ESPRESSO – systEmic Standardisation apPRoach to Empower Smart citieS and cOmmunities

Innovative Informations- und Kommunikationstechnologie ist ein Schlüsselelement bei der Transformationzur Smart City. Aus technologischer Sicht muss in den städtischen IKT-Netzwerken ein bestimmter Standardisierungsgrad erreicht werden. Diese Standards müssen gleichermaßen für Stadtverwaltungen, Unternehmen und Bürger offen sein und so innovative Bottom-up-Lösungen ermöglichen. Das ESPRESSO-Konsortium umfasst Partner aus Smart Cities, öffentlichen Verwaltungen, europäischen Normungsorganisationen, nationalen Normungsgremien,Standardentwicklungsorganisationen, Industrievertretern und Forschungseinrichtungen. Das Hauptziel von ESPRESSO ist es, die Interoperabilität von Smart City-Lösungen sicherzustellen. Dies hilft Städten, Eintrittsbarrieren oder die Abhängigkeit von Anbietern zu vermeiden, indem sie gemeinsame Metadatenstrukturen und Anstelle von Proprietäten, offeneinteroperable Schnittstellen verwenden. Um dieses Ziel zu erreichen, hat ESPRESSO ein konzeptionelles Smart-City-Informations-Framework entwickelt, das auf offenen Standards basiert. Für diesen Rahmen ist es notwendig, ein gemeinsames Smart City-Vokabular zu entwickeln und Referenzarchitektur sowie Stadtinformationsindikatoren zu definieren. Im Rahmen des Projekts wurde ein auf Fallstudien basierender Ansatz verwendet, um Schlüsselanforderungen für weitere Standardanalyseaktivitäten zu identifizieren. Durch eine zusätzliche Stärken-Schwächen-Analyse wurden sowohl existierende als auch neu entwickelte Standards untersucht, umdie aktuell verwendeten Standards zu verbessern und verlässlichere für die Zukunft zu entwickeln. Die meisten der ursprünglich entwickelten Smart City Konzepte konzentrieren sich auf die Optimierung und Effizienz des Siedlungsraums. Häufig sind diese Ansätze top-down organisiert und betrachten den sozialen Stadtbereich nur unzureichend. Um die sozialen Auswirkungen und die gesellschaftliche Akzeptanz der entwickelten Lösungen zu verbessern, hat ESPRESSO ein Stakeholder-Kommunikationsnetzwerk eingerichtet, das einen frühen Dialog zwischen allen Beteiligen ermöglicht. Zur Unterstützung des theoretischen Ansatzes hat ESPRESSO vier Fallstudien in zwei Pilotstädten, Rotterdam (Niederlande) und Tartu (Estland), durchgeführt. Dabei wurde in unterschiedlichen Szenarien der Einsatz von standardisierten Smart City Lösungen getestet und anschleißend analysiert

Siedlungsgebundene Unterflur-Überwärmung und deren Risikopotenzial für Infrastruktur und Gesundheit

Das Phänomen der siedlungsgebundenen Überwärmung ist äußerst vielschichtig. Entsprechend der Tatsache,dass die städtische Wärmeinsel (UHI) in ihrem horizontalen Erscheinungsbild als „einfache“ Lufttemperaturglocke dargestellt werden kann, zeigt sich, dass die oftmals als eine Einheit betrachtete UHI auch in der vertikalen Lufttemperaturverteilung mit zunehmender Höhe über Grund Modifikationen aufweist. Dementsprechend lassen sich grundsätzlich vier vertikale urbane Überwärmungsbereiche unterscheiden (Oberflächenwärmeinsel, Stadthindernisschichtwärmeinsel, Stadtgrenzschichtwärmeinsel, Unterirdische urbane Wärmeinsel), die sich in ihrer Intensität, dem zeitlichen Verhalten, der räumlichen Form und dem Grad ihrer Homogenität unterscheiden. Von den oben genannten vertikalen Wärmeinseln ist die unterirdische die in der Fachliteratur bisher amgeringsten beachtete. Wenig ist bisher bekannt über die Intensität und das räumliche Erscheinungsbild,ebenso wie über die individuellen Faktoren, die zur Entstehung dieser beitragen. Den physikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen, meist künstlichen Baumaterialien folgend, wird durch die Aufheizung der Bodenoberfläche und Gebäude die Wärme nicht nur in die Atmosphäre, sondern auch in den Untergrund abgeleitet. Hieraus resultiert eine Überwärmung unter Grund, die einige Meter in den Boden hineinreichen kann. Je nachdem wie stark diese ausgebildet ist bzw. sollte die Untergrundversiegelung das Grundwasserniveau erreichen, ist die Überwärmung auch im Grundwasser nachweisbar. Ein Risiko, welches die unterirdische Wärmeinsel in der Zukunft hervorrufen könnte, ist die entstehende „thermische Verschmutzung“ des Bodens. Vor allem der Wasserhaushalt, speziell die Versorgung mit Trinkwasser, spielt eine tragende Rolle, wenn der Frage nachgegangen wird, wie sich Veränderungen der Bodentemperatur auf das durch den Boden geführte Trinkwasser auszuwirken vermag. Da der überwiegende Anteil der Trinkwasserleitungen im Bereich der Verkehrsinfrastruktur liegt, der klimatopunabhängig am stärksten von der Erwärmung des Bodens betroffen sein wird, kann eine stetig steigende Bodentemperatur auf dem Niveau der Trinkwasserleitungen durchaus ein trinkwasserhygienischesRisikopotenzial darstellen

Sustainable Urban Development by Expanding the Green Roofs to Improve the Urban Environment Quality (Case Study: Karaj, the fourth most populous City in Iran)

Global climate change, which is also occasionally a result of urbanization, has brought the relationship between humans and the environment to a serious discussion. Humans have eroded the balance of nature because of incorrect use and the increasing rate of energy consumption and energy resource constraints. In addition to the environmental pollution and waste of human capitals, there is not only the danger of environment destruction, but also the future of human life is at risk. Iran is not spared from this global change and even because of various issues including e.g. geographical factors (a large part of Iran is located in hot and dry desert climate), energy consumption patterns, fossil fuel resources, is grappling with climatic and environmental problems more than other countries. Growth in annual consumption of energy has led the need to adherence to the goals of sustainable urban development to be more and more recognizable. Karaj city which is a metropolis in Iran and rapidly growing, has also the same situation. Karaj is the center of Alborz- the 31st province of Iran - and is located 34 kilometers west of Tehran. Unprecedented increase in the population of the city- Karaj is the forth populous city in Iran with a population of more than 2,000,000 people- and other urban issues today, have been followed by many problems including environmental onessuch as heavy traffic, noise and air pollution. Therefore, it seems to be a good solution for these problems helping Karaj to achieve the goals of sustainable urban development by rooftop greenin. Green roofs can have major environmental impacts on contemporary cities due to improve and sustain the quality of urban environment. That is why the purpose of this project is the introduction of green roofs as a strategy for sustainable urban development particularly in the city of Karaj. The project has been started to be processed. The environmental sustainability of Karaj should be assessed with the environmental and consumption data like e. g. annual energy consumption, air pollution, per-capita green space. Five regions have been chosen in different city areas based on the relation between built area volumes (buildings) and green spaces (each of them is one square kilometer at least). Based on this fact that climatic situations, framework shape and city components are the most important factors, which affect the performance of green roofs in an area, these areas have been simulated by the numeric simulation modelEnvimet. Afterwards, according to obtained statistics, there would be a particular program (Karaj environmental strategic plan) to make use of green roofs. This program will function based on the factors: regional climate and micro-climates, annual rainfall, average solar radiation energy, drought periods, frost days and wind direction as well as wind speed. In the end, specific criteria for future construction of green roofs and existing buildings would be suggested and implemented in a sample neighborhood

Smartphonegestützte Bestandsaufnahme zur ökologischen Bewertung von Siedlungsräumen

Der Mensch wird nicht nur durch den globalen Klimawandel beeinflusst, sondern ebenfalls durch lokale Veränderungen, die durch die anthropogene Überformung der Landschaft entstehen. Dieser „Stadtklimawandel“ ist nicht nur in großen Städten zu erkennen, sondern findet bereits auf kleinräumiger Ebene statt. Dabei können schon kleine Veränderungen (z.B.: Temperaturanstieg im Vergleich zum Umland) zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Lebensqualität führen und bei Risikogruppen, wie kleinen Kindern oder Senioren, gesundheitliche Probleme hervorrufen. Während meist große Städte die Finanzkraft besitzen diesen Stadtklimaeffekt durch empirische Erhebungen oder komplexe Modellierungen nachzuweisen und zu analysieren fehlen kleinen Gemeinden oft diese Mittel. Eine ökologisch ausgerichtete Siedlungsentwicklung ist allerdings nur unter zur Hilfenahme einer belastbaren Bestandsaufnahme der ökologischen Rahmenbedingungen möglich. Die Kosten von empirische Erhebungen und nummerischen Modellierungen können zwar durch eine Verringerung der räumlichen Auflösungen bzw. der Detaillierung reduziert werden, doch dabei wird die Belastbarkeit der Ergebnisse erheblich verschlechtert. Die vorgestellte Matrixmethode beruht auf der Betrachtung von siedlungsökologisch relevanten Indikatoren (z.B. Versiegelungsgrad oder Grünflächenanteil). Diese werden allerdings nicht wie bisher üblich getrennt voneinander betrachtet, sondern in Bezug zueinander gesetzt, sodass die Wirkungszusammenhänge, die zur Ausprägung eines Stadtklimaphänomens führen, berücksichtigt werden. So kann beispielsweise eine Wiesenfläche als potenzielles Kaltluftentstehungsgebiet klassifiziert werden, doch erst eine Hangneigung, mit einer geringen Oberflächenrauigkeit, in Richtung des Siedlungsraums ermöglicht eine stadtklimarelevante Wirkung. Die Bestandsaufnahme der Indikatoren erfolgt anhand eines Rasters mit einer Auflösung zwischen 50 und 100 Metern. Dazu wird ein Fragenkatalog entwickelt, mit dem in einer Smartphone- oder Tablet-App vor Ort zu jedem Raster die benötigten Indikatoren abgefragt werden können. Diese einfache Handhabung ermöglicht es auch Laien die Bestandsaufnahme durchzuführen, um so die Kosten zu reduzieren. Die so gewonnenen Ergebnisse werden in einer Datenbank gespeichert und im Anschluss mithilfe eines Geographischen Informationssystems ausgewertet werden. Die verwendeten Matrizen erlauben eine Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit eines Stadtklimaphänomens aufgrund der verwendeten Indikatoren. Je nach Auswirkung des Phänomens auf den Menschen, kann diese Eintrittswahrscheinlichkeit als positiv oder negativ bewertet werden. Auf diese Weise können Risiko- und Potenzialkarten erstellt werden, die die Gemeinden dabei unterstützen können, eine siedlungsökologisch orientierte Gemeindeentwicklung voranzutreiben und gezielte Handlungsempfehlungen zu entwickeln

Reaktionen einer angewandten und planungsorientierten Stadtklimatologie auf die rezenten Veränderungen urbaner Strukturen

Den Verantwortlichen der Stadt- und Umweltplanung ist es mehr denn je gelegen, dass sie fachbezogene Antworten zu klimatisch-lufthygienischen Fragestellungen im urbanen Raum erhalten. Die angewandte, planungsorientierte Stadtklimatologie stellt das Bindeglied zwischen Klimatologie und Stadtplanung dar. In diesem Zusammenhang gilt es aktuell Fragen nachzugehen, wie z. B. die durch „Schrumpfende Städte“ offerierten, frei werdenden Flächen stadtklimatologisch sinnvoll in neue Nutzungsstrukturen integriert werden können, damit diese als potenzielle Areale (z. B. Kaltluftproduktionsflächen) einer klimaangepassten Planung zur Verfügung stehen können. Ebenso werden weitestgehend vergessene urbane Reserveflächen (z. B. Dachbegrünung) in Bezug auf die Schaffung eines verbesserten Mikroklimas v. a. in Städten arider und semiarider Räume immer stärker in den Fokus gerückt. Aus lufthygienischer Sicht ist es an der Zeit Datenbanken zu entwickeln, die sich mit dem Kronendach respektive der Auswahl des Straßenbegleitgrüns befassen, da ein dichter Bestand einen verminderten Luftaustausch bedingt, was zu Schadstoffanreicherungen führen kann, die vergleichbar sind mit einer urbanen Straßenschlucht. Das Wissen und die Kenntnis bezüglich des lokalen Klimas und der daraus resultierenden lufthygienischen Situation sowie deren klimatische Funktionszusammenhänge stellen wichtige Aspekte der Umweltvorsorge und Stadtentwicklung dar. Die beiden Schutzgüter Klima und Luft sind wichtige Bestandteile räumlicher Planung im Abwägungsprozess der Bauleitplanung, Umweltverträglichkeitsprüfungen und entsprechenden Standortuntersuchungen. Ziel einer angewandten und planungsorientierten Stadtklimatologie ist aus klimatischer Sicht die Identifizierung von urbanen Problemfeldern und über die Berücksichtigung flächenund objektbezogener Handlungsfelder, die Sicherung, Entwicklung und Wiederherstellung immissionsklimatisch relevanter Flächennutzungsstrukturen

Urban Sensing App – A Mobile Tool for Urban Sensing and Climate Monitoring in Smart Cities

Mobility is a central aspect of today´s life. Humans have becomedigital nomads, just as information and knowledge is increasingly ubiquitously available. In addition to the smart networks (grid-based and wireless), which create a new urban topography, a new multifunctional tool becomes prominent: the smartphone. It has developed into an all-rounder and has established its significance for urban life. The homo sapiens has developed into the permanently wired homo junctus (or homo sapiens junctus). He takes in and designs his surroundings by using this new tool. It is the key to bi-directional exchange of information, money, authentications, support and communication with other people. The aim of this paper is to present a newly developed application, which will extend the smartphone functions in order to collect climate data automatically and autonomously in an urban sensing scenario. The smartphone sensors are read out and the results are converted into climate data. Thus, combined with crowd sourcing, a new type of climate monitoring is created. Additionally, it is demonstrated how the results of such measurements can be saved, interpreted, and of course used. Furthermore, some specific examples of mobile monitoring using smartphones, coupled with crowd sourcing, are presented, which illustrate how this type of climate measurement can increase the quality of life of the urban populatio

An Urban Sensing System as Backbone of Smart Cities

A complex urban ecosystem, with various local climate and air quality influences, emerges within urban structures with interacting anthropogenic and natural factors. These influences have different temporal and spatial characteristics. Human well-being is influenced by a multitude of microclimatic effects, which are elementary for urban planning. These form the basis of intelligent control and design of various processes within urban smart cities. For example, micro climatic modeling helps to get a better understanding of temperature changes in diverse urban areas. Possible consequences of different planning scenarios can be explored in advance. The required data for such scenarios are mainly collected at selected locations by multiple individuals. However, the collection of the complete urban data is expensive and time consuming. The non-standardization of data saving formats and measurement procedures leads to various deviations. In future, all relevant data of a smart city should be available ubiquitously and in real time. The aim of this paper is to present a possibility of data standardization and data saving in a worldwide accessible data base. Furthermore, it should be addressed how the data base has to be structured, where local climate data can be saved, and how the data can be made accessible. The basis for this system consists of the interface between the database and different measurement instruments, whose values are stored directly in this data base. For this reason, the data base is essential for the central data infrastructure of smart cities. In addition, this paper shows how a freely accessible system not only improves the quality of urban life, but also makes it measureable

Klimabelange in der Bauleitplanung

Aufgrund steigender Bau- und Bevölkerungsdichten und der Ausweitung des Siedlungsflächenanteils in urbanen Räumen, einer Verschiebung der Altersstruktur und einer durch den Klimawandel bedingten Zunahme von Extremwetterereignissen wird die Stadtbevölkerung zunehmend Umweltbelastungen ausgesetzt sein. Klimaindizierte Auswirkungen (u. a. Hitzeperioden, Starkregen) werden zudem innerhalbdes Stadtkörpers in Folge hoher Versiegelungsgrade, einem verringerten Luftaustausch der urbanen Atmosphäre und einer steigenden lufthygienischen Belastung nochmals verschärft. Um diese Herausforderungen in Städten zu bewältigen, bedarf es u. a. entsprechender Lösungsmöglichkeiten in der Bauleitplanung, die mit der Flächennutzungsplanung die gesamtstädtische Entwicklung und mit derBebauungsplanung kleinräumige Bebauungs-, Erschließungs- und Freiflächenstrukturen rechtsverbindlich festlegt. Das Aufgabenspektrum der Bauleitpläne ist dabei vom Gesetzgeber u. a. mit der im Jahre 2011 in das Baugesetzbuch eingefügten Klimaschutzklausel in § 1a Abs. 5 BauGB (sog. Klimaschutzklausel) erweitert worden. Sie soll seither auch dazu beitragen, dem Klimaschutz und der Klimaanpassung, insbesondere in der Stadtentwicklung durch Konzeptionen und die konkrete Festlegung baulicher Maßnahmen angemessen Rechnung zu tragen. Der Gesetzgeber hat dafür nach und nach auch konkrete Festsetzungsmöglichkeiten zur Klimaanpassung in den § 9 Abs. 1 BauGB integriert, der die Inhalte des Bebauungsplans regelt. Daraus ergeben sich grundsätzlich gute Möglichkeiten zur Umsetzung umfassend integrierter räumlicher Klimaschutz- und Klimaanpassungskonzepte in städte- und z. T. auch hochbaulicher Hinsicht. In der Planungspraxis wird allerdings, oftmals aufgrund fehlender Betroffenheit bzw. Unwissenheit, den klimatischen Belangen wenig Bedeutung beigemessen. Daher ist eine systematische und strukturierte Vorgehensweise von Nöten, um aufdie gegenwärtigen und zukünftigen Herausforderungen reagieren und agieren zu können

Die dunkle Nacht erhebt sich – Sternenparks als informelles und kommunales Steuerungselement für Natur- und Freiraumschutz

Die anthropogene Aufhellung des Nachthimmels durch künstliche Beleuchtung hat in den letzten Jahren stetig zugenommen. Straßenlaternen, Flutlichtanlagen, Skybeamer und Bodenstrahler erhellen mehr oder weniger große Flächen, die eigentlich nicht beleuchtet werden sollten. Dieses Phänomen wird als Lichtverschmutzung oder Lichtsmog bezeichnet. Überall verdrängt anthropogenes Licht die natürliche Dunkelheit, nicht ohne Folgen für die menschliche Gesundheit. Aber auch aus ökonomischer Sicht sind die Folgen der Lichtverschmutzung für Städte und Gemeinden eine nicht zu vernachlässigende Aufgabe. Es ist festzustellen, dass ein ineffizient gesteuerter Einsatz von künstlichem Licht, gleich welcher Art, eine enorme Energieverschwendung darstellt. Für das langfristige Erreichen der gesteckten Klimaschutzziele, wie z. B. die Einsparung von CO2-Emissionen, ist der unkontrollierte und ungesteuerte Einsatz von anthropogenem Licht kontraproduktiv. Die daraus resultierenden volkswirtschaftlichen Auswirkungen auf den Energieverbrauch unserer Städte und Gemeinden sind nicht zu vernachlässigen. Inzwischen hat das Phänomen der Lichtverschmutzung den Charakter einer „schädlichen Umwelteinwirkung“ im Sinne des Bundes-Immissionsschutzgesetzes. Damit existiert ein konkretes System zur Bewertung der Auswirkungen von Lichtimmissionen auf den Menschen und die natürlichen Lebensgrundlagen. Nutzungspotentiale von Licht können sich aus anthropogenen Lichtquellen ergeben, wenn diese z. B. touristisch vermarktet werden, architektonische Stimmungslagen hervorheben oder das individuelle Sicherheitsempfinden durch beleuchtete öffentliche Plätze und Straßen erhöht wird. Im kommunalen Bereich ergeben sich daraus Zusammenhänge, die für die Themen „Lichtverschmutzung“ und „Sternenparks“ von Bedeutung sein können. Öffentliche Beleuchtung emittiert Licht. Hier ist zu klären, wo es ankommt und welche Bedeutung dies für den jeweiligen Raum hat. Daraus ergeben sich finanzielle Aspekte, die eng mit dem Thema „Lichtverschmutzung“ verbunden sind. Ineffiziente Lichtquellen einfach abzuschalten ist jedoch keine Option. Gefragt sind informelle Lösungen und ein innovatives Management des anthropogenen Lichtbedarfs, wie es beispielsweise durch die Einrichtung von „Sternenparks“ bereits praktiziert wird. Durch den aktiven Schutz natürlicher Nachtlandschaften ergeben sich positive Nebeneffekte, da nicht nur Energie, sondern auch monetäre Mittel eingespart werden. Bei dem Versuch einer theoretischen Einordnung von „Sternenparks“ als informelles und kommunales Steuerungselement für den Natur- und Freiraumschutz lässt sich die aktuelle klimapolitische und umweltpolitische Diskussion als übergeordnete Struktur sehr gut heranziehen. Der Lichtverschmutzung wird in diesem komplexen Wirkungsgefüge auf den ersten Blick keine entscheidende Rolle zugeschrieben. Es lassen sich jedoch sozioökonomische und sozioökologische Zusammenhänge herstellen, deren Bedeutung für die angesprochenen Teilbereiche erstaunlich ist. Die „Sternenparks“ können als ein Element betrachtet werden, das diese negativen Entwicklungen zwar nicht vollständig umkehrt, aber einen wichtigen Beitrag zum Natur- und Freiraumschutz leistet, indem sie sich für den Schutz der natürlichen Nachtlandschaften einsetzen. Das Projekt soll einen Beitrag zur informellen Regionalentwicklung leisten und innovative Impulse für eine breite Vernetzung und einen Informationsaustausch der Akteure geben. Das Format des „Sternenparks“ als informelles Steuerungselement für den Natur- und Freiraumschutz wird herausgearbeitet und als Grundlage für ein nachhaltiges Konzept einer ökonomisch und ökologisch orientierten Lichtkultur genutzt. Ebenso soll durch eine gezielte Analyse untersucht werden, wie einzelne Regionen dieses informelle Instrument für Natur- und Freiraumschutzmaßnahmen nutzen, um z. B. die öffentliche Straßenbeleuchtung ökologisch und vor allem ökonomisch umzurüsten