Energieeffizienz durch Verbesserung des Outdoor

Energieeffizienz durch Verbesserung des
Outdoor-Mikroklimas
Prof. Dr. Sahar Sodoudi
Institut für Meteorologie, AG Stadtklima
Freie Universität Berlin
http://www.geo.fu-berlin.de/en/met/ag/Stadtklima
Email: [email protected]
11.07.2017
11.07.2017
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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
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Klimawandel
Anstieg der Jahresmitteltemperatur
Source: IPCC Fifth Assessment Report
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Klimawandel
Anstieg der Jahresmitteltemperatur
2016 – 2035:
im Verglich zum Zeitraum 1986-2005
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
2081 – 2100:
im Verglich zum Zeitraum 1986-2005
RCP 2.6: 0.3°C – 1.7°C
RCP 4.5: 1.1°C – 2.6°C
RCP 6.0: 1.4°C - 3.1°C
RCP 8.5: 2.6°C – 4.8 °C
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Klimawandel
Anzahl der heißen Tage 1876-2008
Anzahl der Frosttage 1876-2008
Quelle: Deutscher Wetterdienst
Station Dahlem, Berlin
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Höhere Temperaturen in den Städten
• Globale Erwärmung
(Anstieg der Treibhausgase)
• Urbanisierung
(Versiegelte Flächen & Fehlende
Vegetation)
Sodoudi et al., 2014
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Beispiel: Städtische Wärmeinsel/ Berlin
Stadt
Umland
2m-Temperatur während der Hitzeperiode 20.-28.07.2006
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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, 2017
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Gebäude-Energieverbrauch und UHI
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Gebäude-Energieverbrauch und UHI
Grün: Mit Isolierung
Rot: Ohne Isolierung
Relative Abweichung der Kälteenergieverbrauch in der Stadt im Vergleich zum
Umland
Zinzi & Carnielo, 2017
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Stadtklimaanalye für Berlin/ Erweiterung des
Stadtmessnetzes
ASTER
Standardabweichung
Satellitendaten
mean LST
Zusammenhang zwischen der Oberflächentemperatur und der Lufttemperatur (Gallo et al., 2011)
Clusteringmethode (lokale Effekte)
35 Klassen
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Erweiterung des Stadtmessnetzes der FU-Berlin
Messstationen in den verschiedenen Klassen (35)
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Räumliche Verteilung der Temperatur
Buchholzer Str.
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Maßnahmen?
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• Klimaschutz/Klimaanpassung
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• Minderung der Städtischen
Wärmeinsel
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• Energieeffizienz/ Menschlicher
thermischer Komfort
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Beispiele aus Forschungsprojekten
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Städtische Wärmeinsel in Teheran (6. urbaner Bezirk)
Landnutzungsklas
se
Versiegelte
Flächen (Gebäude,
Gehwege)
Vegetation
(Bäume und
Bodenbewuchs)
18.07.2009 Landsat ETM7
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Anteil im 6.
urbanen Bezirk
Fläche (h)
97,37%
2087,52
2,4%
51,57
- Hohe Gebäudedichte
- Niedrige Albedo
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Simulation von Teheran (6. urbaner Bezirk)
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Simulation von Teheran (6. urbaner Bezirk)
Current Situation (SC)
Beton 0.3
Asphalt 0.15
Soil 0.18
High Albedo Material (HAM)
White Coating 0.85
Bright Asphalt 0.55
Light coloured Soil 0.38
50% Vegetation
Green scenario (VEG)
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HYBRID: HAM+ VEG
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Verbesserung des Mikroklimas / Energieverbrauchs
Absenkung der Temperaturmaximum ca. 1K -> 2-4% weniger
Energieverbrauch (Akbari et al., 2001)
Szenario
Tag (K)
Nacht [K]
HAM
0.5
0.16
VEG
1.13
0.92 (2K)
HYBRID
1.67
1.10 (4.2 K)
Sodoudi et al., 2014
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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?
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Projekt zur Nachnutzung des Tempelhofer Feldes
Grünflächen?
Welche räumliche Verteilung?
Geoportal [2015] / ATKIS® Basis-DLM-Präsentationsmodell
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Tabelle der 25 möglichen Szenarien
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Ergebnisse der Simulationen
Fragmentierung der Vegetation
Index der Form der Vegetation (Land Shape Index)
Art der Vegetation
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Orientierung
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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?
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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
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Ausgewählte Mitigationsstrategien
1. Material mit hoher Albedo
2. Doppelte Höhe (20m)
5. 32 große Bäume auf beiden
Seiten
6. 16 junge Bäume in der Mitte
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3. 16 junge Bäume auf beiden Seiten 4. 16 große Bäume auf beiden
Seiten
7. Fassadenbegrünung
8. Dachbegrünung
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Effektivität der Strategien bei O-W Orientierung
Baum-Szenarien
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Effektivität der Strategien bei N-S Orientierung
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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
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Mikroskaliges Urbanes KLImaMOdell MUKLIMO_3
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Schaffung von zusätzlichem Wohnraum in Berlin?
Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt der Stadt Berlin (2016). Bevölkerungsprognose für Berlin und die Bezirke 2015-2030.
Nachverdichtung als Strategie, um Wohnraum zu schaffen.
Wie können Gebäude zusätzlichen Wohnraum schaffen und gleichzeitig das Mikroklima nicht
verschlechtern bzw. sogar verbessern? 1,2
1M.
2M.
Linsenmeier, S. Sodoudi, H. Schlünzen (submitted)
Straka & S. Sodoudi (submitted)
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Lösung: Verdichtung (horizontal und vertikal)
- Horizontale Verdichtung (Gebäude auf Brachflächen)
- Vertikale Verdichtung (20m)
- Vertikale Verdichtung (30m)
- Vertikale Verdichtung (40m)
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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
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Ref.-VC40
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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
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Ref.-VC40
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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
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Gebäudeszenarien
4 St.
6 St.
8 St.
0
1
2
3 unterschiedliche Gebäudehöhen (14 m, 20 m, 26 m)
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Gebäudeszenarien und Modelldomäne
Auswertungsgebiet
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Nesting area
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Urbane Verdichtung und Orientierung
Index für Verdichtung:
Gesamte Grundfläche der Gebäude
Gesamte Grundfläche der Modelldomäne
Drei Windrichtungen:
270°
N
225°
N
180°
N
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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)
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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.
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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)
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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
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Ausblick
Energiesparung durch Verbesserung des mikroklimas an der FU-Berlin
3 Standorte:
Philologische Bibliothek
Nettogeschossfläche „NGF“: 8.526 qm
Vorhandene Zähler: Wärmemenge, Kältemenge, Elektro
Pharmazeutisches Institut (Alt- und Neubau)
NGF: 7.128 qm
Vorhandene Zähler: Wärmemenge, Elektro
In Planung: Kälte (Stromverbrauch)
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Ausblick
Kleintierklinik Düppel str.
NGF: 4.773 qm
Vorhandene Zähler: Wärmemenge, Elektro
In Planung: Kältemenge
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
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