Bausteine der Energieeffizienz in Siedlungen

Freiflächengestaltung und Klimadesign

von: ,
Energieeffizienz Klimaschutz
Die acht betrachteten Siedlungen im Pilotgebiet der "InnovationCity Ruhr | Modellstadt Bottrop". Als Entscheidungshilfe bei der Auswahl der Gebiete wurden die energetischen Stadtraumtypen (EST) im Pilotgebiet erfasst, die ausgewählten Siedlungen sind überwiegend den EST 1 und EST 3 zuzuordnen. Abb.: TU Darmstadt, KuLaRuhr, TP 1.1, 2013

Das vom BMBF geförderte Verbundprojekt "KuLaRuhr - Nachhaltige urbane Kulturlandschaft in der Metropole Ruhr" setzt sich auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen mit Fragen der nachhaltigen Entwicklung des Ruhrgebiets auseinander.¹ Das Themenspektrum der zwölf beteiligten Forschungsprojekte reicht von der Schadstoffauswaschung bei Wärmeverbundsystemen an Fassaden bis zur Reintegration monofunktionaler Infrastrukturelemente zum Beispiel Autobahnen.

Die TU Darmstadt, Fachgebiet "Entwerfen und Freiraumplanung", ist mit dem Forschungsprojekt "Weiterentwicklung der urbanen Kulturlandschaft der Metropole Ruhr durch nachhaltiges Landschaftsmanagement" (TP01) und seinen vier Teilprojekten am Verbundprojekt KuLaRuhr beteiligt.² Im Teilprojekt "Optimierung der Energieeffizienz von Siedlungen" (TP 1.1) werden die Potenziale von Freiflächen für die Energieeffizienz kleiner Siedlungseinheiten untersucht. Der Potenzialbegriff umfasst die Möglichkeiten zur Nutzung erneuerbarer Energien am Gebäude und in den Freiflächen, sowie die stadtklimatischen Wirkungen der Siedlungsfreiflächen. Das Teilprojekt wird in Kooperation mit der "InnovationCity Ruhr | Modellstadt Bottrop" und der Arbeitsgruppe Klimatologie und Umweltmeteorologie der TU Braunschweig³ durchgeführt. Im Pilotgebiet der InnovationCity Ruhr | Modellstadt Bottrop wurden acht Siedlungen ausgesucht, die im Verlauf des Forschungsprojekts auf ihre energetischen und stadtklimatischen Potenziale untersucht werden.

SUG-Stellenmarkt

Relevante Stellenangebote
Leiter*in der Abteilung Planung und Neubau sowie..., Giessen  ansehen
Ingenieur/-in im Bereich Planung, Neubau, Pflege:..., Berlin  ansehen
Sachbearbeiter*in Gewässerbau in der Abteilung..., Giessen  ansehen
Alle Stellenangebote ansehen
Energieeffizienz Klimaschutz
Kartierung der Vegetationsflächen, Beispiel "Sydowstraße", die Kartierung dient unter anderen als Basis für die stadtklimatische Simulation. Abb.: TU Darmstadt, KuLaRuhr, TP 1.1, 2013
Energieeffizienz Klimaschutz
Ziele der Konzeptionen und Handlungsempfehlungen im KuLaRuhr-Teilprojekt "Optimierung der Energieeffizienz von Siedlungen". Abb.: TU Darmstadt, KuLaRuhr, TP 1.1, 2013

Die grundlegende Fragestellung des Teilprojektes ist der mögliche Beitrag von Freiflächen zur nachhaltigen Siedlungsentwicklung in Bezug auf:

  • die Energieeinsparung und -speicherung inklusive mikroklimatischer Ausgleichswirkungen und Regenwassermanagement sowie
  • die Energieproduktion mit Solarenergie, Geothermie, Biomasseanbau oder Abwasserwärmenutzung.

Bei drei bis vier der betrachteten Siedlungen sollen der stadtklimatische Ist-Zustand und mehrere Entwicklungsszenarien für die Freiflächen in Kooperation mit dem KuLaRuhr-Projekt "Klimatisches Potenzial von Freiflächen in bebauten Bereichen (Siedlungen) - Bewertung der Energiebilanz von Freiflächen" (TP08) der Arbeitsgruppe Klimatologie und Umweltmeteorologie simuliert und bewertet werden. Die Ergebnisse der Simulationen bilden zusammen mit den energetischen Potenzialen die Basis für übertragbare Konzeptionen und Handlungsempfehlungen zu den untersuchten Stadtraumtypen.

Auswahl der Untersuchungsgebiete

Auswahlkriterien für die Untersuchungsgebiete waren die Lage innerhalb des Pilotgebiets der InnovationCity Ruhr | Modellstadt Bottrop, eine möglichst homogene Baustruktur (innerhalb der Siedlung) mit hohem Freiflächenanteil, unterschiedliche Baualtersklassen und Sanierungsstände, sowie unterschiedliche energetische Stadtraumtypen. In Bezug auf die Eigentümerstruktur wurden sowohl Siedlungen mit Einzelbesitzern als auch Siedlungen im Besitz von Wohnungsbaugesellschaften ausgewählt. Die homogene Baustruktur und die Zuordnung zu einem Stadtraumtyp sollen die Konzeptionen und Handlungsempfehlungen auch auf andere Standorte übertragbar machen.

Nach der Bestimmung der energetischen Bedarfe und Potenziale für die acht Untersuchungsgebiete wurden in fünf Gebieten Freiflächen- und Vegetationsstrukturen kartiert und ausgewertet. Erfasst wurden flächenhafte Elemente wie Rasen, Strauchpflanzungen, Beete oder Sukzessionsflächen und Einzelelemente wie Bäume, Sträucher oder Hecken. Die Vegetationsstruktur gibt einerseits Aufschluss über die derzeitige Nutzung und Pflege der Freiflächen und ermöglicht anderseits eine genauere Betrachtung des Biomassepotenzials. Bei der Simulation der stadtklimatischen Wirkungen bildet die Kartierung der Vegetationsstruktur im Status-quo das Ausgangsszenario beim Entwurf des Klimamodells.

Energieeffizienz Klimaschutz
Das Untersuchungsgebiet "Sydowstraße" im Norden des Pilotgebiets der "Innovation City Ruhr | Modellstadt Bottrop. Für diese Siedlung wurde der klimatische Ist-Zustand bereits mit dem Programm "ENVI-met" simuliert. Foto: Jana Gienke
Energieeffizienz Klimaschutz
Das Untersuchungsgebiet "Am Langen Damm" ist eine Siedlung in Zeilenbauweise. Hier laufen die klimatischen Messungen noch bis zum Frühjahr 2014. Foto: Jana Gienke
Energieeffizienz Klimaschutz
Die "Prospersiedlung" ist das kleinste Untersuchungsgebiet mit kompakter Zeilen- und Reihenhausbebauung. Auch hier laufen derzeit noch Messungen. Foto: Jana Gienke

Ermittlung der energetischen Bedarfe und Potenziale

Die energetischen Kennwerte der betrachteten Siedlungen wurden mit Hilfe der Ergebnisse des Forschungsprojekts "UrbanReNet"4 ermittelt. In diesem Forschungsprojekt wurden zur schnellen und einfachen Bestimmung des energetischen Ist-Zustandes von Stadtgebieten dreizehn energetische Stadtraumtypen entwickelt, die mit energetischen und stadtstrukturellen Kennwerten hinterlegt sind. In Form von Steckbriefen stehen diese Kennwerte online zur Verfügung.

Für die betrachteten Siedlungen wurden auf dieser Basis die Potenziale zur Nutzung von Photovoltaik, Solarthermie, Geothermie und Biomasse aus Pflege oder Anbau bestimmt. Die mit Hilfe der Kennwerte ermittelten Heizwärmebedarfe wurden mit den realen Heizwärmeverbräuchen (soweit diese von den Wohnungsbaugesellschaften zur Verfügung gestellt werden konnten) verglichen, die Abweichungen betrugen weniger als zehn Prozent. Bei maximaler Ausnutzung der verfügbaren Dach- und Freiflächen würden alle betrachteten Siedlungen in der Jahressumme rechnerisch mehr regenerative Energien generieren, als zur Deckung der Bedarfe notwendig wären. Die Potenziale der Biomasse sind in allen Siedlungen aufgrund der geringen Energiedichte von Biomasse relativ gering. Zum Vergleich: Ein Hektar PV-Module kann etwa 1000 MWh/Hektar/Jahr Strom generieren, ein Hektar Mais nur 18,5 MWh/Hektar/Jahr.5 Für die Nutzung von Biomasse sprechen allerdings ihre einfache Lagerung (bei holziger Biomasse) und ihre geringen Gestehungskosten.

Stadtklimatische Simulation

In Kooperation mit dem KuLaRuhr-Projekt "Klimatisches Potenzial von Freiflächen in bebauten Bereichen (Siedlungen) - Bewertung der Energiebilanz von Freiflächen" der Arbeitsgruppe Klimatologie und Umweltmeteorologie der TU Braunschweig werden für drei bis vier der betrachteten Siedlungen klimatische Messungen durchgeführt. Für die Siedlung "Sydowstraße" (freistehende Mehrfamilienhäuser) und zwei Referenzstandorte (teilversiegelt + randstädtisch; unversiegelt + Umland) wurden die zwölf Monate dauernden Messreihen im Frühjahr 2013 abgeschlossen.

Energieeffizienz Klimaschutz
Übersicht der jährlichen Bedarfe und Potenziale der Wärmeversorgung am Beispiel der Siedlung "Sydowstraße" bei Ausnutzung aller verfügbaren Potenzialflächen. Die Nutzung von Photovoltaik (Stromversorgung, ohne Abbildung) und Solarthermie bzw. Biomasse aus Pflege und Biomasse aus Anbau sind alternative Nutzungen der gleichen Potenzialflächen, sie können nicht aufaddiert werden. Abb.: TU Darmstadt, KuLaRuhr, TP 1.1, 2013
Energieeffizienz Klimaschutz
Räumliches "ENVI-met-Modell" der Siedlung "Sydowstraße": Grau sind die Gebäude, grün, die raumwirksame Vegetation, blau sind potenzielle Flächen zur dezentralen Versickerung. Abb.: TU Baunschweig, KuLaRuhr, TP08, Prof. Dr. S. Weber, M.Sc. Jannik Heusinger, 2013
Energieeffizienz Klimaschutz
Ist-Zustand der Siedlung "Sydowstraße" an einem Sommertag, 14 Uhr in 1,8 Metern über dem Boden. Die gelben bis magenta-farbenen Bereiche sind die warmen Straßenflächen, schwarz die Gebäude, hellblau bis hellgrün sind die kühlen unversiegelten Freiflächen. Abb.: TU Baunschweig, KuLaRuhr, TP08, Prof. Dr. S. Weber, M.Sc. Jannik Heusinger, 2013

Für die "Prospersiedlung" (Zeilen- und Reihenhausbebauung), die Siedlung "Am Langen Damm" (Zeilenbebauung) und das Gewerbegebiet "An der Knippenburg" wurde anschließend eine ebenfalls einjährige Messreihe begonnen, die im Frühjahr 2014 abgeschlossen sein wird. Gemessen werden jeweils die Temperatur und die relative Luftfeuchte. An den beiden Referenzstandorten wurden die komplette Strahlungsbilanz (kurz- und langwellige Ein- und Ausstrahlung) sowie die Wärmebilanz (turbulenter fühlbarer und latenter Wärmefluss beziehungsweise Verdunstung) der Oberflächen erfasst.

Nach Abschluss der Messreihen können für die Siedlungen der Ist-Zustand und verschiedene Szenarien mit Hilfe des dreidimensionalen Stadtklimamodells "ENVI-met" modelliert werden. Das Programm "ENVI-met" bildet die Wechselwirkung von baulichen und vegetativen Stadtstrukturen und dem Mikroklima am Ort ab. Eingangsgrößen sind die realen Klimadaten des Standortes. Die bestehende Bau- oder Freiflächenstruktur kann im Modell geändert und so die klimatischen Auswirkungen der Veränderung simuliert werden.

Für die Simulation kann das Gebiet in einer Genauigkeit von einem halben Meter horizontaler Auflösung abgebildet werden. Eine gröbere Auflösung ist bei großen Gebieten möglich und kann die Rechenzeit reduzieren. Das Klimamodell zur Siedlung "Sydowstraße" simuliert eine Fläche von etwa 250 x 250 Metern. Es bildet die Auswahlsiedlung mit der umliegenden Topographie ab. Die Rechenzeit des Modells für die Simulation eines Tages beträgt bis zu einer Woche. Errechnet werden die Verteilung von Temperatur und Feuchte, sowie das Strömungsfeld.

Weitere in "ENVI-met" abbildbare Faktoren sind unter anderem:6

  • Strahlungsbilanz, das heißt, kurz- und langwellige Einstrahlung mit Verschattung, Reflexion und Wärmestrahlung der Vegetation und Fassaden
  • Energiebilanz der Oberflächen und der Vegetation, das heißt, Verdunstung und fühlbarer Wärmefluss
  • Oberflächentemperatur von versiegelten oder unversiegelten Bodenflächen sowie der Fassadenflächen
  • Wärme- und Wasserhaushalt des unversiegelten Bodens
Energieeffizienz Klimaschutz
Simulationsszenario "Holziger Biomasseanbau" für die Siedlung "Sydowstraße". Durch die raumwirksame Biomasse können sowohl Kühleffekte durch Verschattung wie auch Aufheizungseffekte durch Reduktion des Luftaustausches auftreten. Abb.: TU Darmstadt, KuLaRuhr, TP 1.1, 2013.

Für die Simulation wird als Ausgangsszenario ein Sommertag (Strahlungstag) angenommen. Die Werte für 14 Uhr beziehen sich auf eine Höhe von 1,8 Metern über dem Boden und zeigen eine deutliche Aufheizung im Straßenbereich (in Abb. gelb bis magenta). Die unversiegelten Freiflächen sind deutlich kühler.

Für zukünftige Simulationen werden die Freiflächen modifiziert. Dazu soll im Modell der Bereich der Mietergärten durch den Anbau von Biomasse ersetzt werden. Der Biomasseanbau wird einmal mit krautiger Biomasse simuliert (etwa einer Wildstaudenmischung wie im Projekt "Energie aus Wildpflanzen"7) und einmal mit holziger Biomasse (zum Beispiel Pappel-Kurzumtriebsplantagen). Die klimatische Simulation verschiedener Biomasse-Konzepte kann Aufschluss über die klimatischen Wirkungen eines städtischen oder stadtnahen Biomasseanbaus geben, die bislang noch nicht untersucht wurden.

Je nach Ausrichtung der Kurzumtriebsplantagen können diese beispielsweise zu einem Strömungshindernis werden. Tagsüber könnten durch die Verschattung deutlich kühlere Bereiche entstehen. Es ist davon auszugehen, dass die krautige Biomasse nachts deutlich stärker auskühlen wird als eine Kurzumtriebsplantage, tagsüber ist die Aufheizung höher.

Mögliche weitere Szenarien zur Simulation sind Dach- und Fassadenbegrünungen, der Einsatz von PV-Modulen in den Freiflächen und im Straßenraum, sowie die Auswirkung von Retentionsflächen. Beim Einsatz von Photovoltaik in Form von Solarcarports oder Solarpergolen kann es sowohl zu einer Verschattung der darunter liegenden Bereiche kommen wie auch zu einer starken Aufheizung der darüber liegenden Luftschichten. Hierzu liegen bislang ebenfalls noch keine Daten zur klimatischen Wirkung im Bereich ganzer Siedlungen vor. Für die "Prospersiedlung" und die Siedlung "Am Langen Damm" sowie das Gewerbegebiet "An der Knippenburg" können erst im nächsten Jahr (nach Abschluss der Klimamessung) Simulationen gerechnet werden. Die Szenarien für die weiteren Siedlungen orientieren sich an denen der Siedlung "Sydowstraße" um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten.

Die klimatischen Auswirkungen der verschiedenen Szenarien werden zusammen mit dem möglichen Biomasseoutput und dem notwendigen Pflegeaufwand als Planungskriterien in die Konzeption für die betrachteten Stadtraumtypen einfließen. Ziel ist eine ansprechende Freiflächengestaltung, die bei gleichbleibenden oder geringeren Pflegekosten einen positiven Beitrag zum Mikroklima im Siedlungsbereich liefert und nutzbare Biomasse bereitstellt. Die Ergebnisse des Projektes und der Simulationen werden voraussichtlich im Sommer 2014 veröffentlicht.

Anmerkungen

1) Das Verbundprojekt KuLaRuhr hat eine Laufzeit von 2011 bis 2014, es ist Teil der BMBF-Fördermaßnahme "Nachhaltiges Landmanagement", Modul B: "Innovative Systemlösungen für ein nachhaltiges Landmanagement", Internetseite: www.kularuhr.de

2) Die vier Einzelforschungsprojekte der TU Darmstadt, Fachgebiet "Entwerfen und Freiraumplanung", Prof. Dr. Jörg Dettmar, sind: A - Optimierung der Energieeffizienz von Siedlungen (Ansprechpartner: Jana Gienke und Sandra Sieber); B - Entwicklung einer Regionalen Biomassestrategie; C - Integration zukünftiger Siedlungsflächen auf Bergbaufolgestandorten und bei Modellprojekten nachhaltiger Siedlungsentwicklung; D - Reintegration monofunktionaler Infrastrukturen in die urbane Kulturlandschaft; Internetseite: www.kularuhr.de/index.php/landschaftsmanagement.ht...

3) Prof. Dr. Stephan Weber, Institut für Geoökologie, Abteilung für Klimatologie und Umweltmeteorologie, KuLaRuhr Forschungsprojekt "Klimatisches Potential von Freiflächen in bebauten Bereichen (Siedlungen) - Bewertung der Energiebilanz von Freiflächen" (TP 08).

4) Ebenfalls TU Darmstadt, Fachgebiete "Entwerfen und Energieeffizientes Bauen", Prof. Manfred Hegger und "Entwerfen und Freiraumplanung", Prof. Dr. Jörg Dettmar. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts stehen online zur Verfügung www.ee.architektur.tu-darmstadt.de/ee/forschung_ee/laufendeforschungsprojekte.de.jsp. Siehe auch Stadt+Grün 3/2013 S. 15-18: "Energetische Quartiersplanung - Potenziale und Bedarfe städtischer Freiräume".

5) Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR): Strom - natürlich aus Biogas, Gülzow, 2012, mediathek.fnr.de/grafiken/daten-und-fakten/bioenergie/biogas/strom-naturlich-aus-biogas.html (Stand: 28:06.2013).

6) Vgl. Internetseite ENVI-met: www.envi-met.com/ (Stand: 05:08.2013).

7) Vgl. Internetseite des Forschungsprojekts Energie aus Wildpflanzen: www.lebensraum-brache.de/Projekte/Biogas/index.php (Stand: 05:08.2013).

Maria Schmidt und Sandra Sieber
Dr.-Ing. Sandra Sieber
Autorin

Landschaftsarchitektin, Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachgebiet Entwerfen + Freiraumplanung der TU Darmstadt und am Institut für Landschaftsarchitektur der RWTH Aachen University

TU Darmstadt

Ausgewählte Unternehmen
LLVZ - Leistungs- und Lieferverzeichnis

Die Anbieterprofile sind ein Angebot von llvz.de

Redaktions-Newsletter

Aktuelle grüne Nachrichten direkt aus der Redaktion.

Jetzt bestellen