Energieeffizienz durch Verbesserung des Outdoor-Mikroklimas

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1 Energieeffizienz durch Verbesserung des Outdoor-Mikroklimas Prof. Dr. Sahar Sodoudi Institut für Meteorologie, AG Stadtklima Freie Universität Berlin 1

2 Inhalt - Klimawandel/Globale Erwärmung - Was bedeutet Städtische Wärmeinsel (UHI)? - Der Zusammenhang zwischen den Energieverbrauch und der Städtischen Wärmeinsel - Berlin, Teheran, Rom als Fallstudien Ergebnisse aus den Forschungsprojekte: Minderung des städtischen Wärmeinsel in Teheran Ist Green-City die beste Maßnahme? Key: Räumliche Verteilung der Vegetation? Effektivität der Anpassungsmaßnahmen in der Stadt Horizontale und vertikale Nachverdichtung 2

3 Klimawandel Anstieg der Jahresmitteltemperatur Source: IPCC Fifth Assessment Report 3

4 Klimawandel Anstieg der Jahresmitteltemperatur : im Verglich zum Zeitraum RCP 2.6: 0.4 C 1.6 C RCP 4.5: 0.9 C 2.0 C RCP 6.0: 0.8 C 1.8 C RCP 8.5: 1.4 C 2.6 C : im Verglich zum Zeitraum RCP 2.6: 0.3 C 1.7 C RCP 4.5: 1.1 C 2.6 C RCP 6.0: 1.4 C C RCP 8.5: 2.6 C 4.8 C 4

5 Klimawandel Anzahl der heißen Tage Anzahl der Frosttage Quelle: Deutscher Wetterdienst Station Dahlem, Berlin 5

6 Höhere Temperaturen in den Städten Globale Erwärmung (Anstieg der Treibhausgase) Urbanisierung (Versiegelte Flächen & Fehlende Vegetation) Sodoudi et al.,

7 Beispiel: Städtische Wärmeinsel/ Berlin Umland Stadt 2m-Temperatur während der Hitzeperiode

8 Gebäude-Energieverbrauch und UHI Historical city, dichte Bebauung, h=12-20m Kleine Häuser mit Grünflächen, h= 8-10 m Hohe Gebäude (30m), Boulevard, Parkplätze Kleine Häuser 9-15 m, mehr Grünfläche Zinzi & Carnielo,

9 Gebäude-Energieverbrauch und UHI 9

10 Gebäude-Energieverbrauch und UHI Grün: Mit Isolierung Rot: Ohne Isolierung Relative Abweichung der Kälteenergieverbrauch in der Stadt im Vergleich zum Umland Zinzi & Carnielo,

11 Stadtklimaanalye für Berlin/ Erweiterung des Stadtmessnetzes ASTER Satellitendaten Standardabweichung mean LST Zusammenhang zwischen der Oberflächentemperatur und der Lufttemperatur (Gallo et al., 2011) Clusteringmethode (lokale Effekte) 35 Klassen 11

12 Erweiterung des Stadtmessnetzes der FU-Berlin Messstationen in den verschiedenen Klassen (35) 12

13 Räumliche Verteilung der Temperatur Buchholzer Str. 13

14 Maßnahmen? Klimaschutz/Klimaanpassung Minderung der Städtischen Wärmeinsel Energieeffizienz/ Menschlicher thermischer Komfort 14

15 Beispiele aus Forschungsprojekten 15

16 Städtische Wärmeinsel in Teheran (6. urbaner Bezirk) Landnutzungsklas se Anteil im 6. urbanen Bezirk Fläche (h) Versiegelte Flächen (Gebäude, Gehwege) Vegetation (Bäume und Bodenbewuchs) 97,37% 2087,52 2,4% 51, Landsat ETM7 - Hohe Gebäudedichte - Niedrige Albedo 16

17 Simulation von Teheran (6. urbaner Bezirk) 17

18 Simulation von Teheran (6. urbaner Bezirk) Current Situation (SC) High Albedo Material (HAM) Beton 0.3 Asphalt 0.15 Soil 0.18 White Coating 0.85 Bright Asphalt 0.55 Light coloured Soil % Vegetation Green scenario (VEG) HYBRID: HAM+ VEG 18

19 Verbesserung des Mikroklimas / Energieverbrauchs Absenkung der Temperaturmaximum ca. 1K Energieverbrauch (Akbari et al., 2001) -> 2-4% weniger Szenario Tag (K) Nacht [K] HAM VEG (2K) HYBRID (4.2 K) Sodoudi et al.,

20 Ergebnis des Projekts (1) Szenario mit erhöhter Vegetation bringt hohe Abkühlung Welche räumliche Verteilung der Grünflächen soll gewählt werden? Sind die Mitigationsstrategien für die ganze Stadt umsetzbar? 20

21 Projekt zur Nachnutzung des Tempelhofer Feldes Grünflächen? Welche räumliche Verteilung? Geoportal [2015] / ATKIS Basis-DLM-Präsentationsmodell 21

22 Tabelle der 25 möglichen Szenarien 22

23 Ergebnisse der Simulationen Fragmentierung der Vegetation Index der Form der Vegetation (Land Shape Index) Art der Vegetation Orientierung 23

24 Ergebnis des Projekts (2) Ergebnisse des Projektes zur Nachnutzung des Tempelhofer Feldes Räumliche Verteilung und Typ der Grünflächen ist wichtig Windrichtung spielt eine wichtige Rolle bei der Abkühlung Größe der Baumkronen (Schatten) ist der wichtigste Faktor für die Abkühlung und die Verbesserung des menschlichen thermischen Komforts Sind die Szenarien anwendbar für die ganze Stadt? 24

25 Können diese Szenarien für die ganze Stadt genutzt werden? Zwei unterschiedliche Konfigurationen Orientierung der Straßenschlucht: Ost-West mit Wind aus Westen Nort-Süd mit Wind aus Süden 25

26 Ausgewählte Mitigationsstrategien 1. Material mit hoher Albedo 2. Doppelte Höhe (20m) junge Bäume auf beiden Seiten große Bäume auf beiden Seiten große Bäume auf beiden Seiten junge Bäume in der Mitte 7. Fassadenbegrünung 8. Dachbegrünung 26

27 Effektivität der Strategien bei O-W Orientierung Baum-Szenarien 27

28 Effektivität der Strategien bei N-S Orientierung 28

29 Ergebnis des Projekts (3) Ergebnisse des Projektes Street Canyon orientation Effektive Szenarien sind nicht für die ganze Stadt anwendbar Wichtig: Urbanes Klimamodell ist nötig, um die ganze Stadt zu analysieren 29

30 Mikroskaliges Urbanes KLImaMOdell MUKLIMO_3 30

31 Schaffung von zusätzlichem Wohnraum in Berlin? Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt der Stadt Berlin (2016). Bevölkerungsprognose für Berlin und die Bezirke Nachverdichtung als Strategie, um Wohnraum zu schaffen. Wie können Gebäude zusätzlichen Wohnraum schaffen und gleichzeitig das Mikroklima nicht verschlechtern bzw. sogar verbessern? 1,2 1 M. Linsenmeier, S. Sodoudi, H. Schlünzen (submitted) 2 M. Straka & S. Sodoudi (submitted) 31

32 Lösung: Verdichtung (horizontal und vertikal) - Horizontale Verdichtung (Gebäude auf Brachflächen) - Vertikale Verdichtung (20m) - Vertikale Verdichtung (30m) - Vertikale Verdichtung (40m) 32

33 Vertikale and horizontale Verdichtung (Tag) Ref.-HC Ref.-VC20 Horizontale Verdichtung (Gebäude auf Brachflächen) Vertikale Verdichtung (20m) Vertikale Verdichtung (30m) Vertikale Verdichtung (40m) Ref.-VC30 Ref.-VC40 33

34 Vertikale and horizontale Verdichtung (Nacht) Ref.-HC Ref.-VC20 Horizontale Verdichtung (Gebäude auf Brachflächen) Vertikale Verdichtung (20m) Vertikale Verdichtung (30m) Vertikale Verdichtung (40m) Ref.-VC30 Ref.-VC40 34

35 Vertikale and horizontale Verdichtung Vertikale Verdichtung zeigt einen Abkühlungseffekt für die Stadt, Horizontale Verdichtung zeigt eine Erwärmung. Höhere Gebäude bringen mehr Schatten Horizontale Verdichtung bringt mehr Schatten am Tag, verringert aber die Ausstrahlung in der Nacht 35

36 Gebäudeszenarien 4 St. 6 St. 8 St unterschiedliche Gebäudehöhen (14 m, 20 m, 26 m) 36

37 Gebäudeszenarien und Modelldomäne Auswertungsgebiet Nesting area 37

38 Urbane Verdichtung und Orientierung Index für Verdichtung: Gesamte Grundfläche der Gebäude Gesamte Grundfläche der Modelldomäne Drei Windrichtungen: 270 N 225 N 180 N 38

39 Menschlicher thermischer Komfort (outdoor) Maß: Universal Thermal Comfort Index (UTCI) Basierend auf 4 meteorologischen Variablen: Lufttemperatur, relative Feuchtigkeit, Strahlung und Windgeschwindigkeit Unterscheidung zwischen Tag und Nacht, Stunden mit und ohne Sonne Stunden mit weniger als starkem Hitzestress Index = 16 h (Länge des Tages) (Stunden mit starkem Hitzestress) 39

40 Ergebnisse: Thermischer Komfort am Tag Windrichtung 270 N (Ausgewertet bei B)* Thermischer Komfort am Tag erhöht sich durch # Geschosse,... erhöht sich durch # horizontale Erweiterung, => erhöht sich generell durch Verdichtung... neigt dazu, bei vertikaler Verdichtung stärker zu sein als bei vertikaler Verdichtung * Farbe verdeutlicht den Grad der Verdichtung. 40

41 Ergebnisse: Unterschiedliche Windrichtungen und Auswertungsgebiete (B=SS, A=CY) Wind direction 180 N (street section) Muster ist konsistant bei Windrichtung und Auswertungsgebiet (Ausnahme: Effekt der horizontalen Erweiterung Verbesserung und Abschwächung) 41

42 Zusammenfassung -Effektive Maßnahmen durch Numersiche Modellierung/ Messung Effektivität/ Umsetzbarkeit -Effektive Maßnahmen sind lokal und können nicht für die ganze Stadt eingesetzt werden. Stadtklimaanalyse/ Mikroklima-Monitoring -Outdoor Mikroklima/ Thermischer Komfort/ Energieeffizienz Maßnahmen entwerfen - Dialog zwischen Stadtklimatologen und Stakeholdern Zusammenarbeit Wissenschaft/Politik 42

43 Ausblick Energiesparung durch Verbesserung des mikroklimas an der FU-Berlin 3 Standorte: Philologische Bibliothek Nettogeschossfläche NGF : qm Vorhandene Zähler: Wärmemenge, Kältemenge, Elektro Pharmazeutisches Institut (Alt- und Neubau) NGF: qm Vorhandene Zähler: Wärmemenge, Elektro In Planung: Kälte (Stromverbrauch) 43

44 Ausblick Kleintierklinik Düppel str. NGF: qm Vorhandene Zähler: Wärmemenge, Elektro In Planung: Kältemenge 44

45 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 45