Einfluss von Gebäudebegrünung auf das Innenraumklima : Simulationen mit einem mikroskaligen Modell

Das Innenraumklima ist für Menschen von besonderer Bedeutung, da sie sich den Großteil ihrer Zeit in Gebäuden aufhalten. Die Raumtemperatur ist dabei für die Aufenthalts¬qualität ein wichtiger Faktor, der sich unter anderem auf die Schlafqualität und die Gesundheit auswirken kann. Das Innenraumklima kann auf vielfältige Weise beeinflusst werden. Urbane Begrünung hat dabei viele positive Einfluss nicht nur auf das Außen- und Innenraumklima, sondern unter anderem auch auf den Wasserkreislauf, die Freiraumqualität, die Biodiversität und die Reduktion von Abflussspitzen bei Starkniederschlägen. Der Kühlungseffekt von Bäumen und Gebäuden ist vielfach untersucht worden, jedoch meist nur für einzelne Maßnahmen und nur für den Außen- oder den Innenraum. Im Falle der Studien mittels numerischer Simulation liegt dies oft an den verwendeten Modellen. In Deutschland gibt es eine Handvoll etablierter mikroskaliger Stadtklimamodelle die unteranderem den Einfluss von urbaner Begrünung auf den Außenraum untersuchen können. Diese Modelle können jedoch meist nicht gekoppelt auch das Innenraumklima simulieren oder lassen die Simulation von realistischen Gebäudegrundrissen nicht zu. Das hier beschriebene mikroskalige numerische Modell ermöglicht die gekoppelte Simulation des Außen- und Innenraumklimas, sowie des Einflusses von urbaner Begrünung. Es berücksichtigt den veränderlichen Bodenwassergehalt, der einer der Hauptfaktoren für die Verdunstungsleistung von Vegetation ist. Ein mehrschichtiger realistischer Fassadenaufbau, Fenster und die Heiz- und Kühlleistung können simuliert werden. Das Modell wurde mittels Messdaten auf Realitätsnähe überprüft. Zur Untersuchung des Einflusses der Gebäudebegrünung auf das Innenraumklima wurde für einen kleinen Gebäudekomplex das Außenklima, sowie für das zentrale dreistöckige Flachdachgebäude das Innenraumklima simuliert. Das Modellsystem wurde mittels meteorologischer Stationsdaten (Berlin-Tempelhof) über drei Sommermonate angetrieben (1.6.-31.8.2003). Dieser Zeitraum zeichnete sich durch hohe sommerliche Temperaturen und eine längere Trockenperiode aus. Die Lage und Ausrichtung der Innenräume und ihrer Fenster hat einen großen Einfluss auf die Temperaturen im Innenraum. Räume mit viel Sonneinstrahlung haben den größten Temperaturtagesgang und heizen sich am stärksten auf. Überhitzte Innenräume geben ihre Wärme an kühlere benachbarte Räume sowie über die Außenfassade ab. Die Temperaturen in südorientierten Dachgeschossräumen ist daher oftmals niedriger als eine Etage tiefer. Bei Simulation mit idealisierter Klimaanlage ist dies umgekehrt, da durch die Dachfläche mehr Wärme in den Innenraum gelangt als in der mittleren Etage. Es wurde eine Vielzahl von Szenarien mit Bäumen, intensiver und extensiver Dachbegrünung mit und ohne Anstau, sowie bewässerter und unbewässerter Fassaden-begrünung durchgeführt. Große Bäume, die die Fenster und die Fassade verschatten, zeigen die stärkste Kühlwirkung auf die Innenraumtemperaturen und die Kühllast, gefolgt von der großflächigen Fassadenbegrünung. Die Dachbegrünung wirkt sich vor allem auf die angrenzenden Räume im Dachgeschoss aus. Die unterschiedlich gute Wasserversorgung der Gebäudebegrünungsarten zeigt sich besonders während mehrwöchiger Trockenperioden und wirkt sich auf die Verdunstung der Pflanzen, sowie die Kühlungswirkung aus. Die Kühlungswirkung der Begrünungsmaßnahmen ist auf Grund der Nähe der Maßnahmen, des kleineren zu kühlenden Volumens, des geringeren Luftaustauschs und der hohen Temperaturen bzw. Kühllast im Innenraum größer als im Außenraum.The indoor climate is of particular importance for people, as they spend most of their time in buildings. The room temperature is an important factor for the quality of living, as it can influence the quality of sleep and health. The indoor climate can be influenced in many ways. Urban greening has many positive effects not only on the indoor and outdoor climate, but also on the water cycle, open space quality, biodiversity and the reduction of peak runoff during heavy rainfall. The cooling effect of trees and buildings has been studied many times, but mostly only for individual measures and only for the exterior or interior. In the case of studies using numerical simulation, this is often due to the models used. In Germany, there are a handful of established micro-scale urban climate models that can be used to investigate the influence of urban greening on the exterior. These models, however, cannot simulate the indoor climate or do not allow the simulation of realistic building layouts. The micro-scale numerical model described here allows the coupled simulation of the indoor and outdoor climate as well as the influence of urban greening. It takes the variable soil water content into account, which is one of the main factors for the evaporation performance of vegetation. A multi-layered realistic facade construction, windows and the heating and cooling capacity can be simulated. The model was checked for realism using measurement data. In order to investigate the influence of greenery on the indoor climate, the outdoor climate was simulated for a small building complex and the indoor climate for the central three storey flat roof building. The model system was driven by meteorological station data (Berlin-Tempelhof) over three summer months (1.6.-31.8.2003). This period was characterized by high summer temperatures and a longer dry period. The position and orientation of the interior rooms and their windows has a great influence on the temperatures in the interior. Rooms with a lot of sunshine have the highest daily temperature variation and heat up the most. Overheated interiors give off their heat to cooler neighboring rooms as well as via the external facade. The temperatures in south-facing attic rooms are therefore often lower than one floor below. This is reversed in simulation with an idealized air conditioning system, since more heat enters the interior through the roof surface than in the middle floor. Many scenarios with trees, intensive and extensive roof greening with and without water accumulation, as well as irrigated and unirrigated façade greening were carried out. The windows and large trees shading the facade show the strongest cooling effect on the interior temperatures and the cooling load, followed by extensive facade greening. Green roofs have the greatest effect on the adjacent rooms in the attic. The different good water supply of the building greening types is particularly apparent during dry periods lasting several weeks and influences the evaporation of the plants as well as the cooling effect. The cooling effect of greening measures is greater in the interior than in the exterior due to the proximity of the measures, the smaller volume to be cooled, the lower air exchange and the high temperatures or cooling load

Climate Impact and Model Approaches of Blue-Green Infrastructure Measures for Neighborhood Planning

Nowadays, most cities deal with the problem of “Urban Heat Islands”. Especially existing city districts cannot easily be adapted. In this paper, the effects of blue-green infrastructure elements (BGI) on air and surface temperature in courtyards are examined, based on on-site measurements and simulations. Recognizable effects on the temperature were observed: BGI lower the number of hot days in the courtyard, including a faster air temperature drop at night, but water elements increase the number of tropical nights due to their heat capacity. Model simulations with PALM-4U proved to be useful to analyze the effects of BGI on the microclimate. Besides analyzing existing structures, the effects of planned measures can be quantified by simulation. However, for this application, needs of improvement were recognized to evaluate the influence of BGI on the microclimate more realistically. For decision support, standard indicators such as the number of tropical nights and hot days are not differentiated enough to quantify specific climate stress of urban residents. It is suggested to consider summer days additionally, percentiles could be used instead of fixed thresholds and the entire course of the year should play a role in the evaluation of the elements and urban design

Overview of the PALM model system 6.0

In this paper, we describe the PALM model system 6.0. PALM (formerly an abbreviation for Parallelized Large-eddy Simulation Model and now an independent name) is a Fortran-based code and has been applied for studying a variety of atmospheric and oceanic boundary layers for about 20 years. The model is optimized for use on massively parallel computer architectures. This is a follow-up paper to the PALM 4.0 model description in Maronga et al. (2015). During the last years, PALM has been significantly improved and now offers a variety of new components. In particular, much effort was made to enhance the model with components needed for applications in urban environments, like fully interactive land surface and radiation schemes, chemistry, and an indoor model. This paper serves as an overview paper of the PALM 6.0 model system and we describe its current model core. The individual components for urban applications, case studies, validation runs, and issues with suitable input data are presented and discussed in a series of companion papers in this special issue.Peer reviewe

Maßnahmen zur Hitzestress-Reduzierung anhand Verdunstungsabkühlung

Großflächig versiegelte und hoch verdichtete Stadtstrukturen mit einer geringen Begrünung lassen aufgrund des Klimawandels und zunehmend heiße Tage sogenannte Hitze-Inseln in der Stadt entstehen (Urban-Heat-Island Effekt). Wasser, das verdunstet, kühlt das Mikroklima. Daher sind Maßnahmen günstig, die Regenwasser nicht abführen, sondern längere Zeit speichern, damit es in Hitzeperioden verdunsten kann. Feuchte Böden, Feuchtvegetation, bewässerte Fassaden und gut mit Wasser versorgte Bäume haben die höchsten Verdunstungswerte und kühlen damit am besten. Intelligente Techniken und Verfahren für eine dezentrale Regenwasserbewirtschaftung können im Zusammenspiel mit anderen Maßnahmen einen Beitrag für ein gesundes Stadtklima und die Hitzevorsoge leisten. Sie tragen auch zu einem naturnahen Wasserhaushalt bei und dienen der Überflutungsvorsorge, sind bislang allerdings keine gängige Praxis. Measures for heat stress reduction by evaporative cooling: Due to climate change and increasingly hot days, so-called urban heat islands are being created in the city due to large-scale sealed and highly dense urban structures with poor vegetation cover (urban-heat-island effect). Water which evaporates cools the microclimate. Measures that do not drain rainwater away but store it for a longer period of time so that it can evaporate during heat periods are therefore favourable. Humid soils, wet vegetation, irrigated facades and trees that are well supplied with water have the highest evaporation values and therefore cool best. Intelligent technologies and processes for decentralised rainwater management can, in combination with other measures, contribute to a healthy urban climate and heat prediction. They also contribute to a near-natural water balance and serve to prevent flooding, but are not yet common practic