Mikroklimatische Untersuchungen von Bestands- und Entwurfssituationen

Die mikroklimatischen Verhältnisse innerhalb unserer Städte werden von Einflussfaktoren definiert. Um eine direkte Verknüpfung zwischen dem sich im Außenbereich aufhaltenden Menschen und den mikroklimatischen Gegebenheiten zu schaffen, kann ein thermischer Index (z.B. PET oder PMV) als planungsrelevante Bezugsgröße herangezogen werden. Mit Hilfe der PET (Physiological Equvalent Temperature) kann der thermische Komfort im Außenbereich beschrieben werden.

Thermischer Komfort

Die stadtklimatisch orientierte Freiraumplanung sollte stets auf die Bedürfnisse der unterschiedlichen Benutzergruppen abgestimmt sein, damit der städtische Außenraum durch die Gesellschaft angenommen und genutzt wird. Am Beispiel verschiedener nationaler und internationaler Untersuchungen konnte der Zusammenhang zwischen physikalischen Messgrößen, und dem subjektiven Empfinden des Menschen im Außerraum erfasst werden. Dieses messtechnisch erfassbare thermische Empfinden wird als thermischer Komfort beschrieben.

 

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Thermischer Komfort
Bestandssituation Königsplatz Kassel
PET u. PMV
GIS Berechnung des thermischen Komfort, Königsplatz Kassel

Unserem Büro bietet verschiedene Methoden zur Erfassung des thermischen Komforts im Außenraum. Neben der mikroklimatischen Simulation, können lokale / mobile Messungen sowie Interviews mit unterschiedlichen Nutzergruppen durchgeführt werden.

Die Energiebilanz des Menschen

Untersucht man die Energiebilanz des Menschen in Hinblick auf den vorherrschenden thermischen Komfort, so können für dessen Beschreibung vier meteorologische Rahmenparameter genannt werden.

 

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Energiebilanz des Menschen
Darstellung des Energiehaushaltes des Menschen

- Strahlung

- Wind

- Luftfeuchte

- Lufttemperatur

Diese meteorologischen Einflussgrößen werden durch die individuellen Charakteristika des Menschen ergänzt. So spielen Alter, Gewicht, Körpergröße sowie die Art der Bekleidung bei der Berechung der menschlichen Energiebilanz eine wichtige Rolle. Innerhalb des Wirkkomplex' des Energiehaushaltes des Menschen kann so die thermische Belastungssituation beschrieben werden, welche weitergehend in die "Physiological Equivalent Temperature" (PET) überführt werden kann.

PET in der Anwendung

Da mikroklimatische Verhältnisse objektiv messbar, und vor allem subjektiv fühlbar efasst werden können, ist es möglich den thermischen Komfort im Außenraum flächendeckend (< Quartiersgröße) zu simulieren. Die Ergebnisse werden (u.a.) mit dem PET Index beschrieben.

 

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Mikroklima Analyse
Envi-Met Bestandssimulation mit markierten Hotspots
Mikroklima Analyse
Envi-Met Entwurfssimulation mit entschärften Hotspots

Unser Büro bietet Ihnen die Möglichkeit die aktuelle Bestandssituation zu analysisieren, zu simulieren und mit neuen Entwürfen zu vergleichen. Ebenso entwickeln wir für bereits identifizierte Hotspots Anpassungsstrategien, welche im numerischen Simulationsprogrammen auf ihre Wirksamkeit überprüft werden.

Auf diese Weise haben Sie die Möglichkeit mikroklimatische Veränderungen noch vor einem Eingriff (z.B. Baulückenschließung) zu erfassen und durch Optimierungsmaßnahmen die mikroklimatischen Auswirkungen zielgerichteter zu beeinflussen.

Solar und Wind im städtischen und ländlichen Bereich

Neben dem Einfluss der solaren Strahlung und des Windes auf das Stadtklima (siehe Mesoklima u. Mikroklima), ergeben sich auch durch die Morpholgie unserer Städte Potentziale natürliche Energiequellen wie Solar- und Windenergie effizienter nutzen zu können. Neben der Nutzung von Dachflächen für solare Energieverwertung treten auch die Fassadenflächen immer stärker in den Fokus als Flächen für die Energie- / Wärmeerzeugung. Bereiche mit erhöhten Windturbulenzen im städtische Raum eignen sich ggf. als Standorte für Vertikalwindräder. Im Außenbereich kommen den Kaltluftenstehungs- und transportflächen immer größere Bedeutung zu, da sie das Potential bieten nachts bei austauscharmen Wetterlagen, die überwärmten städtischen Gebiete abzukühlen.

Solarpotentialberechnung für Fassaden & Dächer

Innerhalb unserer dicht besiedelten urbanen Gebiete mit ihren heterogenen und individuellen Gebäudestrukturen entstehen kontinuierlich neue Herausforderungen und Potentiale. Neben der klimaangepassten Planung, sind ökonomische Faktoren wichtige Triebfedern in der Stadtentwicklung.

 

Unser Programm hat aktuell den 3.Platz beim UNIKAT Ideenwettbewerb 2016 belegt. Weitere Informationen hier.

Solarpotentialanalyse Kasseler Innenstadt
Solarpotentiale für Fassaden u. Dächer
Solarpotentialanalyse
Solarpotentiale für Fassaden u. Dächer

Die GIS basierte Analyse des solaren Einflusses ist heute für viele Themenfelder von Bedeutung. Im Gegensatz zu anderen Softwarelösungen ist die Implementierung in ein GIS physikalisch korrekt, ebenso werden die bebaute Umwelt, die topographische Lage sowie die Horizontkorrektur berücksichtigt. Die Daten sind redundant und bleiben für weitere Analysen in einer Geodatenbank erhalten.

Die Analyse ist nicht auf ein einzelnes Objekt zu einer bestimmten Zeit limitiert. Vielmehr können auch ganze Stadtteile abgebildet und analysiert werden.

Die Beispielszene zeigt ein Einkaufszentrum in Kassel und ist für den Tagesgang des 21. Juni berechnet worden. Unter Berücksichtigung der einflussnehmenden Faktoren wurde die Anzahl der direkten Sonnenstunden pro m² berechnet.

Solarbilanzierung für Fassaden und Dächer
Schematische Darstellung der Dach- und Fassadennutzung als solare Nutzflächen

Hauptmerkmale im Detail

Die Analyse kann an unterschiedliche Fragestellungen und Bedürfnisse angepasst werden.

  • Berechnung der direkten Sonnen- und Schattenstunden (z.B. für Dachterrassen, Fenster und Balkone)
  • Einfluss- und Potentialvorabkontrolle bei geplanten Neubau- / Erweiterungsprojekten
  • Berechnung der Globalstrahlung bestehend aus diffuser und direkter Strahlung (reflektierende Strahlung zusätzlich möglich), um realistische Solarpotentiale für Fassaden und Dachflächen zu erhalten.
  • Exakte Expertise zum Solarpotential
  • Berücksichtigung unterschiedlicher Materialien und dementsprechend der unterschiedlichen Albedo
  • Berechnung von Spiegelungs- und Blendeffekten ebenso wie Schlagschatten Ereignisse
  • Berechnung des SkyView Faktors in Straßenschluchten (für alle Oberflächen anwendbar)
  • Nahtlose Integration in moderne Geoinformationssysteme

3D Windfeld- & Ausbreitungsberechnungen

Neben den zeitintensiven numerischen Simulationsmodellen (vgl. Envimet) sind moderne Geoinformationssysteme (z.B. ArcGIS) in der Lage mit Hilfe neuer Entwicklungen 3-dimensionale Windfeldberechnungen durchzuführen. Dadurch ergeben sich eine Vielzahl neuer Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten für den Entwurf und die Planung.

 

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Ergänzend zu 3-dimensional-räumlichen Windfeldsimulationen bieten Rauigkeitsanalysen wichtige Hilfsmittel zur Beschreibung der städtischen und stadtteilbezogenen Belüftungssituation. Über den Ansatz der "Frontal-Area" berechnen wir neben den Rauigkeitslängen (Z0) und der Nullpunktverschiebung (Zd) auch die städtische Porsoität (Ph_var), welche im besonderen Maße Bedeutung für bestehende und potenzielle Durchlüftungsbahnen hat.

Städtische Wind Analyse
Vertikaler Schnitt durch eine Windfeldsimulation

Kaltluftentstehung & Transport

Kaltluftabflüsse sind kalte Luftmassen, die bei windschwachen und austauscharmen Wetterlagen aufgrund ihrer Schwere von höher gelegenem Gelände in tiefer liegendes Gelände abfließen. Sie bilden sich in der Regel nachts an unbewaldeten und unbebauten Hängen, bspw. auf Weide- und Ackerland. Aber auch Wälder auf stark geneigten Flächen können eine sehr hohe Kaltluftproduktion aufweisen. (LANUV NRW, 2011)

Kaltluftberechnung u. Kaltluftentstehung
Schematische Darstellung des Kaltluftabflusses

Besonders für urbane Räume in Kessel- oder Hanglagen sind die Kaltluftentstehung und deren Transport für die thermische Regulierung des Stadtklimas und der Luftreinhaltung von großer Bedeutung. Die Nützlichkeit der Kaltluft für den städtischen Bereich wird vom Verband Deutscher Ingenieure (VDI) in der Richtlinie 3787 Blatt 5 unterstrichen. Darin wird proklamiert, dass Kaltluftentstehung und Kaltluftabflüsse in der Regional- und Stadtplanung berücksichtigt werden sollten.

Wir bieten Ihnen unterschiedliche Möglichkeiten zur Bestimmung der Kaltluftentstehung sowie zum Kaltluftabfluss. Neben einer numerischen Simluation können auch geostatistische Analysen von uns genutzt werden.