Werkzeuge für eine bessere Energiebilanz

Bei der Stadtplanung ans Klima denken

Von den Auswirkungen des globalen Klimawandels sind Städte wegen der starken Versiegelung des Untergrunds und der baulichen Verdichtung besonders betroffen. Die Folge: eine häufigere und länger andauernde, überwiegend sommerliche Überwärmung.

Bild: Frank MagdansDie Gesundheitsbeeinträchtigungen von Stadtbewohnern lassen sich an den meist erhöhten Morbiditäts- und Mortalitätsraten insbesondere während Hitzeperioden im Vergleich zum Umland erkennen. Zurückzuführen sind derartige thermische Probleme des urbanen Siedlungsraums nicht nur auf die tagsüber vorherrschenden hohen Luft- und Oberflächentemperaturen, sondern insbesondere auch auf die verminderte nächtliche Abkühlung der Stadtkörper. Bei austauscharmer Witterung kann die Temperaturdifferenz zwischen der Stadt und dem Umland, das Maß oder Charakteristikum der städtischen Wärmeinsel (engl. Urban Heat Island, UHI), deutlich höher sein als an einem „normalen“ Sommertag. Kleinräumige Bebauungsunterschiede spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Das „Ringen“ um innerstädtische Flächen

Der fortschreitende Klimawandel zwingt neben den globalen Mitigationsmaßnahmen (Minderungs- bzw. Schutzmaßnahmen) auch dazu, lokale Adaptationen (Anpassungen) an die sich verändernden Umweltbedingungen vorzunehmen. Ein wesentliches Ziel in diesem Zusammenhang stellt die Reduzierung der urbanen sommerlichen Überwärmung dar. Wichtige Steuerungsgröße hierfür sollte in einem Eingriff in die stadtbezogene Energiebilanz liegen, wobei insbesondere die solare Einstrahlung minimiert werden sollte.

Beschattung von Gebäuden und versiegelten Flächen durch künstliche Schattenspender, besser jedoch durch natürliches Grün, das darüber hinaus den latenten Wärmestrom verstärkt, würde die Oberflächentemperaturen reduzieren und das thermische Wohlbefinden der Bewohner erhöhen. Ferner sollte man den Bestand an Luftleitbahnen sichern oder solche zusätzlich schaffen, um kühle saubere Umlandluft dem überwärmten Stadtkörper, insbesondere während austauscharmer Wetterlagen, durch Kaltluftströmungen oder Flurwinden zuzuführen. Folgende stadtplanerische Werkzeuge stehen hierfür zur Verfügung:

  • gebäudebezogene Begrünungsmaßnahmen, Begrünungen im öffentlichen und privaten Raum
  • intelligente Baumaterialien sowie der Einsatz heller Gebäudefarben zur Erhöhung der Reflektivität und Verminderung der Wärmespeicherung im Bestand; in diesem Zusammenhang muss abgewogen werden, ob durch helle Anstriche nicht Straßenpassanten zu hoher Reflexstrahlung ausgesetzt werden.
  • Entwicklung von neuen Bewässerungssystemen, zum Beispiel nach dem Schwammstadtprinzip, um zum einen Wasser für die Versorgung des innerstädtischen Grüns in trockenen Sommermonaten sicherzustellen und gleichzeitig immer häufiger zu erwartende und meist sehr lokal auftretende Extremniederschlagsereignisse abfedern zu können.

Die Durchführung von Klimaanpassungsmaßnahmen hat weitreichende Konsequenzen für die Stadt- und Raumplanung, die Architektur, die Mobilitätsplanung sowie die Wasserwirtschaft und erfordert ein konstruktives und integratives Vorgehen seitens der kommunalen Entscheidungsträger. Es sollte somit um jede innerstädtische Fläche „gerungen“ werden, die zu einer Verbesserung der klima- und lufthygienischen Wirkung führt. Auch in diesem Zusammenhang wäre die Frage zu klären, ob Flächen für den fahrenden und ruhenden Kfz-Verkehr weiterhin Planungspriorität haben sollten.

Beiträge zur Lösung der vielfältigen und komplexen Aufgaben

Für diese für unser Gemeinwesen sehr wichtigen akuten Fragestellungen liefern die für die VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) – Normenausschuss, im Fachbereich „Umweltmeteorologie“, ehrenamtlich tätigen Naturwissenschaftler, Ingenieure, Architekten und Planer wesentliche Arbeiten und Beiträge, die sich in der Entwicklung entsprechender VDI-Richtlinien niederschlagen.

Bild: Catharina FröhlingSo wurde im Herbst 2020 die Richtlinie VDI 3787 Blatt 8 mit dem Titel „Umweltmeteorologie; Stadtentwicklung im Klimawandel“ veröffentlicht. Sie dient dazu, Gemeinden, Städte und Planer an die mit der Klimaanpassung verbundenen Probleme heranzuführen, Maßnahmen aufzuzeigen und die rechtlichen Rahmenbedingungen darzustellen. Diese Richtlinie ist als übergeordneter Rahmen zu verstehen. Vertiefende Informationen zu diesem Themenkomplex liefern eine große Anzahl weiterer themenbezogener Richtlinien des Fachbereichs „Umweltmeteorologie“ der KRdL, Ausschuss „Klima“, von denen einige im Folgenden kurz genannt werden.

In der Richtlinie VDI 3787 Blatt 2 „Umweltmeteorologie; Methoden zur human-biometeorologischen Bewertung der thermischen Komponente des Klimas“ werden Verfahren beschrieben, welche die komplexen thermischen Umweltbedingungen thermophysiologisch relevant beschreiben und auf Basis der Wärmebilanz des Menschen beurteilen können. Dadurch sind räumliche und zeitliche Bewertungen möglich.

Die physikalischen Hintergründe zum Thema „thermisch induzierte Ausgleichsströmungen“ (Richtlinie VDI 3787 Blatt 5 „Umweltmeteorologie; Lokale Kaltluft“), denen in Siedlungsbereichen eine große Bedeutung zukommt, werden in der Richtlinie zur lokalen Kaltluft bearbeitet, wozu auch die innerhalb bebauter Gebiete auftretenden Flurwinde zählen, die zu einer Reduzierung der Überwärmung beitragen können.

In der Richtlinie VDI 3787 Blatt 4 „Umweltmeteorologie; Methoden zur Beschreibung von Stark- und Schwachwinden in bebauten Gebieten und deren Bewertung“ werden die Spannbreite von schwachen bis starken dynamischen Winden in ihrer Wirkung erfasst und Bewertungsverfahren benannt, um den dynamischen Windkomfort in seiner Wirkung auf den Menschen zu beschreiben.

Wie wirken verschiedene Begrünungsmaßnahmen?

Gegenwärtig in Bearbeitung befindet sich die Richtlinie VDI 3787 Blatt 11 „Umweltmeteorologie; Umweltmeteorologische Bedeutung der grünen Infrastruktur in Städten“, die sich mit der herausragenden Bedeutung des Grüns in der Stadt beschäftigt. Ziel dieser neuen Richtlinie ist es, einzelne Begrünungsmaßnahmen hinsichtlich ihrer physikalischen Wirkung auf den Stadtkörper darzustellen, die Wirkung von verschiedenen Begrünungsmaßnahmen zu bewerten und die erforderlichen technischen Voraussetzungen für ein „funktionierendes“ Grün unter lokalklimatischen Gesichtspunkten zu benennen.

Neben dem Klima in Städten und Ballungszentren spielt für die Betroffenheit und für das Wohlbefinden der Stadtbewohner auch die damit einhergehende Luftqualität eine ganz entscheidende Rolle. Hierzu werden ebenfalls durch den Fachbereich „Umweltmeteorologie“ der KRdL, Ausschuss „Luftqualität“, seit über 60 Jahren eine Vielzahl von Richtlinien erarbeitet, die Fragen zur Emission, Ausbreitung und Immission gas- und partikelförmiger Luftverunreinigungen behandeln. Aus der großen Bandbreite der Themenfelder der Richtlinien des Ausschusses „Luftqualität“ werden einige im Folgenden genannt.

Für den gesamten anlagenbezogenen Immissionsschutz sind entsprechende Richtlinien zur Nutzung und Qualitätssicherung in Genehmigungsverfahren vielfach bekannt. In Gutachten zu berücksichtigende Einflussfaktoren auf die Ausbreitung von Luftinhaltsstoffen werden in der Richtlinie VDI 3783 Blatt 13 „Umweltmeteorologie; Qualitätssicherung in der Immissionsprognose; Anlagenbezogener Immissionsschutz; Ausbreitungsrechnung gemäß TA Luft“ behandelt. In städtisch bebauten Strukturen hat die Richtlinie VDI 3781 Blatt 4 „Umweltmeteorologie; Ableitbedingungen für Abgase; Kleine und mittlere Feuerungsanlagen sowie andere als Feuerungsanlagen“ eine besondere Bedeutung für die Quellgruppe Hausbrand, da die Optimierung der Position von Schornsteinen auf dem Dach beschrieben wird.

Gutachten zur Berechnung der Luftschadstoffkonzentration

Fragestellungen zur Qualitätssicherung von Gutachten zur Berechnung der Luftschadstoffkonzentration, hervorgerufen durch Kfz-Emissionen im städtischen Bereich, zum Beispiel bei Luftreinhalteplänen, werden in der Richtlinie VDI 3783 Blatt 14 „Umweltmeteorologie; Qualitätssicherung in der Immissionsberechnung; Kraftfahrzeugbedingte Immissionen“ behandelt. Emissionsberechnung des Kfz-Verkehrs in Abhängigkeit von Verkehrsparametern werden speziell in der Richtlinie VDI 3782 Blatt 7 „Umweltmeteorologie; Kfz-Emissionsbestimmung; Luftbeimengungen“ bestimmt.

Berechnungsmethoden für Windfelder werden laufend in der Forschung weiterentwickelt und auch bereits in Verfahren angewendet. In Bezug auf praktische Anwendungen sind Evaluierungsrichtlinien entstanden. Für „Prognostische mikroskalige Windfeldmodelle; Evaluierung für Gebäude- und Hindernisumströmung“ dient die Richtlinie VDI 3783 Blatt 9 und für „Prognostische mesoskalige Windfeldmodelle; Evaluierung für dynamisch und thermisch bedingte Strömungsfelder“ ist die Richtlinie VDI 3783 Blatt 7 anzuwenden. Eingangsdaten zur Ausbreitungsmodellierung werden mittels der Richtlinie VDI 3783 Blatt 8 „Messwertgestützte Turbulenzparametrisierung für Ausbreitungsmodelle“ beschrieben. Die Richtlinie VDI 3782 Blatt 5 „Atmosphärische Ausbreitungsmodelle; Depositionsparameter“ wird derzeit aktualisiert, um unter anderem Aussagen zur Deposition von Ultrafeinpartikeln zu ermöglichen.

Notwendige Fakten zur Beschreibung des meteorologischen und lufthygienischen Ist-Zustands und die Begleitung der Entwicklung im gemeinsamen Bereich der Ausschüsse „Luftqualität“ und „Klima“ leisten eine Vielzahl von Richtlinien zu den verschiedenen „klassischen“ Messystemen, etwa zur Messung der Lufttemperatur, des Winds, der Turbulenz und des Niederschlags in Bodennähe und für Profilmessungen, unter anderem mit Doppler-Sodar, Lidar, Niederschlagsradar (Richtlinienreihe VDI 3786). Auch meteorologische Messungen mit unbemannten Flugsystemen (UAV/Drohnen) sind Thema dieser Richtlinienreihe und beschreiben die Nutzungsmöglichkeiten von „Low-Cost-Systemen“ im Rahmen des Crowdsourcings.

Im staatsentlastenden Auftrag

Die Beschreibung der effektiven Nutzungsmöglichkeiten und der notwendigen Qualitätssicherungen bei der Anwendung stehen im Vordergrund der Richtlinienerstellung bei der staatsentlastenden, ehrenamtlichen Tätigkeit der Experten und Expertinnen der VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) – Normenausschuss. Mit diesen Richtlinien der KRdL wird eine nachvollziehbare Basis für Entscheidungen zur Verfügung gestellt. Da sie in deutscher und englischer Sprache verfasst sind, ist eine Nutzung ohne Sprachbarrieren im europäischen Raum und weltweit möglich und wird auch praktiziert. Die Richtlinien werden teilweise als Grundlage für Europäische Richtlinien (CEN) oder internationale Normen (zum Beispiel ISO 19926-1 „Wetterradar“) genutzt und können damit eine Unterstützung der deutschen exportorientieren Volkswirtschaft darstellen.

Autoren:

Dipl.-Ing. Matthias Rau, Mitglied des Fachausschusses „Klima“ des Fachbereichs „Umweltmeteorologie“, VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) – Normenausschuss

Dipl.-Met. Wolfgang J. Müller, Mitglied des Fachausschusses „Luftqualität“ des Fachbereichs „Umweltmeteorologie“, VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) – Normenausschuss

Prof. Wilhelm Kuttler, Vorsitzender des Fachausschusses „Klima“ des Fachbereichs „Umweltmeteorologie“, VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) – Normenausschuss

Co-Autorin:

Dipl.-Geogr. Catharina Fröhling, Wissenschaftliche Mitarbeiterin des Fachbereichs „Umweltmeteorologie“, VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) – Normenausschuss

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