die Dimensionen am Ort mit Höhen- und Breitenrelationen beeinflussen die jeweili-gen Auswirkungen der eingehende kurzwellige Zustrahlung und der langwellige Aus-strahlungen. U.a. lassen sich Dichte und Lichteinfall durch den Sky-View-Faktor be-stimmen und liefern Anhaltswerte für eventuelle Ein- und Ausstrahlungspotentiale. Ein gezielter Planungsumgang mit diesen Gesetzmäßigkeiten kann je nach zur Verfü-gung stehenden Umsatzgrößen ein thermisches Defizit ausgleichen. Neben Entschei-dungen zur Ausrichtung und zur Exposition lassen sich durch geeignete Wahl der Oberflächenmaterialien gewünschte Defizite anhand der thermischen Eigenschaften verändern und manipulieren.

Öffnungswinkel zum Himmel: Sky View Faktor

Dimensions-verhältnisse

WindbewegungenJe nach geografischer Lage und örtlichen Windverhältnissen können die Einflüsse durch Windbewegungen sehr vielschichtig und variabel sein. Insofern können keine generelle Aussagen für gleiche Planungsaufgaben getroffen werden. Diesbezüglich ist immer eine örtliche Analyse im Zusammenhang mit den Windstatistiken hilfreich. Welche Windgeschwindigkeiten können evaluiert und festgestellt werden? Gibt es Besonderheiten bestimmter zeit- und richtungsgebundener Windeinflüsse? Diese pri-mär regionalen und überregionalen Windverhältnisse haben je nach Baustruktur ei-nen mehr oder weniger starken Einfluss auf die kleinskaligen Freiraumeinheiten. Des Weiteren geben bauliche Umgebungsverhältnisse Aufschluss über die Intensität der Windgegebenheiten. Im kleinen wie auch großräumigen Zusammenhang können bestimmte Effekte Windgeschwindigkeiten verstärken und reduzieren. Es kommt zu stärkeren Turbulenzen und Abschwächung der Geschwindigkeiten. Diese Windge-schwindigkeiten stehen im direkten Zusammenhang einer „gefühlten“ Behaglichkeit im Wahrnehmungsraum des Nutzers. Durch Windeinflüsse können demnach die Be-haglichkeitstemperaturen mehr oder weniger stark beeinträchtigt werden. Die jewei-lige Beurteilung der Komfortbedingungen kann zusätzlich auch durch das Nutzerver-halten mit Anpassungs- oder Akklimatisationseigenschaften unterschiedlich sein. Für den Bereich der Landschafts- und Freiraumplanung ist immer zunächst die über-geordnete Bewertung der Windverhältnisse im Zusammenhang von zeit- und rich-tungs-gebundenen Intensitäten ein wichtiger Schritt. Weiterhin sind in den jeweiligen Freiraumeinheiten oder Klimatopen besondere Verhältnisse oder Effekte abzuwägen. Bei Neuplanungen aber auch bei Planungen im Bestand kommt es erheblich auf die

Windgeschwin-digkeiten und Windrichtungen

Windverhalten an Hindernissen


-62-

In RUROS (vergl. RUROS 2004) sind zu verschiedenen Platzeinheiten und Größen nach den genannten Grundkriterien Erkenntnisse zum Umgang mit Wind in städtischen Räumen wie folgt zusammengefasst. *

umso größer der Platz umso höher die Windgeschwindigkeit •Umso größer der Platz umso turbulenter•Je höher die Randbebauung in Relation zu den Nachbargebäuden umso höher •die Windgeschwindigkeiten und Turbulenzen auf dem PlatzUmso höher der Einlasswinkel (Abweichung von der Hauptorientierung des •Platzes) umso mehr TurbulenzenÖffnungen in den Ecken der Plätze erzeugen mehr Turbulenzen als Öffnungen •in den PlatzmittenUmso größer die Öffnungen umso mehr Turbulenzen•

Daraus ergeben sich bestimmte Design Empfehlungen:wenn Gebäude im unmittelbaren Umfeld wesentlich höher sind als der Durch-•schnitt, sind Turbulenzen zu erwartenUmso höher die Gebäude umso höher die Windgeschwindigkeiten•Bei zu erwartenden erhöhten Windgeschwindigkeiten von hohen Gebäuden •sind Windbrechungen durch z.B. eine Veranda sinnvollWindzug an den Ecken können durch einfache Windbarrieren für den Nutzer •minimiert werdenNeben hohen Gebäuden verursachen lange lineare Räume Winddüseneffekte •(ab 100-125m)Plätze in einer offenen Verbindung mit langen linearen Strassen sind zu ver-•meidenEin Venturi-Effekt tritt bei Verengung der Raumführung und einer Länge von •mehr als 100m aufBei nicht zu vermeidenden linearen Räumen sind Windbarrieren und Wind-•bremsungen durch konstruktive Einbauten oder vegetative Maßnahmen zu empfehlenKeine gerade Linienführung bei langen linearen Räumen•Passagen unter oder neben Gebäuden entwickeln bei überproportionalen Hö-•hen der Gebäude sehr unangenehme Windgeschwindigkeiten

Die Einströmung (Mesh-Effekt) in den gefühlten Bereich sollte grundsätzlich vermie-den werden – das bedeutet ein bestimmtes Verhältnis von Öffnung und Höhe (der Gebäude) einhalten:

A(Platz) / H (Gebäude) ² = K (K sollte nicht größer als 6 sein)•nicht mehr als 25% der jeweiligen Länge an Öffnungen•W(Platz) / H (Gebäude) = 1-4 (enger bis mittlerer Raum) = optimale Länge •der Fläche 4-5x der GebäudehöheW(Platz) / H (Gebäude) = 8 (weiter Raum) = optimale Länge der Fläche 6-8x •der Gebäudehöhe

* RUROS (2004) S9ff. / Grundkriterien : Kleine Plätze = Platzgröße 1600m² (40x40m) und 3600m² (60x60m)Windgeschwindigkeiten in 10m = 2.5 m/s und 5 m/sHöhe der Gebäude= 9m, 18m, 27mWindrichtungen = 0°,15°, 30°, 45°

Kenntnisse physikalischer Strömungsgesetzmäßigkeiten an. Zu starke Beeinträchti-gungen können vermieden oder verbessert werden. Die Landschaftsarchitektur kann diesbezüglich durch einen gezielten Umgang mit vegetativen oder konstruktiven Ele-menten zur Verbesserung der jeweiligen Raumsituationen beitragen.

-63-

3.4

3.4.1

Thermische Behaglichkeit – wie funktioniert der Mensch?Leben bedeutet Stoffwechsel und somit auch eine ständige in Grenzen stattfindende Wärmeproduktion. Eine thermische Behaglichkeit besteht bei optimaler Wärmebilanz von Körper und Umgebung. Physikalisch gesehen reicht dazu nicht nur eine Abstim-mung und Anpassung an die vorherrschende Lufttemperatur aus. Der Mensch steht in einem vielfältigen Bezug zu seiner Umwelt (vgl. Abbildung) und wird nachhaltig nicht nur von direkten Strahlungsflüssen sondern vielmehr von indirekten Strahlungsflüssen beeinflusst. Boden und bauliche Massen haben im städtischen Raum einen erheblichen Einfluss auf die Wärmebilanz des Menschen. Es können zu große Kälte- wie auch Wär-medifferenzen der umgebenden Massen zur Lufttemperatur Unbehagen auslösen (vgl. Temperatur der Umschließungsflächen).

Thermische Behaglichkeit - Grundlagen

Kurzzusammenfassung: In dem folgenden Kapitel wird der der thermische Wirkungskomplex und der Energieaustausch des Menschen mit seiner Umgebung beschrieben. Welche Faktoren beeinflussen wie das thermische Empfinden des Menschen? Welche Faktoren sind maßgebend? Demnach sind die physikalischen Einflussfaktoren wie Strahlung, Wind, Feuchte und Lufttemperatur die bestimmenden Parameter. Neben den physikalischen Faktoren können daneben intermediäre und physiologische Einflüsse zum Tragen kommen. Abhängig vom Alter, Bekleidung, Tätigkeit, Anpassungsfähigkeit und anderen Unterschieden kann das Temperaturempfinden individuell verschieden sein.

ABB 3.29: Klimamichel: Der Wärme-austausch des Menschen mit seiner Umgebung, sinngemäß nach VDI 3787, Blatt 10

Der thermische WirkungskomplexDer Energieaustausch des menschlichen Körpers mit seiner Außenumgebung erfolgt über Strahlung sowie über den Fluss von fühlbarer und latenter Wärme (vergl. Koppe, 2005:3.1.1). Dabei sind vier elementare physikalische äußere Einflüsse in diesem Zusam-menhang von Bedeutung: Die Lufttemperatur, die mittlere Strahlungstemperatur, die Luftfeuchte und die Windgeschwindigkeit.

Wärmebilanzierung: Das Konstanthalten der Körpertemperatur ist ein dynamisches Gleichgewicht und lässt sich in einer Wärmebilanz nach VDI wie folgt beschreiben:

M+W+Q*+Qh+Ql+Qsw+Qre= 0M: Gesamtenergieumsatz (Metabolische Rate) in (W)W: mechanische Leistung (W)M-W: innere Wärme: überschüssige Energie, welche als Wärme freigesetzt wird abhängig von der Aktivität einer PersonQ*: Strahlungsbilanz (W)Qh: turbulenter Fluss fühlbarer Wärme (W)Ql: Fluss latenter Wärme durch Wasserdampfdiffusion (W)Qsw: turbulenter Fluss latenter Wärme durch die Verdunstung von Schweiß (W)Qre: Wärmetransport über die Atmung

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Nachhaltig sind in Au-ßenbereichen die Tem-peraturbedingungen von vorherrschenden Wind- und Feuchteverhältnissen abhängig. Mit steigenden Wind- oder Feuchtever-hältnissen bei gleichzeitig abnehmender Temperatur erhöht sich der Abtrans-port der Wärmeflüsse (vgl. Abbildung). Bei Zunahme

ABB 3.30: Einfluß von Kälte und Um-gebungstemperatur, verändert, aus Bruder 2006:14

3.4.2 Wärme- und Kälteregulierung Der Mensch ist trotz eingeschränkter Temperaturanpassungsfähigkeit über viele Klima-zonen verbreitet. Akklimation, Adaption sowie angepasste Kleidung sind in diesem Zu-sammenhang nennenswert. Wesentlich für den Menschen ist ein ausgeglichener Wär-mehaushalt. Dies ist ein Zustand, der ausgeglichenen Bilanz von Wärmebildung und Wärmeabgabe. Wärmebildung geschieht im menschlichen Körper durch Stoffwechsel und Muskeltätigkeit. Die Wärmeabgabe erfolgt durch Verdunstung, Leitung (bei direk-tem Kontakt zur Materie), Konvektion (Wärmeabgabe an vorbei streichende Luft) und auch durch Strahlung (Infrarot bzw. Wärmestrahlung). Um das Gleichgewicht der Le-bensfunktionen (Homöostase) zu gewährleisten, muß sich der menschliche Organismus deshalb permanent mit seinem eigenen Wärmehaushalt, der Energieaufnahme und der Energieabgabe in Form von Wärme, auseinandersetzen. Die den Körper umgebende Haut

funktioniert dabei als Su-persensor. Sie stellt die Schranke zwischen dem Äußeren und dem Inneren dar. Im Kern des Körpers befinden sich die lebens-wichtigen Organe – sie benötigen eine mehr oder minder konstante Kern-temperatur von 37° C. In warmer Umgebung steigt auch in großen Be-reichen der Körperschale die Temperatur auf die des Kerns an (nach Aschoff u.

Wever 1958 in Bruder 2006:6). Bei äußeren Temperaturänderungen kann der mensch-liche Körper durch Stoffwechselveränderungen und andere medizinische Vorgänge den Wärmehaushalt aktiv steuern. Die Haut übernimmt dabei als umgebende Matrix eine Schlüsselfunktion. Bei Abweichungen vom optimalen Nullniveau (Thermische Behaglichkeit = 0) wird zu-nächst die Temperaturanpassung vorwiegend vasomotorisch (Regelung über die Durch-blutung) geregelt (vgl. Jendritzky 1990:2.2.1). Zusätzlich zu der vasomotorischen Steue-

ABB 3.31: Anpassung an die Umge-bungstemperatur, Kern – und Schalen-temperatur des menschlichen Körpers in kalter (20°C) und in warmer Umge-bung (35°C)., sinngemäß nach Bruder 2006:6

der Kälteeinflüsse verringert sich auch die Körperkerntemperatur. Ab 35° der Kerntem-peratur kommt es zu Kältezittern und zur Verlangsamung geistigen Fähigkeit. Mit weiter zunehmender Verringerung der Kerntemperatur sind eine starke Reduktion geistiger Ak-tivität, ein Verlust der eigenen Handlungsfähigkeit und eine Reduktion des Erinnerungs-vermögens festzustellen.

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rung wird bei Anstieg eines Kälteempfindens eine chemische Wärmebildung über die Steigerung des Muskeltonus, Kältezittern oder über zitterfreie Thermogenese erreicht (vgl. ebd.). Im Wesentlichen erfolgt dabei der Wärmeverlust bei geringer körperlicher Aktivität oder bei Ruhe über die Strahlung (bei Windstille) und weniger über den Fluss latenter Wärme. Unter eher warmen Bedingungen erhöht sich die Durchblutung in den äußeren Haut-schichten und damit steigt auch die Temperatur der Haut an. Die Abstrahlung an die Umgebung wird somit erhöht. Ein bekannter Effekt der Kühlung tritt durch Schwitzen auf der Haut ein. Schweißdrüsen produzieren Schweiß, der Schweiß verdunstet auf der Haut und erzeugt durch den veränderten Aggregatszustand von flüssig zu gasförmig „Kälte“. Die prozentuale Aufteilung der Wärmeabgabe au die einzelnen Mechanismen hängt vom Gesamtenergieumsatz ab. Die Summanden der Wärmeabgabe des Menschen betragen bei Behaglichkeit z.B. bei 75 W/m²: 15% insensible Transpiration (Feuchtediffusion mit Hauttrocknung), 11% Schweißverdunstung, 11% über die Atmung und 63% über trok-kene Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung (vgl. Glück, 1999:8).Die Wärmeabgabe über Leitung ist in der Regel sehr gering und nur im Bereich der Füße erwähnenswert. Die leitungsbedingte Abgabe der Wärme ist dabei nachhaltig von dem Isolationsfaktor der Kleidung wie auch der Leitungsfähigkeit des Kontaktmaterials abhängig. Im Behaglichkeitsbereich überwiegt die Wärmeabgabe über Strahlung. Die thermische Behaglichkeit wird vom Menschen nicht bewusst wahrgenommen, sie ist der Optimal- bzw. der Normalzustand. Wahrgenommen werden vielmehr nur die Abwei-chungen: zu hohe oder zu niedrige Temperaturen, Wärme und Kälte. Aus diesem Grund definiert man die thermische Behaglichkeit auch als thermische „Neutralität“ zwischen warm und kalt.

Bewertungsindizes der thermischen BehaglichkeitVerschiedene Faktoren beeinflussen wie o.g. das Temperaturempfinden des Menschen. Geschichtlich betrachtet gab es verschiedene Ansätze, die thermischen Behaglichkeits-verhältnisse zu berechnen. Der Begriff „Gefühlte Temperatur“ geht auf eine Definition von Linke (1932) zurück. „Effektive Temperatur“ nach Missenard (1933) und der Wind-chill-Index nach Siple und Passel (1945). Um alle relevanten Wärmeflüsse zu berücksich-tigen wurden in den letzen 30 Jahren vollständigere Wärmebilanzmodelle entwickelt. Diese komplexen Wärmebilanzmodelle berücksichtigen im Gegensatz zu den einfachen Modellen (Windchill, Heat Index, Apparent Temperature –vergl. Koppe 2005:40) alle zur thermophysiologisch relevanten Beschreibung nötigen meteorologischen und physiolo-gischen Parameter.Auf eine Energiebilanzgleichung des Menschen geht die Behaglichkeitsgleichung von Fanger (1972) für Innenräume zurück. Der Freiburger Wissenschaftler Jendritzky hat 1992 diese Gleichung mit Ansätzen zur Berechnung der kurz- und langwelligen Strah-lungsflüsse gekoppelt und das „Klima-Michel-Modell“ entwickelt. Durch die VDI Richt-linie 3787 / Blatt 2 (1998) ist aus dem Bewertungsverfahren des Klima-Michel-Modells das Maß PMV (Predicted Mean Vote) als Stand der Technik definiert. Es ist ein Maß für das mittlere thermische Empfinden einer größeren Anzahl von Personen auf der psy-cho-physischen ASHREA-Skala (vergl. Koppe, Jendritzky,2003:152). Ein PMV-Wert von 0 entspricht absoluter thermischer Behaglichkeit, ein PMV Wert von 1 bezeichnet leicht warme Bedingungen und ein Wert von -3 als „kalt. Das MEMI (Münchener Energiebilanz-Modell für Individuen) von Höppe (1999) ist im Gegensatz zum „Klima-Michel-Modell“ ein Energiebilanzierungsmodell welches vertie-fende thermophysiologische Untersuchungen ermöglicht und daher für Spezialfälle mit medizinischen Belangen im Vordergrund besonders geeignet ist. In dem Modell werden


3.4.3

-66-

für die verschiedenen Personentypen und intermediäre Bedingungen Hauttemperatur, Kerntemperatur, Schweißrate, Hautfeuchte, Wärmekonvektion und andere physiologi-sche Daten gemessen. Aus diesem Energiebilanzmodell ist die Bewertungsgröße PET (Physiological Equivalent Temperature) von Höppe und Mayer entwickelt worden. Im Gegensatz zu der Gleichung von Fanger (1972) werden bei MEMI die realen Werte der Hauttemperatur und der Schweißverdunstung berücksichtigt. Die aus dem MEMI abge-leitete äquivalente Temperaturgröße PET ist für eine „(…) beliebige Stelle im Freien als diejenige Temperatur definiert, bei der in einem typischen Innenraum die Energiebilanz des Menschen bei gleichen Werten der Haut- und Kerntemperatur ausgeglichen ist wie bei den Bedingungen im Freien (…)“ (Mayer, Unterrichtsskript „Klima in urbanen Räumen, Uni Freiburg, 2006). Demzufolge ist der PET Index für die Bewertung von Behaglichkeit in Freiräumen der wichtigste Standardindex. Der PET Index wird in °C ausgedrückt.

TAB 3.04: Bewertungsindexe PMV und PET bei gleichem thermischen Empfin-den / gleicher thermophysiologischer Belastungsstufe / Arbeitsumsatz von 80W/ Bekleidungsfaktor 0.9 clo, nach Mayer, 2004:73

3.4.4 Einflussgrößen nach FrankNach Frank (1975) ist die thermische Behaglichkeit eine subjektive Größe und lässt sich im Wesentlichen durch drei Säulen von Bedingungen beschreiben: Physikalische, phy-siologische und intermediäre Bedingungen. Neben den physikalischen Bedingungen wie Lufttemperatur, Feuchte, akustische Einflüsse und optische Einflussgrößen, wird die thermische Behaglichkeit eines Menschen auch durch physiologische sowie intermedi-äre Bedingungen bestimmt. Die physiologischen Einflussgrößen betreffen den Menschen direkt (Alter, Geschlecht, Konstitution, usw.) – die intermediären Einflussgrößen sind alle wirksamen Bedingungen zwischen Mensch und Umwelt (Tätigkeitsgrad, Kleidung, Adaption und Akklimatisierung, usw.). Das bedeutet für die Bewertung der Behaglich-keit eine Erweiterung um nicht numerisch fassbare Bedingungen. Frank unterscheidet jeweils in primäre und sekundäre Faktoren.

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Physikalische EinflussgrößenPrimäre und dominierende Faktoren nach Frank (1975):

WärmeeinflussDer äußere Einfluss auf den menschlichen Organismus in Form von Wärme oder Kälte wird im Rahmen der Behaglichkeitsgleichung als der wesentlichste Teil angesehen. In

3.4.5

ABB 3.32: Einflussgrößen nach Frankaufgeteilt in physikalische, intermedi-äre und physiologische Bedingungen

der Regel kann dieser Ein-fluss durch angemessene Kleidung reguliert werden. Grundsätzlich wird die Wärmeregulation bei ge-sunden Menschen primär reflektorisch durch Wär-meabstrahlung, Konvekti-on, Leitung, Verdunstung und sonstige körperwarme Ausscheidungen reguliert. Nach Reinders (1969) be-dient sich der menschliche Körper dabei Regulations-mechanismen: Eine peri-phere Wärmeregulation über die im Gehirn gesteu-erte Abfuhr über die Haut als temperaturabhängige Strahlungs- und Konvek-tionsfläche, und eine zen-trale Wärmeregulierung über Verdampfung oder Wärmeregulation durch


chemische Reaktionen (vgl. Kälteeinfluss).Die zentrale Wärmeregulierung ist neben der peripheren Regelung je nach äußeren Gegebenheiten und der Menge eigener Wärmeproduktion vorhanden. Eine Verdamp-fung kann in erzwungenen und geregelten Wärmeverlust eingeteilt werden. Durch das Wasserdruckgefälle kann über die Haut eine Verdampfung erzwungen sein. Zudem fin-det über die Befeuchtung der Atemluft ein regelmäßiger Wärmeaustausch statt. Der geregelte Wärmeverlust ist bekannt als Schwitzen. Durch Flüssigkeitsabgabe über die Hautschichten wird Wärme abgegeben und gleichzeitig Verdunstungskühle erzeugt. Diese geregelte Wärmesteuerung hat immer die Ursache in einer äußeren nicht opti-malen Behaglichkeitsumgebung. In diesem Fall reicht die körpereigene Abstrahlung und Konvektion nicht mehr zur vollständigen Wärmeregulierung. Eine Regulierung mittels Schweißbildung tritt immer erst ein, wenn die normale Wärmeregulierung nicht mehr ausreicht.

KälteeinflussDer Mensch ist im Vergleich zu anderen Lebewesen nur sehr gering gegen Kälteeinflüsse geschützt. Es kommt nachhaltig auf die Art der Bekleidung und das angepassten Ver-halten des Menschen im Außenraum an. Insofern ist in kalten Räumen die verhaltensge-steuerte Thermoregulation dominant (vgl. Khosla und Guntupalli 1999 in Koppe 2005) und die Kälteakklimatisation beruht nur gering auf physiologische Umstellungen. Die Gewöhnung an die Kälte resultiert nach der Akklimatisation auf der Regelung im zentra-len Nervensystem. Das zunächst übliche Kältezittern wird aus ökonomischen Gründen nach Akklimatisation durch die zitterfreie Thermogenese ersetzt.

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LufttemperaturDie Lufttemperatur stellt einen komplexen Wirkungszusammenhang auf den Menschen dar. Die Lufttemperatur ist immer ein Wirkungskomplex aus Strahlungszufluss, Feuchte-gehalt und Windbewegung. Alle drei physikalischen Faktoren haben Auswirkungen auf die Lufttemperatur. Entscheidend in diesem Zusammenhang sind bezogen auf den Men-schen nicht unbedingt die üblich genannten Werte auf der Temperaturskala. Je nach Jahreszeit kann sich unabhängig von der Lufttemperatur eine passende Behaglichkeit auf den Nutzer bezogen einstellen. Durch geringere Feuchte und Konvektion und bei ge-eigneter Bekleidung kann z.B. der Strahlungseinfluss auch bei geringeren Temperaturen einen optimalen Behaglichkeitswert erzeugen (Beispielsweise an einem strahlungsin-tensiven Wintertag in einem geschützten Bereich in den Bergen).

Strahlung und Strahlungstemperatur der UmschließungsflächenDie Auswirkung verschiedener Strahlungsflüsse auf den Wärmehaushalt des Menschen wird in der Umweltmeteorologie durch die mittlere Strahlungstemperatur ausgedrückt.

Es ist dabei nicht unerheblich wie und von welchen Strahlungsflüs-sen der Mensch beeinflusst wird. Winkel, Art der Strahlung, Haut-farbe oder Bekleidungsart beein-flussen die Strahlungsabsorption. Sowie im Innen- wie auch im Au-ßenbereich kann ein zu großer Unterschied von Lufttemperatur, Umschließungsflächen wie auch zu direkten Kontaktflächen das Behaglichkeitsempfinden emp-findlich stören. Im Innenbereich ist diese Gesetzmäßigkeit gera-de in der kalten Jahreszeit stark

ABB 3.33: Mittlere Oberflächentem-peraturen und Raumlufttemperatur sinngemäß nach Frank, aus Mayer, 2007:13

ABB 3.34: Raumlufttemperatur und Luftgeschwindigkeit in Körpernähe, sinngemäß nach Rietschel-Raiß, aus Mayer, 2007:13

abhängig vom Wärmedurchgangskoeffizienten der gewählten Materialien. Bei nahezu Windstille sind Innenraum die Strahlungsunterschiede deutlicher zu spüren als im Au-ßenraum.

LuftbewegungenDer Wärmehaushalt des Menschen wird im Außenbereich erheblich von den Windge-schwindigkeiten beeinflusst. Je nach örtlicher Situation und in Abhängigkeit von den

weiteren physikalischen, phy-siologischen und intermediären Bedingungen sind Geschwin-digkeiten von mehr als 5 m/s im städtischen Umfeld unangenehm und als negative Komfortgrö-ße zu betrachten. Je größer die Windgeschwindigkeiten desto größer kann der Wärmeverlust an der Oberfläche der Haut sein. In Innenräumen sind Luftgeschwin-digkeiten von mehr als 10 bis 20 cm/s für sitzende Personen be-reits als unangenehm einzustufen (Zugerscheinungen). Nach Riet-schel-Raiß besteht(Abbildung)

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bei einer Luftfeuchte von 30-70% eine direkte Abhängigkeit von Raumtempe-ratur und Luftgeschwindigkeit: Bei stei-genden Raumtemperaturen steigt die Belastungsgrenze für Luftbewegungen.


Im Außenbereich ist diese Gesetzmäßigkeit zusätzlich von Ort und Lage sowie noch in stärkeren Maße von der Tätigkeit des Menschen abhängig. Räume mit primären Auf-enthaltsfunktionen (Plätze o.ä.) haben einen höheren Windschutzbedarf als z.B. bewe-gungsintensivere Verkehrsräume.

FeuchteDie Luft kann je nach Temperatur eine bestimmte Menge an Wasser im dampfförmi-gen Zustand aufnehmen. Die Sättigung kann für jede Temperatur in Abhängigkeit vom Luftdruck festgestellt werden. Mit zunehmender Luftfeuchte steigt auch der thermische Kontakt und Austausch mit menschlicher Haut. Das bedeutet bei höherer Luftfeuchtig-

ABB 3.35: Behaglichkeit in Abhängig-keit von Feuchte in Innenräumen sinn-gemäß nach Leusden u. Freymark, aus Mayer 2007:11

keit ist jeder Mensch kälte- oder wärmeempfindlicher. Bei zuneh-mender Kälte nimmt der gefühlte Austausch Kontakt zu, bei zuneh-mender Wärme wird der gefühlte Wärmeaustausch erschwert. Die Behaglichkeit fällt somit ab einem bestimmten Prozentsatz relativer Luftfeuchtigkeit mit zunehmen-der Luftfeuchte. Ein zu großer Prozentsatz an Feuchte in der Luft erschwert den Wasseraustausch auf der Haut und wird subjektiv als unangenehm empfunden. In warmen trockenen Sommertagen ist dagegen eine Erhöhung der Luftfeuchte (z.B. Verdunstungs-vorgänge an Wasseranlagen) nur

TABB 3.05: Windbewegungen nach Beaufortskala, nach verschiedenen Quellen: Lawson, T.W. und Pennwarden (1975), Bjerregard (1981)

TABB 3.06: Prozentsätze für Windge-schwindigkeit über 5 m/s, Lufttempe-ratur über 10°C, nach Quelle: Vindmiljö omkring bygninger, Egon Bjerregaard, (1981)

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im stetigen Verdunstungsvorgang (und somit im Einfluß einer Verdunstungskühlung) bis zum Zeitpunkt der Luftsättigung angenehm. Bei anschließender Luftsättigung hilft im unmittelbaren Umfeld nur noch die Kühlung durch direkten Kontakt – der Austausch über die Haut bleibt ab diesem Zeitpunkt erschwert und ist mehr als unangenehm (Tro-penklima). Farbwahrnehmung und ÄsthetikWahrnehmung wird die Sinn gebende Verarbeitung von Reizen bezeichnet. Farbwahr-nehmung ist die Fähigkeit, Licht in unterschiedliche Wellenlängen zu unterscheiden. Die Wahrnehmung ist subjektiv und individuell und kann Assoziationen und Gefühle hervorrufen. Die emotionalen Wirkungen werden nicht gedanklich kontrolliert auf-genommen. Die Farbwahrnehmung hängt von der Zusammensetzung des Lichts, den Reflexionseigenschaften des Körpers, dem Aufbau der menschlichen Netzhaut und der neuronalen Verarbeitung im Gehirn ab. Ein Behaglichkeitsklima wird u.a. auch durch die Farbumgebung nachhaltig beeinflusst. Optische Reize verändert Stimmungen und verändert durch Helligkeitsgrad und Farbe die allgemeine Behaglichkeit. Der Helligkeitsgrad bestimmt dabei die Ausdruckskraft der Farben und verändert individuell unterschiedliche Behaglichkeitsstufen. Nach Küppers (2002) hat Farbe drei Grundfunktionen: Zum einen durch die Analyse optischer Reizwer-te eine Orientierungsfunktion (Gebrauch für Verkehrszeichen oder in der Werbung). Zum anderen eine ästhetische Funktion und drittens haben Farben eine psychodynamische Funktion. Das bedeutet die Funktion der Farbe direkt dem Menschen und seinem Emp-finden betreffend. Farben erzielen Wirkungen, die von der Helligkeit, der Sättigung, der Temperatur, der An-zahl der verwendeten Farben oder der Abstimmung der Farbtöne untereinander abhän-gen. Helle Farben wirken leicht, freundlich, weit, belebend, treten in den Hintergrund, während dunkle Farben düster, bedrückend, schwer, geborgen wirken und akzentuieren. Reine gesättigte Farben wirken schnell dominant, laut und aufdringlich. Entsättigte Far-ben sind mit einer „unbunten“ Farbe vermischt und haben ihre Leuchtkraft verloren. Sie wirken gedämpft, zurückhaltend und sind sehr unaufdringlich. Zarte Farben bzw. Pastelltöne vermitteln die Assoziation von Empfindlichkeit und Zerbrechlichkeit. War-me Farben schaffen Nähe und eine persönliche, gemütliche Atmosphäre, kalte Farben hingegen eher Distanz, den Eindruck von Sachlichkeit, Funktionalität und kühler Atmo-sphäre. Der gezielte Einsatz von Farben wirkt ordnend und strukturierend.

Intermediäre EinflussgrössenDie intermediären Einflussgrößen bezeichnen alle wirksamen Bedingungen zwischen Mensch und Umwelt (von lateinisch intermedius - der dazwischenliegende).

Primäre und dominierende Faktoren nach Frank (1975):KleidungIn Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und anderen Faktoren sind auch das Ver-halten und der Bekleidungsfaktor für den thermischen Komfort eines Nutzers entschei-dend. Je nach Tätigkeit, Strahlungssituation und Bekleidungsfaktor können verschiede-ne Lufttemperaturen als Komforttemperatur ermittelt werden. Grundsätzlich geht jede Statistik bei unterschiedlichen thermischen Situationen von ei-ner angemessenen Bekleidung des statistischen Menschen aus. Also wird immer eine bestimmte Kleidung vorausgesetzt. Die Bekleidungsdicke wird in der Einheit clo gemes-sen. Sinngemäß setzt eine dickere Bekleidung die Behaglichkeitsmitteltemperatur herab und erhöht somit die Breite des Temperaturbereiches.

3.4.6

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RechtsTAB 3.07: Bekleidungsfaktoren nach DIN 33 403

LinksABB 3.36: Komfortdiagram für ver-schiedene Bekleidungssituationen in Abhängigkeit von Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit nach der Fanger-Gleichung, verändert, aus Bjerregaard (1981:13)

TätigkeitsgradMan kann den menschlichen Körper als Wärme-Kraft-Maschine bezeichnen, welche je nach Umsatzleistung 8000 – 24000 kJ verbraucht. Die verbrauchte Energie muss der menschliche Organismus durch Nahrungsaufnahme (Zuführung von Energie) ausglei-chen. Ein Mensch mit höherer Stoffwechselaktivität (z.B. körperliche Arbeit) muss also dem Körper mehr Nahrung zuführen als ein Mensch in Ruheposition. Der Körper muss nicht nur sich selbst erhalten und sich durch Wachstum vergrößern, er braucht auch Energie, um die Körpertemperatur gleichmäßig zu halten, sowie chemische und mecha-nische Arbeit zu leisten. Das optimale geistige und körperliche Leistungsvermögen geht in der Regel einher mit einer optimalen thermischen Behaglichkeit. Je nach Tätigkeit können die Umsätze im Stoffwechsel und im Wärmehaushalt unter-schiedlich sein. Nach duBois und Reinders (1969) ist der tägliche kcal Umsatz bei Men-schen neben der Tätigkeit auch nach Alter, Gewicht, Lebenszyklus und Geschlecht un-terschiedlich. Der Umsatz an kcal liegt bei einem 70-jährigen männlichen Menschen im Vergleich zu einem 15-jährigen männlichen Menschen nur bei etwa 70%. Bei körperlich gesunden Menschen wird der ausgeglichene Wärmehaushalt überwiegend reflektorisch erreicht. Zum einen durch Wärmeabstrahlung, zum anderen durch Konvektion (Mitfüh-ren vorbeistreichender Luft), durch Leitung direkt, durch Verdunstung (Schweiß und Atemluft) und durch sonstige körperwarme Ausscheidungen.

Zusätzliche Faktoren nach Frank(1975):AkklimatisationAn Änderungen der Umgebung kann sich der Körper in bestimmten Grenzen anpassen. Folgt der Körper den veränderten Umweltbedingungen spricht man von Akklimatisation. Diese Anpassung kann im Rahmen unterschiedlicher Bedingungen wie Kälte, Wärme, Feuchte oder einer veränderten Luftdrucksituation folgen. Bekannt ist dieses Phänomen z.B. bei Bergsteigern und der Höhen bedingten veränderten Druck- und Sauerstoffanpas-sung. Der Organismus kann in einem stufenförmigen Anpassungsprozess seine Atmung und das Blutbild verändern und mehr Sauerstoff aufnehmen. Dieser Anpassungsprozess hat langfristig gesehen bei etwa 7000m üNN seine Grenze. Durch unterschiedliche Vor-gänge und Steuerungsprozesse im Körper kann sich der Mensch an veränderte Umwelt-bedingungen „akklimatisieren“. Die Anpassungsfähigkeit ist subjektiv unterschiedlich bei Menschen; je nach Verfassung, Alter, Geschlecht oder anderen subjektiven Faktoren wie z.B. Gewöhnung kann die Amplitude der Akklimatisation größer oder kleiner sein.

AdaptionEine längerfristige Anpassung des Organismus an äußere Umweltbedingungen bezeich-net man als Adaption (von lateinisch adaptare: anpassen). Die Adaption kann dabei


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auch durch bestimmtes Training über übliche Grenzen hinaus erweitert werden. Durch gleichmäßige Erweiterung der Reizgröße vergrößert sich somit auch das Spektrum der Anpassung. Je nach Umgebungsraum haben sich Menschen in diesem Anpassungspro-zess vollkommen unterschiedlichen Umwelteinflüssen auf der ganzen Welt angepasst. Z.B. ist das Temperaturempfinden bei identischen physikalischen Bedingungen in un-terschiedlichen Regionen nicht gleich. In RUROS 2004 belegen die unterschiedlichen ASV Werte (Actual sentation Vote, 5- stufig) in Europa die langfristige Adaption an den Lebensraum und sein Klima. Das subjektive Kälteempfinden ist z.B. im Norden Euro-pas wesentlich niedriger als im Süden und ein thermische Komfort ist in England im Mittel wesentlich öfter gegeben als in Mitteleuropa. Auch im Vergleich Kopenhagen und Kassel ist bei einem ähnlichen Jahresmitteltemperaturdurchschnitt ein vollkommen unterschiedliches Verhalten im öffentlichen Raum feststellbar. Es ist keine Seltenheit in Kopenhagen bei guten Strahlungsverhältnissen im November und ca. 10°C Außentem-peratur Menschen in Cafes draußen sitzen zu sehen.

Tages- und JahresrhythmusÄhnlich einer längerfristigen Anpassung birgt der eigentliche Tages- und Jahresrhyth-mus des Nutzers eine indirekte Abhängigkeit zum Temperaturverhalten. Das bedeutet mit einer längerfristigen Adaption an Tages- und Jahresrhythmen steigt auch die Ak-zeptanz an die örtlichen Gegebenheiten. Deutlich wird dieses Phänomen zum Beispiel in den nordeuropäischen Regionen hinsichtlich der Tageslichteinstrahlungen. Im Winter und Sommer unterscheiden sich die Verhaltensmuster wesentlich (vgl. Rasrad u. Sjö-den 2005). Eine Anpassung an die unterschiedlichen Einstrahlungswerte ist deutlich in öffentlichen Räumen und dem Nutzerverhalten festzustellen. Mit der Veränderung der Hormons „Melatonin“ verändern sich auch Stoffwechsel- und Organismustätigkeiten. Eine langfristige Anpassung durch angepassten Rhythmus erhöht letztendlich die ther-mische Behaglichkeit.

Sekundäre und vermutete Faktoren nach Frank(1975):Nach Frank sind neben den zusätzlichen intermediären Faktoren wie Akklimatisation und Adaption zwei sekundäre Faktoren im Rahmen einer thermischen Behaglichkeit wirksam: Die Raumbesetzung und ein psychosozialer Faktor. Das betrifft die Zufriedenheit des Nutzers direkt und hat somit indirekten Einfluss auf die thermische Gleichung. Es gilt inzwischen als erwiesen, dass zum Beispiel die psy-chosozialen Faktoren keinen unerheblichen Einfluss auf die gefühlte Behaglichkeit im Raum haben. (DIN 33 403: Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung). Es ist jedoch derzeit noch nicht durch Zahlen zu belegen, aber das allgemeine psychosoziale Wohlbefinden wie auch eine dem Nutzer angepasste Raumbesetzung haben wie auch die optische oder akustische Einheit einen indirekten Einfluss auf die individuelle Be-haglichkeitsgleichung. Raumbesetzung (Übersichtlichkeit, Dimensionen und Größen, Möblierung, Ästhetik, Monotonie, etc.) Vergleicht man zum Beispiel durch Umfragen die Aussagen zum Wohl-befinden von Platzeinheiten im grauen 50er Jahre Milieu mit Platzeinheiten in Stadt-gebieten der Gründerzeit, so werden vermutlich bei identischen physikalischen Umge-bungsbedingungen verschiedene gefühlte Temperaturen das Ergebnis sein. Ein aktuelles ästhetisches Empfinden beurteilt Wohlbefinden nach Gewohnheit der Bilder. „(…) eine ästhetische Bewertung von Bildern beruht immer auf allgemeingültigen ästhetisch-derzeitigen Wertkategorien (…)“ (Laue, 2002:12). Stimmen diese Wertkategorien im wahrgenommenen Umgebungsraum (Raumbesetzung und Ästhetik) kann sich eine Ent-spannung beim Nutzer und damit eine leistungsfähigere thermische Anpassung ein-stellen. Diese Entspannung spielt auch bei den Psychosoziale Faktoren (Zufriedenheit, Mitmenschen, Stress, Zeitdruck, allgemeine Störungen, Organisation, etc.) die entschei-dende Rolle.

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Physiologische EinflussgrössenDie Physiologischen Bedingungen betreffen den Menschen oder den Körper direkt. Das kann zum einen das Alter, das Geschlecht, die Konstitution oder die körperliche Ver-fassung bedeuten. Zum anderen sind auch Nahrungsgrundlage, Nahrungsaufnahme und ethnische Einflüsse von Bedeutung. Frank (1975) bezeichnet die physiologischen Gegebenheiten als zusätzliche Faktoren und somit sekundär für eine Bewertung der Behaglichkeit.

Zusätzliche Faktoren nach Frank (1975):Körperliche Verfassung / KonstitutionKörpergröße, Körperbau, Körperfettgehalt und die Konstitution beeinflussen die Ther-moregulation über ihre Auswirkungen auf den physikalischen Prozess des Wärmeaus-tauschs und über die unterschiedliche Masse, die bewegt werden muss (vgl. Koppe, 2005). Je nach Oberfläche kann der Austausch an fühlbarer und latenter Wärme sowie Strahlungswärme bei Individuen variabel stattfinden. Ein erhöhtes Körpergewicht ruft bei Bewegungsvorgängen mehr Stoffwechselumsatz hervor und produziert mehr Wär-me. Im Ruhezustand und bei erhöhten Kälteeinwirkungen isoliert der Fettbestandteil zwar mehr, verhindert aber wiederum eine verstärkt ausgleichende Muskelaktivität. Für die Thermoregulation ist das Verhältnis von Oberfläche zu Masse ganz entscheidend: Umso größer das Verhältnis umso schneller kann ein Austausch stattfinden. Überge-wichtige Personen können auf Grund des erhöhten Fettgehaltes und dem veränderten Oberfläche-Masse-Verhältnis keinen ausreichenden zügigen Austausch gewährleisten. Außerdem wird das Herz stärker belastet, was wiederum zu geringerer Hitzetoleranz führt. Mit steigender Wärme- und Kältebelastung wird das Herz-Kreislaufsystem bei der Ther-moregulation zunehmend gefordert (vgl. Koppe,2005). Entscheidend in diesem Zusam-menhang sind körperliche Verfassung und Konstitution. Dazu kommt bei schnellen Än-derungen der thermischen Situationen der Faktor der Akklimatisation und Adaption. Ein Hitze- oder Kältestress entsteht insbesondere bei Menschen, die nicht daran angepasst sind. Neben einer Gewöhnung ist also auch die Verfassung und Konstitution des Körpers von Bedeutung. Umso fitter der Organismus ist, umso schneller kann er auf Verände-rungen reagieren. Mit dem Alter verschlechtert sich die körperliche Verfassung. Training und körperliche Aktivität können diesem Prozess entgegenwirken. Demnach ist eine gute körperliche Verfassung eine Garantie für bessere Anpassung an neue thermische Bedingungen (vgl. Koppe 2005: „Gesundheitsrelevante Bewertung von thermischer Belastung unter Berücksichtigung der kurzfristigen Anpassung der Bevölkerung an die lokalen Witterungsverhältnisse“).

GeschlechtFrauen reagieren empfindlicher auf Abweichungen vom Optimum als Männer (Fanger, 1972). „Untersuchungen über geschlechtsspezifische Unterschiede bei der Reaktion auf Hitzebelastung ergaben, dass Frauen eine höhere Kern- und Hauttemperatur, eine hö-here Herzschlagfrequenz, einen höheren Blutdruck und höhere Schwellenwerte für das Einsetzen der Schweißsekretion sowie eine geringere Schweißeffizienz haben. Diese Unterschiede zwischen den Geschlechtern sind in unterschiedlichen physiologischen Eigenschaften begründet.“ (Koppe, 2005:28)Das Geschlecht ist bei der Betrachtung der thermischen Behaglichkeit nicht unerheb-lich. Männer und Frauen haben im Durchschnitt einen unterschiedlichen Energieumsatz. Das weibliche Geschlecht friert grundsätzlich mehr als das männliche, was zum einen in den unterschiedlichen Umsatzgrößen, zum anderen in dem geringeren Anteil der Mus-kelmasse begründet liegt. Frauen bestehen im Vergleich zu Männern im Durchschnitt aus ca. 25 % Muskelmasse (Männer ca. 40%). Der Fettanteil liegt im Durchschnitt bei 25% (Männer bei ca. 15%). Im direkten thermischen Kontakt ist das ein Vorteil (Wasser),

3.4.7


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ABB 3.37: Umsatzgrößen des Gesamtorganismus nach Fisslthaler 2007:5

im indirekten Kontakt (mittels Trägermaterie wie Luft oder kleinen Teilchen in der Luft) ist das eher ein Nachteil. Schwitzen als Ausdruck cholinerger Schweißdrüsenaktivität dient vorwiegend der Ther-moregulation und wird u.a. durch körperliche Anstrengung ausgelöst. Im Durchschnitt ist beim männlichen Geschlecht fast eine doppelte Rate der Schweißsekretion festzu-stellen (vgl. Fanger in Rietschel 1994). Der männliche Körper ist biologisch gesehen für mehr körperliche Leistung als der weibliche ausgelegt. Eine thermische Regulation des Wärmehaushaltes ist durch einen höheren Anteil an Schweißdrüsen schneller zu ge-währleisten. Frauen kommen deshalb besser mit warm-feuchtem Klima cund schlechter mit trockenen und heißen Bedingungen zurecht.

AlterJe nach Konstitution verändert sich der Grundumsatz des Organismus und somit auch das Wärme- und Kälteempfinden für jeden subjektiv empfindenden Menschen nach-haltig. Mit fortschreitendem Alter ist im Regelfall der Grundumsatz im Stoffwechsel wesentlich niedriger als in jungen und mittleren Jahren (vgl. Abbildung). Auffällig ist

der ausgeprägte Rückgang des Grundumsatzes nach Abschluss des Wachstums. Das erklärt eine erheblich höhere Toler-anzschwelle der thermischen Behaglichkeit bei Kindern und Jugendlichen. Der Umsatz fällt mit der Beendigung der Wachs-tumsphase fast um 30%. Ab ca. 50 Jahre fällt der Umsatz um ca. 6-8 W/m² (ca. 10%) und erklärt eine immer niedrig werdende To-leranzschwelle der thermischen

Empfindung bei älteren Personen. Der männliche Energieumsatz fällt im Gegensatz zum weiblichen in einer gleichmäßigeren Kurve ab. Für die Planung sind diese Gesetz-mäßigkeiten in Anbetracht des Nutzerspektrums von großer Bedeutung. Im Alter gehen zusätzlich die „Bereitschaft“ und auch die Bewegungsintensität auf Grund der körper-lichen Einschränkungen zurück. Der spezifische Grundumsatz in der Abbildung bezieht sich auf 1m² Körperoberfläche in (W/m²) als Funktion des Lebensalters bei Männern und Frauen.

Temperaturempfinden „ Boynton beobachtete 1971 in einem Versuch, dass Versuchspersonen in einem blauen Raum die Heizung höher einstellen als in einem gelben, obwohl in beiden Räumen die-selbe Temperatur gemessen wurde. Glaubt man dem Kunstwissenschaftler A. Theroux, dann steigt der menschliche Stoffwechsel um 13,4 Prozent bei der Wahrnehmung der Farbe Rot. Das heißt, dass mehr Energie umgesetzt würde und die erhöhte Tempera-turempfindung nicht nur ein psychisches Phänomen wäre. Es gibt Berichte, denen zu-folge bei Versuchspersonen in roten Räumen tatsächlich höhere Körpertemperaturen gemessen wurden als in blauen. Es hat also offensichtlich seine Berechtigung, wenn wir von warmen und kalten Farben sprechen. Wir alle stimmen überein, dass derselbe Raum in warmen Farben als gemütlich, manchmal sogar beengend empfunden wird, in hellblauer Farbe hingegen kühler und weiter. Dies bestätigte ein Versuch, in dem eine blau ausgemalte Halle von Versuchspersonen um bis zu ein Viertel zu lange einge-schätzt wurde.“ (Buchter/ Baumer: 2005: 126) Das Farbempfinden in einem gleich temperierten Raum kann je nach Wandfarbe um bis

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3.4.8

zu 6 Grad Celsius variieren (Abbildung). „Die folgende (...) zeigt, dass unterschiedliche Farben bei gleichen raumklimatischen Verhältnissen durchaus verschiedene Empfin-dungen hervorrufen. Ganz deutlich wird, dass der Volksmundrecht hat: Blau ist eine kalte, Rot eine warme Farbe. Erst bei Raumtemperaturen über 26 Grad Celsius wird auch Blau als warm empfunden“. (Katz). Woran liegt das? „Blau ist die Komplementär-farbe zu Orange. Orange ist die heißeste Farbe des Spektrums, Blau die Kälteste. Das Blau als kalte Farbe empfunden wird, beruht auf Erfahrung: Die Schatten des Sonnen-lichtes sind blau. (…) Blau, die Farbe der Ferne und des Kühlen ist eine Außenfarbe.“ (Heller, 2004:21).

Planungsrelevante ErkenntnisseDurch primäre Wind- und Strahlungseinflüsse können sich in kleinräumlichen Einheiten durch Baustruktur, Gebäudestrukturen, Materialvolumen und Vegetation teilweise gro-ße thermische Unterschiede ergeben. Mit den veränderten Rahmenbedingungen kommt so den Freiräumen und ihren unterschiedlichen Ausprägungen der thermischen Zustän-de eine zunehmende Bedeutung zu (vergl. 1.0). Hinsichtlich der genaueren Betrachtung des thermischen Wirkungskomplexes (Energieaustausches des Menschen mit seiner Umgebung) ergaben sich vertiefende Erkenntnisse zu allen Einflussvarianten. Demnach erfolgt der Energieaustausch des Menschen und seines Organismus mit seiner Umge-bung über Konvektion (Lufttemperatur und Luftbewegung), Verdunstung (Luftfeuchte und Luftbewegung), Strahlung (Strahlungsbilanz: kurz- plus langwellig; Sonnenhöhe, optische Weglänge, Trübung, Bewölkung, Landnutzungsart (mit den Werten für Albedo, Emissionskoeffizienten, Oberflächentemperaturen)) und der Atmung (Lufttemperatur und Luftfeuchte). Zu diesen physikalischen Vorgängen kommen weitere individuelle Nutzereigenschaften hinzu. Das zeigt auf, dass das Temperaturempfinden der Menschen variabel - aber auch individuell anpassungsfähig an vielschichtige äußere Bedingungen- ist. Das Empfinden einer optimalen Behaglichkeit kann bei identischen physikalischen Bedingungen unterschiedlich sein.Der Bewertungsindex PET beinhaltet zum einen den Anteil der physikalischen Vorgänge und zum anderen auch nutzerspezifische Parameter wie Alter, Tätigkeit und Bekleidung. Damit ist der Großteil aller bestimmenden Parameter in diesem numerischen Index be-nannt und gibt somit möglichen Planungen Handlungsfelder vor. Die nach Frank defi-nierten weiteren Einflussfaktoren (wie beispielweise optische oder akustische Einheit) bleiben im Rahmen der numerischen Bilanzierung unberücksichtigt. Die Erkenntnisse zum gesamten thermischen Wirkungskomplex weisen diesen vermeintlich fehlenden Parametern aber auch eine sekundäre Bedeutung zu. Das bedeutet auch, dass im wei-teren Verlauf dieser Arbeit ebenso diesen sekundären Einflüssen im Rahmen einer Be-wertung von Planungshandlung und thermischer Situation keine weitere Bedeutung zugesprochen wird. Erwähnt sei nur, dass durch individuelle Umfragen und Interviews den weiteren nicht numerisch messbaren Einflüssen im Planungsprozess Rechnung ge-tragen werden kann. Auf Grund stärkerer großräumlicher klimatischer Zusammenhänge (zum Beispiel Wind-bewegungen) sind in kleinskaligen Freiräumen die Bewertungsgrößen Lufttemperatur und Luftfeuchte nur bedingt planerisch steuerbar. Die Luftfeuchte (wie auch die Luft-geschwindigkeit) kann den Wärmehaushalt des Menschen nachhaltig beeinflussen. Bei einer geringeren Luftfeuchte von z.B. 20% ist der menschliche Körper nahezu doppelt so hoch belastbar wie bei 55% (vgl. Reinders, Wenzel, 1969). Eine erhöhte Luftfeuchte verhindert die Aufnahme an Wasserdampf und verringert die Verdunstungskühlung. In mittel- und nordeuropäischen Breitengraden treten aber nur in geringem Maße und nur an bestimmten Orten zu bestimmten Zeiten außerordentliche Belastungen durch zu hohe Luftfeuchtigkeit auf. Die Lufttemperatur als derzeit immer noch übliches Be-wertungsmaß der Behaglichkeit ist im Rahmen der physikalischen Eingangsgrößen zur


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PET Bewertung nicht die bestimmende Größe. Vielmehr kann sich bei gleichen Luft-temperaturen und unterschiedlichen Strahlungszuflüssen und Windbewegungen die Behaglichkeit ganz erheblich unterscheiden (vergl. Brown/Gillespie 1995). Neben einer weniger bedeutenden Rolle in der Behaglichkeitsgleichung bleibt ein gezielter Einfluss der Lufttemperatur durch Planungsmaßnahmen ohnehin schwierig umzusetzen.

Demnach bleiben für mögliche Planungseingriffe und Steuerungsmöglichkeiten zur Ver-besserung des thermischen Komforts in kleinskaligen Freiraumeinheiten die primären Einflussgrößen Wind und Strahlung. Dazu ergibt sich aus den gewonnenen Erkenntnis-sen ein zusätzlicher Fokus auf nutzerspezifischen Besonderheiten. In unseren Breiten-graden können Windbewegungen im Zusammenhang einer bilanzierten Behaglichkeit (im Zusammenhang Feuchte, Strahlung, Lufttemperatur) je nach Baustruktur und re-gionalen Besonderheiten in städtischen Freiräumen große Unterschiede erzielen. Durch den permanenten Abtransport (starke Windbewegungen) oder ausbleibenden Abtrans-port warmer bzw. kalter Luft wird die Behaglichkeitsgleichung mehr oder weniger stark beeinflusst. Ebenso ergeben sich große Unterschiede durch Strahlungseinflüsse auf den Nutzer im Raum. Es kann ein direkter Einfluss durch kurzwellige Sonnenstrahlung oder ein indirekter Einfluss durch langwellige Zustrahlung von Fläche und Bauteil sein. Dieser Einfluss hängt vom Winkel der Sonne (Orts- und Jahreszeitbezug), von den Dimensionen der Baustrukturen, den verwendeten Materialien und möglichen vegetativen Elementen ab. Der Landschaftsarchitektur als gestaltende und umsetzende Disziplin von städti-schen Freiräumen kommt somit eine besondere Bedeutung. Im Rahmen aufgezeigter Einflussmöglichkeiten sind grundsätzlichen Optimierung von Behaglichkeitszuständen anzustreben. Das betrifft sowohl kleinräumliche Situationen mit starken Überhitzungs-erscheinungen zu primären Einstrahlungszeitpunkten als auch Zeit und Ortsvarianten mit geringen Temperaturdeffiziten. An Hand von gezielten Planungshandlungen zur Wärmespeicherung und Windschutz lässt sich auch der Zeitraum des Aufenthalts im Jahres- und Tagesgang verlängern.

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GRUNDLAGEN - FORSCHUNGSTÄTIGKEITEN UND METHODEN 4.1 Architektur und Landschaftsarchitektur 4.2. Stadtklimatologie 4.3 Das Bewertungsmodell ENVI-met 4.4 Bewertung und Zielformulierungen

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Grundlagen – Forschungstätigkeiten und MethodenIm Zusammenhang der aufgezeigten Rahmenbedingungen muss die Entwicklung im Bauwesen in den kommenden Jahren und Jahrzehnten mehr denn je von den Ziel-setzungen des umweltbewussten, nachhaltigen und energieeffizienten Handelns ge-prägt sein. Das betrifft den Städtebau, die Architektur und die Landschaftsarchitek-tur. Diese ökonomischen, sozialen und ökologischen Ziele sind mit Aufforderungen an komfortable und behagliche Aufenthaltsbereiche und der Schaffung emotional ansprechender und baukulturell hochwertiger Orte in Einklang zu bringen. Dement-sprechend sind in den Disziplinen der gebauten Umwelt und den damit verbundenen Forschungsbereichen auch verstärkte Auseinandersetzungen mit den klimatischen Faktoren zu verzeichnen. In den ausführenden Disziplinen wie Architektur, Stadtpla-nung und Landschaftsarchitektur ist mittlerweile eine Vielzahl an beratender Literatur zum verbesserten Umgang mit den klimatischen Einflussfaktoren zu finden. Daneben entwickelte sich in den Bereichen Stadtklimatologie und Umweltmeteorologie eine verstärkte Forschungstätigkeit zum Umgang mit dem thermischen Komfort in städ-tischen Räumen. Neben allgemeinen Forschungsergebnissen sind zudem Planungs-anleitungen und Methodiken zum Umgang mit dem klimatischen Komfort abgeleitet und entwickelt worden. Es stellt sich die Frage, inwieweit diese Handlungsanleitun-gen aus den primären forschenden Disziplinen eine Anwendung in den umsetzenden Planungsdisziplinen finden.

Architektur und Landschaftsarchitektur In der Architektur existiert eine Vielzahl an Ratgebern und Studien zur Verortung, Planung und Design unter dem Hauptaugenmerk thermischen Komforts in Gebäuden und der energetischen Bilanzierung von Gebäuden. Ein wichtiger Baustein zum Um-gang mit klimatischen Einflussfaktoren in der regionalen Architekturplanung ist das Werk von Victor Olgay „Design with Climate“ in vierter Auflage (vergl. Olgay, 1973). Es stellt eine umfassende Betrachtung vom großräumlichen bis zum kleinräumlichen Einfluss jeglicher architektonischer Planungshandlungen zusammen. Olgay bleibt in seinem Vorgehen immer auf der bioklimatischen Betrachtungsebene. Welcher Einfluss und welches Handeln erzeugen welchen Effekt. Zielgruppe bleibt aber mit dem End-produkt „Gebäude“ die Hochbauarchitektur und demzufolge auch der Nutzer im um-bauten Raum und sein Umfeld. Aussagen zur Freiraumplanung und den planerischen Handlungen bleiben im Hintergrund. Auch in der Landschaftsarchitektur sind Planungshinweise und Ratgeber zum Um-gang mit den Einflussfaktoren zu finden. Die nennenswerteste Veröffentlichung ist von Brown und Gillespie „Microclimatic Landscape Design” von 1995. Die beiden amerikanischen Autoren geben eine der Zielgruppe angepasste Übersicht zum Um-gang mit physikalischen Faktoren im kleinräumlichen Bereich. Daneben entwickeln sie ein auf den Mensch oder Nutzer bezogenes energetisches Modell „COMFA“*. Die Energieflüsse im thermischen Umfeld des Nutzers werden bilanziert und auf die Tätig-keit und Eigenschaft planerisch gesteuert und angepasst. Die meisten Modelle in der Landschaftsarchitektur bleiben aber in der Regel in ihren Aussagen an der Oberfläche und sind auf die Studien, Simulationen und Messergebnisse der Stadtklimatologen angewiesen.

4.0

4.1Kurzzusammenfassung: Es exisitiert eine gute Anzahl an Ratgebern und beratender Literatur zum Planen unter klimatisch – energetischen Gesichtspunkten in Architektur und Landschaftsarchitektur. Wenig erfährt man jedoch über die Anwendung im Planungsprozess.

Forschungstätigkeiten und Methoden - Grundlagen

* COMFA ein von Gillespie und Brown (1995) entwickeltes energetisches Bilan-zierungsmodell für den Freiraum in „Mi-croclimate Landscape Design“ (1995)

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StadtklimatologieIn den letzten Jahrzehnten hat die Bedeutung der Stadtklimatologie im Zusammen-hang wachsender Städte und wachsenden Anforderungen an städtischer Lebensräu-me stetig zugenommen. Traditionell erwuchsen die Aufgaben aus der Betrachtung von den klimatischen Verhältnissen in Städten und den Beziehungen zum Städtebau. Klimahygiene im Städtebau ist inzwischen insbesondere auch durch rechtliche Vor-gaben immer mehr als Mittel zur Förderung und Erhaltung der Gesundheit der städ-tischen Bewohner anerkannt. Zu den üblichen Aufgabenfeldern zählen Kartierun-gen unter klimatischen Aspekten sowie kontinuierliche Messungen zur Lufthygiene (Immissionen, Pollen etc.), Niederschlagsereignissen, Lufttemperaturentwicklungen, Strahlungs- und Windverhältnissen. Neben einer umweltverträglichen und nachhal-tigen Energieversorgung als wichtiger Beitrag zum Klimaschutz, sowohl im globalen Maßstab als auch im näheren Umfeld, gehört die Schaffung und der Erhalt eines ge-sunden Stadtklimas mittlerweile zu den zentralen Aufgaben kommunalen Handelns. Neben kommunalen und behördlichen Einrichtungen werden derzeit an Hochschu-len und externen Forschungsinstitutionen vermehrt durch Forschungsgeldförderung stadtklimatologische Problemstellungen erforscht und gelehrt.

Überblick der Studien- und ForschungstätigkeitenEs existiert eine Vielzahl an Studien- und Forschungstätigkeiten zu verschiedenen Schwerpunkten der bioklimatischen Untersuchungen in städtischen Verdichtungsräu-men. Es lassen sich folgende Schwerpunkte benennen:

Studien- und Forschungen zu Strahlungsverhältnissen in Städten, zu Ma-•terial- und Gebäudeeinfluss. Zur Auswahl: (Ali-Toudert und Mayer: 2005, 2006, 2007/1, 2007/2) (Chalfoun: 2001, 2003); (Höppe 1991), (Moin: 2004),(Möllmann: 2001), (Twarowski: 1962) vergleiche weitere im Literatur-verzeichnis.

Studien zu Windverhältnissen in Städten und zu Strömungsfeldern und Ge-•bäudeeinflüssen. Zur Auswahl: (Blocken: 2003), (Bjerregaard: 1981), (Kofoed: 2004), (Kuhns: 2008), (Lawson: 1975), (Stathpoulos: 2006), (Crummy: 1974), (Durgin: 1989, 1992), (Davies: 1992), (Wilson: 1982), vergleiche weitere im Literaturverzeichnis

Studien zum Einfluss von Vegetation in städtischen Räumen. Zur Auswahl: •(Bonsignore: 2003), (Brahe: 1974), (Bruse: 2002, 2003), (Heidt: 2007), (Scu-do: 2002), (Picot: 2004), vergleiche weitere im Literaturverzeichnis

Allgemeine Studien zum thermischen Komfort und thermischen Belastungen •in städtischen Räumen. Zur Auswahl: (Eliasson: 2007), (Givoni: 1989; 1998), (Jendritzky: 1991), (Koppe: 2005), (Matzarakis und Mayer: 2001, 2004, 2007), (Mayer: 2001, 2004, 2007), vergleiche weitere im Literaturverzeichnis

Allgemeine zusammenfassende Ergebnisse der klimatologischen Stadt- und •Landschaftsplanung. Zum Beispiel (Brown/Gillespie: 1995), (Hobert:2000), (Fezer: 1995), (Givoni: 1998), (Reinhold: 1998), vergleiche weitere im Lite-raturverzeichnis.

Zudem greifen spezielle Untersuchungen, zum Beispiel aus dem Bereich Bauphysik oder Umwelt-Meteorologie, direkt oder indirekt den Bezug zum thermischen Kom-fort auf. Zwei der wichtigsten Buchveröffentlichungen zu dem Klima der bodennahen

Kurzzusammenfassung: Darstellung eines Kurzüberblicks aktueller Studien- und Forschungsergebnisse in der Stadt-klimatologie. Die daraus entwickelten Tools der Stadtklimatologie können in drei einfache Kategorien eingeteilt werden: Guidelines oder Richtlinien, simplifizierte Methoden und Simulati-onsprogramme bezogen auf städtische Themenkarten (vergl. SCUDO, 2002).

4.2

4.2.1

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Luftschichten sind von Geiger (1942 1. Auflage und 1961, 2. Auflage) und Oke (2007, 3. Auflage). Dem ergänzend steht die Buchveröffentlichung „Principles of Enviromen-tal Physics“ von Monteith/Unsworth (1990, 2. Auflage).Die vielschichtigen Untersuchungen und Forschungen der oben genannten Autoren bilden die Grundlage für Modelle und Methoden zur Anwendung in der Stadtkli-matologie und den Planungsdisziplinen. Insbesondere die im europäischen Kontinent entwickelten Modelle im Rahmen der Forschungsprojekte RUROS (2004) und BUGS (2004) sind von besonderem Interesse. Die Autoren und Wissenschaftler Katzsch-ner, Bruse, Scudo, Nikolopoulou und weitere fassen in ihren entwickelten Modellen Erkenntnisse für die Anwendung zusammen und stellen somit mit ihren Modellen die Anwendertools für die Planung zu Verfügung. Derzeit werden in der Bundesrepu-blik zwei weitere Forschungsprojekte interdisziplinär zur Stadtklimatologie gefördert: „KLIMES“ und „KLIMZUG“. Die Ergebnisse aus „KLIMES“ stehen ab 2009 zur Verfü-gung.Die jeweiligen Forschungstätigkeiten haben zu einer Vielzahl an technischen Hilfsmit-teln, Modellen und Methodiken geführt. Der Umweltmeteorologe Andreas Matzarakis stellt in seiner Plattform www.stadtklima.de die bekanntesten Modelle vor. Neben theoretischen Modellen wird auf www.Stadtklima.de auch eine Übersicht verschiede-ner Software-Programme (RayMan, Ecotect, Townscope II und weiteren) aufgelistet.

Ein derzeit aktuelles ganzheitliche Simulationsmodell aller energetischen Flüsse zur Anwendung in der Planung im kleinen wie auch großräumlichen Zusammenhang ist das von Bruse entwickelte ENVI-met (1999, www.envi-met.com). ENVI-met wird lau-fend fortgeschrieben und kann inzwischen auch mit dem Simulationsprogramm zu Bewegungen in städtischen Räumen Bot-World (2007, www.bot-world.info) in Kon-text gestellt werden. Im ENVI-met lassen sich komplexe thermische Zusammenhänge in einfachen bioklimatischen Karten darstellen und diese stellen somit brauchbare Anwendungsgrundlagen für die Stadt- und Freiraumplanung zur Verfügung. Das Ent-wicklerteam von ENVI-met ist in laufenden Forschungsprojekten mit Simulations-programmierung involviert. Simulationsergebnisse und tatsächliche meteorologische Daten werden so verglichen und das Programm weiter entwickelt.

Ratgeber in DeutschlandIn der Bundesrepublik Deutschland sind durch Forschungsinstitute, Interessengemein-schaften und durch kommunale Tätigkeiten gute und fundierte Ratgeber und Handlungs-anweisungen entstanden. Durch verbesserte politische Handlungen finden sich inzwi-schen auf Länder- wie auch auf kommunaler Ebene „Umweltatlanten“ (oder Klimafunk-tionskarten), „Klimafibeln“ oder allgemeine Richtlinien zur Anwendung in der Planung. Das Land Baden-Württemberg hat in diesem Zusammenhang mit einer umfassenden „Klimafibel“ und einer „Lärmfibel“ eine besondere Stellung in der Wissensvermittlung (vergl. www.staedtebauliche-Klimafibel.de und www.staedtebauliche-Lärmfibel.de)*. Die Bundesländer Berlin und Hessen stellen wie auch andere Bundesländer Umweltatlan-ten (vergl. www.atlas.umwelt.hessen.de/atlas/) den Planungsdisziplinen zur Verfügung. In diesen Ratgebern werden Zusammenhänge und Besonderheiten der regionalen und überregionalen klimatischen Situationen als auch Einzelerfahrungen zu Dimensionen und Raumeinheiten dargestellt. Das Umweltbundesamt übernimmt mit zahlreichen Schriften und Ratgebern die Funktion der Einordnung in das Gesamtsystem und ergänzt dieses durch spezielle Veröffentlichungen zum Umwelt- und Klimaschutz.In seiner Funktion als „Deutscher Wetterdienst“ informiert der DWD durch Statistiken, Bilanzen und Karten zu regionalen (Länder, Bundesrepublik) wie auch überregionalen Räume (Europa). Ablesbar sind aktuelle sowie auch über einen längeren Zeitraum exi-stierende Gegebenheiten.

4.2.2


* Es ist zu hinterfragen, inwieweit die-se Ratgeber und Hilfsmittel wirkliche Hilfsmittel in den Planungsediziplinen sind. Die Ratgeber und Klimafibeln bleiben mit ihren Inhalten an der Ober-fläche und geben nur wenige wirkliche praktische Hilfe zum Umgang mit den klimatischen Faktoren. Insofern bleiben erfahrungsgemäß die unterstützenden Schriften weitestgehend unbeachtet in den umsetzenden Fachdisziplinen.

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Forschungsprojekte Etwa 80% der europäischen Bevölkerung lebt in Städten und in verstädterten Ver-dichtungsräumen. Das bedeutet ein fast 30%tig höherer Durchschnitt als das glo-bale Mittel der Stadtbevölkerungspopulation (ca.50%). (vergl. Angaben Europäische Union, http://ec.europa.eu/research/). Das bedeutet, dass stadtklimatische Einflüsse, Veränderungen und extreme Ausprägungen direkte Effekte im Alltagsleben der eu-ropäischen Bevölkerung erzielen. Im Rahmen des „Fifth Framework Programme for research (Key Action 4: City of Tommorrow and Cultural Heritage) wurden in die-sem Rahmen Potentiale von städtisch durchgrünten Freiräumen erkannt und in das Zentrum des Forschungsschwerpunktes gestellt. Die Zusammensetzung ergab eine Teilung von insgesamt fünf finanzierten Forschungsprojekten im Rahmen dieses EU-Programmes. Ziel war es, die Qualitäten und Funktionen von städtischen Grünräumen zu analysieren und sie in Bezug zu Lebensqualität der Nutzer und einer nachhaltigen Stadtentwicklung zu stellen. Die zwei wichtigsten Projektrichtlinien aus den Mitteln des 5. europäischen Rahmen-programmes sind RUROS und BUGS. Das Projekt RUROS (Rediscovering the Urban Realm and Open Spaces) untersucht die Qualität von öffentlichen Freiräumen und damit verbundene Behaglichkeit für Nutzer und Nutzerinnen. Die Erkenntnisse sind planungsorientiert bewertet und in städtische Design Tools überführt worden. Das Projekt BUGS (Benefits of Urban Green Space) entwickelte eine Methode zum Umgang mit Grünflächen und ihren Einflüssen auf die klimatischen Verhältnisse in städtischen Räumen. Grüne Raumsysteme tragen so im städtischen Kontext zur Ver-besserung der Lebensqualität wie auch zur Steigerung der sozialen und ökonomischen Leistungen bei. Beteiligte Forschungsinstitutionen mit ihren jeweiligen exemplarischen städtischen Räumen waren Institute aus vielen Teilen Europas. Beide Teilprojekte geben einen ver-ständlichen Einblick in die Möglichkeiten zur Beeinflussung im planerischen Segment auf Komfortsituationen in städtischen Räumen. Die BUGS Methodik evaluiert die Rolle der Grünflächen und der Siedlungsflächen in Bezug auf Freiraumqualität, Luftqualität, Verkehrsinfrastruktur und Störungen durch Lärm. In diesem Zusammenhang werden Beteilungsverfahren ebenso selbstverständ-lich wie auch eine zusammenhängende Bewertung mittels GIS Technik. Der Hauptfokus der Forschung galt dem Beweis einer Qualitätsverbesserung und Qua-litätssicherung durch Grünflächen in Städten. Die Kombination von Grünplanung und Stadtplanung kann in diesem Rahmen ökologische, ökonomische und soziale Vorteile stützen. Grünelemente wurden charakterisiert und hinsichtlich ihrer Funktionen ge-wertet. Neben Auswertungen praktischer Messergebnisse wurden u.a. auch Ergebnisse aus Simulationen mit ENVI-met (vergl. oben / www.envi-met.com) miteinbezogen.

RUROSIm RUROS Projekt beruhen die Ergebnisse u.a. auf der Auswertung der 10.000 Evalu-ierungsbögen zum thermischen Komfort in einer Vielzahl europäischer Städte. Diese Erkenntnisse wurden mit den Messungen aus den beteiligten Regionen zusammen-geführt. Dieses bildete im Wesentlichen die inhaltliche Grundlage für die zahlreich entwickelten Planungstools. Es entstanden Modelle zur Vorhersage thermischer Situationen unter der speziellen Berücksichtigung der Klimaanpassung. Um die thermischen Bedingungen an allen Or-ten in Europa vergleichbar bewerten zu können entwickelte das Projektteam um Dr. Marialena Nikolopoulou eine vergleichbare Komfortgrößenskala ASV (Actual Sensa-tion Vote). Voruntersuchungen hatten gezeigt, dass allein physiologische Ansätze zur

4.2.4

4.2.3

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ABB 4.38: Prozentualer Anteil der Personen im Komfortbereich in Ab-hängigkeit verschiedener ASV-Werte zu unterschiedlichen Jahreszeiten in verschiedenen europäischen Städten, verändert, aus RUROS, 2004:6

ABB 4.39: Zu erwartende Tmrt Werte in Bezug zum Ort, zur Tageszeit, Breiten- und Höhensituationen, Ausrichtung des Freiraumes, verändert, aus RUROS 2004:13

gleichen Beurteilung der thermi-schen Außenbedingungen nicht ausreichen. In dem ASV-Index ist der Prozess zwischen Mensch und Umwelt wie persönliche Umstände, saisonale Kleidung, persönliche Entscheidung über den Aufenthalt sowie z.B. auch die Veränderung der metaboli-schen Rate integriert. Ergänzend zu ortsbezogenen Aussagen aus den Nomogrammen können alle abgeleiteten Schlussfolgerungen durch numerische Ermittlungen an Hand der aufgestellten For-mel präzisiert werden. Die Behaglichkeitskurven der Regionen bezogen auf die vier Hauptjahreszeiten werden zu-sätzlich durch ein Nomogramm für gemittelte ASV Werte (bezogen auf veränderte physikalische Eingangsgrößen Windgeschwindigkeit, Feuchtigkeit, Strahlung und ihren Beziehungen zueinander) ergänzt. Mit zunehmenden Umsatzgrößen verbessert sich wie vermutet die Behag-lichkeit. Mit steigenden Windbewegungen und Erhöhung der relativen Feuchte fällt der Behaglichkeitsindex.

Des Weiteren entstand eine Methodik zur Evaluierung des Windprofiles und seiner prognostizierten Auswirkungen im städtischen Wirkungsgefüge. Von Prof. Gianni Scudo aus Mailand wurde ein grafisches Tool zur Vorherbestimmung von thermischen Bedingungen entwickelt. Dabei wurde eine Vielzahl an Strahlungs-


bedingungen und ihr Einfluss unter Berücksichtigung von Ort, Ausrichtung, Dimensionen und Material zusammengetragen und in ein Anwendungsmodell über-führt. In der relativ umfassenden Methodik von Prof. Scudo lassen sich sehr genau zu erwartende gemittelte Strahlungswerte auf einen bestimmten Ort bezogen evaluieren. Die Methodik lässt den umfassenden Datenpool an Messungen und Umfragen im Rahmen des Projektes vermuten. Prof. Gianni Scudo untersuchte die gemittelten Strahlungstem-peraturen in drei europäischen städtischen Verdichtungsräu-men. In diesem Rahmen wurde eine Richtlinie zur Erwartung der gemittelten Strahlungstem-peraturen Tmrt (Mean Radiant Temperature) auf Plätzen und

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Straßen in den Himmelsrichtungen S-N und O-w zu unterschiedlichen Tageszeiten erarbeitet. Das bedeutet der Effekt und Einfluss verschiedener Materialien auf das thermische Gefüge in der Stadt. Eingearbeitet sind unterschiedliche Albedowerte (0.2 und 0.8), verschiedene Breiten- und Höhenverhältnisse der umgebenden Bebauung, mögliche Temperatureffekte bei Sondersituationen (Eckenwindeffekte, freie Platzsituationen und technische Beschat-tungshilfen). Die Hinweise stützen sich auf umfangreiche Mess- und Umfrageergeb-nisse aus der gesamten RUROS-Studie. Die Ausgangswerte beziehen sich auf einen typisch warmen und strahlungsintensiven Sommertag in den drei Städten. Die Him-melsrichtungen der Orte werden entweder als Nord-Süd oder West-Ost definiert. Die Dimensionen in den Straßenquerschnitten sind auf 18m umgebener Haushöhe und 100, 50, 26, 16 und 12m Breite bezogen ermittelt. In den entwickelten Tabellen kann bei ähnlichen Strahlungsbedingungen die zu er-wartende MRT abgelesen werden. Die Auswirkungen der Materialien auf die thermi-sche Situation auf Plätzen und Straßen kann mit diesem Modell in Abhängigkeit von den Dimensionen herausgelesen werden. Im vierten Beitrag der Richtlinie wird ein Modell zur Evaluation der thermischen Ein-flüsse hinsichtlich der speziellen Stadtmorphologie dargestellt. Dabei werden Wind, Schatten und der Winkel zum Himmel in Karten dargestellt und für eine analytische Betrachtung zusammengeführt. „(…)haben ergeben, dass Anwendungen durch Aufar-beitung verschiedener darstellungen möglich ist. Mit 3-dimensionalen Modellen lässt sich das Mikroklima eines Platzes abbilden.“ (RUROS, 2004: 19). Im Ergebnis wurden Sky-View-Faktor, Schatten- und Windschattendiagramm in einer Karte zusammenge-führt. Das Forschungsteam um Dr. Koen von der University of Cambridge beschreibt aber im Bericht nur seine Methodik und gibt weniger Handlungsanweisungen für die Planung. Im Beitrag von Dr. Katzschner werden Ergebnisse thermischer Karten mit individu-ellen Nutzerangaben zum Komfort kombiniert. Physikalische Messdaten werden da-bei durch Umfrageergebnisse zur speziellen thermischen Situation kombiniert und in Komfortkarten zusammenhängend ausgedrückt. Der Einfluss von Freiraumgestaltung bezogen auf den thermischen Komfort wird in den Resultaten deutlich.

Das Bewertungsmodell ENVI-met „Eine diagnostische und prognostische Simulation eines Zustands ist immer eine ver-einfachte Darstellung der Wirklichkeit und deshalb in ihrer Aussagekraft beschränkt. Die ermittelten Ergebnisse sind demnach immer als der Wirklichkeit angenähert zu betrachten. Der Einsatz von numerischen Modellen stellt jedoch eine erfolgreiche Me-thode dar, um empirisch ermittelte Messdaten zu überprüfen, sich Messaufwand zu ersparen und Szenarien zu entwerfen, die nicht messbare oder vorliegende Ergebnisse besitzen.“ (Kessler, S12:2008)

Grundsätzliches zum Programm ENVI-metEin numerisches Modell stellt eine Kombination aus bekannten, zum Teil sehr ver-einfachten Gleichungen und skalenabhängigen Parametrisierungen dar. Für die Si-mulationen unter 6.0 dienten zwei numerische Programmversionen vom Entwickler Dr. Michael Bruse: „ENVI-met 3.1 Beta“ und die Version 4.0. Die 3.1 Version ist als Freeware für jedermann erhältlich, wogegen die weiterentwickelte 4.0 Version noch nicht für den allgemeinen Gebrauch freigegeben ist. „Die physikalischen Grundlagen bilden die Gesetze der Strömungsmechanik (Wind-feld), der Thermodynamik (Berechnung der Temperatur) und der allgemeinen Physik der Atmosphäre (zum Beispiel der Turbulenzprognose). Das Besondere an ENVI-met

4.3

4.3.1

Kurzzusammenfassung: Das Bewer-tungsmodell ist ein Simulationspro-gramm zur Darstellung aller energeti-schen Flüsse im Außenraum. Es setzt sich aus sechs Programmeinheiten zusammen und liefert als Ergebnis nu-merische Daten, farbabgestufte Karten und Schnitte des Simulationsraumes.

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4.3.2

ist, dass es das meteorologische Strömungsmodell mit einem Wärme- und Strahlungs-haushaltsmodell für Vegetation vereint. Dabei wird das physiologische Verhalten der Pflanzen (Atmung, Fotosynthesezyklus) nachgebildet. ENVI-met ermöglicht durch die dreidimensionale numerische Lösung der hydrodynamischen Grundgleichungen die prognostische Berechnung instationärer atmosphärischer Prozesse für jede der mo-dellierten Gitterzellen. Es koppelt das allgemeine Strömungsfeld, die auftretenden Tur-bulenzen und die Wärmebilanzen für Grenzflächen an Oberflächen und Atmosphären-schichten. Auf diese Weise können die relevanten klimatischen Einflüsse auf eine Ober-fläche und deren eigener Einfluss auf das Mikroklima abgebildet werden. Alle Elemente eines Simulationsgebiets, wie Gebäude, Vegetation oder die verschiedenen Boden- und Fassadenoberflächen werden als würfelförmige Quader abgebildet, um die Struktur der städtischen Bebauung modellhaft untersuchen zu können. Für jeden dieser Quader wird pro Rechenschritt ein Zustand für die meteorologischen Klimadaten errechnet. Als Ausgangszustand werden vom Anwender des Simulationsprogramms für einen Modelltag die meteorologischen Daten der Lufttemperatur, der Windgeschwindigkeit und -richtung, der Luftfeuchtigkeit und der Strahlung vorgegeben. Diese werden über den Einströmrand an das Modell übergeben. Anhand dieser Werte und weiterer festge-legter Rahmenbedingungen von Böden, Fassaden und Vegetation simuliert ENVI-met die spezifischen kleinskaligen Klimadaten im Untersuchungsgebiet innerhalb eines de-finierten Untersuchungszeitraums.“ (Keßler,S13:2008)

Funktionsweisen des Programms„Das Modell ENVI-met ist ein dreidimensionales gekoppeltes Strömungs- Energiebi-lanzmodell. Die physikalischen Grundlagen basieren auf den Gesetzen der Strömungs-mechanik, der Thermodynamik und der Atmosphärenphysik.“ (Bruse, Anwendung von mikroskaligen Simulationsmodellen in der Stadtplanung, 2001:4)Die Aufgabe von ENVI-met besteht in der Simulation von Energieflüssen in einem numerischen Modell eines beispielsweise kleinskaligen Klimatopes über eine variable Dauer. Mit der Erhöhung der Simulationszeit erhöht sich auch die Genauigkeit der Re-sultate. Üblicherweise werden 24 Stunden simuliert. Die Raumsituation ist gerastert und kann dementsprechend nach Gestalt des Raumes mit Eigenschaften „gefüllt“ bzw. belegt werden. Die Rastervolumina mit ihren Typologien bekommen bestimmte Eigenschaften und stehen immer in Wechselbeziehungen mit den anderen Rastertypologien. Oberflächen

Die ID´s der nebenstehenden Grafiken haben folgende Bedeutung:Strukturen18 - Höhe der GebäudeI1 - Baum, lockere Struktur, 15 Meter hochxx - Gras, 50 cm hoch

ABB 4.40: Rastereingaben, Belegung von Eigenschaften im ENVI-met Editor, Screenshot ENVI-met 3.1

ENVI-met - Grundlagen

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sind aufgrund der Wärmeleitfähigkeiten als ganzheitliche mit den unteren Schichten verbundene Systeme definiert. In den dazugehörigen Datensätzen sind die üblichen Bodenoberflächen in ihrem Aufbau vordefiniert. Es bietet sich aber die Möglichkeit, aktiv eigene Typen und andere Schichtzusammensetzungen direkt neu zu entwickeln und in die Datensätze dementsprechend einzupflegen. In dem verwendeten ENVI-met 3.1 sind die Parameter zu den definierenden Gebäudevolumina mit Angaben zur Innentemperatur, Temperaturemissionen über Wände und Dächer sowie den Albedos der Außenflächen vorher zu definieren. Vegetationsvolumen und die dazugehörigen Parameter können wie bei den Oberflächen anhand der Programmdatensätze und den vorgegeben üblichen Vegetationstypen und Eigenschaften benannt werden. Es bietet sich auch wieder die Möglichkeit, eigene Typen neu zu definieren. Die Genauigkeit der Simulationsergebnisse hängt von den gewählten Rastergrößen ab. Mit Verkleinerung der Rastergrößen steigt die Genauigkeit, jedoch auch die Re-chenleistung und somit der Zeitaufwand für die Simulation. Dem sinngemäß ergänzt ergibt sich auch die Tatsache eines steigenden Zeitaufwandes mit zunehmender Größe und Komplexität des Simulationsraumes. Die wichtigsten primären Eingangsparame-ter zu den physikalischen Gegebenheiten des jeweiligen Ortes sind eigens definierte Startaußentemperatur, das Datum, die Windgeschwindigkeit, der Windanströmungs-winkel, der Rauhigkeitsfaktor und der Feuchtigkeitsgehalt der Luft. In diesem Fall dienen genaue Kenntnisse der örtlichen Verhältnisse auch der Genauigkeit der Ergeb-nisse. Mit der Eingabe der Lage im Längen- und Breitengradraster sind Sonnenstände und Sonnenwinkel für die Simulation dementsprechend kalkuliert.Das Ergebnis in Form der Datensätze und in Form der Kartenwerke ist aufgrund der Struktur der Programmierung immer als Summe einzelner Teil-Programmierungsab-schnitte zu sehen. ENVI-met selbst ist kein eigenständiges Simulationsprogramm; vielmehr greift/besteht es aus mehreren Programmen, welche jeweils für eine expli-zite Anwendung innerhalb des Simulationszyklus zuständig sind. Das Programm setzt sich aus den folgenden Komponenten zusammen:

EnvimetEddi:Das Programm ENVI-met Eddi bildet den ersten Schritt in der Programmabfolge zum Erstellen des Simulationsmodells. Es ist simpel und einfach aufgebaut. Im Grundriss werden Gebäude- und Flächentypologien mit ihren Eigenschaften gezeichnet und de-finiert. In darauffolgenden Weiterentwicklungen des Programms besteht die Möglich-keit in 3D zu zeichnen. Das erleichtert im Vergleich zur 3.1 Version die Vorstellungen für die Raumsituation und der Bezug zur Realität. Zwischen den Einzelelementen wie Gebäude, Fläche oder Vegetation kann durch die einzeln ansteuerbaren Bearbeitungs-module einfach hin und her geschaltet werden. Um eine Raumstruktur erstellen zu können, muss der Anwender alle relevanten Elemente wie Gebäude, Vegetation und Oberflächen als rechtwinklige Quader (Basiselemente) darstellen. Die Quader wer-den im Bausteinprinzip der konkreten Gestalt des Raumes nachgebildet. Durch die Kombination von Basiselementen lassen sich auch komplexe Strukturen darstellen. „Hierdurch entsteht ein computerfassbares Abbild der Stadt. Nachteil dieser gitter-punktbasierten Darstellung ist die Tatsache, dass alle Kanten den Gittergrenzen folgen müssen, schräge Kanten werden also durch Stufen dargestellt.“ (Bruse , in Anwendung von mikroskaligen Simulationsmodellen in der Stadtplanung, 2001)Im Schritt 1 wird der Anwender aufgefordert, die Grundfläche des Modells zu defi-nieren. Für das Erstellen der Ausgangsfläche müssen als Erstes die x, y und z Koordi-naten (hier in Grids angegeben) bestimmt werden. Bei der ENVI-met Version 3.1 kann die Anzahl der Grids auf der x- und y-Ebene mit maximal 250 Einheiten bestimmt werden, wobei ein Grideinheit in der Regel für einen Meter steht. (Maßstab: 1 Grid in der Regel = 1 Meter, vergl. unten). In der z-Ebene sind maximal 50 Grids möglich. Dadurch ist die Grundfläche in ihrer Größe bei der 3.1 ENVI-met Version auf ein Ge-

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samtmaß von 250 mal 250 Grids und 50 Grids in die Höhe begrenzt. Zur Seite der darzustellenden Raumsituation empfiehlt der Programmierer aus Genauigkeitsgrün-den, einen ausreichenden Randbereich mit Abstandsgrids zu belassen. Ohne einen ausreichenden Randbereich werden Strömungs- und Strahlungsergebnisse ungenau und verfälscht. Des Weiteren muss die Größe der einzelnen Grid-Zelle bestimmt wer-den, mit der später die Modellstruktur erstellt wird. Hierbei gilt: je kleiner die Zahl der einzelnen Grid-Zelle, desto genauer lassen sich hinterher die verschiedenen Werte er-mitteln (vergleiche oben). Die normale Größenordnung liegt bei 1 Meter oder 2 Meter pro Zelle. Abschließend wird der Ort durch genaue Längen und Breitengradangaben definiert (vergl. Abbildung). Auch die Angabe der passenden Zeitzone lässt sich über dieses Menü-Fenster bestimmen.Nachdem diese Einstellungen getätigt wurden, erscheint das neu definierte Model-lareal am Bildschirm. Im Schritt 2 werden Strukturen wie Gebäude und Vegetation erstellt. Hierzu steht dem Benutzer auf der linken Seite des Bildschirms eine weitere Menüleiste zur Verfügung. Sie beinhaltet die Untermenüs:1. Cursor Position2. Edit Buildings/Vegetation3. Edit Soils4. Edit Receptors 5. Edit Sources6. BOT world database linksZu 1. Cursor Position: Zeigt die jeweilige Position des Cursors im Modell an.Zu 2. Buildings/Gebäude:Um Gebäude zu errichten, wählt man die gewünschte Höhe und zeichnet diese in ihrem Grundriss nach. Die maximale Höhe ist jedoch auf 50 Grids begrenzt (vergl. oben). Löschen kann man die gesetzten Grids durch das Gedrückthalten der STRG Taste und das gleichzeitige Drücken auf der linken oder rechten Maustaste.Zu 2.1. Vegetation: Für die Vegetation kann der Benutzer aus einer voreingestell-ten Liste unterschiedliche Vegetationstypen auswählen. Bei Bedarf lässt sich diese Liste wie oben bereits beschrieben um selbst definierte Strukturen erweitern.Zu 3. Edit Soils/Oberflächenbeschaffenheit: Die Oberflächen können über dem darunter liegenden Punkt bestimmt werden. Der Benutzer kann zwischen den ver-schiedensten Oberflächenformen wählen und diese bei Bedarf – wie schon bei der Vegetation – um weitere Strukturen ergänzen.

ABB 4.41: dat Datei als Grundlage der Berechnungen, hier: Böden und Eigenschaften, Es können auch neue Abfolgen in die Datei mit eingepflegt werdenRastereingaben, Screenshot ENVI-met 3.1

Die Daten werden daraufhin als IN-Datei im INPUT-Ordner gespeichert. Mit dem Mi-crosoft Editor lassen sich die Dateien für den Benutzer öffnen und betrachten. Dieser Vorgang dient jedoch allein der Überprüfung des erstellten Modells.

ENVI-met Cedit:Das Programm ENVI-met „Cedit“ bildet den zweiten Abschnitt in der Programmab-folge zum Erstellen von Simulationsmodellen. Der Anwender muss eine Basiskonfi-


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guration erstellen, in der die Faktoren der späteren Simulation festgelegt werden. Zu diesen Faktoren gehören:Name der Simulation, Bestimmung der Input-Datei, Name der Output-Datei, Spei-cherort der Output-Datei, Simulationsdaten (Datum des Simulationstages, Startzeit, Dauer, usw.), Wind (Stärke, Richtung), Temperatur (!) , wird hier in Kelvin gemessen, LuftfeuchteDie eingegebenen Daten werden anschließend als CF-Datei gespeichert.

Die nebenstehende Grafik zeigt die Eingabeparameter in der Konfiguration der Varianten 1-4 für Kassel der Simulationsreihe aus Kapitel 6.0. Start der Simulation ist der 01.06.2008 um 7 Uhr am Morgen und die Simulationszeit beträgt 6 Stunden. Die Angaben zur Windgeschwindigkeit, der Windrichtung und der Feuchte usw. sind wie oben beschrieben, aus lokalen und regionalen Klimastatistiken zu entnehmen. Die Temperatureingabe erfolgt wie in der Klimatologie üblich in Kelvin. Die Angaben aus den Klimadaten sind dementsprechend umzurechnen (27K = 0°C).

ABB 4.42: Screenshot einer CONFIG Datei

ENVI-met Version 3.1 250x250:Das Programm ENVI-met Version 3.1 250x250 bildet den dritten Abschnitt in der Programmabfolge zum Erstellen von Simulationsmodellen. Dieser Arbeitsschritt bildet mit den Rechenvorgängen zur Simulation den Mittelpunkt der Programmsegmente. Die Daten aus den vorausgegangenen Arbeitsschritten werden in dem dritten Ab-schnittsprogramm berechnet. Der Rechenvorgang zur Erstellung der Ergebnisdaten kann, je nach Modellgröße und -zeitraum, einige Stunden, bei größeren Modellen in Abhängigkeit der Leistung des Computers auch mehrere Tage dauern. Die daraus resultierende Rechendaten dienen als Grundlage zur weiteren Ermittlung der einzel-nen Einflussfaktoren (Wind, Tmrt, PET) in Form von Datentabellen, Diagrammen oder Kartenwerke. Vor dem endgültigen Rechenbefehl empfiehlt es sich, einen Testlauf zu absolvieren.

CalcPET:Die entstandenen Rechendateien aus dem vorangegangenen Programmsegment stel-len die Grundlage für Karten- und Datenexporte dar. Das „CalcPET“ schließt dabei eine Lücke der ersten Programmierungen. Mit den Rechendateien konnten zunächst nur PMV-Karten als Grundlagen der thermischen Indizes erstellt werden. Der PMV Index ist nach dem Stand der Technik in der Stadtklimatologie (vergl. Kapitel 02) nur un-zureichend als Bewertungsindex für Aufenthalt im Freien nützlich. Durchgesetzt hat sich nach Meyer der PET-Index. Mit dem „CalcPET“ werden die Rechengrundlagen für Karten und Datenexporte bezogen auf den PET-Index vorbereitet. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang die Parameterdefinierung der Nutzer. Es bietet sich in diesem Programmschritt die Möglichkeit, auf die intermediären und physiologischen Bedin-gungen der potenziellen Nutzer Rücksicht zu nehmen. Es können Angaben zum Alter, zur metabolischen Umsatzrate (Tätigkeit), zum Gewicht sowie zum Bekleidungsfaktor vorgenommen werden. Individuell können planerische Handlungen auf individuelle Nutzergruppen bezogen werden. Das ist ein entscheidender Vorteil im Rahmen der

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Energieflussbetrachtung und rundet die Ergebnisse aus ENVI-met ganzheitlich ab.

Leonardo:In „Leonardo“ können mit den Grundlagen der Rechendateien Karten und Schnitte zu verschiedenen Einflussfaktoren dargestellt werden. Die Varianz der Kartenwerke ist weit gespannt. Von Lufttemperatur, Windflüssen, Einflusstemperaturen der Gebäu-dewände, über Sky-View-Faktor, PET, PMV bis hin zu Luftfeuchtigkeitsverteilung usw. (vergl. Abbildungen). In „Leonardo“ kann die Schnittebene der zu erstellen Aussage in vertikalen oder auch horizontalen Karten erfolgen. Es bietet sich somit auch die vertikalen Einflüsse und die damit verbundenen Effekte (z. B. an vertikalen Elementen wie Gebäuden oder Solitärgehölzen) durch klassische Schnitte visuell darzustellen. Bei menschbezogenen Einflüssen ist immer die primäre Einflusshöhe (z. B. horizontal in ca. 1.60m Höhe) zu bestimmen.Neben der Kartenfunktion zur Auswertung dient „Leonardo“ als Übersichtsprogramm von definierten Schnittlinien und den damit verbundenen Datenpunkten zur weiteren Auswertung.

ABB 4.43: Screenshot aus dem Teil- Programm „Leonardo“, Screenshot ENVI-met 3.1

4.3.3


DataExtractor:Der „DataExtractor“ exportiert die Daten einzelner definierter Punkte aus dem simu-lierten und gerechneten Raumgefüge in Einzeldaten zur Auswertung. Die exportierten Datenkennwerte können in klassischen Tabellenprogrammen wie „Microsoft Excel“ zusammengeführt und ausgewertet werden. Für die Simulationen wurden mit Begrü-nungen 5 Punkte und in den Varianten ohne Begrünung 4 Punkte definiert und mittels des „DataExtractor“ ausgelesen.

Anwendungsbereich des ProgrammsDas Programm ENVI-met fasst ganzheitlich alle energetischen Flüsse in einem Frei-raum zusammen und prognostiziert Auswirkungen in Form von Daten- und Karten-medien. Aus dem Bereich Stadtklimatologie heraus entwickelt, bleibt das Programm des Geografen Dr. Michael Bruse derzeit einer speziellen Klientel von Fachleuten vor-

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Kurzzusammenfassung: Die Stadtkli-matologie stellt eine Vielzahl an Ergeb-nissen, Modellen und Anwendungstools zur Verfügung. Diese in den letzten Jahrzehnten ansteigende Forschungs-tätigkeit und die daraus resultierenden Ergebnisse erreichen aber nur in Ein-zelfällen die Anwendungsdisziplinen Architektur, Stadtplanung und Land-schaftsarchitektur. Die Kommunikation zwischen beiden Tätigkeitsbereichen sollte intensiviert werden.

behalten. Aufgrund der sechs Programmschritte und verschiedener analoger Hand-lungen erschließt sich nur mit Vorbildung und einer geschulten Anleitung die Arbeits-weise des Programms. Das ermöglicht auf der Anwenderseite der Stadtplaner und Landschaftsarchitekten zur Zeit leider eine nur sehr eingeschränkte Verwendung die-ses Anwendungsmodells. Mit einem gelernten Umgang lassen sich allerdings je nach Genauigkeit der gewünschten Ergebnisse relativ zeitnah und kurzfristig die Wirkungs-kette Planungshandlung und Auswirkungen im Raum erkennen. Es ist gerade im Hin-blick einer Weiterentwicklung des Programms und einer damit verbundenen Verbes-serung der Anwendung durchaus realistisch, dass ENVI-met ein gängiges Modell bei den Anwendungsdisziplinen werden könnte. Das setzt zum einen eine grundsätzliche Erkenntnis für die Problemstellung und zum anderen einen Zugang zu diesem Pro-gramm voraus. Insgesamt betrachtet können ENVI-met Simulationen für kleinskalige Freiraumsituationen (kürzere Simulationszeiten, weniger Datenmengen) hilfreiche Erkenntnisse für Planungshandlung, Auswirkung und Varianten liefern. Für größere Raumeinheiten mit komplexeren äußeren Zusammenhängen ist derzeit der Rechen-aufwand zu hoch und das Ergebnis zu wenig zeitnah präsent. Dementsprechend sind größere Raumeinheiten nur mit einem bestimmten Budget in der Planungspraxis rea-listisch genau im Vorfeld zu untersuchen.

Bewertung und Zielformulierungen In der biometeorologischen Forschung bilden thermisches Milieu und die aufgezeig-ten Einflussfaktoren den Hauptfokus aktueller Forschungen. Der Mensch und sein Organismus müssen sich im Rahmen ihrer Lebensfunktionen ständig um ein thermi-sches Gleichgewicht bemühen. Insofern bildet die Kenntnis aller Einfluss gebenden Faktoren eine wichtige Grundlage auch im Rahmen der Planung. Die Komplexität des individuellen thermischen Empfindens wird z.B. in RUROS (2004) durch den Empfind-lichkeitswert ASV ausgedrückt und anhand der Vergleichswerte verschieden gewähl-ter Städte in Europa deutlich. Im Rahmen des Forschungsprojektes bilden zahlreiche vorangegangene, umfangreiche Erhebungen die Grundlage für die Vergleichswerte der unterschiedlichen Städte. Für aber oft zeitgebundene Planungsprozesse müssen einfachere Entscheidungsschritte zu der Nutzerstruktur und den individuellen Be-haglichkeitsansprüchen gefällt werden können. Die ASV-Werte aus RUROS (2004) beinhalten im Vergleich zum PET-Index zusätzlich die nicht messbaren individuellen Einflüsse des Nutzers durch im Vorfeld ergänzende Umfragen. Die aufgezeigten Me-thoden und Tools des RUROS Projektes geben einen umfassenden Überblick über die Anwendung thermischer Einflussfaktoren in städtischen Räumen. Deutlich werden die planerische Einflussnahme und ihre Möglichkeiten. Unklar bleibt aber zum einen die Anwendung in Kombination der Einzelschritte sowie zum anderen die Zielgruppe. Die Forschergruppen setzen von den umsetzenden Disziplinen ein Vielfaches an speziel-lem Wissen voraus. Diese Annahmen bleiben kritisch zu betrachten (vergl. Umfrage, Laue, Appendix). Deutlich wird mit dem Ergebnis der RUROS-Studie die Komplexität der Aufgabenstellung. Das heißt bei einem umfassenden Anspruch an Genauigkeit von prognostizierter Planung an verschiedenen Orten Europas setzten in der Regel viele Methoden und Tools zeitlich aufwendige Messungen, Umfrage sowie komplexere numerische Rechenschritte voraus. Die aufgezeigten Erkenntnisse sind vielschichtig aber meistens auf Einzelbetrach-tungen reduziert. Jedes Modell bemüht sich einer exakten Genauigkeit auf das zu untersuchende Themenspektrum. Auch wenn längst nicht alle Methoden, Modelle und Forschungserkenntnisse hier aufgeführt sind, so wird doch die Komplexität der Aufgabenstellung deutlich. Darin ist, neben fehlenden klaren politischen und recht-lichen Anweisungen, die Hauptursache zur mangelnden Anwendung in der Planung zu suchen. Einzelbetrachtungen oder nur ortsbezogene Datenauswertungen erschwe-

4.4

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ren den Zugang für die unmittelbare Entscheidung in einem generellen planerischen Vorgehen. Ziel seitens der Architekten, Stadtplaner und Landschaftsarchitekten muss es sein, nicht zu versuchen in jeder planerischen Entscheidung alle Gegebenheiten mit allen bestehenden Erkenntnissen abzugleichen. Dieses Vorgehen ist zum einen nicht realistisch und zum anderen wird es vermutlich nur zu geringen fachlich fun-dierten Entscheidungen führen. Die Einzelerkenntnisse der bestehenden Forschungen sind wichtig und haben letztendlich immer weiter zu zusammenfassenden Modellen geführt. Dennoch sind diese Modelle bis jetzt wenig in den Planungsalltag integriert. Das liegt zum größten Teil an der Bedienbarkeit, dem Verständnis und der fehlenden ganzheitlichen Betrachtungsweise. Derzeit existiert mit ENVI-met ein wichtiges aktuelles „ganzheitliches“ Modell zur unmittelbaren Anwendung in der Planung. ENVI-met hat den großen Vorteil als End-produkt in der Architektur und Landschaftsarchitektur übliche Medien wie Karten zu produzieren. Mit diesen Medien besteht die Möglichkeit zu kommunizieren und Verständigungsprobleme zu lösen. Über einfache Simulationen sind im Vorfeld be-stimmte Planungshandlungen auf den thermischen Komfort bezogen erkennbar. Das bedeutet ohne Vorstudien kann zeitnah der Planungsraum in Varianten untersucht werden. Benötigt werden nur ortsbezogene meteorologische Daten. Genauere nutzer-spezifische aber auch genauere, großräumlichere Betrachtungsweisen können dann bei ausreichender Zeit- und Kostenbudgetierung zusätzlich durch andere existente Einzelmodelle analysiert und ergänzt werden. In diesem Zusammenhang können auch die nutzerspezifischen Verhaltensweisen (zum Beispiel im RUROS untersucht) durch Studien und Umfragen die Erkenntnisse zum Raum verbessern. Wichtig, so scheint es, ist auf beiden Seiten ein Gefühl die Arbeitsmittel und für die Arbeitsweisen der jewei-lig anderen Fachdisziplin zu entwickeln. Mehr wissenschaftlich arbeitende Disziplinen lassen sich durch die Vielzahl der Einzelbetrachtungsmöglichkeiten selten auf sofor-tige generelle Aussagen ein. Die ausführenden Disziplinen versuchen dagegen immer zu generalisieren und Entscheidungen schnell zusammenzufassen. Aus diesem Grund sind numerische Einzelmodelle zu Einzelschritten sowie zu umfassende Datenpools nur schwer von Planern in gewohnter Art und Weise zu erfassen. Durch zumindest in Deutschland existente relativ flächendeckende Karten lassen sich im ersten Planungsschritt Einflüsse erkennen. Insofern sind in der Regel die phy-sikalischen Gegebenheiten bekannt und es lassen sich ortsbezogene Aussagen re-cherchieren. Das bedeutet in Kombination mit technischen Hilfsmitteln und Simu-lationsprogrammen können auch auf planerischer Seite relativ genaue Varianten zur thermischen Aufenthaltsqualität entwickelt werden. Zusammenführend ist dennoch die Bestimmung der Behaglichkeitsparameter in mi-kroklimatischen Planungsräumen mit passenden Hilfsmitteln nicht so komplex wie es scheint. Über verschiedene meteorologische Karten zu Strahlungsintensitäten und Windgegebenheiten lässt sich eine erste Annäherung an die thermische Situation er-fahren. In Ergänzung dazu bieten inzwischen Bundesländer, Kommunen und Gemein-den wie o.g. eine Vielzahl an Informationsmöglichkeiten zu örtlichen Gegebenheiten. Darüber hinaus können technische Hilfsmittel wie das Programm „Google Earth“* und „Sketch Up“** genauere Informationen zu Sonnenverläufen und Sonnenständen für die primären Nutzerzeiten liefern. Mit Informationen zu Material-, Oberflächen- und Vegetationseigenschaften kann eine einfache Simulation im ENVI-met aufschlussrei-che Karten zum Planungsraum liefern. Die oben aufgezeigten Einflusseffekte physika-lischer Natur sind deutlich in den Karten aus der Simulation ablesbar und lassen sich in analytischen Schritten modifizieren und überprüfen. In ENVI-met lassen sich dazu insbesondere auf den Nutzer bezogen Parameter zu Alter, Geschlecht, Bekleidungs-faktor und Tätigkeitsgrad für PET Karten definieren. Damit bietet sich neben den phy-sikalisch - örtlichen Gegebenheiten und Parametern auch eine mögliche planerische Vorabfrage zu nutzerspezifischem Verhalten und Parametern.

Bewertung: Forschungstätigkeiten und Methoden - Grundlagen

* Google Earth - als Freeware-Pro-gramm erhältlich mit detailierten Kar-ten und Luftbilder. Große Bereiche sind bereits mit Metadaten verknüpft und bieten zahlreiche zusätzliche Informa-tionen an.

** SketchUp, ebenfalls von Google als Freeware erhältlich (ausser Sketch Up Pro). Ein 3-D Modellierungsprogramm mit Verküpfungen zu Google Earth - jede Planung ist immer nach Eingabe ortsbezogen und kann zum Beispiel Sonnenstände simmulieren.

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AUSWERTUNG UND WEITERES VORGEHEN 5.1 Zusammenhänge von Stadtklimatologie und Landschaftsarchitektur 5.2 Einflussparameter zur thermischen Behaglichkeit 5.3 Methodik und weiteres Vorgehen

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Auswertung und weiteres VorgehenDie vorangegangenen Kapitel 3.0 und 4.0 stellen für die Fragestellungen wichtige Grundlagen zusammen und fokussieren die Zusammenhänge. Welche klimatischen Besonderheiten ergeben sich in Städten und welche ähnlichen kleinskaligen Räu-me werden durch welche Einflussfaktoren bestimmt? Es wurden Ähnlichkeiten bei bestimmten Raumkonstellationen festgestellt und die Einflüsse auf den Nutzer im Raum gedeutet. Der thermische Wirkungskomplex des Menschen stellt die komple-xen Zusammenhänge dar: Neben den primären physikalischen Einflüsse ist auch die Individualität des Nutzers von Bedeutung. Die individuellen Voraussetzungen werden zum größeren Teil auch in den PET-Index eingerechnet (Alter, Geschlecht, Tätigkeit). Strahlung und Wind als physikalische Eingangsparameter haben je nach Verortung, Zeitpunkt, Raumkonstellation und Raumausstattung den stärksten Einfluss auf die Be-haglichkeitsgleichung. Entsprechend der Fragestellungen bieten diese physikalischen Einflüsse je nach Gestaltungsumgang mit den Bausteinen der Landschaftsarchitektur die größten Potentiale für Planungseingriffe und Planungssteuerungen.Die aufgezeigten Erkenntnisse sind zum einen aus der Perspektive der erforschenden Disziplin Stadtklimatologie und zum anderen aus der Perspektive der umsetzenden Disziplin Landschaftsarchitektur betrachtet worden. Es bleiben aber in diesem Zusammenhang zwei wesentliche Fragen nicht klar genug beantwortet:Zum einen, welche Ergebnisse können konkret durch gezielte Maßnahmen bezüglich Strahlung und Wind erzielt werden? (Das greift die grundsätzliche Fragestellung auf: Welche Mittel hat die Landschaftsarchitektur und wie können diese Mittel eingesetzt werden?)Und zum anderen wie sind die beiden Disziplinen Stadtklimatologie und Land-schaftsarchitektur miteinander verknüpft und welche Erkenntnisse und Methoden können übertragen oder interdisziplinär miteinander verbunden werden? Um die Er-kenntnisse der „Stadtklimatologie“ hinsichtlich der Fragestellungen weiter auswerten zu können, bedarf es einer Betrachtung der Zusammenhänge aus dem Blickwinkel der Landschaftsarchitektur. Das bedeutet welche Planungshandlungen erzeugen welche Effekte und wie stehen diese Effekte in Beziehung zu den Arbeitsweisen und Aus-drucksmittel der Landschaftsarchitektur.

Zusammenhänge von Stadtklimatologie und Landschaftsarchi-tektur Das Schaubild auf der nächsten Seite verdeutlich derzeit existente Zusammenhänge zwischen den beiden Disziplinen Stadtklimatologie und Landschaftsarchitektur un-ter dem Aspekt der thermischen Behaglichkeit in kleinskaligen städtischen Raum-einheiten. Das Schaubild ist jeweils nach Zielsetzungen, Grundlagen, Arbeitsweisen und Ausdrucksmitteln strukturiert und sucht nach einem Entscheidungsbaum im Pla-nungsprozess. Welche Synergieeffekte existieren zwischen den beiden Disziplinen und wie können diese Synergien hinsichtlich der bestimmenden Planungsfokussierungen genutzt werden. Es wurden neun Begriffe definiert: Ort + Zeit, Ausrichtung, Topo-grafie, Raum + Dimensionen, Homogenität des Raumes, Nutzer + Verhaltensmuster, Oberfläche + Materialien, bauliche Elemente und Vegetation. Jeder Begriff steht für einen Schwerpunkt im Planungsprozess. Die jeweiligen Begriffe haben unmittelba-ren direkten oder indirekten Einfluss auf den thermischen Komfort im städtischen Freiraum. Die zusammenhängende Definition aus der Perspektive beider beteiligten Disziplinen und die konkrete Benennung der Begriffe hilft im Planungsprozess Ziel-setzungen einfacher und verständlicher zu kommunizieren. Diese Begriffe sind für

5.0

5.1

Auswertung und weiteres Vorgehen

Kurzzusammenfassung: Die zusam-mengestellten Grundlagen haben die Fragestellungen präzisiert und werten Einflüsse und Effekte hinsichtlich des thermischen Komforts in städtischen Räumen. Dabei ergaben sich zwei spe-zifische und vertiefende Fragen: Zum einen nach den Zusammenhängen und Synergieeffekten zwischen den Dis-ziplinen Stadtklimatologie und Land-schaftsarchitektur und zum anderen nach konkreten Zusammenhängen der Wirkungskette Planungshandlung und thermische Auswirkung. Das führt zu einer Fokussierung auf beidseitig ver-ständliche Begriffe und den damit zu-sammenhängenden Auswirkungen.

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Landschaftsarchitekten greifbarer und fassen die üblichen stadtklimatologischen Un-tersuchungen von Einzelthemen zu Strahlung oder Wind in für beide Seiten verständ-liche Handlungsfelder. Um die Synergieeffekte zwischen beiden Disziplinen nutzen zu können, bedarf es zum einen eines beiderseitigen Verständnisses für Ziel und Arbeitsweisen und zum anderen ähnlicher Ausdrucksmittel als Basis für Kommunikation. Aufsichtskarten und Schnitte sind gleiche Ausdrucksmedien. Zudem könnten Diagramme in ihrer Darstellungsart für beide Disziplinen angeglichen und somit kommunizierbar werden.

Ein wichtiger großer Unterschied zwischen beiden Disziplinen ist das Handlungs-feld. Die Landschaftsarchitektur ist eine Planungsdisziplin und dementsprechend immer zusammenfassend, prozesshaft und ergebnisorientiert. Die Stadtklimatologie ist eine primär forschende Disziplin mit klaren Handlungsfeldern. Sie gibt Impulse und Erkenntnisse an die Stadtplanung und die Landschaftsarchitektur weiter. Die Ar-beitsweisen unterscheiden sich teilweise ganz erheblich voneinander. Der Rahmen der Fragestellung ist je nach Disziplinen weiter oder enger gefasst. Dazu kommt ein unterschiedlicher Blickwinkel auf die Sicht der Dinge. In der Landschaftsarchitektur werden derzeit Planungsentscheidungen primär nach nutzungs-, gestaltspezifischen und sozialen Kriterien gefällt. Das Bewusstsein für die Möglichkeiten einer verbesser-ten Behaglichkeit ist nur bedingt vorhanden (vergl. Umfrage Laue 2006, Appendix*). Es gilt die Bedeutungen aufzuzeigen und somit das Bewusstsein für Möglichkeiten anzuregen. Die Stadtklimatologie untersucht dagegen klar definierte Problemstellun-gen unter dem Aspekt ansteigender Überwärmung und weiterer thermischer Defizite in Städten. Sie bietet eine Vielzahl an Erkenntnissen und Handlungsanleitungen. Es haben sich zudem unterschiedliche Forschungsschwerpunkte entwickelt. Diese Viel-zahl an Erkenntnissen sollte dem Schaubild entsprechend auf allgemein verständliche Begriffe übertragen werden können. Nur so können Synergieeffekte zu Stande kom-men. Als Planer benötige ich benennbare Aussagen zu Planungshandlung und mög-lichen thermischen Auswirkungen. Diese Handlung muss fassbar in verständlichen Thermen ausgedrückt werden. Die Stadtklimatologie besitzt Modelle zur numerischen Benennung dieser Fragestellungen aus dem Bereich der Landschaftsarchitektur. Auf die Verknüpfung beider Fachdisziplinen kann aufgebaut werden.

ABB 46: Schaubild: Zusammenhänge der Disziplinen „Stadtklimatologie“ und „Landschaftsarchitektur“ unter dem Aspekt der Behaglichkeit in kleinskali-gen städtischen Raumeinheiten

* Onlineumfrage vom 30.08.2007: Das Bewussstein für die Möglichkeiten des Einflusses ist nicht vorhanden! Zu-dem gehören Untersuchungsschritte zum klimatischen Einfluss nicht in die gängige Planungspraxis. (Vergleiche Appendix B2)

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Einflussparameter zur thermischen Behaglichkeit Ort. Zeit, Ausrichtung und TopografieEin erster planerischer Schritt der Annäherung bleibt die Einschätzung der Veror-tung und den sich daraus ergebenden Konsequenzen für die thermische Situation des Nutzers. Je nach Längen- und Breitengrad ergeben sich verschiedene energetische Eingangs- und Ausgangsparameter für die Behaglichkeitsgleichung. Neben einem Einfluss durch Verortung ergibt sich auch ein möglicher Einfluss durch die Topografie. Für Solarstandorte werden üblicherweise Verfügungskarten von Sonnenscheindauer mit topografischen Karten verknüpft. Auch jede größere Baumaßnahme (Baufelder) wird hinsichtlich der solaren Strahlungsverfügbarkeit überprüft. Natürliche Topogra-fie schafft bestimmte Verfügbarkeiten, die aber auch durch geeignete Maßnahmen planerisch verändert werden können. Im Zusammenhang von Ort und Topografie stellt sich die Frage nach dem Zeitpunkt der Betrachtung. Welcher Ort ist zu welcher Zeit mit welchen Energieflüssen in Zu-sammenhang zu bringen? Der Zeitpunkt der Betrachtung entscheidet über die je-weilig verfügbaren primären energetischen Eingangsgrößen und lässt Defizite und Potentiale abschätzen. Mit einer klaren Erkenntnis für eine bestimmende Größe auf die Behaglichkeitsglei-chung an einem bestimmten Zeitpunkt lassen sich im Verlauf des Planungsprozesses die Handlungsmöglichkeiten einfacher definieren. Olgay (1963) spricht in seinem Werk „Design with climate“ bei den Planungsabläufen von Wertungen der Einflussfaktoren zu verschiedenen Planungsvarianten. Im zweiten Schritt der Entscheidungen können so Veränderungen in planerischer Sicht besser und logischer konzeptioniert werden. Die jeweilige Ausrichtung eines Ortes entscheidet über primäre Wind und Strahlungs-einflüsse auf die Behaglichkeitsgleichung. Das bedeutet eine Ausrichtung zur oder gegen die Windrichtung und eine Ausrichtung in Nord-Süd oder Ost-West Richtung bestimmt im Zusammenhang der Dimensionen, der Homogenität des Raumes (Öff-nungen, Kanten), der Ausstattung und der Oberflächen die Intensität der Einflüsse. Für die weitere Vorgehensweise wäre ein unmittelbarer Vergleich einer Raumeinheit mit gleichen Eingangswerten an unterschiedlichen Orten mit unterschiedlichen Aus-richtungen für genauere Erkenntnisse sehr hilfreich. Es könnten somit für Planungs-handlungen numerische Aussagen für Rückschlüsse auf Gestaltungsentscheidungen gemacht werden.

Raum, Dimensionen und Homogenität der RaumeinheitDie umgebenden Dimensionen der Baustruktur, der baulichen oder vegetativen Ele-mente entscheiden durch Höhe, Breite und Homogenität ganz erheblich über die In-tensität des Einflusses der Faktoren Strahlung und Wind. Es können sich in diesem Zusammenhang bestimmte immer wiederkehrende Effekte bei ähnlichen Raum- und Dimensionskonstellationen ergeben. Es stellt sich die Frage nach der Bedeutung von Höhe zu Breite und den damit verbundenen Auswirkungen auf die Behaglichkeitstem-peratur. Dabei spielen bestimmte Windeffekte ebenso eine Rolle wie der Öffnungs-winkel zum Himmel und einer damit verbundenen Einstrahlungszeit. Strahlung kann bei bestimmten Raumkonstellationen die bestimmende Eingangsgröße sein. Verän-dern sich aber die Dimensionsverhältnisse so gewinnen unter Umständen zunehmen-de Windturbulenzen als physikalische Einflussgrößen Bedeutung für die Behaglich-keitsgleichung. Sinnvoll erscheint für ein weiteres vorgehen ein Dimensionsvergleich einer Raumeinheit mit gleichen Ausgangsparametern zur unmittelbaren Gegen-überstellung. Ein nach öffnungs- und raumbildenden Kriterien homogener Freiraum erleichtert Aussagen zum Einfluss auf der Fläche. Bei Zerteilungen, verschiedenen Höhen- und Breitenverhältnissen sind generelle Aussagen sehr schwer abschätzbar.


5.2

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Hilfreich kann aber bei einem unmittelbaren Vergleich einer ähnlichen Raumsituation die Veränderung eines Dimensionsparameters bei einer Variante sein.

Nutzer und VerhaltensmusterDie analytischen Betrachtungen zum thermischen Wirkungskomplex stellen neben physikalischen Einflüssen auch die Individualität der thermischen Empfindungen durch Alter, Geschlecht, Bekleidungsart und Tätigkeit des Nutzers heraus. Da der PET-Index in Programmen wie ENVI-met eine Option auf Veränderung dieser Ein-gangsparameter auf den Nutzer bezogen anbietet, ergibt sich eine potentielle Frage nach konkreter Benennung an einem Ort mit individuellen Nutzern. Eine Gegenüber-stellung in Karten- oder Diagrammform würde hilfreich Aussagen für Planungshand-lungen bereitstellen.

Oberflächen und MaterialienDie Oberflächen können auf Grund vielschichtiger Materialität-, Masse- und Verwen-dungsvarianten (in horizontaler oder vertikaler Ebene) im Zusammenhang mit Refle-xion und Absorption großen Einfluss auf das Behaglichkeitsempfinden des Nutzers in kleinen Raumeinheiten haben. Eine Vielzahl an Untersuchungen aus der Stadtklima-tologie zeigt diese Bedeutung. Für Landschaftsarchitekten existieren derzeit jedoch wenig numerische Angaben zu der Wirkungskette Material und thermischer Komfort. Wenn überhaupt werden derzeit thermische Auswirkungen durch Reflexion, Absorp-tion und Speicherung allgemeingültig nach Vermutungen zu den jeweiligen Materi-aleigenschaften getroffen. Das betrifft im weitesten Sinne die Vermutung zur Albedo und Dichte des Materials. Im Hinblick einer direkten Benennung scheint wie vor ein Vergleich einer potentiellen Raumeinheit mit gleichen äußeren Bedingungen aber un-terschiedlichen Materialvarianten sehr sinnvoll. Es können so direkt Veränderungen im Behaglichkeitsindex mit den Oberflächenvarianten in Bezug gesetzt werden.

Elemente (baulich)Neben dem grundsätzlichen Einfluss von Flächen können bauliche Elemente wie Per-golen o.ä. direkt im Freiraum das Behaglichkeitsumfeld unmittelbar verändern. Denk-bar sind Strahlungs- aber auch Windmanipulationen. Das könnte zum einen Schutz vor verschiedenen Einflüssen wie Wind oder Strahlung oder zum anderen eine Sepa-rierung der einzelnen Faktoren bedeuten. Die Trennung der einzelnen Einflussfaktoren bietet die Möglichkeit, direkte Einzelfaktoren dementsprechend mehr Wirkungsgrad zu verschaffen. Durch beispielsweise seitlichen Windschutz kann der Strahlungsein-fluss direkt oder indirekt für den Nutzer im Umfeld mehr Wärme bewirken. Durch Strahlungsschutz von oben könnten horizontale Windbewegungen mehr Kühle erzeu-gen. Denkbar sind auch aktive Elemente im Freiraum zur individuellen Steuerung je nach bestimmenden Parametern zum jeweiligen Zeitpunkt primärer Komfortdefizite.

VegetationDie Grundlagenrecherche zum Stadt- und Mikroklima misst den vegetativen Elemen-ten eine besondere Bedeutung zu. Vegetative Oberflächen und Gehölze können Tem-peraturextreme und starke Tagestemperaturschwankungen verringern. Blattmassen und Blattflächen stellen Schutzbarrieren vor Strahlungs- und Windeinflüssen dar. Windbewegungen werden besonders wirksam je nach Durchlässigkeitsbeiwert von Blattflächen abgebremst. „Baumdächer“ nach Strahlungsdurchlässigkeit kategorisiert werden und bieten dementsprechend Filterungsmöglichkeiten vor zu starken Strah-lungseinflüssen. Die Verdunstungsvorgänge und funktionierende Wasserkreisläufe im unmittelbaren Umfeld von Grünflächen bieten daneben für größere stadtklimatische Zusammenhänge einen weiteren Ausgleich zu starker Tagestemperaturschwankun-gen. Größere Grünflächeneinheiten wie Parkflächen senken zum einen die Behag-

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lichkeitstemperaturen im unmittelbaren Umfeld und können bei ausreichender Größe auch Einflüsse auf Lufttemperaturen geltend machen. Für eine weitere Vertiefung der Erkenntnisse fehlen konkrete Zahlen als direkter Vergleich von Grünfläche und befe-stigter Fläche. Um wie viele PET-Grade unterscheidet sich eine potentielle Raumein-heit mit Vegetation und Bäumen von einer analog gleichen Fläche ohne Vegetation.

Methodik und weiteres Vorgehen

ZielsetzungenGemäß den unter 2.0 aufgeführten Fragestellungen möchte die Arbeit die Einfluss-möglichkeiten der Landschaftsarchitektur auf die thermische Behaglichkeit in kleinen Stadtraumeinheiten erkennen und benennen. Es gilt, zum einen bestimmte wieder-kehrende Effekte und Zustände auf ähnliche Raumkonstellationen zu übertragen und, zum anderen die Erkenntnisse und Modelle aus der Stadtklimatologie auf Planungs-bausteine auf die Landschaftsarchitektur zu beziehen. Dabei sind zwei übergeordnete Zielsetzungen verfolgt worden: Es geht erstens um eine Verbesserung der thermischen Behaglichkeit in städtischen Räumen durch Verhinderung und Verringerung von Tem-peraturextremen (primär Überwärmungen) und zweitens um eine Verbesserung der Bedingungen von Übergangszeiträumen (zwischen Frühling und Sommer, zwischen Sommer und Herbst und bei besondere Ortssituationen im Sommer). Mit einer Opti-mierung der Behaglichkeit verlängert sich der mögliche Aufenthalt im Freiraum und trägt somit der steigenden Bedeutung von Freiräumen in Städten Rechnung. Realisti-sche Verbesserungen werden sich vermutlich nur im Rahmen potentieller Möglichkei-ten bewegen. Das heißt, bei entsprechenden zur Verfügung stehenden energetischen Flüssen. In den kalten Jahreszeiten können demnach vermutlich nur geringe Verbesse-rungen erzielt werden. In den Übergangszeiträumen dagegen sind stärkere Potentiale vorhanden. Weiteres Vorgehen Um die Einflussmöglichkeiten der Landschaftsarchitektur im Planungsprozess schritt-weise genauer zu definieren ist ein Vergleich einer Raumeinheit in unterschiedlichen Varianten nach Ort, Dimension und Gestaltungsinhalten hilfreich. Die jeweils verän-derten Parameter können so aus der Perspektive der Landschaftsarchitektur genaue Unterschiede deutlich machen. ENVI-met Simulationen stellen eine Zusammenfüh-rung aller physikalischer und physiologischer Einflussfaktoren auf einen konkreten Ort bezogen dar. Die numerischen Rechenschritte laufen unsichtbar ab, liefern aber mit dem Aufsatzprogramm „Leonardo“ anschauliche Karten als Abwägungsgrundla-ge. Diesen Vorteil der Präzision aller zusammengeführten Einflussfaktoren kann eine gestaffelte Analyse in Einzelschritten nicht liefern (zumindestens nur mit langen ver-knüpfenden und bewertenden Analyseschritten). In ENVI-met können die Karten und Datentabellen zu jeder Verortung eine klar definierte Aussage machen und wertvolle Planungshinweise geben. In diesem Zusammenhang kann eine ENVI-met Simulation Planungsvarianten aus der Perspektive der Landschaftsarchitektur in Bezug zu den energetischen Flüssen im gewählten Freiraum setzen. Der jeweilige Einfluss durch beispielsweise Strah-lungsumsätze kann auf die Planungsentscheidungen übertragen werden. Es können Rückschlüsse auf den Ort, die Raumkonstellation oder die Ausgestaltung des Raumes gezogen werden. Neben diesen Informations-Basics zu der Wirkungskette Planung und Ergebnis aus der Behaglichkeitsperspektive sind zusätzliche Einflussmöglichkeiten durch veränder-te Materialvarianten denkbar. Die Strahlungsumsätze haben vermutlich einen großen Einfluss auf die Behaglichkeitsgleichung, insofern können Grundlagenuntersuchun-

5.3


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gen und experimentelle Betrachtungsweisen von Oberflächen und ihren Eigenschaf-ten zusätzliche Interpretationswege aufzeigen (über die ENVI-met Untersuchungen hinaus).Daneben sind aktive Elemente im Raum zur individuellen Steuerung von energeti-schen Flüssen je nach Zeitpunkt denkbare Zusatzlösungen zur Verbesserung des ther-mischen Komforts.In Kapitel 6.0 folgt eine Untersuchung zu einer gewählten Raumkonstellation* mit der Erwartung, einzelne Planungsentscheidungen in Bezug zur thermischen Behaglichkeit zu setzen. Dieser fiktive Freiraum wird in Varianten zum Ort, zu den Dimensions-verhältnissen, zum Nutzerverhalten, zum Material und zur Vegetation simuliert. Die Interpretationsschritte sind analog zu den Einzelsimulationen und zu den entspre-chenden oben geprägten Begrifflichkeiten. In Kapitel 7.0 ergänzen eigene praktische Versuche und spätere Untersuchungen die spezifischen Fragen zu speziellen Materialeigenschaften und in einer weiteren se-paraten Betrachtung die spezifischen Fragen zu aktiven Elementen in kleinskaligen Freiraumeinheiten. Erkenntnisse und Ergebnisse zu Material und Elementen und den jeweiligen klein-klimatischen Auswirkungen aus den Simulationen können durch ge-nauere eigene Versuche und Messungen detailiert werden. Das führt zu genauere Aussagen bezogen auf örtliche und zeitliche Dimensionen. Wie können bestimmte thermische Defizite durch gezielten Einsatz von Oberflächen und baulichen Elemen-ten ausgeglichen werden? Gibt es neben passiven Steuerungen auch aktive Elemente zur individuellen und kurzfristigen thermischen Anpassung? ** In diesem Zusammen-hang wurden an der Uni Kassel mehrere Objekte gebaut. Daneben mit verschiedene neuen Materialvarianten experimentiert.

* gewählt wurde in diesem Zusammen-hang eine potentielle Platzeinheit an den Standorten Kassel und Göteborg. Der „Platz“ als Raumeinheit bietet in seiner Eigenschaft eine verständliche Raumeinheit im Vergleich von Raum, Gestaltungsvarianten und klein-klima-tischen Veränderungen.

** Die Simulationen liefern nur gene-relle numerische Aussagen zu verschie-denen Raum und Gestaltvarianten. In Kapitel 7 werden zum einen weitere Aussagen zu Material und Oberfläche durch Experimente und Messungen gewonnen. Zum anderen sind Messer-gebnisse von zwei gebauten Elemen-ten als Beispiel aktiver Steuerung von Behaglichkeitszuständen im Freiraum zusammengetragen.

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Numerische Untersuchungen 6.1 Simulationen 6.2 Varianten und Eingangsparameter 6.3 Ergebnisse: Vergleich von Planungsvarianten einer Freiraumeinheit Standort: Kassel 6.4 Ergebnisse: Vergleich vonPlanungsvarianten bei doppelter Platzgröße Standort: Kassel 6.5 Ergebnisse: Vergleich von Planungsvarianten einer Freiraumeinheit Standorte: Kassel und Göteborg 6.6 Zusammenfassung

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6.0

6.1

Numerische UntersuchungenDerzeitige Untersuchungen aus der Stadtklimatologie beantworten anhand ihrer Er-gebnisse sehr spezielle Fragestellungen zum Einfluss der energetischen Flüsse auf den Nutzer in städtischen Freiraumeinheiten. Es sind fachspezifische Fragestellungen welche in der Regel auf der Anwendungsebene Stadtplanung und Landschaftsarchi-tektur keine verständlichen Antworten liefern. Es fehlt demnach ein verknüpfender Schritt zwischen den Schwerpunkten der Stadtklimatologie und den derzeitig nicht klar definierten Zielsetzungen und Handlungen der Anwendungsdisziplinen. Unter 5.0 wurden Zusammenhänge zwischen der Landschaftsarchitektur und der Stadtklima-tologie aufgezeigt. Arbeitsweisen und Zielsetzungen können durch die Schnittmen-ge der jeweiligen verständlichen Begrifflichkeiten für beide Fachdisziplinen gedeutet werden. Die folgenden Simulationen werden nicht durch den Vergleich der einzelnen energetischen Größen (wie Strahlung, Wind u.a.) interpretiert, sondern fassen viel-mehr bereits Wirkungszusammenhänge an Hand der geprägten Begrifflichkeiten wie Ort, Ausrichtung, Dimension, Nutzer, Material und Vegetation zusammen. Somit er-geben sich verständlichere Aussagen im kausalen Zusammenhang der Wirkungskette Planung und Auswirkung. Durch die im folgenden beschriebenen Versuche konnten Erkenntnisse von Planungshandlung und die dementsprechenden Auswirkungen auf die Behaglichkeit im Freiraum an Hand eines Platzbeispiels in Varianten gewonnen werden. Es lassen sich so eindeutige Temperaturunterschiede in Bezug zu verschiede-nen Planungsvarianten setzen. Es belegt auch die Potentiale der Planung zum Einfluss der thermischen Qualitäten im Freiraum.

SimulationenFür die beispielhafte Beweisführung von Planungshandlung und die Auswirkungen auf den thermischen Komfort in städtischen Freiraumeinheiten wurde ein exemplari-scher Stadtplatz mit Varianten zum Ort, zur Ausrichtung, zur Dimension und zur Aus-gestaltung des Platzes gewählt. Dazu kamen Varianten zum Nutzertypus. Eine Plat-zeinheit stellt an sich eine bewertbare und vergleichbare Raum- und Gestalteinheit dar. Daneben sind Platzeinheiten übliche Aufenthaltsbereiche im städtischen Umfeld. Die gewählte Platzeinheit entspricht den Umgebungshöhen der Gebäude der vierge-schossigen Gründerzeitgebäudetypologien gewählter Städte Kassel und Göteborg. Die beiden Größen von etwa 2000 und 4000 Quadratmetern sind exemplarisch gewählt und gleichen einer Mehrzahl von üblichen Platzgrößen in nordeuropäischen Städten (Vorabanalyse über Google Earth – untersucht wurden Platzeinheiten in größeren deutschen Städten). Die jeweiligen potentiellen Planungshandlungen können durch Veränderungen vom Ort, zur Dimension, zur Ausrichtung, zum Nutzer, zum Material und zum Einfluss von Vegetation verständliche Aussagen zum thermischen Komfort liefern. Die vorliegenden Untersuchungen mit ihren Ergebnissen stellen in diesem Zusammenhang Querbezüge der beiden Fachdisziplinen Stadtklimatologie und Land-schaftsarchitektur her. Als Ortsvarianten wurde Kassel und Göteborg in Schweden gewählt. Für beide Orte standen ausreichende meteorologische Datengrundlagen zur Verfügung. Mit der Wahl einer mitteleuropäischen und einer nordeuropäischen Stadt wurde dem vermuteten Einfluss durch veränderte Strahlungsbedingungen Rechnung getragen. Alle Varian-ten sind mit dem numerischen Programm ENVI-met von Bruse (1999) simuliert. Das Modell stellt wie oben erwähnt ein aktuelles Tool der Stadtklimatologie dar und fasst wichtige komplexe energetische Wirkungszusammenhänge zusammen. ENVI-met liefert durch numerische Ergebnisdaten und verschiedene Ergebniskarten zahlreiche

Ziel der Simulationen - Numerische Untersuchungen

Kurzzusammenfassung: Es wur-de eine Freiraumeinheit (ein fiktiver städtischer Platz) in verschiedenen Planungsvarianten und an zwei ver-schiedenen Orten mit dem Programm ENVI-met simuliert. Große Unterschie-de für die Behaglichkeitstemperatur ergaben sich aus der Ausrichtung und Ausgestaltung des Platzes. Die Wahl der Materialien und die damit verbun-denen Strahlungsumsätze haben den größten Einfluss auf die thermische Si-tuation. Durch zusätzliche Vegetation kann an bestimmten Standorten auf dem Platz eine weitere Verringerung erreicht werden. Durch Vergrößerung der Platzfläche steigen zudem die Windeinflüsse und die Behaglichkeit-stemperaturen sinken im Mittel. Auf-fällig ist neben dem grundsätzlichen Unterschied der Varianten auch die teilweise sehr heterogene Verteilung der Behaglichkeitswerte der Einzeler-gebnisse an gewählten Messpunkten auf der Platzfläche. Die zweite Simu-lationsreihe ergab im Ortsvergleich zwischen Kassel und Göteborg nur eine geringe Temperaturdifferenz von 2-3 °C. Mit zusätzlicher Vegetation als weitere Variante wurde dagegen durch die zunehmenden Schattenflächen auf Grund des steileren Sonnenwinkels in Göteborg auch größere Differenzen beider Standorte festgestellt.

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Möglichkeiten energetische Flüsse im Raum und Auswirkungen auf den Nutzer ver-ständlich darzustellen. Die vorangegangenen Untersuchungen betonen zum anderen die besondere Bedeu-tung zweier physikalischer Einflüsse: Strahlung und Wind. Für beide Einflüsse sind mögliche Planungshandlungen bei ausreichend vorhandenem Volumen auch unmit-telbar mit einer Verbesserung der thermischen Behaglichkeit in Freiraumeinheiten verbunden. Insofern gilt der Hauptaugenmerk primär diesen beiden Eingangsgrößen. Mit den gewählten Zeitpunkten im Sommer sind dementsprechende aussagekräftige Strahlungseingänge gewährleistet. An beiden Orten herrschen im Mittel unterschied-liche Windverhältnisse. Mit seiner nördlicheren geografischen Lage sowie einer Ver-ortung am Wasser sind in Göteborg im Mittel höhere Windgeschwindigkeiten als in Kassel zu verzeichnen. Jedoch ergeben sich durch unterschiedliche Windeingaben im Programm auch verschiedene Interpretationsebenen zum thermischen Komfort. Ziel des Vergleiches beider Orte in der zweiten Simulationsreihe war der Ortsvergleich und die damit verbundenen unterschiedlichen Sonnenstände und Strahlungseingänge. Insofern wurde in diesem Fall hypothetisch von gleichen Windbedingungen ausge-gangen. Nur so lassen sich durch den Vergleich Ergebnisse auf einer direkten Inter-pretationsebene gewinnen. Der Bewertungsindex PET entspricht dem Standard einer adäquaten Bewertung des Behaglichkeitsempfindens im Freiraum. In diesem Index werden alle energetischen Einflüsse auf den Nutzer und individuelle Faktoren zum Nutzer berücksichtigt. Insofern stellen die PET-Karten und die PET-Diagramme die bedeutendste Aussage zur Interpretation von Behaglichkeitszuständen dar. Rückwir-kend können Aussagen anhand von andere Karten energetischer Größen interpretiert werden (stark ansteigender PET Wert beispielsweise durch starken Strahlungseinfluss ausgelöst).

Varianten und EingangsparameterEs liegen zwei Simulationsreihen vor: Zum ersten eine Simulationsreihe für eine po-tentielle Platzeinheit in Kassel mit Varianten zur Dimension, Ausrichtung, Oberflä-chenmaterialien, Vegetation und zum Nutzer. Diese Simulation wurde mit ENVI-met 3.1 durchgeführt. Zum zweiten liegt eine Simulationsreihe einer potentiellen Plat-zeinheit mit dem Vergleich Kassel und Göteborg in Varianten zur Ausrichtung, Ober-flächenmaterialien und Vegetation vor. Diese Simulationsreihe wurde mit der neuen ENVI-met 4.0 Version durchgeführt. Die Zusammenarbeit mit dem Institut von Prof. Bruse der Universität Mainz über eine Diplomarbeitsbetreuung von Melanie Reimann (Universität Kassel), bot die Möglichkeit mit der neuen Version 4.0 zu arbeiten. Die neue Version zeichnet sich durch einfachere Parametereingaben und durch speziellere

6.2

ABB 6.45: Übersicht der Varianten in Ost-West und Nord-Süd Richtung

Materialeingaben aus. Es bot sich so die Möglichkeit im Vergleich zu ENVI-met 3.1 nicht nur über die Bodeneigenschaften und die Albedoeigenschaften der Wand-flächen, sondern vielmehr durch genauere Materialeigenschaften aller umgrenzenden vertikalen und senkrechten Flächen ge-nauere Ergebnisse zu erzielen. Diese beiden Simulationsreihen lassen sich auf Grund verschie-dener Programmversionen nicht unmittelbar vergleichen und

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werden deshalb separat interpretiert. Erst zum Schluss werden Querbezüge und Ver-gleiche der beiden Simulationsreihen aufgeführt.

Simulationsreihen 1: Standort Kassel

ABB 6.46: Übersicht der Varianten: Standort Kassel

ABB 6.47: Größen und Maße: hier OW- Varianten, Standort Kassel

Die Abbildung zeigt die jeweiligen Raumkon-stellationen in den Va-rianten zur Ausrichtung und Ausgestaltung. Die Platzgröße ist mit 2184m² Größe gewählt. Zeitpunkt der Simulation ist der 01.05.2008 am Standort Kassel. Anströmung des Windes in 10m Höhe ist mit 2.5 m/s angegeben worden. Es ergaben sich acht Einzelsimulatio-nen. Vier Ost-gerichtete Platzvarianten: OW_V1 – OW_V4. Die ersten beiden Varianten unterschieden sich durch die jeweilig unterschiedlichen Albedoeigenschaften der Wandflächen und analog dazu durch helle und dunkle Oberflächen des Bodenbelages (Betonstein und Asphalt). In den Varianten V3 und V4 kommen neben unterschiedlichen Albedo- und Materialeigenschaften der Wand- und Bodenflächen eine Vegetationsebene in Form eines Baumkarrees dazu (Baumkarree auf Lehmboden). Die vier Nord-Süd gerichteten Platzvarianten NS_V1 – NS-V4 sind analog zu den ersten vier Ost-West Varianten durch die gleichen Parameter bestimmt. Die Simulationszeit wur-de für alle acht Varian-ten auf Grund der lan-gen Computerrechenzeit (12 Stunden für eine 6 Stunden Simulation) auf 6 Stunden von 07.00 bis 13.00 Uhr festgelegt und durchgeführt. Dem er-gänzend ist die Variante

Varianten und Eingangsparameter - Numerische Untersuchungen

OW_V1 zusätzlich als komplette Tagesvariante simuliert worden. Es lassen sich somit mit einem Simulationsergebnisse zumindest Tendenzen auf weiteren thermischen Ef-fekte im Tagesverlauf nach 13.00 Uhr erkennen.Die Variante OW_V1 wurde weiterhin im späteren Auswertungsverfahren zur PET Wertebestimmung mit drei verschiedenen Nutzern berechnet: Nutzer 1: Standard, 35 Jahre, 75kg, 1.75m, männlich, 80W metabolische UmsatzrateNutzer 2: Jung, 15 Jahre, 40kg, 1.50m, männlich, 150W metabolische UmsatzrateNutzer 3: alt, 70 Jahre, 70kg, 1.70m, männlich, 80W metabolische UmsatzrateEs konnten so bei gleichen äußeren Einflussparametern Rückschlüsse auf individuelle Nutzertypen und unterschiedliche Behaglichkeitsempfindungen auf der Platzfläche gezogen werden.Ein wichtiger letzter Augenmerk galt im Rahmen der ersten Simulationsreihe den Dimensionsverhältnissen und den damit verbundenen unterschiedlichen Auswirkun-

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gen bei sonst gleichen Parame-tereingaben. Gewählt wurden in diesem Fall Varianten in Nord-Süd-Ausrichtung einmal mit Ve-getation und einmal ohne Vege-tation (NS_V1 und NS_V3). Die Platzgröße wurde von 42x52m= 2184m² auf 70x60m=4200m² vergrößert. Durch den unmittel-

ABB 6.47: Größen und Maße XL Varianten NS_V1 und NS_V3, Standort Kassel

ABB 6.48: Messpunkte auf dem Platz / Bei den Varianten ohne Vegetation entfällt der Messpunkt 05

baren Vergleich der Platzvarianten mit doppelter Platzgröße (als XL Varianten be-nannt) lassen sich unmittelbare Auswirkungen und Veränderungen durch die Vergrö-ßerung der Platzfläche erkennen. Die Nord-Süd-gerichteten Varianten ließen größere Einflüsse durch Windbewegungen (Nord-Süd-gerichteter Wind) vermuten. Die ge-nauen Datentabellen und Parametereingaben zu der ersten Simulationsreihe finden sich im Appendix.

Messpunkte auf dem Platz Simulationsreihe Standort KasselIm Vergleich der Varianten können zum einen die Ergebniskarten mit Flächenwerten (je nach Bedarf können Wind-, MRT-, TEMP-, Windkarten und andere (Programm-schritt „Leonardo“ im ENVI-met) verglichen werden. Zum anderen bieten die ENVI-met Programme eine direkte Datenausgabe einzelner gewählter Messpunkte. Es war auf Grund der Strahlungs- und Windverhältnisse je nach Ausrichtung und Ausgestaltung verschiedenen „Zonen“ der Behaglichkeit auf der Platzfläche zu vermuten. Das heißt stärkere oder schwächere Strahlungseinflüsse durch Gebäudeschatten, kurz- und langwellige Abstrahlungen der Boden- und Wandflächen oder durch Windeinfluss im Zug- oder Schutzbereich. Um diesen vermuteten Unterschiedlichkeiten auf der Platz-fläche näher zu kommen, wurden bei den Datenauswertungen fünf Messpunkte auf der Platzfläche gewählt:Punkt 01: Im Durchgangsbereich der Gebäude im unmittelbaren Einflussbereich der Hausfassade NS und am Standort maximaler Windturbulenzen.Punkt 02: Im primären Einflussbereich der Hausfassade NS und bei der OW Variante somit auch am Standort maximaler Einstrahlung zur Mittagszeit Punkt 03: Mittelpunkt des Platzes und somit wählbar als geeigneter Vergleichspunkt aller energetischen Einflüsse in allen Ausrichtungs- und MaterialvariantenPunkt 04: Im primären Einflussbereich der Hausfassade OW und bei der NS Variante somit auch am Standort maximaler Einstrahlung zur Mittagszeit. Zusätzlich der Mes-spunkt des Platzes mit den geringsten Windeinflüssen Punkt 05: Bei den Varianten 03 als geeigneter Messpunkt im direkten Einflussbereich der Vegetation (Messpunkt unter dem Blätterdach des Baumkarrees)

Simulationsreihen 2: Vergleich der Standorte Kassel und GöteborgIn der zweiten Simulationsreihe wurden die beiden Standorte Göteborg und Kassel mit ähnlichen Eingangsparametern wie in der ersten Simulationsreihe miteinander verglichen. Als Zeitpunkt wurde in diesem Fall der 21.06.2008 gewählt. Der statistisch höchste Sonnenwinkel am 21.06. eines Jahres steht auch im unmittelbaren Zusam-menhang einer maximal zu erreichenden Einstrahlung in Europa. Der Vergleich der beiden Standorte hat unter anderem das Ziel, Unterschiede durch unterschiedliche Sonnenwinkel (geografische Lage) zur gleichen Zeit bei fast identischen Eingangspa-rametern herauszufinden. Die Proportionsverhältnisse gleichen der ersten Simulationsreihe (vergl. Abbildung oben). Die realen unterschiedlichen durchschnittlichen Windverhältnisse an den bei-den Standorten wurden aus Gründen der Vergleichbarkeit auf einen Einheitswert von

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2 m/s festgelegt. Es konn-ten so Einflüsse durch Strahlung und Sonnen-winkel aussagekräftiger verglichen werden (vergl. Ausführungen oben). Wie in der ersten Simulations-reihe wurde in Ost-West und Nord-Süd-gerichtete Varianten unterschieden. In diesem Fall sind aber auf Grund der zusätzli-chen Varianten am an-deren Standort nur zwei Varianten gewählt. Daraus ergaben sich insgesamt acht einzelne Simulatio-nen. Die Simulationen sind mit der weiterentwickelten Programmvariante ENVI-met 4.0 durchgeführt wor-den. Die aktuellere Version des Programms bietet neben einer komfortableren Eingabe verbesserte Rechenwerte in den Ergebnissen. Die Oberflächen der Seiten- und Dach-flächen werden in dieser noch nicht frei verfügbaren Version mit eindeutigeren Mate-rialeigenschaften verknüpft. Das bedeutet im Vergleich zu ENVI-met 3.1 (Eingabe nur mit der Albedo möglich) im Zusammenhang mit einer längeren Simulationszeit (statt 6 Stunden 15 Stunden Simulationszeit) genauere und realere Ergebnisdaten.

ABB 6.49: Übersicht der Varianten: Standorte Kassel und Göteborg

ABB 6.50: Größen und Maße: hier OW- Varianten, Standorte Kassel und Göteborg

Die Varianten sind analog zur ersten Simulations-reihe bezeichnet worden: NS_V1 / NS_V3 und OW_V1 / OW_V3. Die jeweili-gen Standorte sind durch die Kürzel K für Kassel und G für Göteborg den Vari-anten als Kennzeichnung vorangestellt. Für alle ver-tikalen und horizontalen Flächen sind im Vergleich zur ersten Simulationsreihe kon-krete Materialien gewählt worden. Varianten V1: Ziegelfassaden, Dachziegeln, Platzfläche: KlinkerVarianten V3: Ziegelfassaden, Dachziegeln, Platzfläche: Klinker, BaumkarreeDie Simulationsreihe stammt aus einer Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Katzschner (und unter Mithilfe des geografischen Instituts der Universität Mainz) im Rahmen einer Di-plomarbeit am Fachbereich 06 von Melanie Reimann. Die Parameter sind gemeinsam mit der Studentin erarbeitet und bestimmt worden. Die Simulationen sind von der Studentin selbstständig durchgeführt worden. Die jeweiligen Datenmesspunkte sind mit Ausnahme des Messpunktes vier analog zur ersten Simulationsreihe gewählt (vergleiche Abbildung oben). Die genauen Datenta-bellen zur Parametereingabe befinden sich im Appendix.

Varianten und Eingangsparameter - Numerische Untersuchungen

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Ergebnisse: Vergleich von Planungsvarianten einer Freiraumein-heit Standort: Kassel

Der erste Block der Simulationsreihe galt konkreten Benennungen der gewählten Raumkonstellation hinsichtlich Behaglichkeitsunterschiede durch Platzausrichtung, Material- und Oberflächenwahl und verwendete Vegetation. Daneben wurden durch unterschiedliche Parametereingaben zum Nutzer individuelle Behaglichkeitsemp-findungen analysiert und gedeutet. Welche Einflüsse ergeben sich durch Alter und metabolischen Umsatzraten? Alle Fragen können durch einen Vergleich einer Raum-konstellation mit identischen äußeren Bedingungen (nach Zeit, Ort, Größe und Ge-bäudehöhen) aber nach o.g. Varianten für den Standort Kassel bestimmt werden. Di-rekte potentielle Planungshandlungen können zumindest für diesen Ort unter den gegebenen Bedingungen in Bezug zu Behaglichkeitsempfindungen möglicher Nutzer gesetzt werden. Ein letzter wichtiger Schritt galt den Dimensionsverhältnissen. Die Platzgröße wurde bei nicht veränderten Rahmenbedingungen von 42x52m= 2184m² auf 70x60m=4200m² vergrößert. Was bedeutete diese Vergrößerung für die Behag-lichkeitsverhältnisse auf dem Platz und welche Rückschlüsse können daraus für die Planungsdisziplinen gezogen werden?

6.3

Kurzzusammenfassung: Für den si-mulierten Bereich einer fiktiven Plat-zeinheit für den Standort Kassel im Mai 2008 zeigten sich deutliche Un-terschiede der Strahlungs- und PET-Temperaturen der Materialvarianten V1 und V2. Zudem ergaben sich auch zusätzliche Verringerungen der PET-Temperaturen bei zusätzlicher Vege-tation der Varianten V3 und V4. Die Windeinflüsse sind anhand der Karten mit der in Windrichtung gedrehten Va-riante in Nord-Süd Richtung deutlich an den unterschiedlichen Messpunk-ten auf dem Platz zu erkennen. Dem-nach ergeben sich durch verschiedene Windeffekte unterschiedliche Intensi-täten des Einflusses auf die PET-Werte. Mit Drehung gegen den Wind gibt es keine nennenswerten Einflüsse. Durch die Drehung der Varianten können sich zudem sehr unterschiedliche Schat-tenbereiche im Tagesverlauf ergeben und dementsprechend die PET-Werte an den Standorten nachhaltig beherr-schen. Durch Material, Oberfläche und Vegetation kann sich die PET-Tempe-ratur an den Messpunkten bis zu 30°C reduzieren.

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AusrichtungMit einer Veränderung der Ausrichtung verändern sich auch nachhaltig die Windgegebenheiten auf dem Platz. Die Abbildun-gen zeigen Ausrichtun-gen nach Ost-West (OW) und Nord-Süd (NS). Die Ausrichtung in Nord-Süd-Richtung ermöglicht ein direktes Einströmen der Nord-Süd-gerichteten Windbewegung. Die OW- Variante bleibt im Platzin-neren dagegen weitest-gehend vor Windeinfluss geschützt. Die Windge-schwindigkeiten erreichen bei den Eingangsparame-tern von 2.5 m/s in 10m Höhe auf Höhenebene von 2 m maximal 0.5 m/s. Bei der NS-Variante reichen die Windgeschwindigkei-ten je nach Standort von 0.5 m/s (Messpunkt 04) bis 5 m/s (Messpunkt 01). Diese heterogene Vertei-lung des Windfeldes bei

ABB 6.51: Windverhältnisse, Variante NS_V3, 12 Uhr, 01.05.08, 2m Höhe

ABB 6.52: Windverhältnisse, Variante OW_V3, 12 Uhr, 01.05.08, 2m Höhe

der NS-Variante macht sich im Vergleich zu der Ost-West-gerichteten Variante im Gebäudeschenkel mit Windreduktion und im Durchgangsbereich nord-östlicher Rich-tung mit ansteigenden Turbulenzen bemerkbar. Mit der Drehung aus dem Windfeld sind dagegen bei der OW-Variante die Windverhältnisse auf der Platzfläche relativ homogen. Im Gegensatz einer Differenz von 0.5 bis 5 m/s auf der Platzfläche bei 2m Höhe der Nord-Süd-Varianten bleiben die Windbewegungen bei der Ost-West-gerichteten Variante im Mittel bei 0.5 m/s. Diese Unterschiede lassen zum einen einen starken Einfluss wie auch eine unterschiedliche Verteilung des Einflusses auf die PET-Temperaturen vermuten.

6.3.1

Die nächsten Abbildungen zeigen gemittelten Strah-lungstemperaturen (Tmrt) in 2m Höhe der Variante V1 in beiden Ausrichtun-gen um 12 Uhr mittags. Bei der Nord-Süd-gerich-teten Variante sind deut-lich die Schatteneinflüsse durch die Gebäude zu er-kennen. Ein Teil des Plat-zes wird in den Ost-West -gerichteten Variante durch die Querstellung der

ABB 6.53: gemittelte Strahlungstem-peraturen (Tmrt), Variante NS_V1, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.2008

Ergebnisse: Standort Kassel - Numerische Untersuchungen

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Gebäude demnach stärker durch den Sonnenverlauf und den damit verbun-denen Schattenverläufen beeinflußt. Die Nord-Süd-gerichte-ten Variante ist dagegen durch die Öffnung nach Süden höheren Einstrah-lungswerten ausgesetzt. Um 12 Uhr mittags ergibt sich, wie auf der Karte zu erkennen, ein sehr homo-genes Bild der Strahlungs-

ABB 6.54: gemittelte Strahlungstem-peraturen (Tmrt), Variante OW_V1, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.2008

ABB 6.55: gemittelte Strahlungstem-peraturen (Tmrt in °C), Vergleich der V1 Varianten in Ost-West und Nord-Süd Richtung, 4 Messpunkte, 7-13 Uhr, 2m Höhe, 01.05.2008

werte. Schatteneinflüsse sind nur minimal am östlichen Hausrand erkennbar. Die untere Grafik fasst den gesamten Verlauf der gemittelten Strahlungstemperatu-ren von 7 bis 13 Uhr der Nord-Süd und Ost-West Variante V1 zusammen. Nord-Süd-Ausrichtung: Messpunkt P1 hat im Bezug zu Veränderung der Sonnen-stellung im Tagesverlauf bis zum Mittag einen erwarteten Verlauf. Bis 11 Uhr steigt die Strahlungstemperatur nur mäßig und mit dem direkten Einfluss der Sonne nach 11 Uhr steigt die Strahlungstemperatur plötzlich an. Messpunkt P2 und Messpunkt P3 haben einen nahezu identischen Strahlungsverlauf. Der Messpunkt P4 liegt in unmit-telbaren Einfluss der Hausfassade OW und im direkten maximalen Einstrahlungsfeld der Sonne zur Mittagszeit. Alle Messpunkte in Nord-Süd Ausrichtung sind im Ver-gleich zu den Ost-West Varianten im Verlauf bis 13 Uhr homogener untereinander. Der Messpunkt P4 nimmt im direkten Strahlungseinfluss eine Sonderrolle ein. Es ist im Durschnitt der wärmste Punkt verteilt über den vormittag. Ost-West-Ausrichtung: Messpunkt P1 hat an dem Verlauf der Sonne orientiert ei-nen typischen Strahlungsverlauf. Durch den Einfluss der Morgensonne steigen die Strahlungswerte auf bis zu 82 °C um 10 Uhr. Von 11 bis 13 Uhr liegt Messpunkt P1 im Schatteneinfluss des westlichen Gebäudekomplexes in Nord-Süd-Ausrichtung. Mes-spunkt P2 hat durch seine Verortung im mittleren Bereich der Ost-West-Fassade ana-log zum Sonnenverlauf einen homogenen Strahlungsverlauf. Im Gesamtvergleich aller Messpunkte finden sich neben dem Messpunkt P3 die höchsten Durchschnittwerte. Es werden Temperaturen von bis zu 85°C bei Variante 01 erreicht. Messpunkt P3 folgt

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analog mit etwas geringeren Strahlungstemperaturen dem Verlauf von Messpunkt P2. Seine Verortung im direkten Mittelpunkt des Platzes entlastet zum Vergleich den Bereich vom Einfluss der Fassaden. Messpunkt P4 steht im unmittelbaren Einfluss des Schattens der Ost-West-gerichteten Gebäudekomplexes. Nach 9 Uhr sinkt die Strah-lungskurve erst abrupt und dann langsam auf einen Minimalwert aller Messpunkte in Ost-West-Ausrichtung. Insgesamt gestaltet sich das Spektrum der Messpunkte in der Ost-West-Ausrichtung deutlich heterogener. Zusammenfassend bedeutet das: Im Strahlungsverlauf führt die Nord-Süd-Ausrich-tung zu einem relativ homogenen Strahlungsverlauf auf dem Platz. Mit aufsteigen-der Sonne und einer Öffnung des Platzes nach Süden entwickelt sich bis 13 Uhr ein gleichmäßiger Temperaturanstieg. Lediglich der Messpunkt P4 mit gegenüber liegen-der Hausfassade erzielt auf Grund der besonderen Lage eine durchschnittlich höhere Strahlungstemperatur im Mittel zwischen 7 und 13 Uhr. Die Ost-West- gerichtete Variante ist auf Grund der quergestellten Gebäude im Verlauf der Sonne zu bewer-ten und es können an den unterschiedlichen Messpunkten eher heterogene Tempe-raturdifferenzen festgestellt werden. Die Windeinflüsse gestalten sich dagegen bei der Ost-West-Variante im Mittel homogener und somit geringer in der Differenz un-tereinander. Die Behaglichkeitstemperaturen werden in PET-Werten angegeben und resultieren unter anderem aus Wind- und Strahlungseinflüssen auf den Nutzer im Raum. Die größeren Differenzen der Windeinflüsse bei der Nord-Süd-Ausrichtung lässt somit auch größere Differenzen bei den PET-Temperaturen erwarten. Die untere Abbildung fasst die PET-Temperaturen der Variante V1 für die Messpunkte nach Ost-West und Nord-Süd-gerichteten Platzeinheit zusammen. Es bestätigt sich ein eher homogenes PET-Temperaturfeld bei der Ost-West-Ausrichtung. Im Mittel ist die Behaglichkeitstemperatur für den Vormittag bis 13 Uhr auf diesem Platz höher. Jedoch werden die höchsten Temperaturen an dem Messpunkt P4 der Nord-Süd-Ausrichtung erreicht. Die PET-Temperaturen bleiben bei der OW-Ausrichtung unter 50°C. Bei der NS Ausrichtung ergeben sich Maximalwerte zwischen 33°C und 63°C PET-Temperatur. Das bedeutet auf dem Platz eine Differenz je nach Standort von bis zu 30°C. Diese Differenz ist mit ca 16 °C bei der OW-Ausrichtung deutlich geringer und bedeutet eine Halbierung der Differenz nach Standorten auf dem Platz. Man kann unter Umständen durch die fehlenden Windeinflüsse von einer grundsätzlichen Überwärmung der OW-gerichteten Platzeinheit sprechen. Jedoch könnte mit zuneh-menden Schatteneinfluss im weiteren Tagesverlauf (vergl. Verlauf Tagessimulation OW-Variante 1 im Appendix) vermutlich die zu starke Überwärmung vermieden wer-

ABB 6.56: PET Temperaturen (°C), Ver-gleich der V1 Varianten in Ost-West und Nord-Süd Richtung, 4 Messpunkte, 7-13 Uhr, 2m Höhe, 01.05.2008


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den. Die durchgängig homogenere Temperaturverteilung auf dem Platz hat für eine gleichmäßige Aufenthaltsqualität ein erheblichen Vorteil. Die starke Einstrahlung könnte durch geeignete Massnahmen veringert werden (Vegetation, Sonnenschutz). Die gleichmäßigere Verteilung der Temperaturen auf dem Platz bleiben dagegen im-mer durch die Ausrichtung gegen die Windrichtung für den gewählten Zeitpunkt er-halten. Dazu wird eine zu starke Überwärmung an den südlich gerichteten Hausfas-saden durch den Querzugang vermieden (im Gegensatz zu dem süd-gerichteten Hau-schenkel bei der NS-gerichteten Variante/ Wärmestau durch sonnenexponierte aber geschützte Windlage). Die Nord-Süd-gerichtete Platzvariante bietet im Vergleich Po-tential für unterschiedliche Nutzungsformen. Es ergeben sich auf einer Fläche von ca. 2000 Quadratmeter durch Wind und Strahlungseinfluss an dem gewählten Zeitpunkt relativ unterschiedliche Behaglichkeitsqualitäten für unterschiedliche Nutzungsfor-men (Ruhe und Bewegung). Für eine Verringerung der Temperaturdifferenzen auf dem Platz könnten nur einzelne Eingriffe gegen Wind- und Strahlungseinfluss an bestimmten Stellen des Platzes Abhilfe schaffen.

Nutzer

ABB 6.57: PET Temperaturen (°C) Va-riante V1 in Ost-West Richtung, 2m Höhe, 01.05.2008: 15 jährig, männlich, metabolischer Umsatz 150W

ABB 6.58: PET Temperaturen (°C) Va-riante V1 in Ost-West Richtung, 2m Höhe, 01.05.2008: 35 jährig, männlich, metabolischer Umsatz 80 W


Die drei Abbildungen vergleichen die Behaglichkeitstemperaturen drei individueller Nutzer (ver-gleiche Angaben der Abbildun-gen) bei identischen Ausgangs-werten der Platzvariante V1 in OW-Richtung. Um den realen Verhalten genauer Rechnung zu tragen ist der jugendliche Nutzer mit einer höheren metabolischen Umsatzrate eingegeben worden (mehr „körperliche Aktivität“).

Es ergibt sich ein unterschiedli-ches Temperaturempfinden bei identischen äußeren Bedingun-gen. Die empfundenen Maximal- und Minimaltemperaturen an den Messpunkten P1 und P4 gleichen sich untereinander. Jedoch ist das Empfinden im Durchschnitt auf der Platzfläche unterschied-lich. Am Messpunkt P3 schwankt der PET-Wert zwischen 41°C (15 jähriger) und 50°C (70jähriger). Besonders auffällig ist somit die flächige Verteilung der Empfin-dungen. Mit steigendem Alter steigt auch die Differenz und Ab-stufungen der Temperaturemp-findungen. Trotz höherer meta-bolischer Umsatzrate scheint bei jungen Menschen die Anpassung an die Umgebungstemperatur sichtbar besser zu funktionieren.

6.3.2

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ABB 6.61: PET Temperaturen (°C) Va-riante V3 in Ost-West Richtung, 2m Höhe, 01.05.2008: 35 jährig, männlich, metabolischer Umsatz 80 W


Mit steigendem Alter steigt demnach die Empfindlichkeit für extremere energetische Einflüsse. Diese Feststellung wird durch die nächsten PET-Karten aller drei Nutzer bei Variante V3_OW bestätigt. Die zusätzliche gewählte Begrünung in Form eines Baumkarrees (vergl. Eingangsparameter oben) verschafft den Nutzern wie vermutet eine Verrin-gerung der Behaglichkeitstemperatur. Im Durchschnitt werden die PET-Temperaturen unter den Bäumen sowie auch in unmittelbarer Umgebung auf dem Platz durch die Verschattung gesenkt. Es kommt zu einer Verringerung der PET Temperaturen um bis zu 20°C. Im Vergleich der drei individuellen Nutzer steigen jedoch die Empfindlich-keiten für heterogen verteilte energetische Einflüsse. Die ablesbaren PET-Temperatur außerhalb des „Blätterdaches“ unterscheidet sich in der Differenz vom 15 jährigen bis hin zum 70 jährigen um bis zu 10°C. Demnach fallen die energetischen Unterschiede auch mit zunehmendem Alter stärker ins Gewicht.

Das Temperaturempfinden ist individuell verschieden und somit im Planungsprozess mit zu berücksichtigen. Der Vergleich eines 70 jährigen männlichen Nutzers mit ei-

nem 15 jährigen und 35 jährigen männlichen Nutzer macht eine Temperaturempfindlichkeit mit zunehmendem Alter deutlich. Der PET-Unterschied liegt in den gewählten Varianten bei bis zu 10 °C. Zudem ist die Spannweite der wahrgenommenen Tempe-ratur verschieden. Bei der Ve-getationsvariante OW_V3 ergibt sich die geringere Differenz der PET-Werte im Mittel zwischen den Altersgruppen durch eine grundsätzlichen Verringerung der PET-Temperaturen durch den Einfluss der Bäume. Die durch-geführten Simulationen machen eine Vermutung deutlich: Mit steigendem Alter potentieller Nutzergruppen steigen auch die planerischen Anforderungen an thermisch homogener ver-teilten Behaglichkeitswerten in städtischen Freiräumen. Ältere Nutzergruppen reagieren emp-findlicher auf heterogen verteilte energetische Einflüsse im städti-schen Freiraum. Die Wärme- und Kälteempfindlichkeit nehmen zu . Die Differenz liegt bei dem ge-wählten Beispiel zum gewählten Zeitpunkt bei ca 10°C.


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Materialien und OberflächenOst-West-Varianten V1 und V2: Ein wichtiger Erkenntnisschritt galt Oberfläche, Ma-terial und den damit zusammenhängenden Auswirkungen auf die thermische Situa-tion des Platzes. ENVI-met bietet die Möglichkeit, für Oberflächen Materialien zu definieren und für die Wand- und Dachflächen Albedowerte einzugeben. Die V1- Varianten sind als „dunkle“ Materialvarianten mit Asphalt als Bodenbelag und einer Albedo der Wand- und Dachflächen von 0,2 eingegeben. Asphalt enspricht in etwa einem Albedowert von 0.2. Die V2 Varianten wurden dementsprechend als „helle“ Materialvarianten mit einem Albedowert der Wand- und Dachflächen von 0.8 und einem Oberflächenbelag eines einfachen Betonsteines simuliert. Für beide Materialvarianten sind die Ausrichtungen jeweils in Ost-West und Nord-Süd berechnet worden. Auf den Karten der gemittelten Strahlungstemperaturen las-sen sich bei genauerem Hinsehen veränderte Strahlungstemperaturen in 2m Höhe erkennen. Jedoch erscheinen genauere Unterscheidungen schwierig. Eine exaktere Differenzierung liefern die beiden Diagramme aller Messpunkte der beiden Ausrich-tungsvarianten. In der Regel erzielen die V2-Varianten je nach Einstrahlungsintensität an verschiedenen Standorten auf dem Platz höhere gemittelte Strahlungstemperatu-ren. Bedingt durch die stärkere Absorption von Strahlungsenergie (niedrige Albedo) werden auf der Oberfläche im Durchschnitt 10-15°C Oberflächentemperaturgrade mehr erreicht. Die beiden Ausrichtungsvarianten unterscheiden sich wie folgt: Die

6.3.3

ABB 6.63: Gemittelte Strahlungstem-peratur (Tmrt) V1 und V2 an vier Mes-spunkten in Nord-Süd Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

ABB 6.64: Gemittelte Strahlungstem-peratur (Tmrt) V1 und V2 an vier Mes-spunkten in Ost-West Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

NS_V2_P4

OW_V2_P4

NS_V2_P3

OW_V2_P3

NS_V1_P3

OW_V1_P3

NS_V1_P3

OW_V1_P3

NS_V2_P3

OW_V2_P3

NS_V1_P2

OW_V1_P2

OW_V2_P2

NS_V1_P4

OW_V1_P4

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Nord-Süd-Varianten haben mit ansteigendem Sonnenstand an den Messpunkten 1 und 2 ab ca. 11 Uhr eine höhere Zustrahlung zu verzeichnen. Das bedeutet ab 11 Uhr eine ansteigende Kurve. Die beiden Materialvarianten unterscheiden sich mit ca. 15°C bei mäßiger Zustrahlung bis 11 Uhr und mit ansteigender Zustrahlung ab 11 Uhr mit ca. 10°C gemittelter Strahlungstemperatur (Tmrt). Die beiden Messpunkte 3 und 4 entwickeln durch frühere Zustrahlung durch Lage in der Mittelachse des Platzes schon zwischen 8 und 9 Uhr höhere Energieumsätze. Der Messpunkt P3 bei der V1-Variante fällt aus dem Rahmen mit seinem identischen Verlauf zum Messpunkt P1. Ein Ermittlungsfehler während den Rechenvorgängen ist zu vermuten. Auffällig ist im Verlauf an allen Messpunkten der Nord-Süd-gerichteten Varianten eine sinkende Differenz der Tmrt-Werte zwischen den Materialvarianten V1 und V2 bei ansteigender Zustrahlung in der Mittagszeit.Bei den Ost-West-Varianten ergibt sich an den vier Messpunkten im Verlauf wie bei den Nord-Süd Varianten ein zweigeteiltes Bild: Messpunkt 2 und 3 entwickeln ohne Schatteneinfluss bis 13 Uhr einen regelmäßigen ansteigenden Verlauf. Zwischen den beiden Materialvarianten V1 und V2 ergibt sich eine durchschnittliche Differenz von ca 8 °C der gemittelten Strahlungstemperatur in 2m Höhe. Die anderen beiden Mes-spunkte 1 und 4 sind nachhaltig von Schattenverläufen der umgebenden Gebäude

beeinflusst. Die zusammenfassende Übersicht der Verläufe aller Messpunkte in zwei Ausrichtun-gen und zwei Materialvarianten macht zunächst noch mal die grundsätzlichen Unter-schiede der Ausrichtungsvarianten deutlich (vergl. 6.3.2). Die OW-Varianten erzeugen durch die süd-östliche Zustrahlung in den Morgenstunden höhere Tmrt-Werte (primär an den Messpunkten P2 und P3). Im Gegensatz dazu entwickeln sich bei der Nord-Süd-Ausrichtung erst mit dem Verlauf der Sonne höhere Umsatzwerte. Die jeweilige Materialvarianten erzeugen auf Grund von Albedo und Materialeigenschaft erkenn-bare Unterschiede an allen Messpunkten. Mit steigender Einstrahlungsintensität sinkt die Differenz zwischen beiden Materialvarianten. Es ergeben sich in den frühen Mor-genstunden Differenzen von 10 – 12°C und im späteren Verlauf Differenzen zwischen 8 und 10°C. Das führt zu der Frage nach dem Einfluss auf die PET-Temperaturen. Können sich trotz zusätzlichen Windeinflüssen erkennbare PET-Differenzen zwischen den beiden Materialvarianten ergeben. Auch die PET-Temperaturen unterscheiden sich erkennbar in den Materialvarianten. Nord-Süd-Ausrichtung: Die Karten der NS-gerichteten-Varianten bestätigen die he-

ABB 6.65: Vergleich der gemittelte Strahlungstemperaturen (Tmrt), V1 und V2 Variante an vier Messpunkten in Ost-West und Nord-Süd Ausrich-tung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08


V1 V1 V1 V1 V1 V1 V1 V1V2 V2 V2 V2 V2 V2 V2 V2

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terogene Verteilung der thermischer Situationen auf der Platzfläche. Je nach Variante sind thermische Unterschiede direkt durch die Farbverteilung zu erkennen. Messpunkt P1 folgt in seinem Verlauf im wesentlichen den Tmrt-Werten aus den vorangegange-nen Analysen und Auswertungen. Ab 11 Uhr steigen die Strahlungswerte auf Grund der zunehmenden Sonneneinstrahlung Analog folgen die PET-Werte. In den Varianten von niedriger Albedo der Wand- und Dachflächen in Kombination mit einem dunklen Platzbelag zu hohen Albedowerten der Wand- und Dachflächen in Kombination mit einem hellen Platzbelag sinken die PET-Werte von 35 °C auf 25 °C PET um 13 Uhr. Bei geringeren Strahlungseingangswerten bis 11 Uhr ergeben sich Differenzen von maximal 5 °C. Messpunkt P2 unterscheidet sich im Verlauf bis 13 Uhr nur durch hö-here Zustrahlungswerte und somit auch höheren PET-Werten auf bis zu 45 °C PET bei Variante V1. Das Spektrum der Verteilungen in den Varianten steigt bis 13 Uhr auf ca. 13 °C. Messpunkt P3 spiegelt mit der Verortung in Platzmitte auch einen reprä-sentativen Mittelwert aller Standorte. Dem entspricht auch die PET-Verteilungskurve. Das Temperaturspektrum reicht um 13 Uhr von 29 °C PET bis 42 °C PET. Messpunkt P4 erzielt auf Grund seiner geschützten und strahlungsexponierten Lage die höchsten Tmrt und auch PET Werte. Die PET Temperatur steigt bei Variante 01 auf bis zu 63 °C um 13 Uhr. Ost-West-Ausrichtung: Die Ost-West gerichteten-Varianten zeigen ein Spektrum von 18 bis 58 °C PET an unterschiedlichen Messpunkten. Der Blick auf die Karten zu

ABB 6.68: PET Temperaturverläufe (in °C) Variante V1 und V2 an vier Mes-spunkten in Nord-Süd Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

ABB 6.66: PET Temperaturen auf dem Platz (in °C) Variante V1 in Nord-Süd Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

ABB 6.67: PET Temperaturen (in °C) Variante V1 Ost-West Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

ABB 6.69: PET Temperaturverläufe (in °C) Variante V1 und V2 an vier Mes-spunkten in Ost-West Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

NS_V2_P4

OW_V2_P4

NS_V2_P3

OW_V2_P3

NS_V1_P3

OW_V1_P3

NS_V1_P3

OW_V1_P3

NS_V2_P3

OW_V2_P3

NS_V1_P2

NS_V1_P2

OW_V1_P2

OW_V2_P2

NS_V1_P4

OW_V1_P4

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den Varianten zeigt durch Farbverteilungen die Überwärmungen des Platzes durch die fehlende Windeinströmung im Vergleich zu den Nord-Süd-Varianten. Das unter-streicht aber die erkennbar homogenere Flächigkeit der thermischen Situationen im Durchschnitt. Einfluss von Gebäudeschatten, reduzierte aber auch maximierte Ab-strahlung der ist durch die Farbverteilung in der Varianten der Karten besonders gut zu erkennen. Messpunkt P1 steigt bis 10 Uhr in den PET-Werten analog zum Verlauf der Sonne. In der Zeit von 11 bis 15 Uhr liegt der Messpunkt P1 im direkten Schat-teneinfluss des westlichen Gebäudekomplexes. Ansonsten folgt die Kurve den beiden anderen Messpunkten P2 und P3. Die direkten Veränderungen durch die Oberflächen in den Varianten sind nur bei größeren Strahlungsumsätzen (9-10 Uhr) feststellbar. Messpunkt P2 folgt wie auch Messpunkt P3 analog der Strahlungskurve. Die erhöh-ten Strahlungseinflüsse an der Hausfassade sind kaum in den PET-Temperaturen im Vergleich feststellbar. Es werden Maximas von 50°C PET bei der V1 Variante erreicht. Die Varianten entwickeln eine Differenz von fast 18 °C bei beiden Messpunkten. Mes-spunkt P4 liegt nach 9.00 Uhr im direkten Schatten- und Gebäudeeinfluss und ent-wickelt im Tagesverlauf keinen höheren außergewöhnlichen PET-Werte. Die Material-varianten unterscheiden sich trotz geringen Strahlungswerten mit einer Differenz von

ABB 6.70: PET Temperaturverläu-fe (in °C) Variante V1 und V2 an vier Messpunkten in Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

10 °C um 13 Uhr. Grundsätzlich lassen sich eindeutige Querbezüge von Materialwahl und PET- Temperaturen feststellen. Dunklere Oberflächen erzeugen an den Seiten und auf der Platzfläche durch Zustrahlungen auch erhöhte Strahlungstemperaturen und führen gerade bei der Ost –West-Ausrichtung (vergleiche Windgeschwindigkeiten im Unterschied der Ausrichtungsvarianten 6.3.2) zu erhöhten PET-Temperaturen im Mit-tel. Durch die unterschiedlichen Materialien werden PET-Differenzen von bis zu 13°C erreicht. Die jeweiligen Differenzen der Werte auf dem Platz sind bei der Ost-West Variante deutlich homogener verteilt.

VegetationEin wichtiger Augenmerk galt einer zusätzlichen Variante mit Baumüberstand. Die bei-den Materialvarianten V1 und V2 sind in einer weiteren Simulation durch ein Baum-karree ergänzt worden. Aus dem Datenpool von ENVI-met wurde der Baumtyp l1 aus-gewählt. Jeder zu wählbare Baumtyp aus ENVI-met unterscheidet sich durch Höhe, Struktur und Blattflächendichte in Höhenschichten von den anderen. Der Baumtyp l1 ist 15m hoch und zeichnet sich durch eine lockere Wuchsform mit mittlerer Strah-lungsdurchlässigkeit aus (vergl. Abbildung Datenblatt Vegetation in Kapitel 4.3). Die jeweilige Fläche innerhalb des Baumkarrees ist als Lehmboden festgelegt gewesen.

6.3.4


V1 V1 V1 V1 V1 V1 V1 V1V2 V2 V2 V2 V2 V2 V2 V2

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Die beiden Vegetationsvarianten sind analog mit gleichen Eingabewerten der Vari-anten V1 und V2 mit jeweils V3 und V4 benannt. Die Abbildungen zeigen wie zu er-

ABB 6.71: Tmrt Werte Variante V1 in Ost-West Ausrichtung, 2 m Höhe, 01.05.2008, 12 Uhr

ABB 6.72: Tmrt Werte Variante V3 in Ost-West Ausrichtung, 2 m Höhe, 01.05.2008, 12 Uhr

ABB 6.73: Tmrt Werte, Verlauf von 7-13 Uhr, Variante V1 und V3 in Ost-West Ausrichtung, 4 Messpunkte, 2 m Höhe, 01.05.2008, 7-13 Uhr

warten einen erkennbaren Ein-fluss auf die gemittelten Strah-lungstemperaturen in 2m Höhe. Durch die Blattflächen wird ein Großteil der eingehenden Strah-lung gefiltert. Das bedeutet eine Reduktion von ca. 20 °C Tmrt unterhalb des Blätterdaches. Deutlicher wird der Einfluss im Vergleichsdiagramm beider Varianten. Das nebenstehen-de Diagramm zeigt den Verlauf bei Ost-West-Ausrichtung aller Messpunkte bis 13 Uhr (V1 und V3). Jeder Messpunkt hat eine Farbgebung und unterscheidet sich in helle und dunkle Farbe entsprechend ohne (V1) und mit Vegetation (V3). Mit stei-genden Strahlungswerten steigt auch die Differenz der gemit-telten Strahlungstemperaturen zwischen V1 und V3. An fast allen Messpunkten ist ein Ein-fluss erkennbar. Als zusätzlicher

Messdatenpunkt ergänzt P5 unterhalb des Blätterdaches die anderen Datenpunkte. Vergleicht man die Kurve P3 (Platzmitte: hier mittelgrün) und P5 (westlich, unter dem Blätterdach, hier hellgrün) ergibt sich zwischen 12 und 13 Uhr eine Differenz von 12 bis 15 °C Strahlungstemperatur in 2m Höhe. Der Vergleich ist mit der Veror-tung auf der Mittelachse des Platzes sinnvoll und dementsprechend aussagekräftig. Lediglich die übersteigende Kurve zwischen 9 und 10 Uhr ist der seitlichen niedrigen Sonneneinstrahlung unter dem Blätterdach zuzuweisen. Das folgende Diagramm fast alle Standorte mit allen Varianten zusammen. Für die meisten Messpunkte sind auch außerhalb des Blätterdaches durch längere und kürzere zusätzliche Schatteneinflüsse reduzierte Strahlungstemperaturen feststellbar.

OW_V3_P4

OW_V3_P3

OW_V1_P3

OW_V1_P3OW_V3_P3

OW_V3_P5

OW_V1_P2

OW_V3_P2

OW_V1_P4

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Herauszuheben sind bei den Nord-Süd-gerichteten Varianten auch die Unterschiede der Strahlungstemperaturen beim Messpunkt P5 unter dem Baumkarre der V3 und V4 -Variante. Der Materialeinfluss macht sich hier mit fast 30°C bemerkbar. Der Einfluss der Strahlung durch Vegetation ist grundsätzlich nur im Schattenbereich der Gehölze an allen Messpunkten erkennbar. Der deutlichste Unterschied ergibt sich durch die Materialität der seitlichen und horizontalen Flächen.Ähnliche Differenzen ergeben sich auch bei den Ost-West-gerichteten Varianten. Be-stimmend bleibt der Materialeinfluss auf die gemittelten Strahlungstemperaturen. Durch Schatteneinflüsse der Gehölze sind die Unterschiede durch Vegetation haupt-sächlich bei den Messpunkten P2 und P3 erkennbar.

Der Einfluss der Vegetation ist besonders deutlich im Vergleich der PET-Temperatur-karten der Varianten V1 und V3 erkennbar. Die Abbildung auf der nächsten Seite zeigt einen Schnitt in 2m Höhe um 12 Uhr: Die überwärmten Bereiche in der Platzmitte sind nahezu vollkommen verschwunden. Lediglich im Seitenbereich außerhalb des Einflussbereiches der Gehölze bleibt eine leichte Überwärmung bestehen. Durch eine Lehmoberfläche im Baumkarree sowie durch die Verschattung der Baumkrone sind nahezu alle überwärmten Bereiche in der Platzmitte verschwunden. Die Ausrichtung

ABB 6.74: Tmrt Werte aller Varianten in Nord-Süd Ausrichtung (in °C), 7-13Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

ABB 6.75: Tmrt Werte aller Varianten in Ost-West Ausrichtung (in °C), 7-13Uhr, 2m Höhe, 01.05.08


V1

V1

V1

V1

V1

V1

V1

V1

V2

V2

V2

V2

V2

V2

V2

V2

V2

V3

V3

V3

V3

V3

V3

V3

V3

V3

V3

V4

V4

V4

V4

V4

V4

V4

V4

V4

V4

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nach Ost-West hat eine Einströmung von Wind verhindert. Das führt im Vergleich beider Ausrichtungsvarianten zu stärkeren Wärmeentwicklungen im Platzinneren (vergl. 6.3.2). Durch zusätzliche Vegetation im Platzinneren kann diese Überwärmung weitestgehend verhindert werden. Das bedeutet eine Verbesserung der Standorttem-peraturen untereinander. Das letzte Diagramm fast alle PET-Temperaturen aller Vari-anten nach Ausrichtung und Messpunkten zusammen. Je nach Messpunkt werden die Varianten V1 bis V2 chronologisch hintereinander aufgeführt. Vegetation kann die teilweise sehr unterschiedlichen Temperaturentwicklungen nach Ausrichtung, Material und Standort in der Differenz verhindern. Vergleicht man alle Vegetationsvarianten aller Standpunkte auf dem Platz ergibt sich ein geringere Dif-ferenz in der PET-Temperatur als der Vergleich der Varianten ohne Vegetation. Dazu können individuelle Standorte und individuelle Aufheizungen durch Ausrichtung und Materialwahl durch Vegetation nachhaltig in der PET-Werteskala gelenkt werden

FazitDie Ergebnisse der ersten Simulationsreihe konnten vermutete Querbeziehungen von Planungshandlung und thermischer Auswirkung im Freiraum anhand der gewählten Platzvariante numerisch ausdrücken und somit genauer definieren. Die PET-Karten und PET-Diagramme drücken für verschiedene Varianten an definierten Messpunkten die Veränderungen in Behaglichkeitswerten aus. Es konnten Querbezüge von Planungs-handlungen nach Entscheidungen zur Ausrichtung, zum Material, zur Vegetation und zu potentiellen Nutzergruppen festgestellt und genauer beleuchtet werden.

AusrichtungDemnach ist die Entscheidung zur Ausrichtung maßgeblich von den Wind- und Strah-lungsverhältnissen abhängig. Mit steigendem Windeinfluss verstärken sich die unter 3.5 aufgezeigten Windeffekte an Hindernissen in städtischen Räumen. Diese unter-schiedlichen Effekte haben einen nachhaltigen Einfluss auf die Behaglichkeitstem-peraturen und auf die Gleichmäßigkeit der thermischen Bedingungen. Die Abbildung fasst für die gewählte Situation die Windverhältnisse nach Ausrichtungsvarianten zu-sammen. In allen OW-Varianten sind kaum größere Unterschiede an den Messpunkten feststellbar. Die Querstellung der Gebäude verhinderte das Einströmen der Windbe-wegungen für alle gewählten Messpunkte auf dem Platz. Die Nord-Süd-Ausrichtung dagegen ermöglichte das Einströmen und verschiedene Effekte im Raum verursachten teilweise sehr unterschiedliche Windverhältnisse. Der Messpunkt P1 liegt im unmittel-

ABB 6.76: PET Temperaturen auf dem Platz (in °C) Variante V1, Ost-West Aus-richtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

ABB 6.77: PET Temperaturen auf dem Platz (in °C) Variante V3, Ost-West Aus-richtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08

6.3.5

baren schmalen Durchgangsbe-reich des Platzes und Turbulen-zen werden an den Hausfassaden und mit der Verengung zum Ende der Strecke deutlich. Das führt zu Windverhältnissen von über 5 m/s und gilt nach Bjerregaard (vergl. 3.5) als Einschränkung des thermischen Komforts. In der Platzmitte sind je nach Lage 2 bis 2.5 m/s erkennbar. Im Wind-

ABB 6.78: Windverhältnisse für Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 10-13 Uhr, 01.05.2008

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schattenbereich an Messpunkt P4 kommt es dagegen nahezu zur Windstille. Diese heterogene Verteilung der Windverhältnisse hat auch seinen Einfluß spürbar in den zusammenfassenden Werten zur Behaglichkeit hinterlassen. Die jeweiligen Ausrichtungen sind zudem im Zusammenhang einer unterschiedlichen Einstrahlung der Sonne zu sehen. Mit dem Sonnenverlauf ergeben sich durch die jeweils um 90 Grad gedrehten Gebäude verschiedene Schattenverläufe. Alle Gebäu-de sind mit 18m als Höhen gleich eingegeben. Mit unterschiedlichen Gebäudehöhen können sich die Schattenverläufe heterogener ausprägen. Eine Gegenüberstellung der beiden Verläufe von Ost-West und Nord-Süd-Ausrich-tung zeigt an Hand der Variante V1 die jeweiligen Strahlungstemperaturen an den Messpunkten P1 bis P4. Deutlich wird ein unterschiedlicher Verlauf und somit auch eine nachhaltiger Einfluß der Strahlungstemperaturen auf die PET-Temperaturen. Mit steigender und sich drehender Sonne können bei der Nord-Süd-Ausrichtung ab mittag für alle Messpunkte Strahlungstempera-turen in einem ähnlichen Tempe-raturspektrum erreicht werden. Das bedeutet für den ganzen Platzbereich wenig Schatten-einfluss zur Haupttageszeit und somit auch gleichmäßigere Ver-

ABB 6.79: Verlauf der Tmrt Temperatu-ren (°C) bei Variante V1, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, Messpunkte 01 bis 04, 7-13 Uhr, 01.05.2008

ABB 6.80: Verlauf der PET Temperatu-ren (°C) bei Variante V1, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, Messpunkte 01 bis 04, 7-13 Uhr, 01.05.2008

teilungen der Strahlungsintensitäten. Bei der Ost-West-Ausrichtung dagegen sind Schatteneinflüsse mit dem Verlauf der Sonne an Messpunkt P1 und P4 deutlich zu erkennen. Das bedeutet für die Haupttageszeit im Gegensatz zur 90° Grad gedrehten Variante einen größeren Schatteneinfluss durch die Gebäude. Das Spektrum der Be-haglichkeitstemperatur wird somit durch den Einfluß der Schattenverläufe nachhaltig vergrößert und somit heterogener. Die Abbildung rechts unten fasst die PET-Verläufe für beide Ausrichtungsvarianten am Beispiel der Variante V1 zusammen. Auf Grund geringer Windeinwirkungen bei der Ost-West-gedrehten Variante folgen die Verlaufskurven der einzelnen Messpunkte analog ähnlich den Tmrt Kurven. Es ergibt sich zur Mittagszeit ein Differenzspek-trum von ca. 15-20° zwischen den Messpunkten P1 und P4. Auf Grund unterschiedlicher Wind-einwirkungen an den einzelnen Standorten folgen die PET-Kur-ven bei den Nord-Süd-Varianten nicht den Strahlungskurven. Das relativ geringe Temperaturspek-trum der Strahlungswerte erwei-tert sich für die PET-Werte um die Mittagszeit auf 30-35°. Das bedeutet eine eher heterogene Verteilung der Behag-lichkeitswerte an verschiedenen Standorten. Die Ost-West-Variante hat im Durch-schnitt trotz größeren Differenzen der Strahlungswerte eine homogenere Verteilung der Behaglichkeitswerte auf dem Platz. Nord-Süd: teilweise über 50°C, Differenz 30°C der Messpunkte (13 Uhr), geringste Temperatur um 13 Uhr P1 33°C , höchste Temperatur um 13 Uhr P4 63°C Ost-West: nicht über 50°C, Differenz 15 °C(13 Uhr), geringste Temperatur um 13 Uhr P1 27°C , höchste Temperatur um 13 Uhr P2 49°C


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NutzerDie Untersuchungen zu den Nutzern haben bei gleichen Bedingungen individuelle Behaglichkeitstemperaturen ergeben. Das Spektrum war für alle Nutzer ähnlich. Al-lerdings ließen sich anhand der Farbverteilungen auf den Karten unterschiedliche primäre Behaglichkeitstemperaturen für den Großteil der Fläche erkennen. Zudem ist die Toleranz für größere und kleinere (oder vielleicht lieber: „höhere und niedrigere“) Werte erkennbar unterschiedlich. Demnach ist für einen jungen männlichen Nutzer (15J) ein primärer Wert von 42°C PET mit ca. 70-80% der Fläche erkennbar (diese

Werte wurden nur anhand der Farbverteilungen geschätzt). Die Anteile an hohen und niedrigen Temperaturen sind relativ gering. Neben den primär empfundenen PET-Werten (Hauptanteil der Flächenwerte) steigen diese An-teile mit zunehmendem Alter. Bei einem 35 jährigen männlichen Nutzer steigt der Durchschnitts-wert auf 48°C und bei einem 70

jährigen männlichen Nutzer sogar auf 51°C PET-Temperatur. Zudem sind beim 70 jährigen wie beschrieben größere Anteile an extrem hohen oder extrem niedrigen PET-Werten an verschiedenen Standorten auf dem Platz zu erkennen. Ein junger Mensch besitzt demnach, bezogen auf die gewonnenen Erkenntnisse, eine größere Temperaturtoleranz. Mit steigendem Alter steigt auch die Sensibilität für Wärme und Kälte. Für Planungsaufgaben kommt somit den potentiellen Nutzern eine besondere Bedeutung zu.

15 jähriger, männlich, leichte Tätigkeit: Spektrum der Temperaturempfindungen: 25-60 °C PET, Durschnittswert Platzmitte: 42 °C PET35 jähriger, männlich, leichte Tätigkeit: Spektrum der Temperaturempfindungen: 25-60 °C PET, Durschnittswert Platzmitte: 48 °C PET70 jähriger, männlich, leichte Tätigkeit: Spektrum der Temperaturempfindungen: 25-60 °C PET, Durschnittswert Platzmitte: 51 °C PETDifferenz der Durschnittswerte: 9°C PET, bessere Temperaturanpassung des 15 jähri-gen, größere Sensibilität auf Kälte und Wärme mit steigendem Alter

Material und OberflächeDie verschiedene Ausgestaltung des Raumes berücksichtigte zwei Materialvarianten: Zum einen eine eher dunkle und strahlungsabsorbierende Variante V1 (vertikale und horizontale Flächen) mit niedrigen Albedowerten und zum anderen eine eher helle und strahlungs-abweisende Variante V2 mit hohen Albedowerten. Die Abbildung fasst alle ermittelten Strahlungstemperaturen in einem Mittelwert nach

ABB 6.81: gemittelte PET Temperaturen unterschiedlicher männlicher Nutzer (°C), 7-13 Uhr, 01.05.2008

ABB 6.82: gemittelte Tmrt Werte (°C), Variante V1 und V2, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 9-13 Uhr, 01.05.2008

Ausrichtung und Materialvarian-te für die Messpunkte zusammen. Die verschiedenen Werte nach Ausrichtung sind den jeweiligen Expositionen zum Sonnenverlauf zuzuschreiben (Vergl. oben). Es wird bei beiden Ausrichtungen im durchschnittlichen Maximum 70° erreicht. Die Nord-Süd-Ausrich-tung hat auf Grund ihrer Öffnung

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zur Haupteinstrahlungszeit eine etwas homogenere Verteilung an den Standpunkten aufzuweisen. Bezogen auf die jeweiligen Umsätze der unterschiedlichen Varianten, werden bezogen auf die Oberflächen und Materialien deutliche Unterschiede erkenn-bar. Demnach ergeben sich nur auf Grund der anders ge-wählten Oberflächen im Durchschnitt MRT-Unterschiede von ca. 10-15°C. Diese Unterschiede resultieren aus der Intensität des Strahlungseinganges an dem jeweiligen Stand-punkt. Nord-Süd: homogen, gleichmäßig ansteigend, P4 im Durchschnitt wärmster PunktOst-West: eher heterogen, P1 und P4 zuerst hoch dann stark abnehmend, P2 und P3 im Durschnitt hohe und gleichmäßige Strahlungstemperaturen Unterschiede V1 und V2: 15 °C Differenz bei hoher Strahlungszufuhr, 10 °C Differenz bei niedriger Strahlungszufuhr. Die unterschiedlichen gemit-telten Strahlungstemperaturen (MRT) der Materialvarianten drücken sich letztendlich auch in den entscheidenden PET-Tempe-raturen aus. Zusammen mit den Windeinflüssen ergeben sich im Vergleich mit den Strahlungs-temperaturen Unterschiede in der Verteilung (vergl. oben). Im Vergleich der Materialvarianten lassen sich eindeutige Querbezüge feststellen. Für beide Ausrichtungen sind Unterschiede von 6 bis 15°C PET zu verzeichnen. Mit stei-genden Temperaturen sind im Mittel nicht unbedingt auch ansteigende Differenzen verbunden. Ost-West: PET-Differenzen durch Materialeinfluss von 6 – 15 °C, Verteilung der PET-Temperaturen in zwei Bereiche: P1 und P4, P2 und P3Nord-Süd: PET-Differenzen durch Materialeinfluss von 6 – 11 °C, Messpunkt P4 als „Ausreißer“, Maximalwert aller Varianten

ABB 6.83: gemittelte PET Werte (°C), Variante V1 und V2, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 9-13 Uhr, 01.05.2008

ABB 6.84: gemittelte Tmrt Werte (°C), Variante V1 und V3, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 9-13 Uhr, 01.05.2008

ABB 6.85: gemittelte PET Werte (°C), Variante V1 und V3, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 9-13 Uhr, 01.05.2008

VegetationDie Varianten V3 und V4 glei-chen V1 und V2, sind jedoch mit zusätzlicher Vegetation in Form eines Baumkarrees in die Simu-lationsreihe eingegeben worden. Der Einfluss der Vegetation durch Strahlungsfilterung oder Ver-schattung ist erwartungsgemäß nicht für jeden Standpunkt hin-sichtlich der gemittelten Strahlungstemperaturen erkennbar. Allerdings können auch hier an den unmittelbaren Einflussstandorten Unterschiede aus den Berechnungsda-ten abgelesen werden. Folglich an den Messpunkten P2 und P3 der OW-Varianten und an P3 und P4 der NS-Varianten. Die Differenzen reichen von 10 bis 15 °C im Durchschnitt. Der weitere Blick auf die PET-Werte im Vergleich der Variante V1 und V3 zeigt teilweise große Differenzen zwischen den Va-rianten. In diesem letzten Ver-gleich ergänzt ein Messpunkt P5 direkt unter den Gehölzen die


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Erkenntnisse. Im direkten Vergleich mit benachbarten Standorten P4 (bei NS) und P3 (OW) zeigen sich eindeutige Unterschiede durch den Einfluss der Bäume. Neben Strahlungsveränderungen spielt auch die Windbremsung oder Windlenkung insbe-sondere bei den NS Varianten eine Rolle. Ein abschließender Vergleich des Platzmittelpunktes P3 in allen vier Varianten ver-

deutlicht eine relativ homogene Abstufung der PET-Temperatu-ren durch Material und Vege-tation. Demnach ergeben sich bei den baumlosen Varianten die höchsten Werte gefolgt von den Vegetationsvarianten mit unterschiedlich gewählten Ober-flächen und Materialeigenschaf-ten.

MRT: Deutlich verringerte MRT-Werte im unmittelbaren Schatteneinfluss der Gehölze, dazu kommt ein geringerer Umsatz innerhalb des Baumkarrees auf der Lehmbodenflä-che, das bedeutet eine Verringerung der Differenz um ca. 10-15 °C auf dem PlatzPET: Insgesamt verringert sich durch Vegetation die jeweilige Materialvariante um ca. 10-15 °C

ABB 6.86: PET Verläufe (°C), Variante V1 -V4, Ost-West und Nord-Süd Aus-richtung Messpunkt P03, 7-13 Uhr, 01.05.2008

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Ergebnisse: Vergleich von Planungsvarianten bei doppelter Platz-größe Standort: Kassel

Mit einer Vergrößerung der Platzfläche steigt vermutlich der Einfluss durch Windbe-wegungen in städtischen Freiraumeinheiten. Das lässt ein Sinken der PET-Temperatu-ren auf der Platzfläche vermuten. Zudem ermöglichen größere Flächen auch größere energetische Umsätze durch zurückgehende Schatteneinflüsse. Es stellt sich die Frage welche energetischen Eingänge im Vergleich zu der Ursprungsgröße mehr Einfluss auf die Behaglichkeitstemperatur für das gewählte Datum gewinnen. In diesem Zusam-menhang erscheint auch ein wiederholter Vergleich der Variante V3 (mit Vegetation) mit der vergrößerten Variante (hier XL bezeichnet) sinnvoll. Die Ausgangsparameter gleichen den vorangegangenen Varianten.

DimensionenDie Abbildung fasst im Vergleich die Strahlungstemperaturen der Variante V1 und der Variante XL V1 zusammen. Durch eine Aufweitung und Vergrößerung der Platzfläche steigen an den Standorten P3 und P4 die Strahlungstemperaturen im Verlauf schnel-ler an. Der höhere Sky-View-Faktor ermöglicht eine frühere Besonnung der Flächen. Die Maximaltemperaturen bleiben aber im Mittel für alle Standorte bei doppelter Platzgröße mit 8 bis 10°C der Strahlungstemperaturen unter den der Normalvariante. Lediglich am Standort P4 werden sowohl im Verlauf als auch um 13 Uhr insgesamt 10°C höhere Strahlungstemperaturen erreicht. Das bedeutet trotz Vergrößerung ge-ringere gemittelte Tmrt Werte für die XL Variante.

6.4

6.4.1

ABB 6.87: Tmrt Verläufe (°C), Variante V1 im Vergleich mit doppelter Platzgrö-ße Variante V1 XL, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008

Bei einem Blick auf die PET-Werteermittlung (Seite 134) bestätigen sich im Zusam-menhang mit den veränderten Windbedingungen (Kartenvergleich siehe vor) teilweise ganz erhebliche Temperaturunterschiede. Das betrifft zum einen den Verlauf an den unterschiedlichen Standorten und zum anderen grundsätzliche Maximaltemperatu-rentwicklungen. Mit den stärkeren Windeinflüssen am Standort P4 ergeben sich mit noch stärkeren Windeinflüssen noch größere Verhältnismäßigkeiten von Strahlungs-temperaturen und PET-Temperaturen bei der Variante V1 XL. Es ergibt sich im Verhält-nis zwischen der großen und kleinen Variante eine Differenz von fast 15 °C. Der Blick auf die anderen Messstandorte zeigt eine Differenz von ca. 10°C. Wie erkennbar, er-wärmt sich die kleinere Platzeinheit deutlich mehr. Die Ursache liegt nicht, wie vorher beschrieben, nur in geringeren Strahlungsumsätzen an den Wand- und Bodenflächen,

Ergebnisse: doppelte Platzgröße - Numerische Untersuchungen

Kurzzusammenfassung: Mit der Ver-größerung der Platzeinheit ergab sich bei identischen Parametern eine durchschnittliche Verringerung der PET-Werte durch geringere gemittelte Strahlungswerte und durch anstei-gende Windgeschwindigkeiten. So-mit kann der kausale Zusammenhang von Dimension und Behaglichkeit anhand dieses Beispieles numerisch benannt werden. Es ergeben sich im Durchschnitt 5 -10 °C geringere PET-Temperaturen bei den vergrößerten Platzvarianten.

P1 P1P2 P2P3

P3

P4 P4

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sondern resultiert aus den veränderten Windeinflüssen. Eine Windkarte der V1 XL Variante liegt nicht vor, höhere Windgeschwindigkeiten sind aber zu vermuten.

VegetationWie zu vermuten entwickeln sich im Mittel durch den Einfluß der Vegetation und des veränderten Bodenbelages innerhalb der Vegetationsfläche geringere Maximal-Tmrt- Werte. Im Verhältnis untereinander sind bei der vergrößerten Platzeinheit im Verhält-nis etwas geringere Strahlungstemperaturen zu verzeichnen. Im Vergleich zu den V1 Varianten sind nur kleine Unterschiede oder Differenzen der Tmrt-Werte erkennbar.

ABB 6.88: PET Verläufe (°C), Variante V1 im Vergleich mit doppelter Platzgrö-ße Variante V1 XL, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008

ABB 6.89: Tmrt Verläufe (°C), Variante V3 im Vergleich mit doppelter Platzgrö-ße Variante V3 XL, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008

6.4.2

P1

P1

P1

P1

P2

P2

P2

P2

P3

P3

P3

P3

P4

P4

P4

P4

P1 P1P2 P2P3 P3P4 P4

Der abschließende Vergleich der PET-Temperaturen (S. 135) zeigt jedoch größere Un-terschiede von den V1 und V3 Varianten. Im Vergleich der Platzgrößen stellt sich ein reduziertes aber ähnliches Bild wie bei dem V1 Variantenvergleich dar.

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ABB 6.90: PET Verläufe (°C), Variante V3 im Vergleich mit doppelter Platzgrö-ße Variante V3 XL, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008

ABB 6.91: Tmrt Verläufe (°C), Variante V1 im Vergleich mit doppelter Platzgrö-ße Variante V1 XL, Nord-Süd Ausrich-tung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008

ABB 6.92: PET Verläufe (°C), Variante V1 im Vergleich mit doppelter Platz-größe Variante V1 XL, Nord-Süd Aus-richtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008

FazitZusammenfassend ergeben sich im Vergleich veränderte Verläufe und geringere Strah-lungswerte im Maximum. Durch eine Vergrößerung der Einheit profitieren Standpunkt P3 und P4 von früheren Zustrahlungen und können im Verlauf früher ansteigen. Mit steigendem Sonnenstand entwickeln sich aber auch auf Grund der engeren Raum-konstellationen höhere Strahlungstemperaturen. Der Tmrt-Wert ermittelt alle Strah-lungseingänge im Raum. Das bedeutet auch die Zustrahlungen bzw. Abstrahlungen der vertikalen Flächen. Im Mittel werden ca. 10°C mehr an Strah-lungstemperatur bei der kleine-ren Planungsvariante erreicht.Die Gesamtaufstellung aller PET-Werte im Vergleich mit den kleineren Platzvarianten zeigt wie oben bereits erwähnt eine deutliche Differenz zwischen beiden Standorten. Nahezu an allen Messpunkten ergibt sich eine Verringerung der PET-Temperatur bei den größe-ren Platzgrößen von bis zu 15°C. Mit Vergrößerung der Platzgröße hat sich in diesem Vergleich auch das Spektrum der PET-Temperaturen verringert. Deutlich reduziert ist der Verlauf des Messpunktes P4 von 63 auf 65°C. Der Platzmittelbereich ist um 10°C geringer. Ein aussagekräftige Grafik der PET-Temperaturen aller Varianten am Messpunkt P3 liefert ein zusammenfassendes Resultat (vergleiche Abbildung folgende Seite). Grundsätzlich sinken die PET-Werte bei der vergrößerten Platzvariante in den vorliegenden Simulationser-gebnissen von 7 bis 13 Uhr am 01.05.2008. Durch diese Verdoppelung der Platzgröße verändert sich das Di-

Ergebnisse: doppelte Platzgröße - Numerische Untersuchungen

P1 P1P2 P2P3 P3P4 P4

6.4.3

-132-

mensionsverhältnis der horizontalen und vertikalen Flächen zueinander. Das bedeutet eine Veränderung der thermischen Situation durch veränderten Einfluss und Wechsel-

ABB 6.93: PET Verläufe (°C), Variante V1 und V3 im Vergleich mit doppelter Platzgröße Variante V1 XL, Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P03, 7-13 Uhr, 01.05.2008

beziehungen der Wirkfaktoren untereinander. Um deutlichere Simulationsergebnisse liefern zu können, wurden bewusst die Varianten V1 und V3 in Nord-Süd-Richtung (mit größerem Windeinfluss) gewählt. An be-stimmten Messpunkten der XL-Varianten (doppelte Platzgröße) ergeben sich teilweise höhere

Tmrt-Werte mit der Veränderung des Sky-View-Faktors durch die doppelte Platz-größe. Im Durschnitt sind aber die kleineren Platzgrößen deutlich „wärmer“ in den PET-Werten. Das bestätigt größere Windgeschwindigkeiten bei veränderten und ma-ximierten Dimensionen. Mit der Vergrößerung der Platzfläche ergeben sich so trotz prozentual geringeren Schattenflächen und Schatteneinflußflächen im Durchschnitt geringere PET- und Tmrt-Temperaturen. Die Verläufe sind durch Dimensionsvergrö-ßerungen im Tagesgang früher ansteigend aber erreichen geringere Temperaturen. Die XL Varianten erwärmen sich selbst ohne Vegetation bei Variante V1 XL weniger als die Vegetationsvariante der kleinen Platzeinheit. Es ergibt sich ein Temperaturbild von starker Erwärmung bis schwächere Erwärmung von V1 , V3, V1 XL und V3 XL. Es können somit für die gewählten Einheiten eindeutige Querbezüge von Dimensions-veränderungen und Behaglichkeitswerten festgestellt werden.

-133-

6.5

6.5.1

Ergebnisse: Vergleich von Planungsvarianten einer Freiraumein-heit Standorte: Kassel und Göteborg

Die letzte Simulationsreihe verfolgte primär zwei Zielsetzungen: Zum einen den Er-kenntnisgewinn zur Verortung. Welchen Einfluss hat die geografische Lage auf die Behaglichkeitstemperaturentwicklungen? Zum anderen ergab sich die Chance über ENVI-met 4.0 genauere Eingaben zu den Materialien und Oberflächen zu treffen. Gewählt wurden in diesem Fall eher „dunklere“ Materialien mit Klinkerbelag in der Fläche und für die Hausfassaden. Diese Variante konnte dann wiederum in Bezug zu einer „begrünten“ Variante V3 gesetzt werden. Anhand der Verhältnismäßigkeiten galt es die vorangegangenen Erkenntnisse aus den Simulationen mit ENVI-met 3.1 zu überprüfen. Inwieweit bestätigen sich diese Verhältnisse von Material und Begrünung untereinander? Zusätzlich längere Simulationszeiten (in diesem Fall immer komplette Tagessimulationen) trugen des Weiteren zu einer genaueren Differenzierung der Er-gebnisse mit bei.Analog zur Interpretation der ersten Simulationsreihe macht es Sinn zunächst die Strahlungsentwicklungen und daraufhin die PET-Entwicklungen zu vergleichen. Der besondere Schwerpunkt der Interpretation liegt auf dem Standortvergleich. Das be-deutet zunächst ein Vergleich der V1 Varianten untereinander und anschließend der Vergleich von den V1 und V3 Varianten. In einem letzten Schritt können Querbezie-hungen und Ähnlichkeiten der ersten und zweiten Simulationsreihe hergestellt wer-den. Ein direkter Vergleich ist auf Grund leicht veränderter Parameter durch andere Zielsetzungen nicht zu ziehen. Es lassen sich jedoch Tendenzen ablesen. Mit dem veränderten Simulationsdatum (01.06.2008) wurde dem Standortvergleich und maxi-malen Einstrahlungswerten Rechnung getragen.

Ergebnisse: Vergleich Kassel und Göteborg - Numerische Untersuchungen

Kurzzusammenfassung: Die Ergebnisse liefern zu den Verhältnismäßigkeiten der Varianten der ersten Simulations-reihe am Standort Kassel ähnliche aber auch etwas geringere Differenzen. Die vermuteten Unterschiede durch die geografische Lage und den verschiede-nen Sonnenwinkel haben sich nicht im Standortvergleich deutlich bestätigt. Vielmehr ergaben sich lediglich 2-4 °C Differenzen der PET-Temperaturen. Im Gegensatz dazu haben sich bei der Variante V3 (Bäume als Baumkarree) große Unterschiede zwischen Variante mit und ohne Gehölze sowie größere Unterschiede zwischen den Standor-ten ergeben. Durch die zusätzlichen Schattenbereiche auf dem Platz durch Vegetation ergaben sich in Göteborg durch die veränderte geografische Lage größere Schattenflächen und demnach große Unterschiede an den verschiedenen Messpunkten. Die Dif-ferenz zwischen beiden Standorten er-gab nur bei den Vegetationsvarianten 10°C PET. Dem hinzuzufügen sei aber die Entscheidung zu gleichen Parame-tereingaben der Windbewegungen. Das entspricht nicht den realen Werten in Göteborg diente aber einer klareren Aussage zum Strahlungseinfluss durch den Vergleich der Einstrahlungswinkel und den resultierenden Strahlungsent-wicklungen.

ABB 6.94: Windbewegungen auf dem Platz am Standort Göteborg, Variante V1, Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008

ABB 6.95: Windbewegungen auf dem Platz am Standort Göteborg, Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008

WindeinflüsseDie Abbildungen zeigen ein nahezu identisches Farbbild der Windverteilungen auf dem Platz wie die vorangegangene Simulationen mit ENVI-met 3.1. Allerdings liefern die neuen Er-gebnisse etwas geringere Ma-ximalwerte. Mit 4,0 m/s sinkt die Maximalwindgeschwindig-keit am nordöstlichen Durch-gang des Platzbereiches. Das Spektrum ist somit um 1 m/s verringert und die Unterschiede der Windeinwirkungen relati-vieren sich im Verhältnis etwas untereinander. Durch die Dre-hung in Windrichtung bei den NS-Varianten treten verschie-dene Windeffekte an den un-terschiedlichen Standorten auf. Im nordsüdlichen Platzbereich kommt es zu einer Windberu-higung auf annähernd 0.3 m/s. Das bedeutet nahezu Windstil-le. Mit 3- 3.0 m/s am Standort

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ABB 6.96: Tmrt Werte auf dem Platz am Standort Göteborg, Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008

ABB 6.97: Tmrt Werte auf dem Platz am Standort Kassel, Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008

P1 sind im Vergleich nicht mehr ganz so extreme Einwirkungen durch Windbewegun-gen auf die PET-Temperaturen zu erwarten. Die Platzmitte verzeichnet ebenso wie die vorangegangenen Ergebnisse eine durchschnittliche Windeinwirkung von 2- 2.5 m/s. Da für beide Standorte Kassel und Göteborg identischen Windparameter eingegeben worden sind, erübrigt sich ein Vergleich der Standorte. Ebenso wie bei den NS-Varianten ergibt sich für die OW-Varianten ein vergleichbares Bild in Relation zur ersten Simulationsreihe. Durch die Drehung gegen die Windrich-tung sind annähernd keine Windeinwirkungen auf dem gesamten Platz erkennbar. Für alle Standorte sind in diesem Fall keine Schwankungen der PET-Temperaturen durch unterschiedliche Verteilung der Windbewegungen zu erwarten. Zusammenfassend liefert in diesem Fall lediglich eine Ergebniskorrektur der Windeinflüsse im Maximal-bereich eine genauere Erkenntnis durch das Programm ENVI-met 4.0. Eine Beeinflus-sung der PET-Temperaturen durch heterogene Windverteilungen an den Standpunk-ten ist bei den NS-Varianten zu erwarten.

Ort und ZeitDer direkte Vergleich der Strahlungstemperaturen (hier 14 Uhr) beider Standorte lie-fert nur bedingt erkennbare Unterschiede. Lediglich mit einem geübten Blick sind etwas schwächer abgestufte Übergänge an den Schattengrenzen zu erkennen. Durch einen etwas steileren Sonnenwinkel sind zudem die Schatteneinflüsse in Fläche ge-rechnet am Standort Göteborg etwas größer. Bei der Platzeinheit in Göteborg ist

6.5.2

in etwa eine Rastergröße (2m) mehr an Schatteneinflussfläche aus der Karte als blau angelegte Fläche abzulesen. Das bedeutet bei ca. 45m Länge eine Fläche von 90m², die um die Differenz von 340 K = 67 °C tmrt auf 304 K= 31 °C Tmrt verringert ist. Im Tagesgang lassen diese verän-derten Schatteneinflüsse auch Differenzen in der PET-Werten vermuten. Ein ähnliches Bild ergibt sich auch im Vergleich der OW-Vari-anten. Mit einem geübten Blick lassen sich für Göteborg größere Schatteneinflussflächen ablesen. Durch den ergänzenden Gebäu-dewinkel mit Schatteneinfluss-bereich steigt der prozentuale Anteil an Schattenfläche im Vergleich zu den NS-Varianten. Das lässt eine etwas stärkere Differenz der PET-Temperaturen gerade durch fehlende Windein-

flüsse bei den NS-Varianten vermuten. Die Grafik auf der nächsten Seite fasst in einem Zeitverlauf alle errechneten PET-Temperaturen an den vier Messpunkten der Variante V1 an den unterschiedlichen Standorten in Nord-Süd-Ausrichtung zusammen. Die jeweiligen helleren Farben ste-hen für den Standort Göteborg. Demnach ergeben sich im Verlauf zu fast jeder Tages-zeit niedrigere PET-Temperaturen am Standort Göteborg. Da die Windbedingungen

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mit gleichen Eingabegrößen in die Simulation eingegeben wurden, resultieren diese Unterschiede aus den veränderten Strahlungsbedingungen. Die jeweiligen Kurven-verläufe sind das Ergebnis der unterschiedlichen Strahlungs- und Windeinflüsse an den jeweiligen Standorten (vergleiche Beschreibungen Kapitel 6.4). Mit einem steile-ren Sonnenwinkel am Standort Göteborg können sich an bestimmten Standorten die Verläufe in seitlicher Richtung verschieben. Diese Verschiebungen sind auf die grö-ßeren Schatteneinflüsse zurückzuführen. Die zeitversetzte Verschiebung kann wie am Standort P4 bis zu einer Stunde betragen. Die grundsätzlichen Temperaturdifferenzen mit 2-3 °C PET ergeben sich auf Grund der veränderten Strahlungsbedingungen. Bei realen existierenden höheren Windbewegungen in Göteborg sind allerdings für die NS gerichteten Varianten auch real niedrigere PET-Temperaturen und somit noch größere Differenzen zwischen beiden Städten anzunehmen.

Die Ost-West-Varianten zeigen ein ähnliches Bild der PET-Differenzen an beiden Standorten. Zeitversetzte Verschiebungen sind hier am Punkt P1 besonders deut-lich. Zusammenfassend sind durch einen veränderte Sonnenwinkel und den damit verbundenen veränderten Strahlungsbedingungen nur geringe Differenzen für die an-genommene Situation zu verzeichnen. Mit dem gewählten Zeitraum am 01.06. steht nach meteorologischen Grundsätzen annähernd die maximale Strahlungsenergie zur Verfügung. Gleichzeitig bedeutet aber auch ein höchstmöglicher Sonnenstand den geringsten Anteil an potentieller Schattenfläche. Demnach sind vermutlich in den Übergangsjahreszeiten (April-Juni / Juli-September) deutlichere Unterschiede nur durch einen steileren Sonnenwinkel und somit größeren Schattenflächen für Göte-borg im Vergleich zu Kassel zu vermuten.

ABB 6.98: PET Verläufe für beide Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1, Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21 Uhr, 01.06.2008

ABB 6.99: PET Verläufe für beide Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21 Uhr, 01.06.2008


K_NS_P1

K_OW_P1

G_NS_P1

G_OW_P1

K_NS_P2

K_OW_P2

G_NS_P2

G_OW_P2

K_NS_P3

K_OW_P3

G_NS_P3

G_OW_P3

K_NS_P4

K_OW_P4

G_NS_P4

G_OW_P4

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Die Abbildung fasst die errechneten Werte am Messpunkt P3 (Mittelpunkt des Platzes) für beide Ausrichtungen und Standorte der Variante V1 zusammen. Grundsätzlich entwickeln sich wie in der ersten Simulationsreihe im Durchschnitt höhere Tempera-turen bei der Ost-West-Ausrichtung. Im Verhältnis werden die höchsten PET-Werte um 16 Uhr für beide Standorte mit 46 °C PET in Göteborg und 48 °C PET in Kassel erreicht. Bei Nord-Süd Ausrichtung sind es 42 °C und 44 °C PET für die beiden Stand-orte um 15 Uhr.

VegetationMit dem zusätzlichen Einfluss durch Baumüberstellung ergibt sich ein ähnlich deut-liches Bild der verringerten gemittelten Strahlungstemperaturen im direkten Ein-

6.5.3

ABB 6.100: Messpunkt P03, PET Ver-läufe für beide Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21 Uhr, 01.06.2008

flussbereich wie in den vor-angegangenen Simulationen. Im Unterschied der beiden Standorte lassen sich im direk-ten Vergleich Farbunterschiede erkennen.In Kassel kann anhand der Farb-verteilungen auf dem gesamten Platz eine bessere Abstufung der Strahlungstemperaturen interpretiert werden. Zum einen kommt es nicht zu so hohen wie auch niedrigen Strahlungstem-peraturen und zum anderen ist die Abstufung im Vergleich der Standorte untereinander wei-ter gefasst. In Göteborg erge-ben sich „härtere“ Grenzen und höhere wie auch niedrigere Strahlungstemperaturen. Der steilere Sonnenwinkel führt zu größeren Schatteneinflussflä-chen und klareren Grenzen. In-sofern lassen sich im Vergleich

ABB 6.101: Tmrt Werte auf dem Platz am Standort Göteborg, Variante V3, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008

ABB 6.102: Tmrt Werte auf dem Platz am Standort Kassel, Variante V3, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008

-137-

der Standorte auch leicht veränderte Schwankungen für die PET-Werte erwarten (im Gegensatz zu der „baumlosen“ Variante V1). Diese Vermutungen bestätigen sich bei der PET-Auswertung.

Die Abbildung zeigt alle Verläufe in Nord-Süd-Ausrichtung und macht leicht erhöhte Temperaturen am Standort Kassel deutlich. Zudem ergibt sich für P4 und P5 eine zeit-liche Verschiebung die teilweise recht erhebliche Temperaturunterschiede erzeugt. Demnach ergibt sich am Messpunkt P4 um die Mittagszeit eine Differenz von 30°C durch früher einsetzenden Schatteneinfluss in Göteborg. In den frühen Morgenstun-den kann es dagegen durch den steileren Sonnenwinkel auch zu höheren Temperatu-ren kommen.

ABB 6.103: PET Werte im Vergleich der Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V3, Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21 Uhr, 01.06.2008

ABB 6.104: PET Werte im Vergleich der Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V3, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21 Uhr, 01.06.2008


Die Querstellung des Platzes bei der Ost-West-Ausrichtung verursacht gerade bei den Vegetationsvarianten für die Mittagszeit einen starken Schatteneinfluss und somit ein allgemeines Absinken der Temperaturen für nahezu jeden Standort. Für Göteborg ergibt sich durch die geografische Lage ein steilerer Sonnenwinkel der zum einen für bestimmte Bereiche zeitliche Verschiebungen der Besonnungen und zum ande-ren auch grundsätzlich größere Schatteneinflussbereiche verursacht. Das bedeutet in diesem Fall auch wesentlich stärkere Abweichungen der Kurven im Vergleich der Standorte. Am Vormittag ergeben sich für Standort P1, P2 und P5 wesentlich frühere Verschattungen. Die Platzmitte (P3) wird in Göteborg nahezu den ganzen Tag ver-schattet und der Standpunkt P4 nur kurz zur Vormittagszeit. Das bedeutet gerade in

K_NS_P1

K_OW_P1

G_NS_P1

G_OW_P1

K_NS_P2

K_OW_P2

G_NS_P2

G_OW_P2

K_NS_P3

K_OW_P3

G_NS_P3

G_OW_P3

K_NS_P4

K_OW_P4

G_NS_P4

G_OW_P4

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Ost-West-Ausrichtung mit zusätzlicher Vegetation ergeben sich trotz Sonnenhöchst-stand im Juni starke Schatteneinflussflächen.

FazitZusammenfassend ergeben sich im Vergleich des Standpunktes P3 für die beiden Standorte durch den veränderten Sonnenwinkel zwei grundlegende Erkenntnisse: Zum einen erzeugt der veränderte Winkel unterschiedliche energetische Umsätze an den vertikalen Flächen und zum anderen ergeben sich veränderte Schattenflächen. Dies führt zu einer Verringerung der PET-Temperaturen am Standort Göteborg. Die Vegetationsvarianten stellen mit den Bäumen Barrieren dar und insofern steigen die prozentualen Schattenbereiche mit veränderter geografischer Lage nach Norden. Das führt bei den Vegetationsvarianten insbesondere bei Ost-West-gerichteten Varianten zu stärkere Differenzen an den einzelnen Messpunkten. Grundsätzlich ergibt sich

6.5.4

durch Vegetation eine durch-schnittliche Verringerung der PET-Werte um 8 bis 10°C PET bei der Nord-Süd Ausrichtung. In Ost-West-Richtung kann diese Differenz bei Kassel bis ca. 25°C und in Göteborg bis sogar 40°C betragen. Die ermittelten grundsätzlichen Unterschiede von 2-3°C der Standorte bei den V1-Varianten bekommt durch

zusätzlichen Schatteneinfluss mittels Baumüberstand eine veränderte Dimension. In-sofern kann es in diesem Fall nur durch den Standort zu Temperaturunterschieden von durchschnittlich 20°C kommen. Diese Erkenntnisse berücksichtigen nicht wie bereits erwähnt die realen Windgeschwindigkeiten in Göteborg. Die Grafik vom Messpunkt P3 in allen Varianten für beide Standorte fast die grundlegenden Erkenntnisse zu-sammen: Es ergeben sich geringe Temperaturunterschiede im bloßen Vergleich der Variante V1. Mit zusätzlicher Vegetation verschieben sich durch Schatteneinfluss die Verhältnismäßigkeiten beider Standorte. Durch zusätzliche Vegetation ergibt sich eine Differenz der Varianten von ca. 3-4 °C bei der Nord-Süd Ausrichtung. Mit Drehung quer in Ost-West Ausrichtung sind deut-

liche Unterschiede im Verhältnis zur Variante V1 und auch deut-liche Unterschiede im Vergleich der Standorte zu erkennen. Demnach ergeben durch den steileren Sonnenwinkel in Göte-borg größere Schatteneinflüsse welche zu einer Differenz von ca. 22 °C führen. In Kassel re-duziert sich die PET-Temperatur durch die gewählte Vegetation

von 47°C auf 33°C im Mittel. Somit ist mit steigendem Schattenwurf die Differenz der beiden Städte von 2 auf 10°C für den gewählten Standort gestiegen. Der große Einfluss des veränderten Standortes mit veränderten Einstrahlungswer-ten hat sich nur in Teilbereichen bestätigt. Dagegen sind große Unterschiede durch zusätzliche Vegetation wie in der ersten Simulationsreihe nachzuweisen. In diesem Zusammenhang steigen auch die Differenzen der Standortkurven durch den geografi-schen Unterschied und den damit verbundenen unterschiedlichen Sonnenwinkeln.

ABB 6.105: PET Werte Messpunkt P03, im Vergleich der Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1 und V3, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 7-21 Uhr, 01.06.2008

ABB 6.106: gemittelte PET Werte Mes-spunkt P03, 11-14 Uhr, im Vergleich der Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1 und V3, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 01.06.2008

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6.6 ZusammenfassungDie Simulationsergebnisse stellen ein Beispiel für eine potentielle Platzvariante und somit für ein potentielle Planungsaufgabe dar. Sie steht somit nur für ein konkretes Beispiel möglicher Planungsvarianten für einen Ort an zwei gewählten Standorte. Jedoch konnten Fragen nach konkreten numerischen Behaglichkeitswerten in Bezug zu möglichen Planungshandlungen in der Landschaftsarchitektur beantwortet wer-den. Die Ergebnisse liefern in diesem Zusammenhang Aussagen zum Einfluss von Ort, Ausrichtung, Dimension, Nutzer, verwendeten Materialien und von Vegetation. Es er-geben sich abgestufte Wertigkeiten hinsichtlich der Potentiale und Möglichkeiten, für Landschaftsarchitekten, Orte nach Behaglichkeitskriterien zu bewerten und zu entwerfen. Die derzeit üblichen Erkenntnisse aus der Stadtklimatologie wurden aus dem Blickwinkel der ausführenden Fachdisziplin „Landschaftsarchitektur“ betrachtet, übertragen und angewendet. Mit der Fokussierung auf planungsrelevante Kriterien wie Ort, Ausrichtung oder Material bekommt die Untersuchung einen für die Fachdis-ziplin verständliche Aussage.

OrtDemnach ergibt der Vergleich der zwei gewählten Standorte in Kassel und Göte-borg Unterschiede hinsichtlich der Behaglichkeitswerte nur durch die Veränderung der geografischen Lage und einem damit verbundenen veränderten Sonnenwinkel. Es wurde in diesem Fall auch von gleichen Windbedingungen ausgegangen. Diese nahezu identische Parametereingabe ließ Rückschlüsse auf die veränderten Einstrah-lungsbedingungen an Hand von Karten mit gemittelter Strahlungstemperaturen und PET-Temperaturen zu. Es ergeben sich ohne den Einfluss von Vegetation nur durch veränderte Intensitäten der energetische Umsätze an den horizontalen und vertikalen Flächen sowie durch unterschiedliche Schattenflächen ein Temperaturunterschied von 2-3 °C PET. Mit zusätzlicher Vegetation in den Varianten ergeben sich auf Grund der ungleichen Einstrahlungswinkel Temperaturunterschiede von bis zu 10°C nur durch die andere geografische Lage.

AusrichtungGrundsätzlich hat sich bei allen Varianten eine heterogen verteilte Temperatur auf der Platzfläche zwischen den Ausrichtungsvarianten ergeben. Je nach Ausrichtung in Nord-Süd und Ost-West verändern sich zum einen die Wind- und zum anderen die Strahlungseinflüsse. Als Hauptwindrichtung ist die Nord-Süd Bewegung angenom-men worden. Insofern haben sich gerade bei der Nord-Süd-gerichteten und geöff-neten Variante größere Windeffekte an den Gebäudekonturen entwickelt. Es kam in bestimmten Bereichen zu ansteigenden sowie zu abschwächenden Windbewegungen. Auf Grund der stärkeren Windeinflüsse sind nahezu bei allen Nord-Süd-Varianten die PET-Werte an den fünf gewählten Messpunkten auf dem Platz sehr heterogen ausgeprägt. Bei den Ost-West-gerichteten Varianten sind keine erwähnenswerte Ein-flüsse durch Windbewegungen für die PET-Werteermittlung zu verzeichnen. Zusätz-lich ergeben sich auf Grund der unterschiedlichen Ausrichtungen auch veränderte Strahlungsbedingungen auf dem Platz im Zusammenhang der umgebenden Gebäude-kubaturen. Mit steigender und sich drehender Sonne können bei der Nord-Süd Aus-richtung ab Mittag für alle Messpunkte Strahlungstemperaturen in einem ähnlichen Temperaturspektrum erreicht werden. Das bedeutet für den ganzen Platzbereich we-nig Schatteneinfluss zur Haupttageszeit und somit auch gleichmäßigere Verteilungen der Strahlungsintensitäten. Bei der Ost-West-Ausrichtung dagegen sind Schattenein-flüsse mit dem Verlauf der Sonne deutlich zu erkennen. Das bedeutet für die Haupt-tageszeit im Gegensatz zur 90° gedrehten Variante einen größeren Schatteneinfluss durch die Gebäude. Das Spektrum der Behaglichkeitstemperatur wird somit durch den Einfluss der Schattenverläufe nachhaltig vergrößert und somit heterogener. Ins-

6.6

Zusammmenfassung - Numerische Untersuchungen

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gesamt ergeben sich auf Grund der Ausrichtung für die Ost-West-Varianten im Mittel höhere PET- Temperaturen. Geringere Windeinflüsse ergeben trotz stärkeren Schat-teneinflüssen im Verlauf 10-20 °C höhere PET-Temperaturen. Eine Ausnahme stellt der Messpunkt P4 in Nord-Süd-Ausrichtung dar: Mit der Verortung direkt an einer Südfassade im Wind beruhigten Bereich werden dort die höchsten Temperaturen von bis zu 60 °C PET erreicht.

DimensionDer in der ersten Simulationsreihe angehängte zweite Vergleich mit einer Platzein-heit mit identischen Werten aber verdoppelter Platzfläche zeigt eine fallende PET-Temperatur mit steigender Platzgröße. Trotz verringerter Schattenflächen steigen die Windbewegungen an und es kommt zu einer durchschnittlichen Reduktion von bis zu 10°C PET. Die Gebäude in einem kleineren Raum stellen Barrieren und Windschutz dar. Mit einer Vergrößerung der Freiraumeinheiten nimmt der Einfluß der über Traufkante liegenden Windbewegungen auf die Platzfläche zu. In diesem Zusammenhang kann es zu verschiedenen ansteigenden Windeffekten kommen, die wiederum maßgeblich die PET-Temperaturen bestimmen können. Durch den vergrößerten Öffnungswinkel (Sky-View-Faktor) steigen die Strahlungstemperaturen im Verlauf früher an und fal-len später. Jedoch verhelfen diese zusätzlichen energetischen Umsätze nicht höheren PET-Temperaturen. Insofern sind bei ähnlichen Bedingungen auch immer niedrigere PET-Werte mit steigenden Raumflächen zu erwarten.

Materialien und OberflächenEs wurde bewusst auch mit dem Untersuchungsgedanken nach Strahlungseinfluss durch unterschiedliche energetische Umsätze an unterschiedlichen Oberflächen eine kleinere und erkennbar abgegrenzte Raumeinheit mit gleichen Gebäudehöhen ge-wählt. Das bedeutete zwar eine real vorstellbare aber doch auch künstliche Situation zum besseren Verständnis der einzelnen Einflussfaktoren und den damit verbundenen Planungskriterien. Die gewählten Materialienvarianten mit stark absorbierend und eher reflektierend resultieren aus diesen Zielsetzungen. Es ergab sich ein deutlicher Differenzunterschied der wohl in realen Örtlichkeiten in städtischen Räumen sich eher selten so ergibt. Demnach entwickeln sich auf Grund der unterschiedlichen Ma-terialien auf den horizontalen und vertikalen Flächen unterschiedliche energetische Intensitäten die eine Differenz von bis zu 10°C PET-Temperatur betragen kann. Diese Temperaturunterschiede sind stark von der Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf an den unterschiedlichen Messpunkten abhängig. Bei dunklen Asphaltbelägen und dunk-len Hausfassaden kann sich eine PET-Temperatur für den gewählten Zeitpunkt von bis zu 60°C am Messpunkt P4 in Nord-Süd Ausrichtung entwickeln. Das Spektrum reicht von 25°C bis 60°C bei den dunklen Materialvarianten und von 18°C bis 50°C bei den hellen Materialvarianten. Die Ergebnisse aus der zweiten Simulationsreihe sind auf Grund veränderter Parameter nicht unmittelbar mit der ersten Simulationsreihe zu vergleichen. Es werden ähnliche Temperaturen erreicht, die aber nicht ganz so extrem im Kurvenverlauf ausfallen.

VegetationAlle Varianten sind zusätzlich mit einem Baumüberstand im Platzinnenbereich simu-liert worden. Die Vegetation beeinflusst in diesem Zusammenhang zwei primäre Ge-setzmäßigkeiten: Zum einen wird ein Großteil der Strahlung im direkten Umfeld durch die Blattmasse gefiltert und erreicht nur in Teilen die Boden- und Seitenflächen. Das bedeutet ein grundsätzlichen Schatteneinfluss durch vertikale und horizontale Hin-

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dernisse. Zum anderen stellen die Bäume auch vertikale und horizontale Hindernisse für Windbewegungen dar. Windbewegungen werden abgeschwächt und umgelenkt. Durch die zusätzliche Vegetation in Form eines Baumkarrees konnten die PET-Werte um bis zu 10°C verringert werden. Für nahezu alle Messpunkte auf dem Platz sind trotz ungleichmäßiger Einflüsse von Vegetation geringere PET-Werte zu verzeichnen. Am Standort in Göteborg machten sich die veränderten Einstrahlungswinkel insbe-sondere bei den Vegetationsvarianten deutlich bemerkbar. Es ergaben sich bei der Ost-West Ausrichtung größere Schattenflächen und teilweise zu bestimmten Tages-zeiten Temperaturunterschiede von bis zu 25°C PET im Vergleich zum Standort Kassel. Der Unterschied zu den „baumlosen“ Varianten stieg sogar auf bis zu 30°C Differenz. Mit Filterung der Strahlung und Abschwächung der Windbewegungen können ver-tikale Vegetationsstrukturen wirksame Reduktionen der Behaglichkeitstemperaturen erreichen. Die Simulationen sind für Zeitpunkte im Sommer durchgeführt worden. Absehbar sind aber auch Verbesserungen der PET in Übergangsjahreszeiten durch nachhaltige Abschwächungen der Windbewegungen. In diesem Fall sind Differenzen in die andere Richtung zu vermuten.

Nutzer Im Rahmen der ersten Simulationsreihe ergab sich die Möglichkeit, durch das ENVI-met Programm in der späteren Programmabfolge unterschiedliche Nutzereigenschaf-ten für die PET-Werteermittlung einzugeben. Es wurden drei Nutzer mit unterschiedli-chem Alter gewählt. Zudem sind metabolische Umsatzraten mit abgeschätzt worden. Die Auswertungen bestätigen die individuellen Behaglichkeitsempfindungen bei iden-tischen äußeren physikalischen Einflüssen. Demnach verringert sich mit zunehmen-dem Alter zum einen das Spektrum der Temperaturtoleranz und zum anderen steigt die durschnittlich empfundene Temperatur. Von 15 Jahre bis 70 Jahre (männ-lich) ergibt sich hier eine Differenz von fast 10°C der durchschnittlich empfundenen Temperatur. Dieses Ergebnis macht eine Zielgruppenbestimmung potentieller Nutzer im Rahmen einer Planungsaufgabe in städtischen Freiräumen deutlich. Zudem sind Tätigkeitsgrade und den damit verbundenen metabolischen Umsatzraten der Nutzer abzuschätzen, und hinsichtlich der Temperaturempfindungen zu bewerten.

Zusammmenfassung - Numerische Untersuchungen

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Experimentelle Untersuchungen 7.1 Übersicht der Bauprojekte / Untersuchungen 7.2 Oberflächentemperaturmessungen / Freiräume am ZUB, Kassel 7.3 2 experimentelle Freiraumelemente mit aktiven Steuerungsmöglichkeiten zur Behaglichkeitsveränderung

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7.0Experimentelle Untersuchungen

Die vorangegangenen Ergebnisse messen der Wirkungskette Strahlung, Material und PET Temperaturen eine besondere Bedeutung zu. Nur durch die energetischen Umsät-ze an den Oberflächen der unterschiedlichen Beläge ergaben sich große Unterschiede bei den gemessenen gemittelten Strahlungstemperaturen, die wiederum führten zum Einfluss auf die PET Temperaturentwicklungen. Mit steigenden Windverhältnissen sinkt die Bedeutung des kausalen Zusammenhangs von Material, Strahlungsumsatz und PET Temperaturentwicklung. Das bedeutete diesbezüglich geringere Differenzen zwischen den einzelnen Materialvarianten. Es ergaben sich grundsätzlich bei den durchgeführten Simulationen Temperaturunterschiede von durchschnittlich 10°C PET. In diesem Fall konnte durch die polarisierte Wahl von eher „hellen“ reflektierenden und eher „dunklen“ absorbierenden Materialien (Beton u. weißer Putz / Asphalt und dunkle Klinker) Aussagen zur Temperaturentwicklung von kontrastreichen Materi-alien an einem Sommertag getroffen werden. Wie unter 3.5 aufgeführt, sind aber neben den Albedoeigenschaften auch Wärmeaufnahmeeigenschaften sowie Wärme-speicherfähigkeit entscheidend. Das bezieht sich zum einen auf den Tagesverlauf als auch auf den Zeitpunkt. In den Übergangsjahreszeiten März bis Mai und August bis September stehen im Verhältnis zum Hochsommer durch Sonnenwinkel und Entfer-nung zur Sonne nur geringere Strahlungsenergien zur Verfügung. Geht man von nicht zu starken Windeinflüssen aus, könnten bestimmte Materialwahlen auch thermische Defizite durch Speicherung, Absorption und Emission ausgleichen. In den vorange-gangenen Simulationen konnten derzeit noch keine direkten Antworten auf kon-krete Wärmeeigenschaften beschrieben werden. Auch sind Potentiale verschiedener Oberflächen im direkten Vergleich noch unklar. Im weiteren gilt es, die vorangegan-genen Erkenntnisse weiter zu differenzieren und neue Ergebnisse zu verschiedenen Materialoberflächen auf die bereits bestehenden Erkenntnisse zu übertragen. An der Universität Kassel Standort Gottschalkstraße wurden in diesem Zusammenhang eine Vielzahl an Oberflächen thermographiert und untersucht. Es ergaben sich über finan-zielle Unterstützung der Abteilung Bau, Technik, Liegenschaften der Universität Kas-sel Möglichkeiten, durch in den Lehrbetrieb eingebundene Praxisworkshops Flächen umzugestalten und neue Materialkombinationen experimentell zu entwickeln und zu bauen. Insofern standen auf einer relativ kleinen Fläche eine Vielzahl an Oberflächen und neuen Materialkombinationen zur Verfügung.

Im ersten Teil der experimentellen Untersuchungen sind zwei Schwerpunkte doku-mentiert: Zum einen wurde eine Thermografie der entstandenen Projektflächen am „Zentrum für umweltbewusstes Bauen“ an der Gottschalkstraße in Kassel durchge-führt. Es bot sich dort die Möglichkeit, in einer relativ typischen städtischen Situation eine Vielzahl von Oberflächen hinsichtlich ihres Wirkens im Tagesverlauf zu beobach-ten. Die Wärmeeigenschaften einzelner Materialien werden durch einfache Verfah-ren bezogen auf die Verwendung als Oberfläche oder bauliches Element in Bildform sichtbar gemacht (Thermografie). Aus jeden Bild lassen sich die kurzwellige Abstrah-lungen herauslesen und hinsichtlich ihres Wirkens im Raum interpretieren. Einzelne Bildsequenzen sind ausgewählt und genauer analysiert. Die Bildersequenzen dienen einer Annäherung an unterschiedliche thermische Verhaltensweisen. In diesen Bildern steckt eine Vielzahl an Datenmengen, die in Teilbereichen genauer ausgewertet sind. Der genauere Vergleich folgt in der zweiten Untersuchung. Zum anderen wurden verschiedene Oberflächen hinsichtlich ihrer Verwendung ein-geteilt und durch punktuelle Oberflächenmessungen untersucht. Aus den gebauten Projektflächen (Projektarbeiten im Rahmen der Lehre vom Fachgebiet Landschaftsar-chitektur-Technik vom SS 2006-SS 2008) ergab sich eine Vielzahl an Raumobjek-ten und Oberflächen in ungewöhnlichen Materialkombinationen. Von den einzelnen

Experimentelle Untersuchungen

Kurzzusammenfassung: Im Rahmen der Forschungsfragen bezüglich kau-saler Zusammenhänge von Material, Element und thermischer Behaglich-keit im Freiraum sind am Fachgebiet Landschaftsarchitektur-Technik der Universität zwei Freiraumbereiche entwickelt und umgestaltet worden. Neben neuartigen Materialkombina-tionen für Oberflächen sind bauliche Elemente zur direkten Beeinflussung des Nutzers im Raum entstanden. Die experimentellen Untersuchun-gen fassen Ergebnisse zu Materialei-genschaften in der Fläche (Erwär-mungseigenschaften im Tagesgang), Materialeigenschaften von einzelnen baulichen Elementen sowie Ergebnisse einzelner steuerbarer Elemente (Ma-nipulation von Strahlung und / oder Wind) zusammen. Grundsätzlich wer-den Erkenntnisse zu Strahlungseigen-schaften und den damit verbundenen Wärmeeigenschaften der Materialien aus Oberflächenthermografien und Oberflächentemperaturmessungen gewonnen. Die eher polarisierten Aus-sagen der Simulationsergebnissen zu den Oberflächenmaterialien und den damit zusammenhängenden Einflüssen auf die thermische Behaglichkeit im Freiraum können durch die Untersu-chungsergebnisse zu einzelnen Mate-rialien ergänzt werden. Aussagen zum Wärmeverhalten von offenporigen und geschlossenen Oberflächen sind neben Aussagen zum Wärmeverhal-ten von vegetativ bedeckten Oberflä-chen und Kunststoffoberflächen durch Messungen entstanden. Dazu zeigen neue Materialmixkombinationen mit ihren Messergebnissen Potentiale auf. Die beiden Freiraumelemente zeigen ebenfalls Möglichkeiten und Ideen von neuartigen Elementen im Raum auf. Demnach sind für den BetonCu-be eindeutig unmittelbare Oberflä-chentemperaturkühlungen gegeben. Eine erhoffte „mehr“ Speicherung von Wärmeenergie durch schwarz gefärb-te Oberfläche hat sich nicht bestätigt. Das Segelobjekt kann durch seine ver-schiedenen Positionsstellungen der Segel die PET Temperaturen steuern und beeinflussen. Je nach primären Einflüssen sind Strahlungs- und Wind-größen im Rahmen regulierbar.

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Oberflächen wurden mit einem Infrarotoberflächenmessgerät an zwei Tagesgängen im Sommer 2006 und Sommer 2008 die Oberflächentemperaturen aufgenommen. Diese Temperaturen lassen sich nach Verwendungstypologien (Mauern, Oberflächen etc.) vergleichen (vorausgesetzt ähnlicher Massengrößen). Zusätzliche unterschei-dende Einflüsse (wie z.B. Schatten etc.) sind direkt in den Diagrammen verdeutlich und ergänzt.Durch die beiden Untersuchungen können die gewonnen Erkenntnisse aus den theo-retischen Analysen als auch aus den Simulationen genauer in Bezug zu verwendeten Materialien und potentiellen Auswirkungen im Freiraum gesetzt werden. Es besteht in diesem Zusammenhang kein Anspruch auf Vollständigkeit der wissenschaftlichen Analyse. Alle Untersuchungen im Rahmen der Promotion ergänzen beschriebene Ver-ständnislücken im planerischen Umgang mit den Einflußfaktoren der thermischen Behaglichkeit. Bewusst sind diese Untersuchungen nur aus diesem einen Blickwinkel des Planers und Landschaftsarchitekten gewählt.

ABB 7.107: Übersicht Freiräume am ZUB (Zentrum für umweltbewusstes Bauen), Gottschalkstraße 26, Univer-sität Kassel, thermografierte Bereiche und Kennzeichnung der Oberflächen-materialien

ABB 7.108: Objekte und Oberflächen, Übersicht Freiräume am ZUB (Zentrum für umweltbewusstes Bauen), Gott-schalkstraße 26, Universität Kassel

Im zweiten Teil der experimentellen Untersuchungen stehen zwei gebaute Objekte zur aktiven Behaglichkeitsmanipulation im Fokus der Betrachtungen. Durch die vor-angegangenen Simulationen und den Planungsvarianten konnten keine Aussagen zu möglichen Elementen im Freiraum und deren Einflussmöglichkeiten gemacht wer-

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den. Nach Planungskriterien erge-ben sich Wechselbeziehungen von Verortung, Ausrichtung, Material und Vegetation mit Behaglich-keitstemperaturen in städtischen Freiräumen. Zum Methodenreper-toire eines Landschaftsarchitekten gehört aber auch die Möglichkeit über bauliche Elemente im Raum bestimmte Veränderungen der Behaglichkeitswerte zu erreichen. Pergolen oder ähnliche bauliche Konstruktionen stellen traditions-gemäß Schutzkonstruktionen ge-gen zu starke Wind- oder Strah-lungseinflüsse dar. Insofern stellen auch bauliche Elemente mögliche Potentiale zum gezielten planeri-schen Einfluß auf die Behaglich-

ABB 7.109: Segelobjekt, verstellbare Segel zur Steuerung von Strahlungs- und Windeinflüssen, Gottschalkstraße 26, Universität Kassel

ABB 7.110: BetonCube, Betonblock mit innenliegender Wasserkühlung, Gott-schalkstraße 26, Universität Kassel

Zielsetzungen und Hintergründe - Experimentelle Untersuchungen

keitstemperaturen dar. Im Rahmen von erwähnten Studienprojekten vom SS 2006 bis SS 2008 wurde vom Fachgebiet Landschaftsarchitektur – Technik genau diese Fragen von der Wirkungskette Element und Behaglichkeit mit Studenten der Univer-sität Kassel bearbeitet. Es entstanden anschließend in den Sommersemestern in die Praxis umgesetzte Objektinstallationen. Für die weitere Untersuchung im Rahmen der Promotion sind genau zwei Objekte ausgesucht, beschrieben und hinsichtlich ihres Einflusses untersucht.Zum einen ein gebauter Betoncube aus zwei Betonmaterialvarianten mit eingebau-tem Wasserspender zur aktiven Kühlung der Oberflächen. Zum anderen ein Objekt aus 8 segelartigen im Kreis angeordneten Flächen zur individuellen Steuerung von Strah-lungs- und Windeinflüssen. Der Betonblock wurde durch Oberflächentemperaturmes-sungen auf seine aktive Kühlung untersucht und es können so weitere Einsatzmög-lichkeiten dieses Prinzips prognostiziert werden. Im Segelobjekt ist für einen Som-mertag eine Messung verschiedener energetischer Flüsse bei stündlicher Veränderung der Segelstellungen durchgeführt worden. Es werden Strahlungs- und Windeinflüsse im Zusammenhang mit den resultierenden PET Temperaturen in Bezug verschiede-ner Steuerungsmöglichkeiten gesetzt. Die Objekte zeigen für Landschaftsarchitekten Möglichkeiten und Potentiale auf, Temperaturentwicklungen aktiv durch bauliche Elemente zu steuern.

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Übersicht der Bauprojekte

ABB 7.112: Außenklassenraum, 20 Sitz-blöcke mit 20 verschiedenen Oberflä-chenmaterialien

7.1.

ABB 7.111: Übersicht der Bauprojekte am Standort Gottschalkstrasse, Univer-sität Kassel

Orte: Gottschalkstraße 26, Universität Kassel, Fachbereich Architektur Stadtplanung Land-schaftsplanung, Hinterhof am „Zentrum für umweltbewusstes Bauen (ZUB)“ und Mo-ritzstraße, Mensaumfeld der Universität Kassel

Team:Fachgebiet Landschaftsarchitektur – TechnikProf. Wigbert Riehl mit Dipl.-Ing. Hendrik Laue und Dipl.-Ing. Wolfgang Schück2x 15 Studenten und Studentinnen des FB 06 / Studentenprojekte mit abschließenden Praxisworkshops vom SS 2006 bis SS 2008

Kooperation und Beteiligte:Bauabteilung der Universität Kassel, Kunsthochschule Kassel, Zentrum für umweltbe-wusstes Bauen Kassel (ZUB), Amtliche Materialprüfanstalt – Kassel, Fachbereiche und Fachgebiete der Universität Kassel: Fachbereich 14 – Bauingeni-eurwesen, Fachbereich 06 - Fachgebiet Digitale Entwurfstechniken, Fachbereich 06 - Fachgebiet Umweltmeteorologie, Fachbereich 06 - Fachgebiet Bauphysik

Objekte:Objekt 1/ AussenklassenraumOrt: Gottschalkstraße 26, Hinterhoffläche, Universität KasselBetonwürfel, Stahlkonstruktionen mit Halterungen, 40x40cm Sitzoberflächen (Stein, Metall, Glas, Kunststoffe) Es entstand einen „Aussenklassenraum“ mit 20 verschiedenen Sitzbelägen zur un-mittelbaren gefühlten Beeinflussung des Sitzkomforts. Die verschiedenen Oberflächen dienten Oberflächenmessungen hinsichtlich unterschiedlicher materialspezifischer Eigenschaften wie Dichte, Wärmespeicherfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit. (Unter-suchungsergebnisse in Kapitel 7.2.1)

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Dämmstoff schwarz

Holz Massaranduba

Fallschutz rot

Stahl

Schiefer schwarz

Aluminium grün

Holz Lärche

Fallschutz schwarz

Misaporbeton

Fallschutz orange

Bodenbelag schwarz

PVC gelb

Drahtglas gelb

Tuffstein

Kautschuk schwarz

Bodenbelag weiß

Dämmstoff recycling

Glas matt

Sandstein gelb

PVC grau

ABB 7.113: Oberflächen der Sitzflächen, Außenklassenraum

ABB 7.114: BetonCube mit integrierter Wasserkühlung der Oberfläche

Objekt 2/ BetonCubeOrt: Gottschalkstraße 26, Hinterhoffläche, Universität KasselBetoninnenblock, Einkorndrainbetonummantelung, Wasserreservoir, PumpentechnikDer ca. 2x2m große Betonblock besteht aus einem Aussen- und Innenkern in zwei Betonvarianten. Innerhalb des äußeren Drainbeton - Ummantelungskernes ist eine individuell steuerbare Einspeisung von Wasser möglich. Temperaturextreme an strahlungsintensiven Tagen im unmittelbaren Umfeld des Objektes können so durch „Kühlung“ des Blocks gesteuert werden. Die Außenummantelung mit Drainbeton ist zur Verringerung der Albedo schwarz eingefärbt.


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Das Betonobjekt wurde in drei Arbeitsschritten erstellt: Die Gründung des Objektes erfolgte auf einer Recycling-Schottertragschicht mit einer aufliegenden Magerbeton-schicht. Vorab sind sinngemäß Zu- und Abrohrung für das Wasser und die Kabellei-tungen verlegt worden. In unmittelbarer Nähe zum Objekt ist ein Erdtank mit 1000l Wasservolumen an das Regenabwassersystem des angrenzenden Gebäuden ange-schlossen worden. Die Verkabelung vom Objekt und vom Erdtank (Pumpe) endete im Kellerraum des Gebäudes. Die durch einen elektrischen Impuls gestartete Schmutz-wassertauchpumpe am Objekt fördert über eine in Sand gebettete PE- Rohreitung gesammeltes Regenwasser zum Objekt. Die Verlegung erfolgte frostfrei, eine Möglich-keit zum Ablassen des Wassers im Winter ist mittels der Verlängerung der Leitung bis zum Drainage-Kontrollschacht durch einen Kugelhahn gegeben. Mit den vorhanden Anschlussleitungen ist im nächsten Arbeitsschritt eine Schalung für den Innenkern aufgestellt worden. Der Innenkern besteht aus unbewehrter Standardbetonmischung C20/25. Nach kurzer Abbindezeit und einer Vergrößerung der Schalungsseitenwän-de ist im letzten Arbeitsschritt der Innenkern mit einer Ummantelung aus schwarz eingefärbten Dränbeton nach Außen abgeschlossen worden (Einfärbung mit BAYFER-ROX® Eisenoxid-Pulver, schwarz 330, Dränbeton aus 5/8 Splitt mit geringer Sandbei-mischung). Die zukünftige Wasseraustrittsstelle in der Ummantelung wurde durch einen Edelstahllochblechkasten gegen Beeinträchtigungen geschützt. Der Impuls-geber stellt einen einfachen mit in die Betonaussenfläche integrierten Drucktaster dar. Der ca. 2x2m große Betonblock besteht aus einem Außen- und Innenkern in zwei Betonvarianten. Innerhalb des äußeren Drainbeton - Ummantelungskernes ist eine individuell steuerbare Einspeisung von Wasser möglich. Temperaturextreme an strahlungsintensiven Tagen im unmittelbaren Umfeld des Objektes können so durch „Kühlung“ des Blocks gesteuert werden. Die Außenummantelung mit Drainbeton ist zur Verringerung der Albedo schwarz eingefärbt.

ABB 7.115: Technischer Schnitt durch den BetonCube mit zwei Betonmixtu-ren und integrierter Wasserkühlung in-nerhalb der Drainbetonummantelung

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Objekt 3/ BetonstreifenOrt: Gottschalkstraße 26, Hinterhoffläche, Universität KasselBetonfundament, Einkornbetonstreifen in unterschiedlichen Mischungsvarianten mit Lava- und BimsgesteinenDas ca. 4x3m große Objekt teilt sich in drei „Teststreifen“. Alle drei Betonelemente sind aus unterschiedlichen Betonrezepturen mit drei verschiedenen primären Zuschlags-stoffen von Bims und Lava entstanden. Je nach Beimengung werden zum einen die thermische Eigenschaft und zum anderen die Wasserspeicherfähigkeit verändert.

Objekt 4/ SitzmauerOrt: Gottschalkstraße 26, Hinterhoffläche, Universität KasselBetonfundament, Mauern und Sitzblöcke in unterschiedlichen Mischungsvarianten mit Basalt- und Lavagesteinen.Das Objekt ist gezielt nach Sonnen- und Schattenseite ausgerichtet und bietet in zwei Mischungsvarianten von Beton/Lava und Beton/Basalt immer eine optimale thermi-sche Sitzsituation an strahlungsintensiven Tagen an. Je nach Masse und Materialei-genschaft absorbieren, speichern und emittieren die verschiedenen Betonbereiche Wärmestrahlung.

Objekt 5/ SegelobjektOrt: Gottschalkstraße 26, Hinterhoffläche, Universität KasselBetonfundamente, 8 Segelhalter aus Stahlgrundkonstruktion, Positionsstellung, be-spannt mit recycelter PVC PlaneDas aus acht vertikalen Lamellen bestehende Objekt bietet die Möglichkeit, das in-dividuelle Behaglichkeitsempfinden jedes Nutzers am Ort gezielt durch die Stellung der Segel zu steuern. Der Einfluß auf das thermische Umfeld eines Nutzers lässt sich durch Intensivierung und Extensivierung von Strahlung und Wind messtechnisch ein-deutig nachweisen (vergl. Ergebnisse).Das Objekt entstand in drei Arbeitsschritten: Im ersten Arbeitsschritt wurden aus T-Stahlprofilen nach einer entwickelten Zeichnung Rahmen und Mast zusammen-gesetzt und dementsprechend zur Bespannung mit einzelnen Bohrlöchern versehen.

ABB 7.116: Betonstreifen in unter-schiedlichen Mischungsvarianten mit Lava- und Bimsgestein

ABB 7.117: Sitzmauer in unterschied-lichen Mischungsvarianten mit Lava- und Basaltgestein


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Parallel erfolgte die Vorbereitung für die Bodenhülsen zur Aufnahme der einzelnen Masten. Jede Stahlhülse schließt nach oben mit einer eingeschweißten positiv Rast-scheibe ab. Das Gegenstück mit negativen Auswölbungen (8 kleine Halbrundflächen) findet sich an der Unterseite der 8 Masten wieder. Im zweiten Arbeitsschritt sind die 8 Bodenhülsen kreisförmig nach genauen Abmessungen in ein Fundamentstreifen vor Ort eingesetzt worden. Im letzten Arbeitsschritt erfolgte der Einsatz der Lamellenhal-ter in die Bodenhülsen und die Bespannung der Rahmenkonstruktion.

ABB 7.118: Segelobjekt mit verstell-baren Segeln zur Manipulation von Strahlungs- und Windeinflüssen

ABB 7.119: Übersicht Sitzmauern, Mo-ritzstraße, Mensaumfeld, Universität Kassel

ABB 7.120: Sitzmauern, Moritzstraße, Mensaumfeld, Universität Kassel

Objekt 6 -7/ SitzmauernOrt: Mensaumfeld, Moritzstraße , Universität KasselSitzstufe: schwarz eingefärbte Betonsitzstufe mit Gummigranulat als Inlay zum Sit-zenMultifunktionsmauer: Betonmauer mit verschiedenen Natursteininlays die unter-schiedliche Aufenthalts- und Sitzmöglichkeiten bietet Die beiden Sitzmauern beschäftigen sich mit Material und Behaglichkeit und inter-pretieren Sitzen aus einem funktionalen, ästhetischen und aus einem thermisch-be-haglichen Blickwinkel. Welche Materialien können unter diesem Aspekt durch ihre Eigenschaften Wärme und Kälte isolieren, Absorbieren, Speichern oder Emittieren? Gibt es durch veränderte Materialwahl, durch veränderte Rezepturen und durch ge-zielte Standortpositionierung eine optimierte Behaglichkeit an strahlungsintensiven und strahlungsextensiven Tagen?

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Oberflächentemperaturmessungen / Freiräume am ZUB, Kassel

ThermografieThermografie ist üblicherweise bei energetischen Bewertungen in der Architektur eine hilfreiche Unterstützung. Es lassen sich eindeutig Temperaturen und Temperaturüber-gänge hinsichtlich energetischer Schwachstellen an Gebäuden erkennen. Oberflächen und Materialien haben durch Fläche, Verwendung und Masse wie in den vorange-gangenen Simulationen erkennbar einen erheblichen Einfluß auf die Behaglichkeit-stemperatur (PET) in kleinräumlichen Freiraumeinheiten. Die Eigenschaften der Ma-terialien mit ihrer Wärmekapazität, Emissionskapazität und Albedo verursachen je nach Zusammensetzung und vorangegangenen Einstrahlungswerten im zeitlichen Ablaufes eines Tages einen mehr oder weniger starken Einfluß durch Aufnahme, Ab-sorption, Rückstrahlung und langwelliger Abstrahlung auf die PET-Temperatur. Im Rahmen dieser Zielsetzungen wurden Oberflächen auf Projektflächen verändert und die Zusammensetzung verschiedener Materialien in Fläche und Interventionsobjekten hinsichtlich ihres vermuteten Einflusses modifiziert (vergl. oben). Eine erste Annähe-rung an die grundsätzlichen Auswirkungen der gebauten Einheiten im grundsätzli-chen Vergleich mit anderen Oberflächen erfolgte über eine Thermografie am 23. u. 24.06.2008 an den Freiraumflächen des Zentrum für Umweltbewußtes Bauen (ZUB) der Universität Kassel. Gewählt wurden insgesamt für den Teil der Thermografie 11 Bildausschnitte.

Thermografie mit InfrarotkameraThermografiert wurden im Rahmen der Versuchsreihen verschiedene Oberflächen am mit einer MIDAS Wärmebildkamera. Die Wärmebildkamera erfasst die von einer Ober-fläche abgegebene Infrarotstrahlung und zeigt die gemessene Temperaturverteilung als farbiges Bild auf dem TFT-LCD auf der Rückseite an. Mittels der „Pyrosoft Compact“ Software konnten die digitalen Bilder in Pixelbilder umgewandelt werden. Es bot sich zusätzlich die Möglichkeit aus den Datenbildern Verteilungen der Infrarotstrahlung in Schnitten auszuwerten. Universelle Online- und Offline-Software für alle DIAS-Infrarotkameras (PYROLINE, PYROVIEW, PYROINCund MIDAS) unter Windows® (2000, XP) mit folgenden Funktio-nen:• Online-Datenaufnahme von DIAS-Infrarotkameras, Multikamerabetrieb möglich• Messwertvisualisierung und Echtzeitdatenspeicherung im DIAS-IRDX-Dateiformat• Zonenberechnung mit Alarmwertüberwachung• Oberfläche für mehrere Dokumente und unterschiedliche Ansichten pro Dokument• Sequenzdarstellung und Trendanalyse

7.2

ABB 7.121 - linksBereich 01: Freiraumklassenzimmer, Sitzblöcke mit verschiedenen Ober-flächen, kreisartige Grundfläche mit Basaltschotter, Umgebender Bereich: Schotterrasen auf Lava-Bims-Gemisch (Fa. Vulkatec/Vulkamineral LB 2/12)

ABB 7.122 -rechtsBereich 02: Blick auf die Schotterra-senflächen /Betonmauer, Sitzhocker: Lava-Beton, Bims-Beton, umgebende Kreisfläche aus Basaltschotter, Be-tonblock im rechten unteren Rand: Betoninnenkern mit schwarzer Drain-betonummantelung, kreisartige Bims-schotterflächeBetonstreifen im linken unteren Rand: Lava-Drainbeton,Bims-Drainbeton, Lava-Bims-Drainbeton

BEREICH 01 BEREICH 02

Oberflächentemperaturmessungen - Experimentelle Untersuchungen

Kurzzusammenfassung: Die Oberflä-chentemperaturmessungen ergänzen die Erkenntnisse aus der Simulation von kausalen Zusammenhängen von Material und Behaglichkeitstempe-ratur im Freiraum. Es wurden offen-porige und geschlossene Oberflächen als potentielle verwendbare Oberflä-chen im Methodenrepertoire eines Landschaftsarchitekten hinsichtlich ihrer thermischen Auswirkungen un-tersucht. Des weiteren sind Einflüsse von vegetativen Oberflächen an Hand ihrer Wärmeeigenschaften untersucht worden. Mit Verringerung der Dichte von Oberflächen (Stein und Schotter) können zum einen schnellere Erwär-mungen und Abkühlungen zu Stande kommen und zum anderen verringern sich im Maximum die Oberflächen-temperaturen. Mit Veränderungen der Strukturen und Mischungen fester Oberflächen können negative Wärme-eigenschaften ausgeglichen werden. Bei ausreichenden Massenverwendun-gen im Freiraum können diese Verän-derungen je nach weiteren anderen physikalischen Einflüssen auch die Verläufe der PET Temperaturen verän-dern. Durch vegetative Bedeckung der Oberflächen reduzieren sich die Ober-flächentemperaturen nachhaltig und unmittelbar. Das hat bei geeigneten Bedingungen geringere PET Tempera-turen zur Folge. Zum dem Kühlen die vegetativen Oberflächen zum Abend wesentlich schneller aus. Künstliche Oberflächen aus Kunststoffen zeichne-ten sich je nach Albedowerten durch schnelle Erwärmungen und schnelle Auskühlungen aus. Eine Wärmespei-cherung und somit ein vermutet nach-haltiger Einfluss auf Erwärmung im späteren Tagesverlauf ist im Gegensatz zu festen steinartigen Oberflächen nicht nachweisbar.

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BEREICH 03

BEREICH 05

BEREICH 07

BEREICH 10

BEREICH 04

BEREICH 06

BEREICH 08

BEREICH 11

ABB 7.124 -rechtsBereich 04: Klimastation: Klinkerfas-sade, Putzfassade, Dämmplatten, Bitu-mendach, Betonoberfläche angrenzend an den Gebäudesockel

ABB 7.126 -rechtsBereich 06: Schattenseite Mauer-objekt: Betonmauer, Sitzhocker: aus Lava-Beton, Basalt-Beton

ABB 7.128 -rechtsBereich 08: freies Klassenzimmer: 20 Sitzwürfel mit verschiedenen Oberflä-chen, direkte Besonnung 10-15 Uhr

ABB 7.130 -rechtsBereich 11: Seitenhoffläche 02: As-phalt- und Natursteinoberfläche (Grauwacke), Wildstauden

ABB 7.123 -linksBereich 03: Flächen am Klimahaus: Ra-senfläche, Schotterrasenfläche, Schot-terfläche

ABB 7.125 -linksBereich 05: Flächen am Klimahaus: Ra-senfläche, Schotterrasenfläche, Schot-terfläche

ABB 7.127 -linksBereich 07: Sonnenseite Mauerobjekt: Betonmauer, Sitzhocker: aus Lava-Be-ton, Basalt-Beton

ABB 7.129 -linksBereich 10: Seitenhoffläche: Asphalt- und Betonoberflächen, Wildstauden

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Thermografieergebnisse

Ort: Hinterhof, Gottschalkstraße 26, Universität Kassel, KasselZeit: 23.- und 24.06.2008, 6.00 Uhr bis 24.00 UhrOberflächentemperaturen: in °C

Bereich 01 – Freiraumklassenzimmer Im Tagesverlauf vom 23. und 24.06.2008 werden zunächst die verschiedenen Elemen-te in ihren Differenzen deutlich: Das bedeutet „Gebäudefassade“, „Schotterfläche“, Rasenschotterfläche“ und die einzelnen „Würfel“ mit unterschiedlichen Oberflächen. Jeder Bereich für sich bildet sichtbar eine eigene thermische Einheit. 6 Uhr: Deutlich wird in der 6 Uhr Thermografie der Speichereffekt der Wand und der Würfelmassen. Die Wandfläche aus Klinker und die Betonblöcke der Sitzflächen wei-sen noch eine Strahlungstemperatur von 14-16 °C auf. Im Vergleich dazu stehen die Bodenoberflächen aus Schotter mit ca. 11°C und den Schotterrasenflächen von ca. 10°C. Die Abstrahlungsenergien der steinartigen Massen erwirken in städtischen Räu-men den entscheidenden Unterschied zu Grünflächen oder Flächen des Umlandes. 9 Uhr: Um 9 Uhr nimmt die schwarz/graue Schotterfläche als auch verschiedene Oberflächen der Sitzbereiche relativ schnell die kurzwellige Strahlung der Sonne auf und wandelt sie sichtbar in Oberflächentemperatur um. Nicht alle Sitzoberflächen erwärmen sich gleichmäßig (genauere Angaben zu den Sitzoberflächen vergleiche Tabelle Abschnitt Oberflächenmessungen). Schattenwurf durch Einstrahlungswinkel ist deutlich dem Bild zu entnehmen.12 Uhr: Um 12 Uhr ist die Schotterfläche im di-rekten Sonneneinfluss mit über 40°C auffällig stark erwärmt. Die Schotterasenflächen liegen im optimalen Winkel zur Sonne bei 35 °C und 25 °C mit Schatteneinfluss. Auffällig sind auch bei den Sitzflächen die drei schwarzen Kunst-stoffflächen mit über 50°C Erwärmung. Deutlich lesbar werden topografische Besonderheiten in dem Bild um 12 Uhr. Stärker gerichtete Flächen und mehr abgeneigte Flächen durch Topografie zeichnen sich durch unterschiedliche Erwär-mungsgrade aus.15 Uhr: Der Unterschied zu der Aufnahme um 12 Uhr zeichnet sich durch einen gewanderten Schatten und durch eine geringere Differenz mit den Tagesfortgang aus.18 Uhr: Um 18 Uhr hat sich im weiteren Tages-gang fast die gesamte Schotterrasenfläche der Temperatur der Schotterfläche angenähert. Den-noch bleiben Temperaturunterschiede zwischen Schotter- und Schotterrasenfläche weiterhin sichtbar. 21 Uhr: Bei einer nur noch minimalen Zustrah-lung bekommen im weiteren Tagesgang die Oberflächen mit größerer Speicherfähigkeit (pri-mär mit einer auch größeren Masse verbunden) an Bedeutung: Die Betonwürfel mit ca. 24-25 °C und die Klinkerwandfassade mit ca. 22 °C. Die kreisartige Schotterfläche ist minimal nur noch

ABB 7.131 Thermografieausschnitte, Bereich 01, 24.06.2008von oben: 6 Uhr / 9 Uhr/ 15 Uhr / 21 Uhr


7.2.1

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von der umgebenden Schotterrasenfläche zu unterscheiden. 24 Uhr: Um 24 Uhr ergibt sich ein ähnliches Bild mit bestimmenden Größen der Wandflächen und Betonwürfel. Alle Restflächen weisen eine deutlich geringere Tem-peratur auf.

Bereich 02 – Schotterrasenflächen mit drei Betonobjekten6 Uhr: Um 6 Uhr ergeben sich ähnliche Temperaturwerte auf der umgebenden Schot-terrasenfläche. Dagegen weist die helle Bimsoberfläche deutlich geringere Abstrah-lungswerte. Die Mauer am oberen Rand hat wie der Betonblock unten über die Nacht ein Teil der Strahlungsenergie gespeichert. Der Betonblock unten ist trotz seiner schwarzen Außenhaut heller auf der Thermografie und somit „kälter“ als die Beton-mauer. 9 Uhr: Um 9 Uhr sind Erwärmungseffekte auf exponierten Teilbereichen der Schot-terrasenoberfläche festzustellen. Der Betonblock am unteren Rand kann durch seine niedrige Albedo bereits einen Teil der Sonnenenergie in Strahlungswärme umwan-deln. 12 Uhr: Um 12 Uhr entwickeln alle sonnenexponierten Bereiche ähnlich hohe Ab-strahlungsenergien. Schatteneinfluss und Topografieeinfluss sind deutlich aus dem Bild abzuleiten. Große Teile der Schotterrasenfläche sind analog zu ihrem Bewuchs mal mehr oder weniger erwärmt. 15 Uhr: Um 15 Uhr ist die Amplitude auf den Schotterrasenflächen auf Grund des

Einstrahlungsfortganges deutlich geringer. Gut sichtbar sind die Differenzen zwischen Schotterfläche und Schotterrasenfläche. Die Mauern weisen an exponierten Stellen bereits eine deutliche Speicherenergie auf.18 Uhr: Um 18 Uhr haben sich alle Schot-terrasenflächen nahezu der Abstrahlungs-werte der normalen Schotterflächen ange-passt. Mit genauerem Hinsehen lassen sich an der Sitzmauer eindeutig Sonnen- und Schattenseite. Die genaueren Auswirkungen sind in der Untersuchung zu den verschie-den Oberflächen genau gemessen worden. Schatteneinflüsse sind an der Sitzmauer wie auch im unteren Bereich zum Gebäude erkennbar.21 Uhr: Ein deutliches und klares Bild zum Einfluß einer Speichermasse. Die Sitzmauer hat einen erkennbaren Speichereffekt von der Tageseinstrahlung. Sonnen- und Schat-tenseite haben sich ausgeglichen. Der Un-terschied beträgt bis zu 10 °C im Vergleich zu umgebenden Flächen. Die Drainbeton-streifen im Bildrand unten links können auf Grund ihrer Porosität nicht lang genug die Strahlungsenergie in Wärmeenergie spei-chern. 24 Uhr: Um 24 Uhr ergibt sich ein ähnliches Bild mit der Sitzmauer mit fast ähnlicher Temperaturamplitude zu den umgebenden Flächen.

ABB 7.132 Thermografieausschnitte, Bereich2, 24.06.2008von oben: 6 Uhr / 12 Uhr/ 18 Uhr / 21 Uhr

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Bereich 03 – am KlimahausAusschnitt 03 soll im wesentlichen nur die drei Flächentypologien vergleichen. Genauere Interpretationen zu den Gebäu-deelementen erfolgt im nächsten Bildaus-schnitt. Der Fortgang im Tagesverlauf zeigt eine steigende Anpassung der Temperatu-ramplituden zwischen Rasen, Schottera-sen- und Schotterfläche im oberen Bild-rand. Schatteneinflüsse im Tagesverlauf sind eindeutig erkennbar. Um 24 Uhr sind Potenziale zur Speicherung in den Schot-terflächen erkennbar.

Bereich 04 - Klimastation6 Uhr: Um 6 Uhr sind wie bei Bildausschnitt 01 die Speicherfähigkeit der Klinkerfassade und der Betonoberfläche sichtbar. Die Ra-senfläche am angrenzenden Hang ist im Durschnitt 5 Kelvin geringer. Der Schot-terparkplatz am oberen Bildrand liegt mit seinen Werten dazwischen.9 Uhr: Mit steigenden Einstrahlungswer-ten erwärmen sich die Dachflächen um ein Vielfaches schneller als die anderen Haus-flächenanteile. 12 Uhr: Um 12 Uhr ergeben sich eindeuti-ge und sichtbare Kontraste zwischen den vegetativen und anorganischen Flächen. Auffällig bleiben die Dach- und Schotter-flächen mit über 35°. Die Dämm und Putz-fassaden dagegen erwärmen sich nicht so

stark. 15 Uhr: Um 15 Uhr ergibt sich die größte Temperaturdifferenz zwischen Bitumen-dachfläche und Rasenfläche von ca 25 °C.18 Uhr: Um 18 Uhr sind alle baulichen Elemente im Vergleich zu umgebenden Ober-flächen sichtbar erwärmt. Andere Oberflächen dagegen verlieren mit abnehmender Einstrahlung ihre Bedeutung im Kontext des Vergleiches untereinander.21 Uhr: Die Speicherfähigkeit der Klinkerfassade und der Betonfläche gewinnt an Bedeutung24 Uhr: ähnliche Differenzen wie um 21 Uhr

Bereich 05 – StaudengartenDie Thermografie mit dem Fokus auf den kleinen Staudengarten stellt ausschließ-lich die geringen Schwankungen im Tagesgang durch die Strahlungsabsorptionen der

ABB 7.133 Thermografieausschnitte, Bereich 4, 24.06.2008von oben: 6 Uhr / 12 Uhr/ 18 Uhr / 21 Uhr


ABB 7.134 Thermografieausschnitte, Bereich 5, 24.06.2008von links: 18 Uhr / 21 Uhr

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ABB 7.135 Thermografieausschnitte, Bereich 6 und 7, 24.06.2008links: Bereich 06: 6 Uhr/ 9 Uhr/ 18 Uhr / 24 Uhrrechts: Bereich 07: 6 Uhr/ 9 Uhr/ 18 Uhr / 24 Uhr

Blattmasse dar. Im Vergleich zum Ausschnitt 04 ergeben sich relativ geringe Tem-peraturschwankungen. Auf jeder Zeitthermografie leiben Wegestrukturen und somit andere Oberflächen im Verhältnis zu den Staudenflächen als Wärmeinseln sichtbar.

Bereich 06 – Schattenseite MauerobjektBereich 07 – Sonnenseite MauerobjektBeide Bildausschnitte dokumentieren die Wärmeverläufe an der erstellten Sitzmau-er mit Sitz- und Fußhocker aus der gleichen Betonzusammensetzung. Ein erhoffter sichtbarer Effekt der unterschiedlichen Mixturen mit Lava-Beton und Basalt-Beton konnte sich nicht zeigen. Jedoch sind im Tagesverlauf die unterschiedlichen Erwär-mungsstufen zur Sonnen- und Schattenseite sowie anhand der unterschiedlichen Massen von Mauer, Sitz- und Fußhocker abzulesen. 6 Uhr: Um 6 Uhr bei nahezu keiner Zustrahlung sind auf beiden Seite analog die Spei-chereffekte verschiedener Massen erkennbar zu differenzieren. Mit steigender Mas-se steigt auch die Speicherfähigkeit des gewählten Material. Der Unterschied beider Masseneinheiten liegt in etwa bei 4 °C.9 Uhr: Die kleineren Masseneinheiten erwärmen sich auf Grund der oben genannten Gründe schneller. 12 Uhr: Um 12 Uhr sind auf der Schattenseite die Differenzen der Masseneinheiten „Mauer“ und „Hocker“ gestiegen. Auf der Sonnenseite sind im Durschnitt um 12 Uhr ca. 15 bis 20 °C höhere Maximaltemperaturen zu erkennen. Ebenfalls ergibt sich ein

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Temperaturunterschied der Bauteile.15 Uhr: Mit Fortgang des Tages steigen die Werte und die Temperaturunterschiede der Bauteile auf der Schatten und Sonnenseite. Im Vergleich zur Sonnenseite bleibt die Mauer auf der Schattenseite als Anlehnbereich angenehm „kühl“ bei ca. 24 °C. 18 Uhr: Um 18 Uhr hält sich die Temperaturdifferenz von Sonnen- und Schattenseite und zwischen den Bauteilen.21 Uhr: Es bleibt ein geringer Unterschied der Masseneinheiten „Hocker“ und „Mau-er“24 Uhr: Mit ca. 20 °C unterscheidet sich das Raumobjekt wesentlichen von den umge-benden Flächen. Die Unterschiede beider Seiten und zwischen den Masseneinheiten ist nicht mehr feststellbar.

Bereich 08 – freies KlassenzimmerNicht alle Sitzoberflächen lassen sich auf Grund unterschiedlicher Emissionseigen-schaften miteinander vergleichen (Einstellung der Emissionsfähigkeit bei der Infrarot-kamera). Insofern sind Metall- und Glasoberflächen nicht beschrieben. Die thermografischen Ergebnisse spiegeln nur teilweise Vermutungen: Steinoberflä-chen speichern Wärme über eine längere Zeit, Kunststoffoberflächen erwärmen sich schnell und verlieren aber auch schnell ihre Wärme, Holzoberflächen bewegen sich in einem geringen SpektrumAuf Grund der geringen Massenvolumina der einzelnen Oberflächen bietet sich nur bedingt ein direkter Vergleich. jedoch lassen sich Tendenzen auch über die Thermo-grafie erkennen. Beispielsweise läßt sich eine träge Wärmeaufnahme aber eine lange Wärmespeicherung bei der Schieferplatte eindeutig nachweisen. Undeutlich bleiben dagegen die anderen Annahmen. In diesem Fall geben die anschließenden Messungen aus dem 2 beschriebenen Untersuchung genauere Erkenntnisse. Die einzelnen Ober-flächen sind mit Infrarotthermometer über 2 Tage gemessen und analysiert worden (Vergleiche Kapitel 7.2.2).

ABB 7.136 Thermografieausschnitte, Bereich 8, 24.06.2008von links: 9 Uhr, 18 Uhr


Ausschnitt 10 – SeitenhofflächeAusschnitt 11 - Seitenhoffläche 02Beide Bildausschnitte dokumentieren die verschiedenen Erwärmungsgrade verschie-dener fester Oberflächen in unmittelbarer Nachbarschaft. Die Erwärmungs- und Spei-chereigenschaften sind verschieden und entwickeln im Tagesgang eine eigene Dyna-mik. Deutlich bleibt immer der Kontrast zu den angrenzenden Vegetationseinheiten. Im Extrem ergeben sich Differenzen von fast 30 °C (18 Uhr). Zwischen Beton- und Asphalt ergeben sich sichtbare Differenzen von bis zu 10 °C (Asphalt+). Der Asphalt entwickelt auf Grund seiner niedrigeren Albedo schneller höhere Temperaturen und die Betonflächen können diese Erwärmungsdifferenz über den Tag nicht mehr aus-gleichen. Selbst morgens bleibt eine Differenz von ca. 3-4 °C.

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Die Thermografie bietet die Möglichkeit thermische Eigenschaften von Materialien in verwendeten Bereichen und unterschiedlichen Massen sichtbar in Bilder dazustellen. Die thermografischen Aufnahmen bieten über den farblichen Vergleich untereinander und im Tagesverlauf eine für Planer verständliche Aufbereitung der Eigenschaftskri-terien. Es können so im Bestand aber auch im Vorfeld auf anderen Projektbeispielen Tendenzen des Strahlungseinflusses abgeschätzt werden. Entscheidend in diesem Zu-sammenhang ist immer die Exposition und die Verwendung im Raum (Elementmasse etc.). Zudem werden in konkreten Beispielen in der Tagesgangaufnahme vielleicht vorher nicht ganz absehbare Effekte deutlich (z.B. der Schatteneinfluss). Die Thermo-grafie am „Zentrum für umweltbewusstes Bauen“ fasst einen heterogenen Freiraum und entwickelt Aussagen zu Oberflächen und Raumeinheiten hinsichtlich ihrer Wär-meeigenschaften. Es lassen sich grundsätzliche Ableitungen für Verwendungen im Raum gewinnen. Deutlich werden geringere Temperaturamplituden bei vegetativen Strukturen. Je nach Blattmasse können starke Erwärmungseffekte vermieden werden. Kombinierte Flächen wie beispielsweise Schotterrasen senken dagegen die Maximal-temperaturen nur im ersten Tagesabschnitt. Mit dem Fortgang der Einstrahlung nä-hern sich solche Flächen den angrenzenden Stein- und Schotterbereichen an.Mit zunehmender Dichte und Masse steigt die Speicherfähigkeit der Oberflächen. Die klassischen Betonobjekte und Klinkerfassaden stehen im Ungleichverhältnis zu porenvolumigen Betonobjekten. Mit der Steigerung des Porenvolumens ergeben sich reduzierte Maximaltemperaturen und auch eine stark verminderte Speicherfähigkeit. Mit abnehmender Albedo steigt der Absorptionsgrad und die Wärmeumsätze an der direkten Oberfläche. Schwarze Flächen wie das Bitumendach oder die schwarze Kunststoffsitzflächen entwickeln schnell im Tagesverlauf sehr hohe Maximaltempe-raturen. Im späteren Tagesverlauf kühlen jedoch solche Fläche stark ab. Die Asphalt-fläche als große verwendete Masseneinheit kombiniert die Speichereigenschaften der Schottergrundsubstanz (i.d.R. Natursteinschotter) zusammen mit den bituminösen Bindemitteln und schwarzer Oberflächenfarbe zu einem optimalen Speichervolumen.

ABB 7.137 Thermografieausschnittelinks Bereich 10: 24.06.2008von oben: 9 Uhr / 15 Uhr / 21 Uhr

rechts Bereich 11: 24.06.2008von oben: 9 Uhr/ 15 Uhr/ 21 Uhr

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Es entstehen schnelle und hohe Wärmeumsätze an der direkten Oberfläche und lange Speicherzeiten. Die Betonoberflächen erreichen auf Grund ihrer höheren Albedo erst im späteren Tagesverlauf höhere Temperaturen auf der Oberfläche wogegen die Spei-cherfähigkeit annähernd gleich zum Asphalt ist.

Zur weiteren genaueren Interpretation gibt es die Möglichkeit, über das bereits ver-wendete Programm Pyrosoft Compact aus den Bilddateien Schnitte auszulesen. Es können so konkrete Temperaturangaben in Schnitten als Diagramm ausgegeben wer-den. Beispielsweise folgen zwei individuelle Standorte mit Prinzipienschnitte und drei an zwei Zeitpunkten der Thermografie aufgenommenen Standpunkte im Vergleich von 18 Uhr und 21 Uhr. Im Schnitt sind die Oberflächentemperaturen deutlich herauszulesen. Zwischen Be-ton- und Asphaltoberfläche ergibt sich ein Differenz von ca. 8 °C. Im begrünten Zwi-schenraum (Fuge) ist nur durch den Einfluß der grasartigen Vegetation die Temperatur um ca. 5 °C geringer als die Betonoberfläche.

ABB 7.138 Thermografischer Ausschnitt einer Beton und Asphaltfläche / Trennfu-ge mit Gras und Kräutern, 15 Uhr, 24.06.2008von oben: 9 Uhr / 15 Uhr / 21 Uhr


punktuelle Oberflächentemperaturmessungen Zielsetzungen / Einteilung der Oberflächen Neben der Möglichkeit Oberflächentemperaturen über Thermografie sichtbar und messbar zu machen, sind punktuelle Messungen von Oberflächen oft einfacher und schneller zu gewinnen. Die bereits in der Thermografie untersuchten Freiflächen am Zentrum für umweltbewusstes Bauen (ZUB) wurden im zweiten Untersuchungsschritt nach Vergleichbarkeit sortiert und mit Infrarotthermometer punktuell auf Oberflä-chentemperaturen und Temperaturentwicklungen im Tagesgang untersucht. In die-sem Fall bot sich nach Eigenschaftskriterien ein Vergleich der Deckoberflächen im

7.2.2

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ABB 7.139 Thermografischer Ausschnitt ei-ner Schotterrasenfläche, 15 Uhr, 24.06.2008

Die Beeinflussung der Oberflächentem-peratur durch zusätzliche Begrünung wird im Schnitt deutlich: Nur durch grasartige Vegetation erwärmt sich die Bodenoberfläche im Vergleich zu reiner Schotterfläche je nach Vegetations-masse um 10 °C weniger.

ABB 7.140 Thermografischer Ausschnitt/ seitlicher Weg am Haus, 15 Uhr, 24.06.2008

Thermografischer Ausschnitt des Sei-tenweges mit Asphalt- und Betonbelä-gen und seitlichen Staudenflanzungen. Temperaturunterschiede der Oberflä-chen lassen sich deutlich im Bild und im Schnitt herauslesen.

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Freiraum, der Vergleich der Sitzoberflächen des gebauten freien Klassenzimmers (ver-gl. Beschreibung Bauobjekte) und ein Vergleich mauerartiger Bauteile an. Es konnten so für alle Flächen Gruppen nach ähnliche Eigenschaften von Masse, Verortung und Verwendung zusammengefasst und verglichen werden. Ziel war es, im Tagesgang Erwärmungs- und Abkühlungseigenschaften zu erkennen um später daraus weitere Auswirkungen auf flächenhafte Verwendungen und den damit verbundenen Auswir-kungen auf die thermische Behaglichkeit abschätzen zu können. Verwendet wurde ein einfaches und kostengünstiges Infrarot Thermometer IR-270 von der Firma Voltkraft. Im Vergleich zu einer einfachen Punktmessung im Tagesgang sind Infrarotthermografien bei weitem aufwendiger und auf Grund ein sehr teuren Kamera selten auch praktikabel im Planungssegment umzusetzen. Bei Punktmessun-gen mit Infrarotthermometern sind vor Ort die Einzeltemperaturen direkt vom Display ablesbar. Schwierig bleibt der unmittelbare Vergleich der Oberflächen. Durch Ther-mografien werden Bildausschnitte durch die „Fotografie“ gefasst. Alle in diesem Bild gefassten Elemente können im Verhältnis direkt miteinander verglichen und in späte-ren Softwareprogrammen ausgewertet werden. Messungenauigkeiten und veränderte physikalische Eingangsparameter (durch plötzliche Verschattung durch Wolkenein-fluss etc.) wie bei den von Punkt zu Punkt erfolgten Messungen mit dem Infrarot Thermometer sind bei Thermografien nur im Vergleich der Bildausschnitte vorhanden. Um diese Ungenauigkeiten und Irritationen bei den Punktmessungen zu vermeiden sind im Fortgang der Messungen mehrere kurze Messungen zu einem Zeitbereich durchgeführt und gemittelt worden (Zeitfenster 10 Minuten).

Ergebnisse DeckoberflächenDie Messergebnisse fassen als erstes die gesamten Oberflächen in einem Diagramm zusammen. Mit der kompletten Ergebnisliste von 30 Stunden sind Erwärmungsgrad und Speicherfähigkeit der einzelnen Oberflächen gut fassbar zu analysieren. Vegetationsflächen: In Relation zu den befestigten Oberflächen liegen die Vegetati-onsflächen deutlich mehr im Mittelmaß und bestätigen ihren, wie bereits vorher um-fangreich beschrieben, eher ausgleichenden „Charakter“ einer thermischen Situation. Auf Grund der nicht ganz gleichen Lage erwärmen sich die Stauden- und Rasenflä-chen jedoch nicht ganz typisch. In der Regel erwirken die Strahlungseingangswerte auf Grund der größeren Blattmasse bei den Stauden einen nicht ganz so starke Erwär-mung. Um 12 Uhr liegen jedoch die Oberflächentemperaturen geringfügig über der Rasenfläche. Allerdings bestätigen sich die Relationen zu den anderen Oberflächen: Die Oberflächentemperaturen sind im Verhältnis zu den festen Oberflächen um bis zu 30 °C geringer (Vergleich Asphaltoberfläche). Das kann bei einem starken Strahlungs-eingang auch eine starke Verringerung der gefühlten Temperatur hervorrufen.

ABB 7.141 Oberflächentemperaturen, Tagesgang 23/24.06.2008


BitumenpappeAsphalt

Stauden

Rasen

Schotterrasen

Betonstein

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geschlossene steinartige Oberflächen: Im Vergleich untereinander nimmt die Asphalt-fläche mit ihrem Plus an Oberflächentemperatur (von 3 °C bei Nacht bis hin zu 10 °C um 15 Uhr) gegenüber den anderen steinartigen Oberflächen eine Sonderstellung ein. Die stärkere Erwärmung resultiert primär aus der niedrigeren Albedo von ca. 0.2. Ein Großteil der eingehenden Strahlung wird von der Asphaltoberfläche absorbiert. Im Vergleich zu allen Oberflächen sinkt selbst die Oberflächentemperatur über Nacht nur wenig unter 20 °C am 23.06.2008. Wand- und Dachflächen: Zunächst scheint die Erwärmungseigenschaft im späteren Fortgang des Tages ungewöhnlich. Mit dem Wandel der Sonne stehen einige unter-suchte Bereiche um 18 Uhr unter Einfluß einer späten abendlichen Sonneneinstrah-lung. Insofern sind die späteren Erwärmungen auch der Wandflächen nur bedingt eigenschaftstypisch zu deuten. Im Vergleich der Wand- und Dachflächen unterein-ander stellen sich mit zunehmender Einstrahlung extreme Überwärmungen auf der Bitumendachfläche ein. Auf Grund der Exposition, der niedrigen Albedo und der ge-ringen Masse erwärmt sich das Bitumendach um ein vielfaches mehr als die anderen Flächen. Mit abnehmender Strahlung fällt dagegen die Temperatur unter die Schwelle der gemittelten anderen Oberflächentemperaturen. Das Bitumendach reagiert somit sehr empfindlich auf die Strahlungseingangswerte. Die weiße Putzfassade reagiert aus Gründen der höheren Albedo erst später auf die Strahlungseinflüße und entwik-kelt auch eine deutlich geringere Maximaltemperatur. Die Wandpaneele reagiert auf Grund höherer Porosität später auf den Strahlungseingang und verzeichnet aber auch dementsprechend eine schnelle Auskühlung nach Strahlungswegfall (Spitzenwert um 18 Uhr ist unter Vorsicht zu interpretieren und nicht mit den anderen Kurven zu vergleichen). Die Klinkerfassade mit ihrer relativ hohen Dichte reagiert erst später im Tagesverlauf auf die Strahlungswerte und speichert aber über den Durschnitt mehr an Wärmeenergie über die Nacht.Schotterflächen: Die Schotterflächen kühlen durch geringe Einzelmassenanteile und offener Porosität schneller aus als die geschlossenen steinartigen Oberflächen. Im Tagesmittel bilden sie den Mittelpunkt der Erwärmungen. Auf der Schotterrasenflä-che erwirken die grasartigen Bereiche eine nicht zu starke Aufheizung am frühen Nachmittag und reduzieren die Temperatur auf bis zu 14 °C gegenüber der normalen Schotterfläche um 12 Uhr. Mit steigender Albedo und abnehmender Dichte fällt die Bedeutung für den Einfluß auf Maximaltemperaturen (z.B. die Bimsschotterfläche) .

Ergebnisse SitzoberflächenAlle Oberflächen sind auf Ihrer geringen Masse (Sitzfläche 40x40cm, 1-4 cm stark) nur bedingt hinsichtlich einer Wärmespeicherfähigkeit über eine längere Zeitperiode zu deuten. Insofern gilt der Fokus den erreichten Erwärmungseigenschaften und Ta-geswerten.Kunststoffoberflächen: Mit fallenden Albedowerten steigt die wie zu vermuten die Oberflächentemperatur. Das bedeutet eine ca. 10 °C stärkere Erwärmung bei allen dunkeln Kunststoffoberflächen. Eine Ausnahme stellt die weiße Kunststoffoberfläche mit relativ hohen Maximalwerten dar. das könnte auch ein Messfehler sein. Mit dem Rückgang der eingehenden Strahlung verlieren alle Kunststoffe relativ gleichmäßig schnell ihre Temperatur und sinken im Vergleich zu den Steinoberflächen etwas tie-fer.Steinoberflächen: Wie in dem vorangegangenen Vergleich reagieren die Steinober-flächentemperaturen etwas träger auf den Strahlungseingang und entwickeln ihren Maximalwert erst im späteren Tagesverlauf. Im Vergleich dazu erwärmen sich die helleren und poröseren Gesteine (Trass- oder Sandstein) geringer. Holzoberflächen: Die Holzoberflächen erwärmen sich nicht so stark, weisen aber auch nahezu keine Speichereigenschaft auf.

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Ergebnisse mauerartige BauteileInteressant ist der Vergleich der verschiedenen Mauertypologien: Zum einen der in ei-ner in 1/1 geteilten Mauer verwendeten Mischungen aus Basalt-Recycling-Beton und Lava-Recycling-Beton. Der Anteil an Lava sorgt für eine etwas schnellere Erwärmung und in der anderen Kombination hält der Anteil Basalt die Wärme etwas länger. Mit den Mischungsverhältnissen und der Einfärbung mit schwarzer Farbe wurde allerdings auch die Albedowerte verringert und die relative Erwärmung erhöht. Die Unterschie-de zwischen beiden Mischungsverhältnissen bleiben aber hinsichtlich ihrer Oberflä-chentemperaturen relativ klein. Der erhoffte Effekt einer optimalen Kombination von schnellerer Wärmeaufgabe, Verringerung der Maximaltemperatur bei gleichzeitiger

ABB 7.142 Oberflächentemperaturen der Sitzbe-läge, Tagesgang 23/24.06.2008, Gott-schalkstraße 26, Kassel

ABB 7.143Mauern und Elemente aus Beton / 24.06.2008

Oben rechts: Mauer und Sitzbereich mit zwei unterschiedlichen Betonmischungen, Lava/Basalt im Verhältnis 15/8 und Basalt/Betonrecyling im Verhältnis 29/6 und schwarze Einfärbung mit Färbemittel, Zusätzlich wurden die Oberflächen unterschied-lich strukturiertOben links: Lava-Bims-Beton, Lava-Beton, Bims-Beton MauerstreifenUnten links: Betonblock mit aussen ummantelter Drainbetonschicht (schwarz ein-gefärbt), aktive Kühlung der Oberflächen durch innenliegender Bewässerung. Durch Knopfdruck ist das Wasser hinsichtlich Zeitpunkt und Menge selbst vom Nutzer zu bestimmen. Unten rechts: Recycling Betonblock


Kunststoff schwarz

Dämmstoff

EPDM orange

SandsteinTrassstein

Kautschuk

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Lavabeton

Lavabeton (Schatten)

Draibeton schwarz

Basaltbeton

Basaltbeton (Schatten)

Drain-Bimsbeton

Recyclingbeton

fast erhaltender Speicherfähigkeit hat sich nicht unbedingt deutlich bestätigt. Durch den Schatteneinfluss wird an der selben Mauer auf der Schattenseite über 25 °C geringere Oberflächentemperaturen erreicht. Das erklärt auch die geringe Über-hitzung von Freiraumeinheiten bei sehr geringer Zustrahlung (enge Gassen etc.). Alle porösen Dränbetonmauern erreichen fast 8 °C geringerer Oberflächentemperaturen und erfahren aber auch auf Grund ihrer hohen Porosität eine relativ hohe Ausküh-lung (fast 9 °C geringer als die anderen Mauern). Eine etwas überraschende Position übernimmt der Recyclingbetonblock mit geringen Überwärmungseigenschaften und guten Speicherfähigkeiten über die Nacht. Vermutlich ist die Mixtur und Kombination der Zuschläge zusammen mit einer grauen Oberfläche (somit eine mittlere Albedo) ein optimales Verhältnis.

Fazit Vergleicht man die Materialeigenschaften untereinander und setzt sie dann in Bezug zu den ENVI-met Untersuchungsergebnissen, lassen sich Aussagen und Querbezüge interpretieren. In den ENVI-met Simulationen wurde unter den festgelegten Parame-tern mit zwei grundsätzlichen Materialeigenschaften der umgebenden Flächen si-muliert: Zum einen eine Variante V1 (und V2 mit Baumüberstand) mit eher helleren reflektierenden Hausfassaden (Albedo 0.2) und einem helleren Bodenbelag „Beton-pflaster“. Zum anderen Variante V3 (und V4 mit Baumbestand) mit eher dunkleren absorbierenden Hausfassaden (Albedo 0.8) und einem dunklen Platzbelag „Asphalt“. Im Rahmen der Eingabe der Parameter konnte bei der verwendeten Version bei Fas-saden nur Albedowerte und bei der Platzfläche nur Materialwerte bestimmt werden. Insofern kann man nur bedingt von einem gleichen Albedowert und gleichen ther-mischen Eigenschaften ausgehen. Das Ziel war es aber letztendlich, Maximal- und Minimalwerte nur durch den Einfluss der Materialität als Messergebnisse zu erzeu-gen und miteinander zu vergleichen. Die jeweiligen Vegetationsvarianten ließen dann wiederum Rückschlüsse und Zusammenhänge von Material, Vegetation bezogen auf den thermischen Komfort ziehen. Die Ergebnisse haben die Vermutungen der unter-schiedlichen thermischen Auswirkungen bestätigt. Mit den zusätzlich vorliegenden Messergebnisse zu einzelnen Materialeigenschaften (vergl. Thermografie und Oberflächenmessungen) können grundsätzliche Tendenzen und Abweichungen bei ähnlichen Raumsituationen und flächenhaften Verwendungen auf die Ergebnisse der Simulationen bezogen werden. Diese Interpretationen beziehen sich lediglich auf die Verwendung als Wand- und Bodenflächen und lassen eine zwei-

7.2.3

ABB 7.144Oberflächentemperaturen der Mauern und mauerartigen Bauteile, Tagesgang 23. und 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, Kassel

-167-

te vertikale Ebene durch Baumüberstand zunächst außer acht.

Abweichungen durch vegetative Oberflächen:deutlich geringere Oberflächentemperaturen im Maximum•geringere nachweisbare MRT Werte•geringere PET Temperaturen am Tage und stärkerer / schnellerer Rückgang •der PET Temperaturen zum Abenddeutlich geringere Speicherfähigkeit von Wärmeenergie durch offenporige •Struktur und absorbierender Blattmasse deutlich geringere MRT und PET Temperaturen über Nacht •deutlich gemittelte Verlaufskurven von MRT und PET, vermutlich auch deut-•lich unter dem Niveau der hellen festen Oberflächennicht abschätzbarer zusätzlicher Kühlungseffekt durch offenporige Struktur •und zusätzliche Verdunstung der vegetativen Blattmasse (Abpufferungen der Temperatur durch vorhandene Wasserkreisläufe)ggf. geringfügige Reduktion der Windbewegungen in unmittelbarer Boden-•nähe durch Erhöhung der Rauhigkeitswertein Kombination mit zusätzlichen vertikalen Grün (V2, V4) eine deutlich ande-•re thermische Situation mit erhöhten Feuchtigkeitswerten und geringeren / gemittelten PET Werten

mögliche Ziele der Verwendung: deutliche Reduktion von Maximaltemperaturen bei strahlungsintensiven Tagen, Verbesserung der Luftqualität, Verringerung der Windgeschwindigkeiten bei windintensiven Tagenmögliche negative Auswirkungen: Steigerung des „gefühlten“ Temperaturüber-ganges durch Erhöhung der Luftfeuchte, zu geringe Wärmeentwicklung bei den Übergangsjahreszeiten

Abweichungen durch offenporige Steinoberflächen :geringere Oberflächentemperaturen im Maximum•geringere nachweisbare MRT Werte•geringere PET Temperaturen am Tage und stärkerer / schnellere Rückgang der •PET Temperaturen zum Abendgeringere Speicherfähigkeit von Wärmeenergie durch offenporige Struktur •geringere MRT und PET Temperaturen über Nacht •gemittelte Verlaufskurven von MRT und PET, vermutlich auch unter dem Ni-•veau der hellen festen und geschlossenen Oberflächenzusätzlicher Kühlungseffekt durch offenporige Struktur und zusätzliche Ver-•dunstung der offenen Bodenfläche (Abpufferung der Temperatur durch vor-handene Wasserkreisläufe)ggf. geringfügige Reduktion der Windbewegungen in unmittelbarer Boden-•nähe durch Erhöhung der Rauhigkeitswerte

mögliche Ziele der Verwendung: Reduktion von Maximaltemperaturen bei strah-lungsintensiven Tagen, Verringerung der Windgeschwindigkeitenmögliche negative Auswirkungen: Steigerung des „gefühlten“ Temperaturüber-ganges durch Erhöhung der Luftfeuchte, geringe Speicherung von Wärmeenergie zur Verlängerung des Aufenthalts im Freien in den Übergangsjahreszeiten

Abweichungen durch veränderte Steinmischungen:bei Erhöhung der Albedo geringere Oberflächentemperaturen im Maximum•bei Erhöhung der Albedo und Verringerung der Dichte geringere MRT Werte•bei Erhöhung der Albedo und Verringerung der Dichte geringere PET Tempe-•raturen am Tage und stärkerer / schnellerer Rückgang der PET Temperaturen zum Abend


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bei Erhöhung der Albedo und Verringerung der Dichte geringere Speicherfä-•higkeit von Wärmeenergie durch offenporige Strukturen bei Erhöhung der Albedo und Verringerung der Dichte geringere MRT und PET •Temperaturen über Nacht bei Erhöhung der Albedo und Verringerung der Dichte gemittelte Verlaufs-•kurven von MRT und PET, das bedeutet eine verzögerte Erwärmung und eine schnellere Abkühlung zum AbendMit einer Mischung der Eigenschaften (Speicherung, Erwärmung) verändern •sich auch die thermischen Eigenschaften, vermutlich ein geringer nachweis-barer thermischer Effekt, Mittlung der Extremwerte z.B. durch RecyclingbetonMit einer Verringerung der Albedo (z.B. durch Einfärben) und einer gleich-•zeitigen Reduktion der Dichte (z.B. durch Beimischung von offenporigen Zu-schlägen wie Lava o.ä.) resultiert eine schnellere Erwärmung und geringere Speicherfähigkeit, die Maximaltemperaturen werden nach eigenen Erkennt-nissen nicht wesentlich reduziert

Ziele der Verwendung: Reduktion von Maximaltemperaturen bei strahlungsinten-siven Tagen und hohen Lufttemperaturen, Steigerung der Maximaltemperaturen bei strahlungsintensiven Tagen und geringen Lufttemperaturen, Steigerung der Wärmeaufnahme (Veränderung der Struktur und Dichte) bei Tagen mit geringen Lufttemperaturen, Verringerung der Speicherfähigkeit zur Reduktion der verzö-gerten Abstrahlungsenergie Negative Auswirkungen: gegensätzliche Effekte an unterschiedlichen Zeitpunk-ten (Tages-oder Jahreszeiten) bei Kombination von Eigenschaften, große Abhän-gigkeit von der Eingangsgröße „Strahlung“, negative „Kühlungseffekte“ bei Tagen mit geringen Lufttemperaturen und geringen Strahlungswerten

Abweichungen durch natürliche Holzoberflächen:vermutlich keine geringeren Oberflächentemperaturen im Maximum•schnellere Erwärmung der Oberflächen (bei üblichen verwendeten Holzquer-•schnitten)geringere MRT und PET Werte im späteren Tagesverlauf durch fehlende Spei-•cherwirkungstärkerer / schnellerer Rückgang der PET Temperaturen zum Abend•ggf. geringer Kühlungseffekt durch offenporige Struktur und zusätzliche Ver-•dunstungen

mögliche Ziele der Verwendung: Reduktion von hohen Temperaturen im späte-ren Tagesverlauf bei strahlungsintensiven Tagen, Durch schnelle Erwärmung der Oberfläche geeignet für strahlungsintensive Tage mit geringen Lufttemperaturen (Herbst, Frühjahr), Verbesserung des „gefühlten Kontaktes“ mögliche negative Auswirkungen: Steigerung des „gefühlten“ Temperaturüber-ganges durch Erhöhung der Luftfeuchte an Tagen mit geringen Lufttemperaturen, schneller gefühlter Wechsel und große Abhängigkeiten von der Eingangsgröße „Strahlung“

Abweichungen durch künstliche Oberflächen:vermutlich keine geringeren Oberflächentemperaturen im Maximum•schnellere Erwärmung der Oberflächen bei niedrigen Albedowerten •hohe MRT und PET Werte im Maximum bei niedrigen Albedowerten•geringere MRT und PET Werte im späteren Tagesverlauf durch fehlende Spei-•cherwirkungschneller Rückgang der PET Temperaturen zum Abend•ggf. geringer Kühlungseffekt durch offenporige Strukturen (je nach Material) •und zusätzliche Verdunstungen

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mögliche Ziele der Verwendung: Reduktion von hohen Temperaturen im späteren Ta-gesverlauf bei strahlungsintensiven Tagen mit hohen Lufttemperaturen, Verbesserung des „gefühlten Kontaktes“, Verbesserung der MRT und PET Werte bei strahlungsinten-siven Tagen mit geringen Lufttemperaturen (Herbst, Frühjahr) mögliche negative Auswirkungen: Steigerung des „gefühlten“ Temperaturüberganges durch Erhöhung der Luftfeuchte an Tagen mit geringen Lufttemperaturen, große Ab-hängigkeit von der Eingangsgröße „Strahlung“

Zwei Freiraumelemente mit aktiven Steuerungsmöglichkeiten zur Behaglichkeitsveränderung Mit dem Erkenntnisgewinn von vielfältigen möglichen Veränderungen thermischer Bedingungen in städtischen Räumen durch Dimensionen, Ausrichtung aber auch durch Wahl der Oberflächen und die Wahl der Vegetation eröffnet sich die Frage nach einer weiter gehenden möglichen aktiven und individuellen Steuerung von thermi-schen Zuständen. Gibt es neben den üblichen Elementen wie Pergolen oder Schutz-wänden leistbare aktive technische Elemente zur individuellen Steuerung von den primären Eingangsenergiegrößen? Denkbar wären Steuerungselemente zur Lenkung von Strahlung ähnlich wie simple Systeme in Innenräumen (Jalousien etc.). Denkbar sind in diesem Zusammenhang auch aktiv verstellbare Pergolen- oder andere Ver-schattungssysteme. Denkbar sind nicht zu letzt einfache Elemente zur Steuerung von Windeinflüssen. Es stellt sich dabei aber auch immer die Frage nach Kosten und Nutzenverhältnissen: Die Beeinträchtigungen durch die einzelnen Faktoren in Bezug zum Ort und zum Nut-zen sind dabei abzuwägen. Bei starker Frequentierung, hohen Nutzungsdruck und ho-hen thermischen Belastungen in einem langen Zeitabschnitt sind größere technische Lösungsvarianten denkbar. In Anbetracht noch fehlender Kenntnis und Akzeptanz möglicher Steuerungsmechanismen ergeben sich Handlungsweisungen für zunächst einfachere und kostengünstigere Varianten. Ein Vorteil wäre eine funktionierende in-dividuelle Steuerung. Das bedeutet die Veränderungen von Eingangsgrößen könnten aktiv durch Technik geregelt und manipuliert werden. Im Optimalfall sollten aktive Steuerungen zeitbeschränkte thermische Defizite im Freiraum ausgleichen. Das heißt, bei zu starkem Strahlungseingang eine Verringerung von Strahlungsin-tensität, bei zu hohen Lufttemperaturen aktive Kühlungen zur Reduktion der Luft-temperaturen und bei zu starken Windeinflüssen eine Steuerung und Reduktion von Windgeschwindigkeiten. Dem ergänzend könnten zusätzliche aktive Elemente eher sekundäre Einflußfaktoren (Geräusch oder Ästhetik) regeln und somit ebenfalls zur Verbesserung eines insgesamt optimierten Behaglichkeitsfeld beitragen (negative Geräuschkulissen durch ergänzen-de positive Geräuschkulissen verringern die Beeinträchtigungen, aktive Steuerung von Farbwahrnehmungen durch Lichttechnik etc.).Im Rahmen einer Verknüpfung wissenschaftlicher Ideen und praktischer Lehre wur-den vom Fachgebiet Landschaftsarchitektur – Technik zwei aktive Elemente durch Studententeams entwickelt und gebaut. Die folgenden Untersuchungen spiegeln die Ergebnisse der Einflüsse wieder. Beide Objekte sind im Rahmen beschränkter finan-zieller Mittel im sogenannten Low-Tech-Segment angesiegelt und insofern denkbar realistisch und praktikabel verwendbar.

7.3

aktive Elemente - Experimentelle Untersuchungen

Kurzzusammenfassung: Im zweiten praktisch-experimentellen Schritt werden zwei gebaute Objekte be-schrieben und hinsichtlich ihres Ein-flusses untersucht. Zum einen ist ein zweischaliger BetonCube mit inte-grierter Wasserkühlung entwickelt und gebaut worden. Die äußere Hülle aus Drainbeton in schwarz heizt sich an Sonnentagen sehr stark auf und kann individuell durch eine innenliegende Wasserzufuhr auf der Oberfläche ge-kühlt werden. Durch einen einfachen Mechanismus können so Extremtem-peraturen auf der Oberfläche des Ob-jekts verhindert werden. Das zweite segelartige Objekt besteht aus 8 Segel - Halterungskonstruktionen, die um eine Kreisfläche von ca 2-3 m² ange-ordnet sind. Diese segelartigen Rah-men können individuell nach Aussen geöffnet oder geschlossen werden. Im Rahmen eines Messganges können Zu-sammenhänge von Positionsstellungen und PET Wertebeeinflussung nachge-wiesen werden. Es lässt sich durch in-dividuelle Verstellung der Segelflächen die Intensität der Sonneneinstrahlung als auch die Intensität der Windbewe-gungen bestimmen.

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BetonCube / Aktive Veränderung von Oberflächentemperaturen

Beschreibung des ObjektesDurch die Sonnenexponierte Lage des Objektes direkt vor der Südfassade des Gebäu-des und durch die schwarze Ummantelung absorbiert der Block mehr Strahlung als ein herkömmliches Betonobjekt im Raum. Die in Wärme umgewandelte Energie wird an den Innenkern weiter gegeben und gespeichert. Die Speicherung der Strahlungs-energie kann so wie andere Stein- und Betonelemente auch zur Verlängerung der Behaglichkeitstemperatur im Tagesverlauf nützlich sein. Die Drainbetonoberfläche entwickelt auf Grund ihrer Porosität im Vergleich zu herkömmlichen Betonoberflä-chen einen schnelleren energetischen Umsatz in Wärmeenergie. Das bedeutet einen im Tages- und Jahresverlauf optimierteren Sitz- und Nutzkomfort. Der Zeitraum des Objektes als nutzbares Möbel wird dadurch erweitert und verlängert. Die schwarze Einfärbung verändert die Albedo und steigert die Absorptionsrate. Bei heißeren Tagen entstehen auf Grund der dunklen Oberfläche Oberflächentem-peraturen zur Benutzbarkeit im Grenzbereich. Durch einen seitlich angeordneten Kippschalter wird ein Impuls zur Wassereinströmung aus dem Wassererdtank von 15 Sekunden gegeben (Zeitrelais im Keller). Das Wasser verteilt sich innerhalb der Drain-betonfläche und fließt im Innenkern seitlich ab. Durch diesen Mechanismus lässt sich die Oberflächentemperatur individuell steuern und verringern. Bei Extremtemperatu-ren stellt ein Doppelimpuls 30 Sekunden einströmendes Wasser zur Verfügung. Neben der Manipulation der Oberflächentemperatur ergibt sich ein erhöhter Absorptionsgrad von eingehender Strahlung durch die schwarze Einfärbung der oberen Betonschicht. Dazu ergibt sich durch die Wassereinspeisung ein erhöhter Verdunstungsgrad und lässt eine Reduktion der Lufttemperatur im unmittelbaren Umfeld vermuten. Im Rahmen der eigenen Untersuchungen wurde jeweils im trockenen Zustand, nach einmal Wässern und nach zweimal Wässern die Oberflächentemperaturen verglichen. Der Wasserimpuls ist durch das Steuerungselement auf wiederkehrend 30 Sekunden eingestellt. Zwischen den Wässerungs- und Messvorgängen liegt immer eine Zeit-spanne von 2 Minuten.

7.3.1

ABB 7.145: BetonCube im Herbst 2007, Gottschalkstraße 26, Kassel

ABB 7.146: Wässerungsvorhang am Cube (das Übersteigen der Wassermen-ge bei Impulsgabe über die Oberfläche des Drainbetons hinaus war ein unbe-absichtigter Nebeneffekt zu starkem Pumpendruck)

Untersuchung und ErgebnisseIn 2 Tagesgangvergleichen bestätigt sich die große Abkühlungsrate in Abhängigkeit von der Sonnenzustrahlung. Ohne Zustrahlung ist die kurzfristige Abkühlung an der Oberfläche gering und kaum messtechnisch nachweisbar. Bei strahlungsintensiven Sonnentagen jedoch kann die Bewässerung die Oberflächentemperatur bis zu 40% reduzieren. Das bedeutet im unmittelbaren Umfeld eine nicht zu unterschätzende Verringerung der gemittelten Strahlungsflüße und kann zu einer nachhaltigen Verän-

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derung der PET Temperaturen beitragen. Schwierig abzuschätzen bleibt der konkrete Einfluß bei den Dimensionsverhältnissen. Der Block stellt mit seinen Ausmaßen von ca. 2x2 m eine relativ kleine bestimmende Größe im Raum dar. Das lässt bei dem existierenden Objekt nur einen größeren Einfluß bei einem kleinen und Höhen mi-nimierten Freiraum vermuten (kleine Innenhofeinheit etc.). Um einen messtechnisch nachweisbaren Effekt der PET Reduktion in größeren Raumeinheiten (kleiner Platz etc.) zu erzeugen, bedarf es einer vermutlich größeren flächigen Installation (ähnlich einer flächigen Wasseranlage).

ABB 7.147: Oberflächentemperaturen September 2006, Gottschalkstraße, Kassel

ABB 7.148: Oberflächentemperaturen 2, September 2006, Gottschalkstraße, Kassel


In der zweiten Untersuchungsreihe wurden zusätzlich zu der einen Oberflächenmes-sung auf dem Betonobjekt die Oberflächentemperatur der Seiten aufgenommen. Dem ergänzend sind exakt zur gleichen Zeit die Lufttemperaturen in den Abständen 5cm, 20cm und 100cm von der Oberfläche und den Seitenflächen des Blocks gemessen worden. Die Messungen erfolgten wie bei der ersten Serie im September 2006 mit einer Messung vor und nach dem Wässerungsvorgang. Die Ergebnisse der Versuchsreihe vom Juni 2007 bestätigen im wesentlichen die be-reits vorher gewonnenen Erkenntnisse: Mit zunehmenden Strahlungseingang steigt die Möglichkeit der Kühlung der Flächen. Das bedeutete zum Beispiel bei der Ober-fläche 01 am 19.06.2007 um 10 Uhr einen Rückgang um 20 °C durch den Wässe-rungsvorgang in der Drainbetonschicht. Im Gegensatz dazu ergab die Differenz am 20.06.2007 auf Grund von geringerer Zustrahlung nur ca. 15 °C. Im Vergleich von Flä-che 01 mit Fläche 02 und 05 ergibt sich unabhängig von der Strahlungseingangsgröße auf Grund der Verfügbarkeit der Wassermenge (horizontale Fläche 01) ein größerer

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ABB 7.151: Landesgartenschau Lever-kusen, Sommer 2005

ABB 7.149: Oberflächentemperatu-ren Oberflächen 01, 02, 05 – 19.-20.06.2007, Gottschalkstraße 26, Kassel

ABB 7.150: Lufttemperaturen im Ab-stand von 5, 20 und 100cm von der Fläche 01, 19-20.06.2007, Gottschalk-straße 26, Kassel

Kühlungseffekt. Die Lufttemperaturmessungen ergaben ein sehr heterogenes Bild und liefern keine aussagekräftigen Ergebnisse für eine weitere Interpretation. Die Temperaturen stei-gen oder Fallen durch den Bewässerungsvorgang im Abstand zu allen Flächen. Eine Tendenz der Luftkühlung läßt sich allenfalls im Abstand von 5 cm vom Block durch die Ergebnisse erkennen. In Anbetracht von komplexen Vorgängen und Wechselbeziehun-gen im Raum brauchen Aussagen zu einem unmittelbaren Einfluß auf die Lufttem-peratur längere und exaktere Messvorgänge. Dazu wird vermutlicherweise zum einen das Objekt mit der Wassereinspeisungsmenge sowie die Verortung in diesem hetero-genen Freiraum den größten Anteil der Ungenauigkeiten tragen. Es stellt sich zudem die Frage nach dem Sinn dieser weiteren und genaueren Untersuchung. Für spürbare Kühlungseffekte der Luft bedarf es größere Wassermengen, kleinere, abgeschlossene und windgeschützte Raumeinheiten und größere Wärmeumsätze ( wie zum Beispiel Wasserbecken in heißen Regionen in Atriumhöfen). In Anbetracht der im Vergleich zur Strahlung geringeren Bedeutung der Lufttemperatur für die Behaglichkeitsgleichung, sind weitere Untersuchung als sekundär einzustufen.

1

55F

1F

22F

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A C E G

B D F H

Segelobjekt / aktive Steuerung von Strahlungs- und Windein-gangsgrößen

Beschreibung des ObjektesDas zweite gebaute Objekt besteht wie bereits oben genauer beschrieben aus acht kreisförmig angeordneten übermannsgroßen Segeln. Die Segel bestehen aus einem einfachen Stahlrahmen und sind mit PVC-Plane bespannt. Je nach Eingangsgrößen können die Segel individuell gedreht werden. Es kann so durch dieses einfache Prinzip der Innen-Freiraum vor Wind- oder zu starkem Strahlungseinfluß geschützt werden. Am 24.06.2008 wurde im Innenbereich der umgebenden Segelfläche für einen Tages-gang die wichtigsten physikalischen Eingangsparameter aufgezeichnet. Parallel dazu sind die Segel im stündlichen und zweistündlichen Rhythmus in ihrer Ausrichtung verändert worden. Es ergaben sich acht Segelstellungen. Diese Stellungen ergaben sich individuell nach vermuteten Behaglichkeitsdifferenzen am Tag: morgens zur Sonnenseite geöffnet, mittags zur Sonnenseite geschlossen und abends wieder zur Sonnenseite geöffnet, dazu die jeweilige Öffnung oder Schließung der sonnenabge-wandten Seite für mehr oder weniger Windbewegung im Raum. Positionsstellungen der vertikalen Segel:A: 10 Uhr Zur Sonnenseite geöffnet, zur sonnenabgewandten Seite geschlossenB: 11 Uhr Zur Sonnenseite geöffnet, zur sonnenabgewandten Seite geöffnetC: 13 Uhr Zur Sonnenseite geschlossen, zur sonnenabgewandten Seite geöffnetD: 14 Uhr Zur Sonnenseite geschlossen, zur sonnenabgewandten Seite geschlossenE: 16 Uhr Zur Sonnenseite geschlossen, zur sonnenabgewandten Seite geschlossenF: 17 Uhr Zur Sonnenseite geöffnet, zur sonnenabgewandten Seite geöffnetG: 19 Uhr Zur Sonnenseite geöffnet, zur sonnenabgewandten Seite geschlossenH 20 Uhr Zur Sonnenseite geöffnet, zur sonnenabgewandten Seite geöffnet

Die Positionsstellung E weicht aus der Logik der regelmäßigen Stellungsveränderun-gen ab. Die Veränderung E dient einer deutlicheren grundsätzlichen Aussage eines feststellbaren Effektes durch die Veränderung von ganz geschlossen auf ganz geöff-net.

Um bei realen Bedingungen die Messergebnisse auch richtig zu deuten, erfolgte eine Zeitparallele Messung in unmittelbarer Umgebung (Station 01). Plötzliche Strahlungs-reduktionen im Tagesgang konnten so zunächst auf reale Einflüsse (Wolken etc.) un-tersucht und dann im zweiten auf den Einfluss durch die Positionsstellungen bezogen werden. Um den Bezug zu den wirklichen thermischen Behaglichkeitsfeld herstellen zu können, sind neben den gemessenen Eingangsgrößen auch die PET Temperaturen nachberechnet worden.

7.3.2

ABB 7.152: Messungen am Segelob-jekt, 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, Kassel

ABB 7.153: Positionsstellungen der Se-gel bei den Messvorgängen, 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, Kassel


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Tmrt (°C)

PET (°C)

Tglobe (°C)

Tair (°C)

ABB 7.154: Tagesgang an der ver-gleichsstation 01, 24.06.2008, Gott-schalkstraße 26, Kassel

ABB 7.155: Windbewegungen, Ta-gesgang an der Vergleichsstation 01 und an der Station 03 (im Objekt), 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, Kas-sel

v_wind (m/s) Station 01

v_wind (m/s) Station 03

Tmrt (°C)

PET (°C)

Tglobe (°C)

Tair (°C)

ABB 7.156: gemittelte Strahlungstem-peratur, PET-, Globe- und Lufttempe-ratur, Tagesgang der Station 03 (im Objekt), 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, Kassel

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Untersuchung und ErgebnisseDer 24.06.2008 zeichnete sich an dem untersuchten Standort durch eine leichte zu-nehmende Strahlungskurve bis ca. 14 Uhr und dann eine leicht abnehmende Strah-lungskurve bis ca. 18 Uhr aus. Um 14 , 15 und 16 Uhr sind kurzzeitige Strahlungsein-brüche von 10 – 15 Minuten in der Kurve zu verzeichnen. Ab 18 Uhr gibt es an der Station 01 vermutlich durch Verschattung einen stärkeren Rückgang als bei Station 03 durch das natürlichen Sinken des Sonnenstandes im Tagesverlauf. Um 10 Uhr werden von der Grundstellung geschlossen zur Sonnenseite die Segel geöffnet. Diese kleine Veränderung zeigt sich durch einen Sprung der MRT und Globe Werten und wirkt sich nicht zuletzt auch auf die PET Temperatur aus. Der windge-schützter Raum mit Öffnung zur Sonnenseite ist bildhaft mit einem Strandkorb zu vergleichen und erzielt einen realistischen PET Temperatursprung von ca. 5 °C (Der Blick auf die Station 01 zeigt einen kleineren Sprung der Strahlungswerte zu der Zeit insofern ist von der abgelesenen Differenz von ca. 7 °C ein Teil abzuziehen). Um 11 Uhr ist mit der Zunahme der Windbewegung durch die Positionsstellung (vergl. Windbewegungen Station 03) eine Verringerung der PET Temperatur um ca. 4 °C die Folge. Vergleicht man die PET Kurven der beiden Messstationen bestätigt sich der individuelle Einfluß der Segelstellungen bei der Station 03. Um 13 Uhr zeigt sich der deutlichste Einfluß der Segelstellungen in den MRT und PET Werten. Bei intensiver Einstrahlung wird durch die plötzliche Verschattung die PET Temperatur auf ca. 15 °C reduziert. Der gemessene MRT Wert sinkt sogar um 25 °C. Der Wechsel um 14 Uhr reduziert durch die zusätzliche Schließung der sonnenabge-wandten Seite die Windbewegungen und die PET Temperaturen können so leicht um 5 °C ansteigen nach der Positionsveränderung. Der plötzliche Rückgang der Sonnen-einstrahlung um 14 Uhr kommt so überhaupt nicht im Objekt zum Tragen (bezogen auf die PET Temperatur). Die um 16 Uhr plötzliche Zunahme der Sonneneinstrahlung macht sich trotz Beibe-haltung der Segelstellung in der MRT- und PET-Kurve bemerkbar. Der plötzliche Ein-fluß ist relativ intensiv und lässt so im fortgeschrittenen aufgeheizten Tagesverlauf auch im Objekt spürbar seinen Einfluß zurück. Um 17 Uhr wird die Position der Segel radikal von „geschlossen“ auf „alle Seiten offen“ umgestellt. Das macht sich trotz späterer Nachmittagszeit deutlich in MRT – und PET-Kurve bemerkbar. Auch die Windkurve verlässt den analogen Verlauf zur Referenzstation 01.Um 19 Uhr wird mit abnehmender Sonne zusätzlich die sonnenabgewandten Seite

ABB 7.157: PET- Temperaturen, an der Vergleichsstation 01 und der Station 03 (im Objekt), 24.06.2008, Gottschalk-straße 26, Kassel

PET (S3)

PET (S1)


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geschlossen, um einen geschützter Raum bei abnehmender Einstrahlung zu schaffen. Vermutlich wird der starke Rückgang der PET Temperatur im Vergleich zum Rückgang der MRT- Eingangswerte etwas verringert. Genau kann man das jedoch nicht bestim-men. Um 20 Uhr ist durch die Positionsveränderung die Veränderung bei den MRT und PET Werten nicht mehr sichtbar festzustellen. Bei wegfallender Strahlung fehlt die primäre Einflussgröße und ist nur durch Windbewegung und Steuerung (von halb-geschlossen auf ganz offen) bei den geringen Windgeschwindigkeiten nicht zu erreichen.

Fazit

aktive Manipulation von OberflächentemperaturenDer entwickelte BetonCube stellt neben der ästhetischen und praktischen Qualität ei-nes architektonischen Objektes ein individuell steuerbares Freiraummöbel dar. Durch die Wasserkühlung des äußeren Kern lassen sich die Oberflächentemperaturen bei strahlungsintensiven Tagen um bis zu 20°C der Oberflächentemperaturen verringern. Das könnte bei flächigem Einsatz einen nachhaltigen Einfluss auf die PET Temperatu-ren im Raum bedeuten (vergl. Simulationsergebnisse). Mit fallenden Strahlungswer-ten geht auch die Differenz des Kühlungseffektes zurück. So können bei strahlungs-extensiven Tagen keine nennenswerten Effekte nachgewiesen werden. Der Block an sich stellt ein Freiraumelement zum möglichen Aufenthalt durch Sitzen und Liegen dar. Mit einer dunklen Oberfläche bietet der Block eine ausreichende Kontaktwärme. Durch eine poröse Oberfläche erwärmt sich die Oberfläche relativ schnell und setzt Strahlung in Wärme an der Oberfläche um. Zu starke Wärmeentwicklungen können durch die individuelle Einspeisung von Wasser verhindert werden. Als unmittelbares Nutzobjekt ist der BetonCube eine denkbare Alternative zu üblichen Sitzmauern oder Sitzbänken. Dem gegenüber stehen langsame Oberflächenerwärmungen an üblichen Beton- oder Steinoberflächen, die durch unmittelbaren Körperkontakt an „kalten“ Flächen eine zeitnahe Nutzung verhindern.Der Block an sich als Element ist durch Aufbau und technische Idee übertragbar auf flächige Systeme. Platzflächen oder Platzbereiche mit ähnlichen Oberflächenaufbau-ten und zusätzlicher Wasserkühlung könnten auch Gesamttemperaturentwicklungen eines Ortes beeinflussen. Die Simulationsergebnisse zeigen einen großen Einfluss der verwendeten flächigen Materialien durch deren Wärmeeigenschaften. Das bedeutet bei starken Strahlungszugängen ergeben sich je nach Reflexionseigenschaften und allgemeinen Wärmeeigenschaften der Materialien unterschiedliche energetische Um-sätze. Diese Umsätze drücken sich in Wärmeabgabe an die Umgebung unmittelbar oder zeitverzögert aus. Eine individuelle und zeitnahe Veränderung der Flächen ist analog bei unterschiedlich zeitnah wirkenden physikalischen Einflüssen nicht möglich. Eine beispielhaft kleine relativ windgeschützte Freiraumeinheit mit geringen Schattenein-flüssen durch Gebäudekubaturen ist in der Regel stark von Strahlungseingängen und somit von Jahreszeiten abhängig. Daraus können im Sommer starke Überwärmungen resultieren. Damit ist eine Verschlechterung des thermischen Komforts absehbar. In den Übergangsjahreszeiten können aber starke Zustrahlungen und die Umsätze an den Oberflächen übliche noch kühle Lufttemperaturen und damit verbundene niedrige PET Werte für den Nutzer optimieren. Der Aufenthalt im Freiraum kann für dieses Beispiel in Jahres- oder Tageszeiten (abends) durch verstärkte Absorption der Oberflächen ver-längert werden. Jedoch ist damit auch immer bei intensiveren Sonneneinstrahlungen sommertags eine Überwärmung verbunden. In diesem Fall sind technisch simple aber effektive Systeme ähnlich des beschriebenen BetonCube hilfreich. Die Aufenthalts-qualität könnte sich so für einen optimalen Zeitraum der Nutzung verbessern.

7.3.3

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aktive Manipulation von Strahlung und WindDas Segelobjekt stellt als zweites Beispiel ein einfaches aber effektives technisches System zur individuellen Steuerung von thermischen Einflüssen dar. Grundsätzlich haben die Ergebnisse eine vermutete aktive Steuerungsmöglichkeit der Behaglich-keitsempfindungen bestätigt. Unter den gegebenen Umständen sind Veränderungen des Behaglichkeitsindizes PET auf die Positionsveränderungen der Segel im Tagesgang zurückzuführen. Die bestimmende Eingangsgröße bleibt die Strahlung bei dem Mes-sversuch, und es können bei dementsprechenden starken Zustrahlungen PET Differen-zen von 5 bis zu 15 °C durch Positionsveränderungen der Lamellen in der unmittel-baren Objektinnenfläche erreicht werden. Die Auswertung der Windbewegungen über den Tag verteilt bestätigen trotz sehr geringen Luftbewegungen im Großen und Gan-zen den Einfluss verschiedener Positionsveränderungen. In diesem Zusammenhang könnten weitere Messung an einem windigen Tag die Ergebnisse sinnvoll ergänzen. Es könnten sich so eindeutigere Querbezüge von Windbewegungen und PET Tempera-turen hergestellt werden. Die gemessenen Windbewegungen waren am Messtag sehr gering und können somit nur bedingt in Bezug zu den PET Veränderungen gesetzt werden. Derzeit sind übliche Schutzsysteme entweder starr oder nur individuell sehr kostenin-tensiv zu verändern. Gemessen an primären physikalischen Einflüssen sind Pergolen, Windschutzsysteme, Sonnensegel, Markisen und weitere in den Kontext einer potenti-ellen Nutzung zu stellen. Bedingt sind diese Systeme individuell veränderbar. Vorhan-dene individuelle Steuerungssysteme sind meistens sehr kostenintensiv und gehören deswegen nur selten zum üblichen Produktrepertoire eines Planers. Die entwickelte Segelkonstruktion dagegen ist ein einfaches, robustes und effektives Systeme für in-dividuelle Veränderungen physikalischer Einflüsse. Die einzelnen Einheiten können sowohl als veränderbare Barrieren als auch veränderbare Schutzflächen aufgestellt werden. Dem Nutzer bietet sich somit die Möglichkeit die physikalischen Eingangs-größen nach Tages- und Jahresverläufen individuell zu bestimmen. Die Zeitspanne einer optimalen Behaglichkeit im Freiraum lässt sich damitwirksam verlängern und verbessern. Beide Objekte sind als experimentelle Objekte aus dem Blickwinkel eines Landschaftsarchitekten enstanden und auch als solches zu verstehen. Sie geben Ide-enrichtungen vor und zeigen Möglichkeiten und Potentiale auf. Durch zwei einfache Untersuchungen konnten für die gegebenen Tagessituationen bestimmte Vermutun-gen zum Einfluss bestätigt werden. Denkbar wären noch weitere Untersuchungen mit anderen Zielvorgaben der Messergebnisse. In Zusammenarbeit mit der Fachdisziplin Stadtklimatologie wären zudem weitere Ideenentwicklungen gerade im Hinblick ei-ner zielorientierten Verbesserung von Lebensqualitäten in städtischen Räumen span-nend.


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DISKUSSION UND AUSBLICK 8.1 Rahmenbedingungen 8.2 Thesen und Fragestellungen 8.3 Methodik der Untersuchungen 8.4 Ergebnisse der Untersuchungen 8.5 Ausblick

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Diskussion und AusblickRahmenbedingungenMit der zentralen Frage nach Möglichkeiten und Potentialen der Landschafts- und Freiraumplanung, durch Planung bestimmte thermische Freiraumqualitäten in städ-tischen Räumen zu beeinflussen, ergaben sich vier wesentliche Rahmenbedingungen. Zum einen führt eine grundsätzliche globale Klimaveränderung auch zu verschärften klimatischen Bedingungen in Städten. Mit steigenden Anforderungen an städtische Freiräume durch gesellschaftliche Veränderungen kommt zudem den Freiräumen und der Behaglichkeitsqualität eine steigende Bedeutung hinzu. Gleichzeitig ist mit Glo-balisierung der Architektur und technischem Fortschritt eine immer weniger ortsan-gepasste Architektur zu erkennen. Das bedeutet zusammen mit zahlreichen klimati-schen Verbesserungen im Gebäudeinneren auch eine steigende Divergenz der Innen- und Außentemperaturen. Mit abzusehenden globalen Klimaveränderungen werden auf Grund verstärkten Wir-kens der physikalischen Einflussfaktoren gerade diese Auswirkungen in städtischen Verdichtungsräumen besonders deutlich bemerkbar machen. Grundsätzlich bedeutet das eine steigende Erwärmung mit steigenden Durchschnittstemperaturwerten und Strahlungsumsätzen an den festen Oberflächen. Es kann zudem zeitweise zu Ex-tremwetterereignissen und damit verbunden zu stärkeren und zeitintensiveren Be-einträchtigungen kommen (Umweltbundesamt, 2004:5). Es bleibt dagegen abzuwar-ten inwieweit sich diese Auswirkungen in bestimmten Regionen besonders stark und „spürbar“ bemerkbar machen. In diesem Zusammenhang sind mittel- und nordeuro-päische Städte auf Grund ihrer derzeitig eher geringeren klimatischen Probleme im Vergleich zu anderen Regionen der Erde weniger betroffen. Unter Umständen sind in diesem Zusammenhang alleine durch steigende Temperaturen im Jahresdurchschnitt auch höhere Lebensqualitäten für städtische Freiräume zu erwarten. Problematisch bleiben hingegen in südlicheren Regionen ansteigende Durschnittstemperaturen und die damit verbundene Überwärmungen der Städte (Koppe, 2005:13). Mit derzeitigen und zukünftigen Überwärmungen und den Auswirkungen auf den Menschen beschäf-tigt sich viele stadtklimatische Untersuchungen (vergl. Veröffentlichungslisten des Meteorologischen Instituts, Universität Freiburg, http://www.meteo.uni-freiburg.de/forschung/publikationen). Insofern fordert dieser Forschungsschwerpunkt der Stadt-klimatologie die Handlungsnotwendigkeit, auch in den Planungsdisziplinen entspre-chende Schwerpunkte neu zu setzten. Unbestritten ist aber eine mit der Erwärmung verbundene Zunahme von Extremwetterereignissen (Umweltbundesamt, 2004:5). Das lässt heterogene klimatische Verhältnisse im Jahresverlauf vermuten und fordert pla-nerische Maßnahmen zur Verhinderung oder Verringerung zu starker Schwankungen. Die Landschaftsarchitektur sowie die Stadtplanung werden als Planungsdisziplinen in diesem Zusammenhang in Zukunft stärker gefordert werden. Das setzt ein geschul-tes Verständnis physikalischer und anderer entscheidender Vorgänge voraus. Die Dissertation setzt ein weiteres wichtiges Faktum als Rahmenbedingung voraus: Die Architektur, Freiraumplanung und Stadtplanung sind heute im Vergleich zu früher weniger angepasst an die ortstypischen klimatischen Situationen. In Deutschland wi-derspricht diese Aussage den zahlreichen stadtklimatischen Vorgaben und Bemühun-gen der Länder, Kommunen und Städte durch Klimafibeln, Klimakarten und Auflagen zum energetischen Bauen u.a. auch angepassten klimatischen Städtebau zu betreiben. Mit einem gleichzeitig zunehmenden Bewusstsein für natürliche Ressourcen und na-türliche Prozesse ist ein Umdenken und ein Änderungswunsch festzustellen. Dennoch ergab sich durch globalisierte Architektur und globalisierte Bautechniken ein Transfer von Ästhetik und Wissen. Betonskelettbauweise und eine Vielzahl revolutionierter Ästhetiken (Gestaltsprachen und ästhetischer Ausdruck) und Formenentwicklungen

8.08.1

Rahmenbedingungen - Diskussion und Ausblick

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erwuchsen einem einseitigen Kosten- und Nutzungsschwerpunkt, der sich nur auf den Mensch als Bewohner der Gebäude bezog. Mit wachsenden Städten haben sich da-neben resultierend aus den damit verbundenen hygienischen und sozialen Problemen, immer weiter verbesserte Qualitäten städtischer Frei- und Grünräume ergeben. Ver-gleicht man aber heute moderne und schnell gewachsene europäische Städte mit hi-storisch gewachsenen Städten, so ist doch oft ein typisches Unterscheidungsmerkmal erkennbar: Kleine und historisch gewachsene Stadtbereiche haben sich eine typische und klimatisch angepasste Architektur erhalten. Baulich drückt sich das zum Beispiel in enge Gassen gegen zu starken Strahlungseinfluss im Süden Europas oder „geduck-te“ Gebäudekomplexe in windigen Regionen aus. Durch „modern“ geprägten Städ-tebau (Die „Moderne“: Zeitepoche und Auslöser neuartiger Architektursprache) sind dagegen Hochhäuser in windigen Klimaten oder Glasgebäude in strahlungsintensiven Regionen genauso zu finden wie lange breite Straßenschluchten in windexponierten Regionen. Die Ursachen sind in wirtschaftlichen, sozialen und gesellschaftlichen Ver-änderungen (mit ihren Auswirkungen auf die Architektur) zu suchen. Durch das Anwachsen der Probleme in Bezug auf das Klima und der Energie- und Ressourcenverfügbarkeit ist auch das Bewusstsein für gebaute Umwelt gestiegen. Das führt vermehrt, zum Beispiel in Deutschland durch die EnEV (2008), zu energetisch verbesserter Architektur. Neubauten müssen in diesem Zusammenhang energetisch bilanziert werden. Das setzt aber nicht unbedingt eine Gesamtbetrachtung des Ge-bäudes im größeren Umfeld physikalischer Einflüsse voraus (und demzufolge einre ortsangepassten Architektur). Der Freiraum wird nicht im Zusammenhang der Wir-kungskette Gebäude und thermischer Einfluss betrachtet. Das Gebäude wird gerade bei größeren Komplexen als ein Solitär und eine Hülle für den Nutzer des unmittelba-ren Innenraums verstanden. Dies führt zu einer steigenden Divergenz von Innen- und Außenklima. Mit stetigen Steigerungen und Optimierungen der Innenraumklimate und einer nicht gleichge-zogenen Verbesserung der äußeren Bedingungen, fällt zum einen die Fähigkeit der thermischen Anpassung der Nutzer und steigt zum anderen das Bedürfnis nach an-teilig optimierten Aufenthaltsraum. Große Gebäudehüllen wie Shopping Malls oder andere gewährleisten optimale und klimatisch unabhängige Bewegungen der Nut-zer. Gleichzeitig steigen aber außerhalb der Hülle, durch Massenvolumen und damit verbundenen langen Gebäudefluchten oder überproportionierten Dimensionen, die thermischen Beeinträchtigungen (beispielsweise zunehmende Windeffekte). Mit dem Wechsel von innen nach außen und umgekehrt wird das Innen immer mehr als ge-gebene Wirklichkeit dem Außen vorgezogen. In diesem Zusammenhang überwiegen die positiven Eindrücke des Innens gegenüber den positiven Eindrücken des Außen. Mit den Erfahrungen , dass immer mehr Innenräume ein optimiertes Klima aufweisen, sinkt mit fallenden Anpassungsfähigkeit an klimatische Wechsel auch das Spektrum der Temperaturtoleranzen. Die vierte Rahmenbedingung geht von wachsenden Anforderungen an städtische Freiräume durch veränderte Freizeitbedingungen aus. Die westlichen Kulturen sind in einem Umbildungsprozess von der Post-Industriegesellschaft zur Freizeitgesellschaft. Der grundsätzliche Aufenthalt im Freien nimmt ebenso zu wie das Bedürfnis nach Freiraum und Freifläche (Töllner/ Schmidt, 2008:292). Diese Entwicklung fordert ge-rade im Zusammenhang einer steigenden „gefühlten“ Divergenz von innen und außen ein wiedererstarktes Bewusstsein für Freiräume und Freiraumqualität. Es kann aber nicht eindeutig geklärt werden, ob eine Zunahme des Aufenthalts im Freiraum sich automatisch mit Veränderungen der Gesellschaft ergibt und ob Komfortkriterien in diesem Zusammenhang gegebenenfalls überwertet werden. Die Qualität des Freirau-mes lebt unter anderem von dem unmittelbaren Kontakt mit den Elementen und aus dem Wechseln resultierenden Reizzuständen. Zu starke Reize werden als negativer Komfort und als negative Erfahrung bilanziert. Leichte Reize und leichte klimatische

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Veränderungen stärken dagegen positive Erfahrungen. Mit bewusstem planerischen Umgang können zu starke negative Erfahrungen je nach Möglichkeiten verändert werden. Im Jahreszeitenverlauf sind optimale oder auch nur optimierte Situationen durch Planungssteuerungen gerade im Zusammenhang verbesserter Innenraumklima-te wünschenswert.

Thesen und FragestellungenAusgehend von den Thesen, dass zum einen die Landschaftsarchitektur als Planungs-disziplin wichtige Beiträge zur Verbesserung des thermischen Komforts in städtischen Freiräumen liefern kann und zum anderen die Landschaftsarchitektur dafür auch die richtigen Planungsinstrumente besitzt, stellt sich die Frage nach Möglichkeiten und konkreten Handlungen (und den damit verbundenen Auswirkungen). Diskutiert wer-den muss in diesem Zusammenhang der Nutzungszeitraum angestrebter Verbesse-rungen durch Planungshandlungen in der Landschaftsarchitektur. Inwieweit bieten diese Planungshandlungen realistische Potentiale zur Verbesserung der thermischen Qualitäten? Mit den Jahreszeiten ergeben sich in unseren Breitengraden natürliche klimatische Unterschiede. Planerische Manipulationen thermischer Zustände kön-nen in diesem Zusammenhang physikalische Faktoren und Einflüsse nutzen. Die Un-tersuchungen belegen durch einen gezielten Umgang mit Strahlungsumsätze oder Windbewegungen Nutzungspotentiale für kleinskalige Freiraumeinheiten städtischer Räume. Weiterhin bleiben der Nutzungszeitraum und die sich daraus ergebende Ziel-setzung unklar. Alle Jahreszeiten und die damit verbundenen Wettereinflüsse weisen Abweichungen vom optimalen gefühlten Mittel der Nutzer auf. Im Winter ist es kalt, windig und regnerisch, im Sommer ist es eher warm und trocken und in den Über-gangsjahreszeiten Frühjahr und Herbst sind mögliche Beeinträchtigungen in Richtung zu kalt, zu regnerisch, zu windig oder zu warm nur schwer abzusehen. Aus diesem Grund sollten die planerischen Möglichkeiten einer Verbesserung der thermischen Si-tuationen bilanziert werden. Welche Jahreszeit bietet zusammen mit den beeinfluss-baren physikalischen Faktoren Möglichkeiten zur Verbesserung? Welche Tagesgänge mit ihren unterschiedlichen energetischen Tagesläufen sind unter Umständen in die Zielsetzung mit einzubeziehen? Diesbezüglich stehen im Sommer ausreichende Potentiale der energetischen Größe „Strahlung“ zur Verfügung. Durch gezielte Verwendung von Material und Vegetati-on sowie durch eine gezielte Ausrichtung und passend gewählten Dimensionsver-hältnissen können thermische Beeinträchtigungen in Richtung zu warm oder zu kühl verbessert oder vermieden werden. Ebenso bieten sich für Tagesgänge typischer Som-mertage gezielte Fokussierungen und Maßnahmen zur Verlängerung des Aufenthalts im Freiraum an. Ein entscheidendes Kriterium ist dabei auch der Umgang mit der Eingangsgröße Wind. Durch geeignete Schutzmaßnahmen oder auch durch gezielte Turbulenzerhöhungen können im Zusammenhang mit der Eingangsgröße Strahlung PET- Temperaturen im Voraus abgeschätzt werden. Das gilt auch im besonderen Maße für die Übergangsjahreszeiten Herbst und Frühling. Zu starke Windeinflüsse können ebenso im Rahmen gegebener Möglichkeiten im Vorfeld abgeschätzt und ggf. abge-schwächt werden. Die Steigerung einer Absorption und Speicherung von Wärmeen-ergie ist bei kleineren Strahlungseinflüssen anzustreben. Nur so können thermische Defizite auf ein geringeres Maß reduziert werden. Zusätzliche Wettereinflüsse wie Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Regenfälle sind aber in diesem Zusammenhang nur bedingt planerisch zu beeinflussen. Des Weiteren ist immer nur von Verbesserun-gen auszugehen und nicht von einer allumfassenden Steuerung. Im Gegensatz zum Innenklima sind für das Außenklima stärkere Wechselbeziehungen von meso- und makroklimatischen Verhältnissen auf kleinskalige Raumeinheiten vorhanden und nur bedingt abzukoppeln. Die Untersuchungsergebnisse bestätigen aber dennoch für die

8.2

Thesen und Fragestellungen - Diskussion und Ausblick

-184-

gewählten Zeiträume, dass PET-Temperaturen durch Planungsentscheidungen zu ver-ändern sind. Insofern ergeben sich unabhängig von übergeordneten Einflüssen Mög-lichkeiten für bestimmte Tages- und Jahreszeiträume, den Aufenthalt im Freiraum durch Mittel der Landschaftsarchitektur zu verbessern.

Methodik der UntersuchungenDie Arbeit bedient sich ganz bewusst verschiedener Schritte zur Beantwortung der Fragestellungen. Eine wissenschaftliche Arbeit aus dem Bereich der Landschaftsar-chitektur kann zwar auf Werkzeuge der Stadtklimatologie zurückgreifen (Simulatio-nen, Messungen), kann aber nicht mit analogen methodischen Arbeitsschritten der Stadtklimatologie eine Beweisführung für Landschaftsarchitekten entwickeln. Des-halb erarbeitet die Dissertation zunächst Grundlagenerkenntnisse aus dem Stand der Forschung (Stadtklimatologie). Im ersten Schritt werden hinführend zum weiteren Vorgehen „Basics“ zu klimatischen Zusammenhängen und den stadtklimatischen Be-sonderheiten ausgewertet. Daraus ergibt sich ein Erkenntnisgewinn zu möglichen Po-tentialen zum Einfluss auf thermische Verhältnisse in kleinskaligen Freiraumeinheiten der Planungsdisziplin Landschaftsarchitektur. Zusammen mit einer Auswertung von Untersuchungen und Handlungsmodellen aus der Stadtklimatologie und der Umwelt-meteorologie konnte daraufhin eine weitere Beweisführung Anwendung finden. Im zweiten Schritt bedient sich die Arbeit eines Hilfsmittels aus der Stadtklimatologie. ENVI-met ist ein dreidimensionales Bilanzierungsmodell zur Bewertung physikalischer Einflüsse im Freiraum. Im Vorfeld wurden dafür die Fragestellungen aus dem Bereich der Landschaftsarchitektur mit den üblichen Arbeitsweisen und Fragestellungen der Stadtklimatologie verglichen. Die Aussagen der Simulationsergebnisse mussten im Voraus eindeutig auf die kausalen Zusammenhänge von Planungshandlung und ther-mischen Komfort in städtischen Freiräumen übertragen werden (Ort, Zeit, Dimen-sion, Material, Vegetation, Nutzer). Nur so konnten die Ergebnisse verständlich für die Zielgruppe Landschaftsarchitektur aufbereitet werden. Es wurde nur eine fiktive „Raumeinheit“ in einer Vielzahl an Planungsvarianten simuliert. Reale Planungsauf-gaben sind dagegen räumlich oft wesentlich vielschichtiger und heterogener und be-inhalten komplexere Zusammenhänge. Jedoch bot die gewählte Raumeinheit erstens ein ideales Vergleichsobjekt zur Bestimmung der kausalen Zusammenhänge von Pla-nung und thermischem Komfort (homogener und abgeschlossener Raum), versprach diesbezüglich zweitens vergleichbare Resultate und stellte drittens auch ein übliches nutzerbezogenes Beispiel einer Planungsaufgabe dar (Platzeinheit = Aufenthaltsqua-lität und Nutzungsanforderungen). Im letzten methodischen Schritt ergänzen punktuelle Experimente Lücken der Er-kenntnisse. Das bedeutet auch eine Betonung von „Idee“ und der ideenreichen Vor-gehensweise. Klassischerweise ist dieses methodische Arbeiten im letzten Schritt ein Instrument aus den Planungsdisziplinen Architektur oder Landschaftsarchitektur, beansprucht aber keine Vollständigkeit der interpretierten Ergebnisse. Nach einer Beweisführung durch die Simulationsergebnisse (Möglichkeiten der Einflussnahme an einem konkreten Beispiel) hin zur Bestätigung der aufgestellten Thesen vervoll-ständigt der letzte Schritt jedoch durch Eigenschaftsbenennungen von Materialien und zwei experimentell entwickelten Beispielen von aktiven baulichen Elementen die Fragestellung nach dem Einfluss der Landschaftsarchitektur. Es bleibt neben offenen Fragen durch diesen methodischen Schritt auch Raum für das gestalterische Moment in der Planungsdisziplin Landschaftsarchitektur. Das können Begrifflichkeiten wie „Idee“ aber auch „Inspiration“ beschreiben (besondere Bedeutung in den „kreativen“ Disziplinen).

8.3

-185-

Ergebnisse der UntersuchungenOrt und ZeitIn den Untersuchungen wurden zwei Standorte Kassel und Göteborg hinsichtlich unterschiedlicher thermischer Entwicklungen bei gleichen Planungskriterien mitein-ander verglichen. Die Ergebnisdaten belegen verschiedene Temperaturentwicklungen allein durch den Einfluss unterschiedlicher Sonnenwinkel und Strahlungsverhältnisse. Die Ergebniswerte sind auf Grund real existierender Windverhältnisse in Göteborg vermutlich verfälscht und im MIttel niedriger. Jedoch zeigen die Ergebnisse real in abgegrenzten Raumeinheiten einen Einfluss auf die thermische Behaglichkeit einzig und allein durch veränderte Strahlungsbedingungen. Es ist insofern mit veränderter geografischer Lage auch immer von veränderten Strahlungsverhältnissen und damit zusammenhängenden anderen thermischen Zuständen auszugehen. Steilere Sonnen-winkel und steigende Abstände zur Sonne mit Entfernung vom Äquator sind deshalb in städtischen Räumen auch mit abnehmenden PET-Werten in Verbindung zu bringen. Bei besonderen topografischen Verhältnissen und Winkelstellungen der absorbieren-den Flächeneinheiten können aber auch höhere Umsätze erzielt werden. Diese Vermu-tungen ließen sich durch die gewählten Raumkonstellationen jedoch nicht beweisen. Ebenso lassen sich örtliche Windverhältnisse und deren Einflüsse auf die PET Tempe-raturen nur sehr schwer abschätzen. Eindeutig ist aber der kausale Zusammenhang von Windgeschwindigkeiten und PET Temperaturen. Mit steigenden Windeinflüssen steigt auch der Einfluss auf die Werteentwicklung. In der Regel sind bei den vorliegen-den Beispielen steigende Windbedingungen auch immer mit fallenden PET-Werten in Verbindung zu bringen. Grundsätzlich hat sich aber der vermutete Unterschied durch veränderte geografische Lage nicht so stark gezeigt (2-3 °C PET). Allerdings beweist der einfache Vergleich beider gewählter Standorte den grundsätzlichen Unterschied. Besonders deutlich haben sich aber Unterschiede mit zusätzlichen vertikalen Barrie-ren und steigenden Schatteneinflüsse gezeigt. Im Vergleich beider Vegetationsvarian-ten ergeben sich in Göteborg im Tagesverlauf kaum Flächen ohne Schatteneinflüsse auf dem Platz. Neben unterschiedlichen energetischen Umsätzen an den Oberflächen durch Sonnenwinkel und Entfernung zur Sonne ergeben sich durch stärkere Schatten-entwicklungen auf dem Platz wesentlich geringere Umsatzraten (beispielsweise Kas-sel: 15°C und in Göteborg bis zu 25°C Differenz PET durch zusätzliche Überstellung des Platzes mit Gehölzen). Diese Erkenntnisse sind zum Zusammenhang von geografi-scher Lage und Temperaturentwicklung sind auf viele Ortsvergleiche zu übertragen. Der Zeitfaktor konnte im Rahmen der Untersuchungen nicht eindeutig beantwor-tet werden. Die Simulationen wurde nur in zwei Zeitphasen innerhalb des Sommers durchgeführt. Es ist davon auszugehen, dass sich mit abnehmenden Strahlungsver-hältnissen im Frühjahr und Herbst geringere PET-Werte im Mittel ergeben und sich die Unterschiede der verschiedenen Planungsvarianten nicht ganz so stark auswirken. Schwierig blieb in diesem Zusammenhang die Bewertung der Windverhältnisse. Mit Verschiebung des Zeitpunktes werden sich definitiv weniger Strahlungsenergien und somit auch weniger Potentiale zur Steuerung von Behaglichkeitstemperaturen er-geben. In diesem Zusammenhang erscheint die Fokussierung auf den Schutz vor zu starken Windeinflüssen als primäre Störungsgröße hilfreich. Mit fallenden Tempera-turen zum Herbst sind planerisch nur bedingt Verbesserungen der Behaglichkeit nach ähnlichen Maßstäben wie im Sommer zu erreichen. Jedoch können analog zum Som-mer und der Verhinderung zu starker Überwärmungen auch in den Übergangsjahres-zeiten übermäßige Auskühlungen durch Planungsmaßnahmen vermieden werden. Im Vergleich der Jahreszeiten können sich aber unterschiedliche Planungsstrategien ge-genseitig behindern. Im Sommer sind Beeinträchtigungen in Form zu starker Wärme-entwicklungen zu erwarten. Im Frühjahr und Herbst sind Schutz vor Windeinflüssen und Steigerungen von Strahlungsabsorptionen zur Verbesserung der Temperaturent-

8.48.4.1

Ergebnisse der Untersuchungen - Diskussion und Ausblick

-186-

wicklungen planerisch sinnvoll. In diesem Fall sind der primäre Zeitpunkt der Nutzung und das primäre thermische Defizit abzuwägen. Es stellt sich die Frage, welche Be-einträchtigungen sind wie zu bewerten und wie entsprechend zu handeln? Betreffend Strahlungsabsorptionen und Reflexionen stellen Gehölze mit ihren unterschiedlichen Belaubungszuständen auch unterschiedliche beeinflussende Elemente dar. Des Wei-teren können aktiv veränderbare Elemente (Pergolen, Schutzkonstruktionen etc.) nach physikalischen Einflüssen durch entsprechende Veränderungen auf Zeitveränderun-gen reagieren. Grundsätzlich sind somit Erkenntnisse aus den Simulationen auch auf zeitliche Veränderungen im Jahresrhythmus übertragbar.

AusrichtungMit der unterschiedlichen Ausrichtung einer Freiraumeinheit können zwei primäre physikalische Einflüsse ganz erhebliche Unterschiede bei der PET-Werteentwicklung erzielen: Wind und Strahlung. In diesem Fall waren selbst bei einer homogen gewähl-ten Freiraumeinheit von Länge zu Breite relativ große Unterschiede festzustellen. Mit steigenden Unverhältnismäßigkeiten von Länge und Breite können diese Unterschiede noch stärker zunehmen (Straßen, heterogenere Räume usw.). In diesem Zusammen-hang wären weitere Unterschiedsbenennungen von verschiedenen Raumeinheiten (Straße, Park usw.) durch ergänzende Simulationen interessant und aufschlussreich gewesen. Hier sei auf Studien zu Strahlungs- und Windverhältnissen bei Varianten der Ausrichtung und Querschnitten der RUROS Erkenntnisse verwiesen (Scudo, Bjer-regaard und weitere, 2004). Mit der Drehung in oder gegen die Windrichtung ergaben sich bei den Simulationen teilweise sehr heterogene Windverhältnisse auf dem Platz. Mit Drehung in die Windrichtung entwickelten sich ansteigende und abschwächende Windgeschwindigkeiten (OW: 0.5 m/s, NS: 0.5 – 5 m/s). Einen ganz entscheidenden Einfluss üben Gebäudedimensionen, Gebäudestellung und Gebäudeformen aus. Mit Gegendrehung zum Wind im Simulationsmodell ergaben sich nahezu kaum Einflüsse durch Windbewegungen (0.5 m/s) und die PET-Verläufe folgten analog den gemittel-ten Strahlungswerteverläufen. Ein weiteres entscheidendes Kriterium sind die energe-tischen Strahlungsumsätze an den vertikalen und horizontalen Flächen je nach Aus-richtungsvariante (im Mittel ergaben sich bei Ost-West-Ausrichtung 10-20 °C höhere PET-Temperaturen, Platzeinheit 200m²). Diese Werteentwicklung ist diesbezüglich ganz entscheidend von den Dimensionsverhältnissen und den damit zusammenhän-genden Öffnungsgrad zum Himmel (Sky-View-Faktor) abhängig. In diesem Fall war eine Öffnung des Platzes nach Süden auch immer mit einer gleichmäßigen Erwär-mung an den Oberflächen im Tagesgang verbunden. Da jede Orts- und Ausrichtungs-situation immer ganz erheblich von den Gebäude- und Dimensionskonstellationen abhängig ist, können nur grundsätzliche Aussagen zum Zusammenhang von Ausrich-tung und Auswirkung gemacht werden. Die Situation ist in jedem Fall wieder einzeln zu bewerten. Mit Öffnung zur Südseite sind bei ausreichenden Dimensionsverhält-nissen gleichmäßigere Temperaturentwicklungen zu erwarten, und bei Öffnung zur Hauptwindrichtung sind stärkere Turbulenzen und Varianten der Windentwicklung für die jeweilige Raumeinheit zu vermuten. Eine zusätzliche Simulationsvariante mit weiteren Dimensionsverhältnissen und Ausrichtungsvarianten hätte ggf. ausgedehn-tere Generalisierungen möglich gemacht.

8.4.2

-187-

TopografieDer Einflussfaktor Topografie ist in den vorangegangenen Simulationen nicht näher untersucht worden (Das Programm ENVI-met kann derzeit topografische Gegebenhei-ten noch nicht mit in die numerische Berechnung einbeziehen. Bei allen Simulationen wurde eine ebene Fläche angenommen.) Die Geländegestaltung und die Topografie können sowohl tagsüber als auch nachts aber einen unterschiedlichen Einfluss auf das Mikroklima haben. Das bedeutet Hangneigung oder Himmelsrichtung haben nach Tages- und Jahreszeit unterschiedliche Auswirkungen auf die örtlichen Mikroklimate. Zum einen durch Windbewegungen, die den Regeln der Luftverschiebungen durch kalte oder warme Luft folgen. Zum anderen können sich durch Neigungen bessere oder schlechtere Winkel zur Sonne ergeben. Das bedeutet stärkere oder schwäche-re Bestrahlungsintensitäten beziehungsweise veränderte Zeiträume der Einstrahlun-gen. Untersuchungen zu Luftbewegungen ergeben aber im Rahmen kleinräumlicher Vergleiche von Behaglichkeitstemperaturen durch veränderte Planungshandlungen wenig Sinn. In diesem Fall sind örtliche Besonderheiten (beispielsweise Kaltluftbewe-gungen, Hang- oder Tallage, etc.) immer einzeln zu bewerten. Verschiedene Winkel zu Sonne und Umsätze an den Oberflächen im Vergleich wäre dagegen eine passende Ergänzung zu den Untersuchungen gewesen. Man hätte sich die Frage stellen kön-nen, wie man durch Ausrichtung der Oberflächen an unterschiedlichen geografischen Standpunkten ähnliche Temperaturentwicklungen nur durch erhöhte oder verhinder-te Strahlungsabsorptionen und Umwandlung in Wärme hätte erreichen können. Im Rahmen der Fragestellung wurden diese Fragen zu den sekundäre Forschungszielen der Dissertation gezählt. In der Landwirtschaft im Weinbau führen gezielte Ausrich-tungen und Winkelstellungen von Einfasungsmauern im Zusammenhang gegebener Topografie eindeutig zu verbesserten thermischen Bedingungen der Kleinklimate. Für städtische Raumeinheiten fehlt dagegen im Rahmen der oben aufgeführten Frage-stellung ein realistischer Bezug.

DimensionenDie Simulationsergebnisse liefern einen Vergleich der gewählten Raumeinheit mit einer doppelt so großen Einheit bei identischen äußeren Rahmenbedingungen. Deutlich wer-den durch diesen Vergleich verändert wirkende Strahlungs- und Windbedingungen und damit zusammenhängende verändernde PET-Temperaturentwicklungen (bis zu 15 °C geringere PET-Temperaturen bei doppelter Platzgröße). Das heißt grundsätzlich konnte ein Beweis für den Zusammenhang von Dimensionsveränderungen und PET Tempera-turen erbracht werden. Jedoch sind reale Bedingungen oft viel heterogener und viel-schichtiger um aus einem Vergleich weitere Regeln und Gesetzmäßigkeiten ableiten zu können. In diesem Fall sind auf die zahlreichen Untersuchungen aus der Stadtklimato-logie zu verschiedenen Straßen oder Platzquerschnitten und Strahlungsveränderungen zu verweisen. Zudem können heterogene Gebäudestrukturen zu vollkommen veränder-ten Windeinflüssen führen. Das bedeutet immer die Bewertung einer Einzelsituation. Jedoch können einfache Vergleiche wie die vorliegenden Ergebnisse Querbezüge und auch generalisierte Aussagen zur PET-Temperaturentwicklung bei Veränderung der Di-mensionsgrößen zulassen. Mit steigendem Platzflächenanteil ergibt sich zum einen eine größere Fläche mit weniger Schatteneinfluss und zum anderen mit Vergrößerung der Flächeneinheit auch eine stärkere Angriffsfläche für Windbewegungen im städtischen Raum. Das führt -nur bei geeigneten Schutzmaßnahmen- zu höheren PET-Tempera-turen. Grundsätzlich fallen die PET-Temperaturen mit steigenden Windbewegungen. Bei Verringerung der Dimensionen können Windbewegungen zurückgehen, gleichzeitig sinkt aber mit der Verengung des Winkels zum Himmel das Einstrahlungspotential. In diesem Fall ist ebenfalls von geringeren PET-Temperaturen im Mittel auszugehen.

8.4.3

8.4.4


-188-

Materialen und OberflächenEin deutlicher Einfluss hat sich in den Simulationen sowie auch in den späteren Un-tersuchungen durch die Veränderung von Material und Oberfläche ergeben. Die ENVI-met Simulationen zeigen einen Temperaturunterschied von 10°C und mehr. Abhängig ist diese Temperaturentwicklung ganz erheblich vom Einstrahlungspotential und den wirkenden Windbewegungen. Die weiteren Versuche und Messungen einzelner Ma-terialien und deren Temperaturentwicklungen lassen zusätzliche Einflüsse und Be-sonderheiten im städtischen Raum abschätzen. Das setzt aber immer eine flächige Verwendung zu entsprechenden Einfluss voraus. Reale städtische Räume gestalten sich jedoch oft wesentlich heterogener als die gewählte Raumeinheit. Aus diesem Grund sind derart deutliche Unterschiede durch den Einfluss der Oberflächen selten der Fall. Das relativiert die Bedeutung der Materialien und deren Einfluss auf die Be-haglichkeitstemperaturen. Dennoch kann bei Neuplanungen versucht werden, je nach Materialauswahl Einfluss auf die Behaglichkeitstemperatur zu nehmen. Neben den Strahlungsentwicklungen an den Oberflächen bleiben auch in diesem Zusammenhang die Windentwicklungen und deren Einfluss auf die PET-Temperaturen schwierig ein-zuschätzen. Nichtsdestoweniger sind bei eher homogenen und abgegrenzten Raum-einheiten (Platz, Hof, Straße usw.) die Effekte leichter abschätzbar. Gerade im Hinblick auf eine häufige Nutzungsfrequentierungen kommt diesen Räumen eine besondere Bedeutung zu. Effekte hinsichtlich Material, Oberfläche und Windentwicklung sind in homogeneren Räumen besser abzuschätzen. Insofern stellt das gewählte Beispiel auch einen realen Bezug her.

NutzerDer Vergleich drei potentieller Nutzer macht unterschiedliche Empfindungen je nach Alter, Verfassung und Tätigkeit deutlich. Mit steigendem Alter sinkt zum einen die Toleranz gegenüber zu kalten oder zu warmen Bereichen. Zum anderen steigt das Be-dürfnis nach Wärme. Die Berechnungsmethodik im ENVI-met stellt ein Potential für Planungen nach individuellen Nutzerempfindungen heraus. Jedoch wird nur ein Teil aller einflussgebenden Faktoren in diese Berechnungsmethode integriert. Es ergeben sich auf Grund vielschichtiger Wechselbeziehungen zwischen Mensch und Umwelt eine Vielzahl mehr an individuellen Behaglichkeitseinflüssen (vergleiche Einflussfak-toren nach Frank Kapitel 3). In diesem Fall können nur zusätzliche individuelle Be-fragungen und Umfragen (vergleiche Katzschner in RUROS 2004) ein ganzheitliches Bild der individuellen Nutzerempfindungen und Beeinträchtigungen erfassen. Nach VDI ist aber der PET-Index mit seinen Berechnungsparametern als Stand der Technik definiert. Der PET-Wert drückt derzeit am genauesten die individuellen Empfindungen der Nutzer aus. Die Berechnungsmöglichkeit im ENVI-met, veränderte Parameter zu verschiedenen Nutzergruppen zur PET-Bestimmung einzugeben, stellt ein Fortschritt der individuellen Bewertung dar. Anhand dieser Eingabemöglichkeiten lassen sich eindeutig Richtwerte und Unterschiede einzelner Nutzergruppen definieren. Genaue-re ortstypische Gegebenheiten (Farbe, Wohlfühlfaktor etc.) lassen sich dagegen nur über genannte Befragungsmethoden erheben.

VegetationVegetation als Baustein für planerische Handlungen von Landschaftsarchitekten birgt auf Grund ihrer vielschichtigen Einflüsse auf physikalische Vorgänge im Raum ein besonderes Potential zur Steuerung und gezielten Manipulation von Behaglichkeits-werten. Die Ergebnisse aus den Simulationen sowie aus den einzelnen Messungen zei-gen zum einen den Einfluss auf Windbewegungen (Bremsung und Lenkung) und zum anderen durch Schattenwurf und Absorption von Strahlungsenergien einen nach-

8.4.5

8.4.6

8.4.7

-189-

haltigen Einfluss auf die Temperaturentwicklung (im Mittel 5-10°C Verringerung der PET-Temperaturen, bei besonderen Strahlungsverhältnissen hat sich am Messpunkt P04 in Nord-Süd-Ausrichtung eine Differenz von bis zu 30°C PET ergeben). Die un-terschiedlichen Belaubungszustände (von laubabwerfenden Gehölzen) und damit ver-bundenen veränderten Intensitäten des Einflusses konnte im Rahmen der Arbeit nur abgeschätzt werden. In diesem Fall wären weitere Untersuchungen aufschlussreich gewesen. Hinzu kommen mit den zahlreichen Varianten von Höhe, Breite, Form und Dichte der Belaubung vielschichtige Einsatzmöglichkeiten. Prof. Scudo fasst in sei-ner Veröffentlichung „Thermal Comfort in greenspaces“ (2002) wichtige vegetative Parameter hinsichtlich der Einflussmöglichkeiten zusammen. Demnach können re-lativ zielgerichtet je nach örtlichen Gegebenheiten Form und Parameter potentieller Vegetation im Vorfeld nach Einfluss auf Behaglichkeit durchdacht werden. Im Rah-men der Fragestellungen galt es grundsätzliche Unterschiede in numerische Werte fassbar auszudrücken. Diese Unterschiede und Differenzen in den Varianten allein durch zusätzliche Vegetation sind deutlich ablesbar. Bei genaueren Entscheidungen zur Verwendung und zur Pflanzentypologie sind weitere Abstufungen untereinander und in den Varianten denkbar. ENVI-met bietet durch individuelle Blattflächendicht-ebestimmung und weitere Eingaben direkt in der Grundlagendatei auch Änderungen der bereits vorhandenen Pflanzentypologien.

Elemente im FreiraumElemente in kleinskaligen Raumeinheiten können auf Grund ihrer technischen Be-schaffenheiten gewissen thermischen Beeinträchtigungen vorbeugen. Pergolen oder andere Schutzkonstruktionen verhindern zu starke Einstrahlungen oder schützen vor zu starken Windeinflüssen. Das entwickelte Segelobjekt kann durch individuelle Posi-tionsstellungen der Segel dem zeitlichen Wandel der klimatischen Einflüsse Rechnung tragen (Ergebnisse ergaben nur durch Positionsveränderung der Segel eine Verän-derung der PET-Temperatur von bis zu 15°C). Zum anderen hat der BetonCube eine Perspektive zu aktiven Oberflächentemperaturentwicklungen aufgezeigt. In diesem Zusammenhang sind neben den klassischen Elementen weitere technische Möglich-keiten und Potentiale denkbar. Die Oberfläche konnte in einem kurzen Zeitraum um 20°C und mehr reduziert werden. Bei ausreichendem Flächenvolumen (vergleiche Si-mulation, Oberflächentemperaturen und Materialwechsel!) können diese kurzzeitigen Veränderungen der Oberflächentemperatur für ganze Raumeinheiten auch eine un-mittelbare Verbesserung der thermischen Situation erreichen.

AusblickStadtklimatologie und BauphysikFür viele kommunale Flächen werden vermehrt Klimafunktionskarten entwickelt. Kli-mafunktionskarten können als Weiterentwicklung von vorher in der Klimafibel (Land Baden Württemberg im Zusammenarbeit mit der Stadt Stuttgart) definierten Klima-topen betrachtet werden. Die Basis für Klimafunktionskarten stellt die VDI Richtlinie 3787 dar (Verein Deutscher Ingenieure, VDI Richtlinie Blatt 2, Methoden zur human-biometeorologischen Bewertung von Klima und Lufthygiene für die Stadt- und re-gionalplanung, November 2008). Um die Auswirkungen klimatischer Belastungen auf städtische Räume genauer zu beantworten, wird das mesoskalige Stadtklima nach Räumen analysiert und hinsichtlich Überwärmung und Ventilation in Klimafunktions-karten bewertet. In ausgewählten Stadtquartieren Kassels (Das städtische Mikrokli-ma: Anlyse für die Stadt- und Gebäudeplanung, Lutz Katzschner, Anton Maas und

8.4.8

8.5


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Andrea Schneider in Bauphysik 31, 2009) werden Untersuchungen zum thermischen Komfort zum einen mit Umfragen zur Behaglichkeit sowie mit thermischen Zuständen verschiedener Gebäudetypologien verknüpft. Frau Dipl.-Ing Andrea Schneider vom Fachgebiet Bauphysik der Universität Kassel erforscht dabei die Zusammenhänge von Innen- und Aussenklima. An Hand der bauphysikalischen üblichen Bewertungsgrößen von Heizwärmebedarf, Kühlkältebedarf und Übertemperaturgradstunden können so definierte Orte (und der klein-klimatischen Besonderheiten) der Klimafunktionskar-te Kassel in Bezug zu Gebäudetypologien (Mehrfamilienhaus, Einfamilienhaus) und Dämmstandards gesetzt werden.* Die Behaglichkeitswertungen der üblichen Klima-funktionskarten ermöglichen eine Aussage zu den Belastungen im jeweiligen städti-schen Freiraum. Eine Verknüpfung von Freiraum- und Gebäudeklima existiert derzeit noch nicht. Insofern versprechen die Forschungsergebnisse adäquate Antworten auf die Darstellung verschiedener Mikroklimate und ihres Einflusses auf das thermische Gebäudeverhalten. Im zweiten Teil der Forschungstätigkeiten werden durch ENVI-met Simulationen genauere Wechselbeziehungen von Material, Element und Gebäudein-nenklima untersucht. Durch die DIN 4108 (Wärmedämmung im Hochbau) werden en-ergetische Berechnungen nach Standardvorgaben durchgeführt. Vernachlässigt wird dabei aber immer der konkrete Kontext (Gebäudeumfeld) und die lokale Situation. Ziel der Forschung ist eine genauere Aussage zum Gebäudeumfeld und den daraus resultierenden Innenklima. Zusammen mit anderen umfassenden Messungen und Umfragen im Stadtgebiet Kassels sollen alle Ergebnisse in einen anwendungstaugli-cher Leitfaden überführt werden. Die Resultate stehen für eine anwendungsbezogene Zusammenarbeit von Theorie und Praxis sowie für Interdisziplinarität.**

Landschaftsarchitektur Ein gezielter planerischer Umgang mit den Elementen im Freiraum kann der Land-schaftsarchitektur im Hinblick veränderter Umweltbedingungen eine neue Bedeutung als Bindeglied von Umwelt und Mensch zukommen lassen. Die numerischen Ergeb-niswerte aus den Untersuchungen bestätigen im Vergleich der Planungsvarianten die jeweiligen Potentiale und betonen eine „Planbarkeit“ der thermischen Auswirkungen. Die numerische Abstufung im Zusammenhang von Elementen und Planungshand-lungen ist neu. Nur so werden Unterschiede deutlich und können in Bezug zu übli-chen Planungshandlungen von Nutzung, Funktion und Ästhetik gestellt werden. Es bleibt abzuwarten, inwieweit rechtliche Vorgaben in Zukunft auch diese planerischen Fokussierungen auf Ort und Behaglichkeit voraussetzen. Oben genannte Klimafunk-tionskarten stellen bereits eine deutliche Richtungsänderung dar sind aber derzeit noch nicht politisch und rechtlich abgesichert. Mit einer Verschlechterung der Kom-fortbedingungen in städtischen Räumen durch verstärkten gesellschaftlichen Druck und gleichzeitig absehbare veränderte Umweltbedingungen werden sich aber auch rechtliche Vorgaben zunehmend entwickeln. Die Landschaftsarchitektur muss sich in dieser Beziehung zusätzliches Wissen zum Umgang mit physikalischen Einflüssen aneignen. Das betrifft insbesondere auch die Ausbildung an den Hochschulen. Die Wirkungskette Planung und Auswirkung wird derzeit nur sehr einseitig mit Nutzung, Gestalt und Funktion verknüpft. Die Nutzung eines Freiraumes ist nicht nur von Ge-stalt- und Funktionsvorgaben abhängig. Vielmehr ist die Nutzung auch ganz erheb-lich von der Qualität des Raumes (Behaglichkeit) abhängig. Übliche Überlegungen von Sonnen-, Schatten- oder Windeinflüssen führen in der Landschaftsarchitektur oft zu sehr subjektiv beurteilten Planungshandlungen. Die Instrumente und Erkenntnisse der Stadtklimatologie liefern dagegen sehr genaue Anleitungen zum Umgang. Neben einem grundsätzlichen Synergieeffekt von Wissen könnten auch die Instrumente der Stadtklimatologie von der Landschaftsarchitektur genutzt werden.* ENVI-met stellt ein sehr brauchbares und verständliches Werkzeug dar. Nach ersten Vorplanungen

* Als Klimadatensätze dienen Wetter-daten vom Deutschen Wetterdienst im Form von testreferenzjahren (TRY) als auch Datensätze vom ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik Kas-sel) und dem Klimahaus des Fachbereich 06 der Universität Kassel. Wetterdaten vom Deutschen Wetterdienst in Form von Testrefernzdaten beschreiben in der Regel nicht das am Gebäudestandort vorherrschende Kleinklima. Mit einer Verknüpfung jedoch mit den lokalen Datensätzen lassen sich konkrete Be-nennungen zu den Angaben aus der Klimafunktionskarte und den gebäude-typologien mit Ihren Dämmstandards machen.

** Ein weiteren wichtigen Ansatz lie-fert das Forschungsprojekt „KLIMZUG“ (BMBF gefördertes nationales For-schungsprojekt). Aufgeteilt in verschie-dene Forschungsfelder (zum Beispiel KLIMZUG Nordhessen) erforschen die interdisziplinären Teams innovative Ansätze zur Anpassung an den Klima-wandel.

* Software-Anwendungen wie ENVI-met, Ecotect und andere zur genauen lokalen Untersuchung physikalischer Einflüsse auf die Soll-Situation der Planung. Guidelines und Anwendungs-richtlinien zum Umgang mit einzel-nen Einflussfaktoren. Zudem bieten Klimafunktionskarten neue wichtige Grundlagen zur Einordnung der mik-roklimatischen Verhältnisse und seinen Verknüpfungen im Kontext von Bau-strukturen und Freiraumeinheiten.

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Ausblick - Diskussion und Ausblick

könnten Simulationen zeitnah numerische Ergebnisse liefern. Diese numerischen Da-ten lassen sich im weiteren Planungsprozess auch sehr zielgerichtet zur Überzeugung einer Planungsidee einsetzen. Zudem sind Ergebnisfarbkarten sehr einfach lesbar und könnten somit einer breiten Öffentlichkeit verständlich gemacht werden. Ne-ben ENVI-met als Instrument sind zahlreiche Verfahren und Erkenntniswerte in der Stadtklimatologie zu finden. Dieses Wissen gilt es an die Planungsdisziplinen Stadt-planung, Landschaftsarchitektur und Architektur zu vermitteln. Es wäre gerade für die Landschaftsarchitektur hilfreich, bestimmte Planungs- und Raumkonstellationen im Vorfeld durch Zahlen und Fakten zur jeweiligen thermischen Situation auszudrücken. In diesem Zusammenhang könnte auf benannte Klimatope der städtebaulichen Kli-mafibel, auf den Aussagen einzelner Klimafunktionskarten sowie auf eigene benann-te Raumkonstellationen (wie Straße oder Platz) aufgebaut werden. Daneben wären Kennzahlen zu den wichtigsten Elementen und deren Einflüsse (beispielsweise be-stimmter Vegetationsstrukturen) eine zusätzlich Hilfe im Planungsprozess. Schwierig dabei bleibt vermutlich die Generalisierung örtlich klimatischer Besonderheiten. Das würde im Vorfeld eine Einteilung äußere Gegebenheiten voraussetzen (z.B. nach Brei-tengraden und/oder nach besonderen einzelnen physikalischen Einflussfaktoren). Im Weiteren erscheint eine jeweilige lokale Einteilung in freiraumklimatische Zustände (Klimafunktionskarte) und Besonderheiten sinnvoll. Eine Einteilung in einzelne Ele-mente wie Flächen, Bauteile oder Vegetationsstrukturen könnte ebenso hilfreiche Anhaltspunkte zum Planungsumgang liefern. In der Planungsdisziplin Landschaftsar-chitektur sind gemessen an der Wissenschaftsdisziplin Stadtklimatologie oft viel-schichtige und kurzzeitige Entscheidungen im Planungsprozess zu fällen. Generali-sierte Bewertungskataloge zu thermischen Auswirkungen ohne komplexe numerische Rechenschritte wären im Arbeitsprozess von Vorteil.

Besondere IdeenansätzeIn Zukunft müssen gerade in der Landschaftsarchitektur klimatische Gesetzmäßigkei-ten in Planungsprozesse mit eingebunden werden. Das setzt zum einen Standards im analytischen Vorgehen und zum anderen eine grundsätzliche Wissenserweiterung in der Profession voraus. Das bedeutet eine netzwerkorientierte und interdisziplinarische Arbeitsweise zur Lösung der Aufgaben. Neben einem standardisierten Vorgehen sind generalisierte Planungsanweisungen für einzelne mikroklimatische Besonderheiten anzustreben. Daneben können Hilfsmittel wie Softwaretools die Analyse und die Lö-sungsfindung im Zusammenhang mit den gestalterischen, sozialen und funktionalen Zielsetzungen verknüpft werden. Alle aufgezählten Vorschläge haben immer nur ein „Status Quo“ als festgesetzter Ausgangszustand und meistens nur ein festgelegtes Ziel als Sollzustand zum Ziel. Bedingt lässt sich nur flexibel auf Veränderungen des klimatischen Zustandes reagieren. In diesem Zusammenhang sind gerade aus techni-scher und landschaftsarchitektonischer Seite anpassungsfähigere Lösungen denkbar und vorstellbar. Die beiden gebauten und untersuchten Objekte aus Kapitel 7.3 zeigen Perspektiven zur aktiven Anpassung auf. Ebenso entwickelte zum Beispiel Peter Latz auf der Bundesgartenschau 2005 in München einen Nebel- oder Zellengarten. Unter dem Motto „Der Wetterwechsel“ erzielte die Kombination von senkrechten Natur-steinplatten, Schotter, Vegetation und aktiv steuerbaren Nebeldüsen unterschiedliche kleinskalige Stimmungen und Behaglichkeitszustände. Neben technischen Elementen die aktiv auf Veränderungen reagieren können ist es daneben wichtig neue Materi-alien sowie neue Materialkombinationen im Kontext von Strahlungsabsorption, Emis-sion, Reflexion; sowie im Kontext von Speicherung und Verdunstung von Wasser; und zum letzten im Kontext von Rauhigkeit und Struktur (Konvektion) zu betrachten.

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Appendix

APPENDIX I A1 Abkürzungsverzeichnis A2 Literaturverzeichnis A3 Abbildungsverzeichnis A4 Tabellenverzeichnis

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Appendix

A1AbkürzuNgsvErzEIchNIs

A Langwellige Ausstrahlung von der Erdoberfläche

AG Atmosphärische Gegenstrahlung

ABB Abbildung

ASV Actual Sensation Vote (ASV), Thermisches Empfinden der Menschen, definiert im RUROS Projekt (2004

B Bodenwärmestrom

BUGS Benefits of urban Green Space (EU Forschungsprojekt 2005)

c spezifische Wärmekapazität

°C Grad Celsius, Bewertungsskala für Lufttemperatur, gemittelte Strahlungstemperatur, Globe und PET Temperatur

C20/25 Betongüte C20/25 oder C30/35 usw. gemäß DIN 1045

clo Isolationswert der Kleidung

COMFA Bilanzierungsmodell von Brown und Gillespie (1995)

CUBE Block, hier für gebautes Betonobjekt in Form eines Blockes

ENVI-met dreidimensionales Bilanzierungsmodell von Bruse (www.envi-met.com/)

FB 06 Fachbereich 06, Architektur Stadtplanung Landschaftsplanung, Universität Kassel

G Globalstrahlung

(G) gewählter Standort (G) für Göteborg / Schweden

GT Gefühlte Temperatur

H Fluss fühlbarer Wärme

h Zeiteinheit, Stunde = h

hPa Dampfdruckeinheit

j Jahr(e), Altersangabe

kg Kilogramm, Gewichtseinheit

K Kelvin, 273 Kelvin entsprechen 0° Celsius

K Wärmedurchgangskoeffizient

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(K) gewählter Standort (K) für Kassel, Hessen

KLIMES Forschungsprojekt aus dem Bereich Stadtklima

KLIMZUG Forschungsprojekt aus dem Bereich Stadtklima (BMBF)

LAD Blattflächendichte

M Metabolische Rate (Gesamtenergieumsatz)

m Meter, Maßeinheit

m/s Meter pro Sekunde, Windgeschwindigkeitseinheit

MEMI Münchner Energiebilanz-Modell für Indivisuen

NS Nord-Süd, gewählte Ausrichtung

OW Ost-West, gewählte Ausrichtung

P Punkt, Messpunkt, P1 = Messpunkt 1

PET Physical equivalent temperature, bioklimatischer Temperaturindex

PMV Predict Mean Vote, bioklimatischer Temperaturindex

PVC Polyvinylchlorid (Kunststoff), fälschlicherweise für verschiedene Kunststoffe

Q* Strahlungsbilanz

Qh turbulenter Fluss fühlbarer Wärme

Qnet Summe aller Energieeinträge an einer Oberfläche

Ql Fluss latenter Wärme durch Wasserdampfdiffusion

Qsw turbulenter Fluss latenter Wärme durch die Verdunstung von Schweiß

Qre Wärmetransport über die Atmung

RUROS Rediscovering the Urban Realm and Open Spaces (EU Forschungsprojekt 2004)

SS Sommersemester (Abkürzung in der Lehre)

S1/S3 Messstation 01 und Messstation 03

SVF Sky-View-Faktor, Bewertungsindex zum Öffnungsgrad

Tmrt gemittelte Strahlungstemperatur in °C (mean radiant temperature)

TAB Tabelle

Tair Lufttemperatur in °C

-197-

Appendix

Tglobe Globe-Temperatur in °C

V1-V4 Abkürzung für gewählte Varianten 1 -4

V Strom latenter Wärme

VDI Verband deutscher Ingenieure

Vwind Windbewegung in m/s

W Watt (mechanische Leistung)

W/m² Watt pro m²

WS Wintersemester (Abkürzung in der Lehre)

XL steht bei der Versuchsreihe für Platzeinheit mit verdoppelter Größe

ZUB Zentrum für umweltbewusstes Bauen, Kassel

λ Wärmeleitfähigkeit

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Wollensak, MartinVorlesungsskript – Bauphysik, Prof. Martin Wollensak, Entwerfen, Baukonstruktion & Baustofftechnik, Hochschule Wismar, Wismar 2004 Yoklic, M.r., N.v. chalfoun, T.L. Thompson, D. MacLeod and b. MyersPlanning for Visitor Comfort, Outdoors, at the United States Pavilion, EXPO ‘92, Archi-tecture and Urban Space, Seville, Spain , 1991.

zmarsly/kuttler/PetheMeteorologisch-klimatologisches Grundwissen, 2 Auflage, 2002, Ulmer Verlag

WEbsITEs

bugs - www.vito.be/bugs/ EU –Projekt, Benefits of urban green spaces, Internationales Forschungsprojekt über die positiven Auswirkungen von städtischem Grün

bOTworld – www.botworld.info Entwicklung eines Multi-Agenten-Systems zur Bewertung der Umweltqualität in Städ-ten, Michael Bruse, Universität Mainz

Envi-met – www.eni-met.com Numerisches Rechenmodell für drei-dimensionale mikroklimatische Räume, Michael Bruse, Universität Bochum / Universität Mainz

kLIMEs - www.klimes-bmbf.de/BMBF Projekt, Planerische Strategien und städtebauliche Konzepte zur Reduzierung der Auswirkungen von klimatischen Extremen auf Wohlbefinden und Gesundheit von Menschen in Städten» (KLIMES), Universität Freiburg

cLEAr - www.learn.londonmet.ac.uk/packages/clear/index.html EU-project, Comfortable Low Energy ARchitecture, web-based teaching package on comfort and low energy building design (CLEAR) for Europe and India, University of Athens, School of Planning and Architecture (Delhi), TVB School of Habitat Studies (Delhi), based on Mulcom and DayMedia part-funded by EC AsiaIT programme

rurOs – www.alpha.cres.gr/ruros/ EU-Projekt, Rediscovering the Urban Realm and Open Spaces (RUROS), Designing open spaces in the urban environment: a bioclimatic approach Design guidline, Marialena Nikolopoulou, Greece

-212-

synthLight - www.learn.londonmet.ac.uk/packages/synthlight/index.html SynthLight is about the creation of a European Educational Infrastructure on the en-ergy efficient lighting technologies, assisted by 3D synthetic environment, London

TArEb - www.learn.londonmet.ac.uk/packages/tareb/en/index.html EU-project, multi-media teaching aids for European Masters Courses and running academies on the use of solar energy, James Fergus Nicol,

kLIMzug - www.klimzug.deKlimawandel in Regionen, BMBF Forschungsprojekt, Regionen bei der Anpassung an den Klimawandel, Deutschland, 2009

kLIMAFIbEL -www.staedtebauliche-klimafibel.deStädtebauliche Klimafibel Land Baden Württemberg, in Zusammenarbeit mit dem Amt für Umweltschutz Stuttgart, 2007

LÄrMFIbEL - www.staedtebauliche-laermfibel.de Städtebauliche Lärmfibel Land Baden Württemberg, in Zusammenarbeit mit dem Amt für Umweltschutz Stuttgart, 2007

uMWELTATLAs – www.atlas.umwelt.hessen.de/atlas/Übersichtskarten mit erläuternden Texten zur Umweltsituation in Hessen, Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, 2006

Deutscher Wetterdienst – www.dwd.de

Windatlas Europa – www.windatlas.dk

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Appendix

AbbILDuNgsvErzEIchNIs

kapitel 3.0ABB 3.01 Strahlungshaushalt der Erde (nach verschiedenen Quellen, u.a. Häckel 2005, NASA 2007)ABB 3.02 Stadtklima - klimatischer Vergleich Stadt und Umland, Hendrik M. Laue, 2009ABB 3.03 Kartenausschnitt, Halbinsel Amager, Ørestad, Kopenhagen, 2007, GoogleEarthProABB 3.04 Wohngebäude, Amager / Ørestad, Kopenhagen, Hendrik M. Laue, 2007ABB 3.05 Grünfläche, München BUGA Gelände, Hendrik M. Laue, Sommer 2006ABB 3.06 Dänischer Runfunk, Kopenhagen, Hendrik M. Laue, 2007ABB 3.07 Windprofile über unterschiedlichen Oberflächen – nach Bjerregaard 1981, Kofoed 2004)ABB 3.08 Lufttemperaturen in 2m Höhe, 11.09.1985, Camp-Lintfort über verschiedenen Gebieten – aus Hobert 2001:52ABB 3.09 Radhuspladsen Kopenhagen, Hendrik M. Laue, im Januar 2008ABB 3.10 Kongens Have, Kopenhagen, Hendrik M. Laue, 2007ABB 3.11 typischer Straßenquerschnitt Kopenhagen, Rolighedsvej, Hendrik M. Laue, im Januar 2008,15 UhrABB 3.12 Nørrebrogade, Kopenhagen, Hendrik M. Laue, 2007ABB 3.13 Tagestemperaturgang im Mai in einem Sandboden nach Geiger, verändert, 1992:S33ABB 3.14 Temperaturunterschiede in verschiedenen Böden, aus Geiger, verän- dert, 1942:133ABB 3.15 Bodenbearbeitung in der Landwirtschaft, Osnabrück, Hendrik M. Laue, 2007–Veränderung der Albedo und Verbesserung des LufthaushaltesABB 3.16 Albedowerte verschiedener Materialien, zusammengestellt aus verschiedenen Quellen, u.a. Matzarakis (2001), Brown/Gillespie (1995), Häckel (2005) und Oke (2007) ABB 3.17 b-Werte unterschiedlicher Feststoffe, zusammengestellt nach verschiedenen Quellen, u.a. Geiger (1961)ABB 3.18 Strahlungsumsätze im Verhältnis zur Flächenexposition, sinngemäß nach Brown/Gillespie in „Microclimatic Landscape Design“, 1995ABB 3.19 Konstruierte Schattenlinien im Bezug zu Hindernissen von 5, 10, 15 und 20m, für Sonnenstandsmaximum am 21.06. und zum Herbst (23.09.) und Frühling (20.03.) am Standort Göteborg, 57°N, 11°OABB 3.20 Konstruierte Schattenlinien im Bezug zu Hindernissen von 5, 10, 15 und 20m, für Sonnenstandsmaximum am 21.06. und zum Herbst (23.09.) und Frühling (20.03.) am Standort Hamburg, 53°N, 9°OABB 3.21 Konstruierte Schattenlinien im Bezug zu Hindernissen von 5, 10, 15 und 20m, für Sonnenstandsmaximum am 21.06. und zum Herbst (23.09.) und Frühling (20.03.) am Standort Kassel, 51°N, 9°OABB 3.22 Konstruierte Schattenlinien im Bezug zu Hindernissen von 5, 10, 15 und 20m, für Sonnenstandsmaximum am 21.06. und zum Herbst (23.09.) und Frühling (20.03.) am Standort Mailand 45°N,9°OABB 3.23 Screenshot aus GoogleEarthPro – Ort: Kopenhagen RadhuspladsenABB 3.24 Screenshot aus SketchUpPro: Kopenhagen Radhuspladsen, integrier- tes Kartenwerk aus GoogleEarthPro, nachgebaute Gebäudeumgebung, Sonnenstand für den 08.11. um 13.30UhrABB 3.25 Screenshot aus SketchUpPro: Kopenhagen Radhuspladsen, Sonnenstands simulation für den 08.11. um 13.30 Uhr, Voreingestellte geografische LageABB 3.26 Hang- und Talwinde im Tagesverlauf, verändert, Geiger, 1961:428

A3

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ABB 3.27 Verschiedene Umsatzgrößen nach Exposition, Tages- und Jahreszeit in cal/cm², verändert, Geiger, 1961:392)ABB 3.28 Windschutzprinzip, verändert, nach Design Principles for Farm For- estry, Rural Industries Research and Development Corporation (RIRDC), 1997, Online-Ressource,www.dpie.gov.au/ridcABB 3.29 Klimamichel: Der Wärmeaustausch des Menschen mit seiner Umgebung, sinngemäß nach VDI 3787, Blatt 10ABB 3.30 Einfluß von Kälte und Umgebungstemperatur, verändert, aus Bruder 2006:14ABB 3.31 Kern – und Schalentemperatur des menschlichen Körpers in kalter (20°C) und in warmer Umgebung (35°C)., sinngemäß nach Bruder 2006:6ABB 3.32 Einflussgrößen, sinngemäß nach Frank 1975ABB 3.33 Mittlere Oberflächentemperaturen und Raumlufttemperatur sinnge- mäß nach Frank, aus Mayer, 2007:13ABB 3.34 Raumlufttemperatur und Luftgeschwindigkeit in Körpernähe, sinnge- mäß nach Rietschel-Raiß, aus Mayer, 2007:13ABB 3.35 Behaglichkeit in Abhängigkeit von Feuchte in Innenräumen sinnge- mäß nach Leusden u. Freymark, aus Mayer 2007:11ABB 3.36 Komfortdiagram für verschiedene Bekleidungssituationen in Abhän- gigkeit von Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit nach der Fan- ger-Gleichung, verändert, aus Bjerregaard (1981:13)ABB 3.37 Umsatzgrößen des Gesamtorganismus nach Fisslthaler 2007:5

kapitel 4.0ABB 4.38 Prozentualer Anteil der Personen im Komfortbereich in Abhängigkeit verschiedener ASV-Werte zu unterschiedlichen Jahreszeiten in verschiedenen europäischen Städten, verändert, aus RUROS, 2004:6ABB 4.39 Zu erwartende Tmrt Werte in Bezug zum Ort, zur Tageszeit, Breiten- -und Höhensituationen, Ausrichtung des Freiraumes, verändert, aus RUROS 2004:13ABB 4.40 Rastereingaben, Belegung von Eigenschaften im ENVI-met Editor, Screenshot ENVI-met 3.1ABB 4.41 dat Datei als Grundlage der Berechnungen, hier: Böden und Eigen- schaften, Es können auch neue Abfolgen in die Datei mit eingepflegt werden, Rastereingaben, Screenshot ENVI-met 3.1ABB 4.42 Screenshot einer CONFIG DateiABB 4.43 Screenshot aus dem Teil- Programm „Leonardo“, Screenshot ENVI-met 3.1

kapitel 5.0ABB 5.44 Schaubild: Zusammenhänge der Disziplinen „Stadtklimatologie“ und „Landschaftsarchitektur“ unter dem Aspekt der Behaglichkeit in kleinskaligen städtischen Raumeinheiten

kapitel 6.0ABB 6.45 Übersicht der Varianten in Ost-West und Nord-Süd RichtungABB 6.46 Übersicht der Varianten: Standort KasselABB 6.47 Größen und Maße: hier OW- Varianten, Standort KasselABB 6.48 Messpunkte auf dem Platz / Bei den Varianten ohne Vegetation ent- fällt der Messpunkt 05ABB 6.49 Übersicht der Varianten: Standorte Kassel und GöteborgABB 6.50 Größen und Maße: hier OW- Varianten, Standorte Kassel und GöteborgABB 6.51 Windverhältnisse, Variante NS_V3, 12 Uhr, 01.05.08, 2m HöheABB 6.52 Windverhältnisse, Variante OW_V3, 12 Uhr, 01.05.08, 2m HöheABB 6.53 gemittelte Strahlungstemperaturen (Tmrt), Variante NS_V1, 12 Uhr,

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Appendix

2m Höhe, 01.05.2008ABB 6.54 gemittelte Strahlungstemperaturen (Tmrt), Variante OW_V1, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.2008ABB 6.55 gemittelte Strahlungstemperaturen (Tmrt in °C), Vergleich der V1 Varianten in Ost-West und Nord-Süd Richtung, 4 Messpunkte, 7-13 Uhr, 2m Höhe, 01.05.2008ABB 58 ABB 6.56 PET Temperaturen (°C), Vergleich der V1 Varianten in Ost-West und Nord-Süd Richtung, 4 Messpunkte, 7-13 Uhr, 2m Höhe, 01.05.2008ABB 6.57 PET Temperaturen (°C) Variante V1 in Ost-West Richtung, 2m Höhe, 01.05.2008: 15 jährig, männlich, metabolischer Umsatz 150WABB 6.58 PET Temperaturen (°C) Variante V1 in Ost-West Richtung, 2m Höhe, 01.05.2008: 35 jährig, männlich, metabolischer Umsatz 80 WABB 6.59 PET Temperaturen (°C) Variante V1 in Ost-West Richtung, 2m Höhe, 01.05.2008: 70 jährig, männlich, metabolischer Umsatz 80WABB 6.60 PET Temperaturen (°C) Variante V3 in Ost-West Richtung, 2m Höhe, 01.05.2008: 15 jährig, männlich, metabolischer Umsatz 150WABB 6.61 PET Temperaturen (°C) Variante V3 in Ost-West Richtung, 2m Höhe, 01.05.2008: 35 jährig, männlich, metabolischer Umsatz 80 WABB 6.62 PET Temperaturen (°C) Variante V3 in Ost-West Richtung, 2m Höhe, 01.05.2008: 70 jährig, männlich, metabolischer Umsatz 80WABB 6.63 Gemittelte Strahlungstemperatur (Tmrt) V1 und V2 an vier Messpunk -ten in Nord-Süd Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.64 Gemittelte Strahlungstemperatur (Tmrt) V1 und V2 an vier Mess- punkten in Ost-West Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.65 Vergleich der gemittelte Strahlungstemperaturen (Tmrt), V1 und V2 Variante an vier Messpunkten in Ost-West und Nord-Süd Ausrich- tung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08ABB 6.66 PET Temperaturen auf dem Platz (in °C) Variante V1 in Nord-Süd Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.67 PET Temperaturen (in °C) Variante V1 Ost-West Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.68 PET Temperaturverläufe (in °C) Variante V1 und V2 an vier Mess- spunkten in Nord-Süd Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.69 PET Temperaturverläufe (in °C) Variante V1 und V2 an vier Mess- punkten in Ost-West Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.70 PET Temperaturverläufe (in °C) Variante V1 und V2 an vier Mess- punkten in Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.71 Tmrt Werte Variante V1 in Ost-West Ausrichtung, 2 m Höhe, 01.05.2008, 12 UhrABB 6.72 Tmrt Werte Variante V3 in Ost-West Ausrichtung, 2 m Höhe, 01.05.2008, 12 UhrABB 6.73 Tmrt Werte, Verlauf von 7-13 Uhr, Variante V1 und V3 in Ost-West Ausrichtung, 4 Messpunkte, 2 m Höhe, 01.05.2008ABB 6.74 Tmrt Werte aller Varianten in Nord-Süd Ausrichtung (in °C), 7-13 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.75 Tmrt Werte aller Varianten in Ost-West Ausrichtung (in °C), 7-13 Uhr,2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.76 PET Temperaturen auf dem Platz (in °C) Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08 ABB 6.77 PET Temperaturen auf dem Platz (in °C) Variante V3, Ost-West Ausrichtung, 12 Uhr, 2m Höhe, 01.05.08ABB 6.78 Windverhältnisse für Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 10-13 Uhr, 01.05.2008

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ABB 6.79 Verlauf der Tmrt Temperaturen (°C) bei Variante V1, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, Messpunkte 01 bis 04, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.80 Verlauf der PET Temperaturen (°C) bei Variante V1, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, Messpunkte 01 bis 04, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.81 gemittelte PET Temperaturen unterschiedlicher männlicher Nutzer in °C, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.82 gemittelte Tmrt Werte (°C), Variante V1 und V2, Ost-West und Nord- -Süd Ausrichtung, 9-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.83 gemittelte PET Werte (°C), Variante V1 und V2, Ost-West und Nord- Süd Ausrichtung, 9-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.84 gemittelte Tmrt Werte (°C), Variante V1 und V3, Ost-West und Nord- Süd Ausrichtung, 9-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.85 gemittelte PET Werte (°C), Variante V1 und V3, Ost-West und Nord- Süd Ausrichtung, 9-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.86 PET Verläufe (°C), Variante V1 -V4, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P03, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.87 Tmrt Verläufe (°C), Variante V1 im Vergleich mit doppelter Platz- größe Variante V1 XL, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.88 PET Verläufe (°C), Variante V1 im Vergleich mit doppelter Platz- größe Variante V1 XL, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.89 Tmrt Verläufe (°C), Variante V3 im Vergleich mit doppelter Platz- größe Variante V3 XL, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.90 PET Verläufe (°C), Variante V3 im Vergleich mit doppelter Platz- größe Variante V3 XL, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.91 Tmrt Verläufe (°C), Variante V1 im Vergleich mit doppelter Platz- größe Variante V1 XL, Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.92 PET Verläufe (°C), Variante V1 im Vergleich mit doppelter Platz- größe Variante V1 XL, Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P01-P04, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.93 PET Verläufe (°C), Variante V1 und V3 im Vergleich mit doppelter Platzgröße Variante V1 XL, Nord-Süd Ausrichtung Messpunkt P03, 7-13 Uhr, 01.05.2008ABB 6.94 Windbewegungen auf dem Platz am Standort Göteborg, Variante V1, Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 12 Uhr, 01.06.2008ABB 6.95 Windbewegungen auf dem Platz am Standort Göteborg, Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 12 Uhr, 01.06.2008ABB 6.96 Tmrt Werte auf dem Platz am Standort Göteborg, Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008ABB 6.97 Tmrt Werte auf dem Platz am Standort Kassel, Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008ABB 6.98 PET Verläufe für beide Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1, Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21 Uhr, 01.06.2008ABB 6.99 PET Verläufe für beide Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21 Uhr, 01.06.2008ABB 6.100 Messpunkt P03, PET Verläufe für beide Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21Uhr, 01.06.2008ABB 6.101 Tmrt Werte auf dem Platz am Standort Göteborg, Variante V3,

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Appendix

Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008ABB 6.102 Tmrt Werte auf dem Platz am Standort Kassel, Variante V3, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 14 Uhr, 01.06.2008ABB 6.103 PET Werte im Vergleich der Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V3, Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21 Uhr, 01.06.2008ABB 6.104 PET Werte im Vergleich der Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V3, Ost-West Ausrichtung, 2m Höhe, 6-21 Uhr, 01.06.2008ABB 6.105 PET Werte Messpunkt P03, im Vergleich der Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1 und V3, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 7-21 Uhr, 01.06.2008ABB 6.106 gemittelte PET Werte Messpunkt P03, 11-14 Uhr, im Vergleich der Standorte Kassel (K) und Göteborg (G), Variante V1 und V3, Ost-West und Nord-Süd Ausrichtung, 2m Höhe, 01.06.2008

kapitel 7.0ABB 7.107 Übersicht Freiräume am ZUB (Zentrum für umweltbewusstes Bauen), Gottschalkstraße 26, Universität Kassel, thermografierte Bereiche und Kennzeichnung der OberflächenmaterialienABB 7.108 Objekte und Oberflächen, Übersicht Freiräume am ZUB (Zentrum für umweltbewusstes Bauen), Gottschalkstraße 26, Universität KasselABB 7.109 Segelobjekt, verstellbare Segel zur Steuerung von Strahlungs- und Windeinflüssen, Gottschalkstraße 26, Universität KasselABB 7.110 BetonCube, Betonblock mit innenliegender Wasserkühlung, Gottschalkstraße 26, Universität KasselABB 7.111 Übersicht der Bauprojekte am Standort Gottschalkstrasse, Universität KasselABB 7.112 Außenklassenraum, 20 Sitzblöcke mit 20 verschiedenen Oberflä- chenmaterialienABB 7.113 Oberflächen der Sitzflächen, AußenklassenraumABB 7.114 BetonCube mit integrierter Wasserkühlung der OberflächeABB 7.115 Technischer Schnitt durch den BetonCube mit zwei Betonmixturen u. integrierter Wasserkühlung innerhalb der Drainbeton -UmmantelungABB 7.116 Betonstreifen in unterschiedlichen Mischungsvarianten mit Lava- und BimsgesteinABB 7.117 Sitzmauer in unterschiedlichen Mischungsvarianten mit Lava- und BasaltgesteinABB 7.118 Segelobjekt mit verstellbaren Segeln zur Manipulation von Strahlungs- und WindeinflüssenABB 7.119 Übersicht Sitzmauern, Moritzstraße, Mensaumfeld, Universität KasselABB 7.120 Sitzmauern, Moritzstraße, Mensaumfeld, Universität KasselABB 7.121 Bereich 01: Freiraumklassenzimmer, Sitzblöcke mit verschiedenen OberflächenABB 7.122 Bereich 02: Blick auf die Schotterrasenflächen /Betonmauer, Sitzhocker: Lava-Beton, Bims-BetonABB 7.123 Bereich t 03: Flächen am Klimahaus: Rasenfläche, Schotterrasen- fläche, SchotterflächeABB 7.124 Bereich 04: Klimastation: Klinkerfassade, Putzfassade, Dämmplatten, Bitumendach, Betonoberfläche angrenzend an den GebäudesockelABB 7.125 Ausschnitt 05: Flächen am Klimahaus: Rasenfläche, Schotterrasenfläche, SchotterflächeABB 7.126 Bereich 06: Klimastation: Klinkerfassade, Putzfassade, Dämmplatten, Bitumendach, Betonoberfläche angrenzend an den Gebäudesockel

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ABB 7.127 Bereich 07: Sonnenseite Mauerobjekt: Betonmauer, Sitzhocker: aus Lava-Beton, Basalt-BetonABB 7.128 Bereich 08: freies Klassenzimmer: 20 Sitzwürfel mit verschiedenen Oberflächen, direkte Besonnung 10-15 UhrABB 7.129 Bereich 10: Seitenhoffläche: Asphalt- und Betonoberflächen, Wild- staudenABB 7.130 Bereich 11: Seitenhoffläche 02: Asphalt- und Natursteinoberfläche (Grauwacke), WildstaudenABB 7.131 Thermografieausschnitte, Bereich 1,24.06.2008 von oben: 6 Uhr / 9 Uhr/ 15 Uhr / 21 UhrABB 7.132 Thermografieausschnitte, Bereich 2, 24.06.2008, von oben: 6 Uhr / 12 Uhr/ 18 Uhr / 21 UhrABB 7.133 Thermografieausschnitte, Bereich 4, 24.06.2008, von oben: 6 Uhr / 12 Uhr/ 18 Uhr / 21 UhrABB 7.134 Thermografieausschnitte, Bereich 5, 24.06.2008, von links: 18 Uhr / 21 UhrABB 7.135 Thermografieausschnitte, Bereich 6 und 7, 24.06.2008, links: Bereich 06: 6 Uhr/ 9 Uhr/ 18 Uhr / 24 Uhr, rechts: Bereich 07: 6 Uhr / 9 Uhr/ 18 Uhr / 24 UhrABB 7.136 Thermografieausschnitte, Bereich 8, 24.06.2008, von links: 9 Uhr, 18 UhrABB 7.137 Thermografieausschnitte, links Bereich 10: 24.06.2008, von oben: 9 Uhr / 15 Uhr / 21 Uhr, rechts Bereich 11: 24.06.2008, von oben: 9 Uhr/ 15 Uhr/ 21 UhrABB 7.138 Thermografischer Ausschnitt einer Beton und Asphaltfläche / Trennfuge mit Gras und Kräutern, 24.06.2008, von oben: 9 Uhr / 15 Uhr / 21 UhrABB 7.139 Thermografischer Ausschnitt einer Schotterrasenfläche, 15 Uhr, 24.06.2008ABB 7.140 Thermografischer Ausschnitt/ seitlicher Weg am Haus, 15 Uhr, 24.06.2008ABB 7.141 Oberflächentemperaturen, Tagesgang 23/24.06.2008, Gottschalk- straße 26, KasselABB 7.142 Oberflächentemperaturen der Sitzbeläge, Tagesgang 23/24.06.2008, Gottschalkstraße 26, KasselABB 7.143 Mauern und Elemente aus Beton / 24.06.2008ABB 7.144 Oberflächentemperaturen der Mauern und mauerartigen Bauteile, Tagesgang 23. und 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, KasselABB 7.145 BetonCube im Herbst 2007, Gottschalkstraße 26, KasselABB 7.146 Wässerungsvorhang am Cube, Hendrik M. LaueABB 7.147 Oberflächentemperaturen, September 2006, Gottschalkstraße, KasselABB 7.148 Oberflächentemperaturen 2, September 2006, Gottschalkstraße, KasselABB 7.149 Oberflächentemperaturen Oberflächen 01, 02, 05 – 19.-20.06.2007, Gottschalkstraße 26, KasselABB 7.150 Lufttemperaturen im Abstand von 5, 20 und 100cm von der Fläche 01, 19-20.06.2007, Gottschalkstraße 26, KasselABB 7.151 Landesgartenschau Leverkusen, Sommer 2005, Hendrik M. LaueABB 7.152 Messungen am Segelobjekt, 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, KasselABB 7.153 Positionsstellungen der Segel bei den Messvorgängen, 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, KasselABB 7.154 Tagesgang an der Vergleichsstation 01, 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, KasselABB 7.155 Windbewegungen, Tagesgang an der Vergleichsstation 01 und an der Station 03 (im Objekt), 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, Kassel

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Appendix

ABB 7.156 gemittelte Strahlungstemperatur, PET-, Globe- und Lufttemperatur, Tagesgang der Station 03 (im Objekt), 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, KasselABB 7.157 PET- Temperaturen, an der Vergleichsstation 01 und der Station 03 (im Objekt), 24.06.2008, Gottschalkstraße 26, Kassel

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Appendix

TAbELLENvErzEIchNIs

TAB 3.01 Übersicht StrahlungsartenTAB 3.02 Emission, Absorption und Reflexion / DefinitionenTAB 3.03 Umrechnungswerte für Windsituationen an den Dachoberflächen, nach Kofoed 2004TAB 3.04 Bewertungsindexe PMV und PET bei gleichem thermischen Empfinden/ gleicher thermophysiologischer Belastungsstufe, Arbeits- umsatz von 80W/ Bekleidungsfaktor 0.9 clo, nach Mayer, 2004:73TAB 3.05 Windbewegungen nach Beaufortskala, nach verschiedenen Quellen: Lawson, T.W. und Pennwarden (1975), Bjerregard (1981)TAB 3.06 Prozentsätze für Windgeschwindigkeit über 5 m/s, Lufttemperatur über 10°C, nach Quelle: Vindmiljö omkring bygninger, Egon Bjerregaard, (1981)TAB 3.07 Bekleidungsfaktoren nach DIN 33 403

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Appendix

APPENDIX II B1 Onlineumfrage Text b2 Onlineumfrage Ergebnisdaten

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Appendix

b1Onlineumfrage Textklima verstehen und gestalten? – Der Faktor „kLIMA“ in aktuellen Planungsprozessen der Landschaftsarchitektur und des städtebauesOnline-umfrage im rahmen des Dissertationsvorhabens „gefühlte Landschaftsarchitektur – Entwicklungspotentiale von mikroklimatischen räumen im Außenbereich“

- http://www.asl.uni-kassel.de/~laue/umfrage/- 790 verschickte E-mails am 30.08.2007

<Einführung / vom Makro- zum Mikroklima> Planung bedeutet Prozesse zu bestimmen und Erkenntnisse auszuwerten. Landschaftsarchitekten und Stadtplaner sind fähig Ergebnisse unterschiedlicher Forschungsdisziplinen interdisziplinär zusammen zu führen. Im Kontext einer drohenden Klimaerwärmung und unabsehbaren Folgen stellt sich die Frage, ob in Planungsprozessen der Faktor „Klima“ zu wenig Beachtung findet.Überflutungskatastrophen, Dürreperioden, das Abschmelzen der Gletscher und ein absehbares Artensterben in Fauna und Flora sind düstere Perspektiven, aufgezeigt und diskutiert auf aktuellen Klimakonferenzen. Die Mehrzahl aller Menschen lebt in städtischen Räumen - den unmittelbar wahrgenommenen Mikroklimaräumen kommt so eine neue und besondere Bedeutung zu. Zahlreiche klimatechnische Verbesserungen optimieren derzeit gefühlte thermische Behaglichkeit in unterschiedlichen Bereichen des menschlichen Lebens. Neben der Förderung des Wohlbefindens geht in der Regel eine damit gesteigerte Leistungsbereitschaft einher. Dagegen geht aber das Bewusstsein für Klimafaktoren und seinen zusammenhängenden komplexen Faktoren zunehmend verloren. Es werden keine Relationen im unmittelbaren Wahrnehmungsfeld aufgezeigt. Die menschlichen Lebensformen verkünstlichen und zunehmend gilt uns optimierte Behaglichkeit im Mikroraum im Ganzen als reales thermisches Konstrukt. Zusammenhänge vom Makro- zum Mikroraum sind wenig erkennbar gestaltet. Optimierte Behaglichkeit fungiert in diesem Gefüge als Verblendung und überlagert reale Dimensionen. Notwendig ist, so scheint es, nicht nur unmittelbar Behaglichkeit zu verbessern, sondern vielmehr einen Wiedergewinn und einen Ausbau an Bewusstsein für Natur- und Klimakreisläufe durch planerische Intentionen zu fördern. In diesem Zusammenhang scheint die Entwicklung nicht nur von Schutzmaßnahmen sondern eben auch von Technologien und Methoden zum Umgang mit einer sich verändernden Umwelt, sowie eine stimulierende Wahrnehmung im Außen- und Innenraum, als eine neue Herausforderung in der Architektur und Landschaftsarchitektur. Wie kann man das Bewusstsein für komplexe Klimazusammenhänge schärfen - wie kann eine planerische Intention in diesem Gedankenrahmen in der Landschaftsarchitektur aussehen? Eine Optimierung der thermischen Behaglichkeit eines Ortes ist nicht - wie oben genannt- die einzige sinnvolle Zielforderung im Sinne einer Planung unter klimatischen Gesichtspunkten. Um ein Bewusstsein für klimatische Zusammenhänge erkennbar zu stimulieren, müssen mehrere Wahrnehmungsebenen angesprochen werden.

Im Rahmen dieses Dissertationsvorhabens ist es uns wichtig ein Meinungs- und Wissenspektrum der Berufskollegen mittels einer Umfrage mit einzubinden. Die Umfrage wird ca. 5 – 10 Minuten Ihrer Zeit in Anspruch nehmen.

Hendrik M. Laue im Mai 2007, Universität Kassel, Fachbereich 06

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I globale klimasystemeDas Klima der Erde war bereits extremen Veränderungen unterworfen. Die zeitlichen Dimensionen bei diesen klimatischen Änderungen sind aus menschlicher Sicht nicht vorstellbar. Die derzeitigen Änderungen im Klimasystem sind geschichtlich betrachtet nicht ganz so ungewöhnlich. Jedoch ist der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre um ein vielfaches höher als der Maximalwert der letzten 400.000 Jahre Erdgeschichte. Eine globale Erwärmung zieht nach dem aktuellen Report des Weltklimarats der Vereinten Nationen ungeahnte katastrophale Auswirkungen mit sich. Schuld ist die erhöhte Emission durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe.

Erscheint Ihnen der aktuelle Diskurs zu globalen Klimaverschiebungen übertrieben?1. übertrieben 1 2 3 4 5 nicht übertrieben

Beschäftigen Sie sich auch privat mit den aufgeworfenen Problemstellungen?2. beschäftige mich viel 1 2 3 4 5 beschäftige mich weniger

Sehen Sie eine Verbindung Ihrer Berufstätigkeit mit der Diskussion zum 3. „Treibhauseffekt“?

sehe eine Verbindung 1 2 3 4 5 sehe keine Verbindung

Wie stark schätzen Sie den Einfluß und die Bedeutung der Planer im Rahmen der 4. Zielsetzungen der Agenda 21?

große Bedeutung 1 2 3 4 5 keine Bedeutung

In städtischen Räumen halten sich die Mehrzahl an Menschen auf – ist für Sie eine 5. Verbindung der Bewusstseinsebene „Mikroklima“ zu den globalen Klimaveränderungen auf Makroebene erkennbar?

erkennbar 1 2 3 4 5 nicht erkennbar

II stadtklimatologieDas Klima in der unbebauten Landschaft ist im Wesentlichen nur von natürlichen Gegebenheiten abhängig, unter dem Einfluss von Bauwerken bildet sich dagegen in Städten ein anderes Klima aus. Auf Grund von Materialität, Variabilität von Sonneneinstrahlung, Art der baulichen Verdichtungen, Art der vegetativen Ausgestaltung und durch Windmodifikationen können mikroklimatische Räume im Stadtumfeld erheblich von regionaltypischen Gegebenheiten abweichen. Es können große Ungleichheiten zwischen eng zusammenhängenden städtischen Räumen nur auf Grund von Strahlungs- und Dichteeigenschaften von verwendeten Materialien entstehen. Die Stadtklimatologie untersucht die verschiedenen klimatischen Einflußgrößen und die Bedeutung für den Nutzer.

Sind die Forschungen aus der Stadtklimatologie Ihnen bekannt?1. bekannt 1 2 3 4 5 nicht bekannt

Sollte Stadtklimatologische Erkenntnisse mehr in den Planungsprozess miteingebunden 2. werden?

mehr Einfluß 1 2 3 4 5 weniger Einfluß

Gibt es einen Bedarf - Mitteleuropäische Städte vermehrt unter klimatischen Bedingungen 3. zu betrachten?

gibt einen Bedarf 1 2 3 4 5 gibt keinen Bedarf

Kann ein Nutzer einen Zusammenhang vom „gefühlten“ Mikroklima zum globalen 4. Makroklima erkennen?

Zusammenhang erkennbar 1 2 3 4 5 nicht erkennbar

Wie wichtig schätzen Sie den Einfluss der „Stadtklimatologie“ im Rahmen der Forderungen 5. der Agenda 21 ein?

wichtig 1 2 3 4 5 nicht wichtig

III biometeorologieDie Biometeorologie untersucht alle direkt auf den Menschen Einfluss gebenden klimatischen Faktoren. Sie berechnet mit Hilfe von Energiebilanzmodellen die zu erbringende Anpassungsleistung an die Bedingungen der Umgebung. Um ein Gleichgewicht der Lebensfunktionen zu erhalten, muss sich der Mensch ständig mit der Umgebung auseinandersetzen. Das Wohlbefinden, die Leistungsfähigkeit und die Gesundheit können davon stark beeinflusst sein. Der Begriff „gefühlte Temperatur“ trifft Aussagen über das Temperaturempfinden unter bestimmten klimatischen Bedingungen. Er beinhaltet neben der gemessenen

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Appendix

Strahlung, die Feuchte oder z.B. die Windintensität. Die Biometeorologie bietet somit der Planung und der Landschaftsarchitektur eine wichtige Grundlagenforschung, die es planerisch zu „nutzen“ und umzusetzen gilt. Architekten und Landschaftsarchitekten können gezielt Bewusstseinsebenen ansprechen und mit neuen Techniken die Parametergrößen der Behaglichkeit manipulieren.

Inwieweit sind Ihnen die Erkenntnisse aus der Biometeorologie bekannt?1. bekannt 1 2 3 4 5 nicht bekannt

Sehen Sie eine Notwendigkeit diese Erkenntnisse in den Planungsprozess von Stadtplanern 2. und Landschaftsarchitekten verstärkt mit einzubinden?

macht Sinn 1 2 3 4 5 macht weniger Sinn

Der Mensch ist seiner unmittelbarer Umgebung direkt ausgesetzt. Zahlreiche klimatische 3. Optimierungen im primären Umgebungsraum der Menschen blenden jedoch die wirklichen Umgebungsverhältnisse aus. Macht es Sinn, im Zusammenhang eines ganzheitlichen Betrachtung und Verantwortung für klimatische Prozesse, durch gezielte planerische Manipulationen im Mikroraum Bewusstseinsebenen beim Nutzer zu stimulieren? Können diese Manipulationen das Verhalten verändern?

Verändern das Verhalten 1 2 3 4 5 Verändern weniger das Verhalten

Erscheint Ihnen der aufgezeigte Zusammenhang von „Biometeorologie“ und Planung im 4. Städtebau und der Landschaftsarchitektur sinnvoll?

sinnvoll 1 2 3 4 5 weniger sinnvoll

Ist eine praktische Verknüpfung von Biometeorologie und Planung planerisch realistisch 5. und durchführbar?

realistisch 1 2 3 4 5 weniger realistisch

Iv EinflußgrößenZahlreiche Einflußgrößen wie Strahlung, Wind, Feuchte oder Vegetation können das Mikroklima eines Ortes teilweise erheblich beeinflussen. Die Beschaffenheit der Oberfläche und des Materials an sich kann neben zusätzlichen Klimafaktoren in unmittelbarer Nachbarschaft starke Temperaturunterschiede hervorrufen. Je nach Materialart, Form und Farbe und die Anordnung der Größen von Feuchte, Reflexionseigenschaft, Wärmeleitung und Wärmestrahlung kann der Energieumsatz der Sonneneinstrahlung an den bestrahlten Oberflächen unterschiedlich sein. Pflanzen können durch Verdunstung oder Verschattung einen Ort stark beeinflussen. Die Luft lässt sich über Verdunstung von Wasser in unseren Breitengraden effektiv kühlen. In anderen Breitengraden kann Wasser im direkten Umfeld die Umgebungstemperatur abpuffern.

Oft werden verwendete Materialien nur hinsichtlich ihrer Kosten oder aus ästhetischen 1. Gründen gegeneinander abgewogen. Beschäftigen Sie sich im Rahmen der Planungsprozesse auch mit den kleinklimatischen Auswirkungen der verwendeten Materialien?

beschäftigt mich 1 2 3 4 5 beschäftigt mich nicht

Wird die Verwendung von Wasser in mikroklimatischen Räumen ausreichend unter 2. kleinklimatischen Aspekten betrachtet?

ausreichend 1 2 3 4 5 weniger ausreichend

Die Einflussgröße „Wind“ ist in mitteleuropäischen Breiten der entscheidende 3. Behaglichkeitsfaktor in mikroklimatischen Räumen. Wird sich in der Planungspraxis mit diesem Faktor auseinandergesetzt?

ja 1 2 3 4 5 weniger

Neben den aufgezeigten physikalischen Bedingungen wie Lufttemperatur, Feuchte oder 4. Wind, sind auch akustische wie auch optische Einflußgrößen entscheidend. Wie viel Bedeutung messen Sie diesen im Zusammenhang einer thermischen Behaglichkeit bei?

viel 1 2 3 4 5 weniger

Können planerische Manipulationen einer gefühlten Behaglichkeit eine Bewußtseinsänderung 5. für globale Klimazusammenhänge hervorrufen?

ja 1 2 3 4 5 nein

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v Thermischer komfortDie Außenräume im unmittelbaren Bewusstseinsumfeld des Menschen müssen hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften und Ihrer Einfluss nehmenden Faktoren untersucht und eingeteilt werden. Mit den Sinnen nimmt der Mensch seine Umwelt wahr und deutet und bewertet sie. Er steht zu jeder Zeit mit seiner Umwelt in Kontakt und nimmt sie bewusst und unbewusst wahr. Der mikroklimatische Raum im direkten Umfeld des Menschen hat als primärer Bewusstseinsraum somit eine elementare Bedeutung.

Sind Klimakarten im Rahmen Ihrer Planungen eine gängige Grundlage?1. ja 1 2 3 4 5 nein

Erscheint Ihnen eine Kartierung der Städte hinsichtlich einer „menschlichen Behaglichkeit“ 2. sinnvoll?

sinnvoll 1 2 3 4 5 weniger sinnvoll

Im Rahmen der Energiepassforderung für Gebäude ist „energieoptimiertes Bauen“ ein 3. gängiges Schlagwort. Arbeiten sie bei Projekten in diesem Zusammenhang mit den Bauphysikern zusammen und stellen Bezüge vom Aussen- zum Innenklima her?

ja 1 2 3 4 5 überhaupt nicht

Im Rahmen einer Planung beschäftigt man sich mit den Nutzern und Ihrem Verhalten 4. auf der Planungsfläche. Wären Komfortkarten (mit Sonnenverlauf, Wärme- u. Windzonen usw.) als Ergebnis aus einem Computerprogramm hilfreich?

könnte ich mir vorstellen 1 2 3 4 5 sehe ich keinen Sinn

In zukünftiger Zeit kann auch in unseren Breitengraden „Hitze“ als negative Komfortgröße 5. (wie in den südlichen Breitengraden) ein Problem darstellen. Ist es wichtiger im Rahmen einer Optimierung der Behaglichkeit im Aussenraum sich mit „Kälte“ (Winter, Herbst) oder mit „Hitze“ zu beschäftigen?

Hitze ist wichtiger 1 2 3 4 5 Kälte ist wichtiger

vI AllgemeinEs werden im Rahmen des Dissertationsvorhabens insgesamt ca. 500 Planungsbüros aus dem Bereich der Landschaftsarchitektur und des Städtebaus befragt. Auf Rückfrage senden wir Ihnen gerne nähere Informationen zu. Die Dissertation wird ca. ab Juni 2009 als gebundenes Exemplar offiziell einsehbar sein. Wir bedanken uns für Ihre Mitarbeit und benötigen zum Schluss 5 einordnende Angaben zu Ihrer Person. Alle Angaben werden selbstverständlich anonym und vertraulich behandelt.

Wie groß ist Ihr Planungsbüro? Wie viel Personen arbeiten in Ihrem Büro?1. unter 5 / unter 10 / unter 20/ unter 50 / über 50

Wie ist der Schwerpunkt der Aufgabenfelder Ihres Planungsbüros?2. Objektplanung / Landschaftsplanung / Städteplanung / anderes

Wie groß ist der Anteil an Projekten in eher wärmeren Regionen Europas (u.w.)? 3. hoher Anteil 1 2 3 4 5 geringer Anteil

Sind Sie an wissenschaftlichen Arbeiten aus dem Themenfeld der Landschaftsarchitektur 4. interessiert?

interessiert 1 2 3 4 5 weniger interessiert

Wie lange haben Sie für die Umfrage gebraucht? 5. 5 min / 10 min / 20 min / über 20 min

VII Anregungen und KritikWir sind offen für jegliche Anregungen und Kritikpunkte im Rahmen des aufgezeigten Themenfeldes.

Vielen DankHendrik Laue / wissenschaftlicher Mitarbeiter Uni Kassel / Fachgebiet Landschaftsarchitektur-Technik

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Appendix

b2ErgebnisseOnlineumfrage vom 30.08.2007 verschickt an 790 Planungsbüros11,3% ausgewertete Antworten

Bürogröße (Mitarbeiter)>5 = 61,4 %>10 = 10,8 %>20 = 7,2 %

ArbeitsbereicheObjektplanung = 52,3 %Landschaftsplanung = 22,7 %Städteplanung = 6,8 %andere = 18,2 %

Büros - RegionenNorddeutschland = 46,2 %Süddeutschland = 42,5 %Neue Bundesländer = 7,5 %Ausland = 3,75 %

-230-

-231-

Appendix

-232-

-233-

Appendix

APPENDIX III c1 verbal argutmentatives bewertungssystem - Beispielbewertungsbogen für thermischen Komfort

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-235-

Appendix

c1

beispiel I

verbal Argumentative bewertung

Ergänzend auf den gewonnene Erkenntnissen aufbauend lassen sich Planungsschritte und Planungskriterien für ein verbal argumentatives Vorgehen in einem Handlungsmodell zusammenfassen. Die Bewertung kann in 9 Einzelschritten passende Aussagen zum planerischen Handeln liefern. Behaglichkeitstemperaturentwicklungen lassen sich so abschätzen und bewerten. Für jeden Bewertungsschritt können genaue analytische Erkenntnisse und damit verbundene Auswirkungen auf den thermischen Komfort gewonnen werden.

beispiel I Faktoren Bewertung Einfluß

thermischer Komfort(kalt/warm)-- - o + ++

1.0 Ort – geografische Lage

Sonnenwinkel / Intensität der Einstrahlungen

Wärmeentwicklung an den Oberflächen

1.2 Sonnenwinkel / Schattenverlauf Schattenflächen

Wärmeentwicklung prozentual auf der Fläche

1.3 Windeinfluss / Intensität stark / mittel / geringhomogen / heterogen

1.4 Windrichtung / Einfluss direkter Windeinflußindirekter EinflußVerteilung der Windgeschwindigkeiten auf der Fläche (homogen / heterogen)Zeitintervall des Einflusses

1.5 Störfaktor Feuchte / Wasser hohe LuftfeuchtigkeitenRegeneinfluss

1.6 Intensität der primären klimatischen Erscheinungen(homogen / heterogen)

besondere klimatische IntensitätenSchwankungen oder GleichmäßigkeitenLufttemperaturen

2.0 zeit

2.1 primärer Zeitraum der Nutzung(Jahreszeiten)- Strahlung- Wind- Feuchte- Regen- Lufttemperatur- Luftbewegung

WinterFrühjahrSommerWinter

2.2 primärer Zeitraum der Nutzung(Tageszeiten)- Strahlung- Wind- Feuchte- Regen- Lufttemperatur- Luftbewegung

MorgensMittagsNachmittagsAbends

3.0 Topografie

3.1 Lage zum Sonnenwinkel - vertikale Flächen- horizontale Flächen

Strahlungsumsätze

3.2 Höhenlage- Windbewegungen- Strahlungsintensitäten

Windumsätze

4.0 Ausrichtung

4.1 Ost-West Bestrahlung der Boden- und Wandflächen?Einstrahlung direkt morgens / abendsQuereinstrahlung Mittags Windrichtung?

-236-

4.2 Süd/Ost – Nord/West

Bestrahlung der Boden- und Wandflächen?Einstrahlung direkt morgens Quereinstrahlung Mittags, nachmittags Windrichtung?

4.3 Nord-Süd Bestrahlung der Boden- und Wandflächen?Einstrahlung direkt mittagsQuereinstrahlung morgens, nachmittags Windrichtung?

4.4 Nord/Ost – Süd/West Bestrahlung der Boden- und Wandflächen?Einstrahlung direkt mittagsQuereinstrahlung morgens, nachmittags Windrichtung?

5.0 Dimensionen

5.1 Größe- Windeffekte- Strahlungsumsatzfläche- Schattenbereiche

großmittelklein

5.2 Verhältnis von Länge zur Breite- Windeffekte- Strahlungsumsatzfläche- Schattenbereiche

lang1.1 Proportionenbreit

5.3 Verhältnis von Breite zur Höhe- Windeffekte- Strahlungsumsatzfläche- Schattenbereiche

eng1.1 Proportionenweit

5.4 Homogenität der Dimensionsverhältnisse- Gebäudestrukturen- Offenheit des Raumes- Öffnungen

homogenheterogenoffengeschlossen

6.0 Nutzer

6.1 Tätigkeit- Gehen- Laufen- Sitzen- Ruhen

große körperliche Umsatzratenmittlere körperliche Umsatzratengeringe körperliche UmsatzratenBekleidungsfaktor

6.2 Nutzer- alt- jung-

Toleranz der Wärme/ Kälteverteilungenstärkeres Wärmebedürfnisgeringeres Wärmebedürfnis

6.3 Erwartung- Vielschichtig / heterogen - monofunktional / homogen

heterogene Verteilunghomogene Verteilung

6.4 Erwartung- Jahreszeit- Tageszeit- Ort

hohe/ mittlere / geringe Erwartung von eindeutigen Temperaturentwicklungen

7.0 Material und Oberflächen

7.1 Oberflächen- offenporig- geschlossen- hohe und niedrige Albedo

Verdunstungsvorgänge / KühlungReflexionsgradAbsorptionsgrad

7.2 Eigenschaft- Dichte- Speicherfähigkeit- Erwärmungseigenschaft

Speichervolumen (Menge)Speicherzeit (Wärmeabgabe)Speicherzeit (Erwärmungszeit)

7.3 Rauigkeit- Strahlungsumsatz- Windbewegung

vorhandene Wärmeenergievorhandene Windenergie

7.4 Flächen horizontal- Flächenanteile / Verteilung

Bewertung:SteinSchotterKunststoff / GlasBoden/offenporige Belägevegetative BelägeHolzoberflächen

-237-

Appendix

7.5 Flächen vertikal-Flächenanteile / Verteilung

Bewertung:Stein / KlinkerPutzfassadenDämmfassadenHolzfassadenKunststofffassadenGlasfassadenStahl/ Blechfassaden

8.0 vegetation

8.1 Sträucher- Verschattungsgrad- Verdunstungspotential- Flächenanteile (vertikal)- Flächenanteile (horizontal)- Höhe- Breite- Dichte (Wind)- Dichte (Strahlung)

Bewertung:SolitärGruppenFlächenHecken

8.2 Bäume- Verschattungsgrad- Verdunstungspotential- Flächenanteile (vertikal)- Flächenanteile (horizontal)- Höhe- Breite- Dichte (Wind)- Dichte (Strahlung)

Bewertung:SolitärGruppenFlächen HeckenReihenKarree

8.3 Pflanzflächen (Bäume/Sträucher)- Verschattungsgrad- Verdunstungspotential- Flächenanteile (vertikal)- Flächenanteile (horizontal)- Höhe- Breite- Dichte (Wind)- Dichte (Strahlung)

Bewertung:Solitär + FlächeGruppe + FlächeReihe + FlächeHecke + FlächeGruppe + GruppeReihe + Hecke

9.0 Elemente

9.1 Schutzkonstruktionen Strahlung- Pergola / Funktion- Markise / Funktion- weitere / Funktion

Zeitpunkt / Dauer / Intensität des SchutzesAnpassungsfähigkeit (aktives Element)Filterungsgrad

9.2 Schutzkonstruktionen Wind- Barrieren / Funktion- weitere / Funktion

Zeitpunkt / Dauer / Intensität des SchutzesAnpassungsfähigkeit (aktives Element)Durchlässigkeitsbeiwert

9.3 Oberflächentemperaturen- Kühlung (Wasser)- Veränderungsfaktor (Farbe, Struktur)- Materialkombinationen

Zeitpunkt / Dauer / IntensitätAnpassungsfähigkeit

10.0 schlussfolgerungen

10.1 Zeit / Ort- reale Potentiale- Defizite

Welche möglichen Potentiale ergeben sich?(Möglichkeiten / Landschaftsarchitektur)Welche Defizite bleiben erhalten?

10.2 Maßnahmen- Dimensionen- Ausrichtung- Material und Oberflächen- Vegetation- Elemente

Welche Maßnahmen sind zu ergreifen?

10.3 Varianten Welche Varianten sind denkbar?

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beispiel IIBewertungsbogen Bestandsituationdate: location: B1 street:weather: cloudiness:

T_air: T_surface 1: (material?):V_wind: T_surface 2: (material?)H_humidity:

valuation influence the thermal comfort-- - o + ++

1. location

1.1 typology

1.2 size/wideness

1.3 windsituation

1.4 main direction

1.5 sun/shading situation

2. building structure

2.1 mass/dimension

2.2 height

2.3 facade/material

2.4 facade/colour

3. vegetation

3.1 structure

3.2 small plants

3.3 bushes

3.4 trees

4. surfaces

4.1 main material

4.2 sealed surface

4.3 albedo/colour

beispiel II

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Appendix

-240-

-241-

Appendix

APPENDIX Iv D1 simulationen - Ergebniskarten - Ergebnisdiagramme - Ergebnistabellen D2 Allgemeines

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-243-

Appendix

D1simulationenErgebniskarten

Links: KS_K_MRT_NS_V1Rechts: KS_K_MRT_NS_V2

Links: KS_K_MRT_NS_V3Rechts: KS_K_MRT_NS_V4

Links: KS_K_MRT_OW_V1Rechts: KS_K_MRT_OW_V2

Links: KS_K_MRT_OW_V3Rechts: KS_K_MRT_OW_V4

Links: KS_K_PET_NS_V1Rechts: KS_K_PET_NS_V2

-244-

Links: KS_K_PET_NS_V3Rechts: KS_K_PET_NS_V4

Links: KS_K_PET_OW_V1Rechts: KS_K_PET_OW_V1_15J

Links: KS_K_PET_OW_V1_35JRechts: KS_K_PET_OW_V1_70J

Links: KS_K_PET_OW_V2Rechts: KS_K_PET_OW_V3

Links: KS_K_PET_OW_V3_15JRechts: KS_K_PET_OW_V3_35J

-245-

Appendix

Links: KS_K_PET_OW_V3_70JRechts: KS_K_PET_OW_V4

Links: KS_K_WIND_NS_V3Rechts: KS_K_WIND_OW_V3

Links: KSGÖ_K_MRT_G_NS_V1_14UhrRechts:KSGÖ_K_MRT_G_NS_V2_14Uhr

Links: KSGÖ_K_MRT_G_NS_V3_14Uhr Rechts: KSGÖ_K_MRT_G_OW_V1_14Uhr

Links:KSGÖ_K_MRT_G_OW_V2_14UhrRechts:KSGÖ_K_MRT_G_OW_V3_14Uhr

-246-

Links: KSGÖ_K_MRT_K_NS_V3_14UhrRechts:KSGÖ_K_MRT_K_NS_V2_14Uhr

Links: KSGÖ_K_MRT_K_NS_V3_14UhrRechts: KSGÖ_K_MRT_K_OW_V1_14Uhr

Links: KSGÖ_K_MRT_K_OW_V2_14UhrRechts: KSGÖ_K_MRT_K_OW_V3_14Uhr

Links: KSGÖ_K_PET_G_NS_V1_14UhrRechts: KSGÖ_K_PET_G_NS_V1_14Uhr

Links: KSGÖ_K_PET_G_NS_V3_14UhrRechts: KSGÖ_K_PET_G_OW_V1_14Uhr

-247-

Appendix

Links: KSGÖ_K_PET_G_OW_V2_14UhrRechts:KSGÖ_K_PET_G_OW_V3_14Uhr

Links: KSGÖ_K_PET_K_NS_V1_14UhrRechts: KSGÖ_K_PET_K_NS_V2_14Uhr

Links: KSGÖ_K_PET_K_NS_V3_14UhrRechts: KSGÖ_K_PET_K_OW_V1_14Uhr

Links: KSGÖ_K_PET_K_OW_V2_14UhrRechts: KSGÖ_K_PET_K_OW_V3_14Uhr

Links: KSGÖ_K_WIND_GÖ_NS_V1Rechts: KSGÖ_K_WIND_GÖ_NS_V2

-248-

Links: KSGÖ_K_WIND_GÖ_OW_V1Rechts:KSGÖ_K_WIND_GÖ_OW_V2

Links: KSGÖ_K_WIND_KS_NS_V1Rechts: KSGÖ_K_WIND_KS_NS_V2

Links: KSGÖ_K_WIND_KS_OW_V1Rechts: KSGÖ_K_WIND_KS_OW_V2

-249-

Appendix

D2Ergebnisdiagramme

KS_D_MRT_V1+V2

KS_D_PET_V1+V2

KS_D_MRT_VergleichXL

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KS_D_MRT_VergleichXL_V3

KS_D_MRT_VergleichXL_V1

KS_D_PET_VergleichXL_V1

-251-

Appendix

KS_D_PET_VergleichXL_V3

KSGÖ_D_PET_P3_V1V3

KSGÖ_D_PET_V3P3

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10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

G_NS_PET_V1_P3 K_NS_PET_V1_P3 G_NS_PET_V3_P3 K_NS_PET_V3_P3 G_OW_PET_V1_P3 K_OW_PET_V1_P3 G_OW_PET_V3_P3 K_OW_PET_V3_P3

PET

(°C)

6:00 7:00 8:00 9:00

10:00 11:00 12:00 13:00

14:00 15:00 16:00 17:00

18:00 19:00 20:00 21:00

GÖ V3GÖ V1 GÖ V1 GÖ V3KS V1 KS V3 KS V1 KS V3

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

G_NS_PET_V1_P3 K_NS_PET_V1_P3 G_NS_PET_V2_P3 K_NS_PET_V2_P3 G_OW_PET_V1_P3 K_OW_PET_V1_P3 G_OW_PET_V2_P3 K_OW_PET_V2_P3

PET

(°C)

6:00 7:00 8:00 9:00

10:00 11:00 12:00 13:00

14:00 15:00 16:00 17:00

18:00 19:00 20:00 21:00

GÖ V2GÖ V1 GÖ V1 GÖ V2KS V1 KS V2 KS V1 KS V2

KSGÖ_D_PET_P3_V1_V3

KSGÖ_D_PET_P3_V1_V2

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Appendix

D2Ergebnistabellen

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-255-

Appendix

-256-

-257-

Appendix

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-259-

Appendix

simulationsergebnisse kassel

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simulationsergebnisse kassel XL varianten simulationsergebnisse vergleich kassel / göteborg

-261-

Appendix

D2Allgemeines-Materialkennwerte-Eigenschaftsdiagramme

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-263-

Appendix

-264-

-265-

Appendix

Documents

· Die vorliegende Arbeit wurde vom Fachbereich Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung der Universität Kassel als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines