Anthropogene Wärmeemission und Energieeffizienzpotenziale von Stadtquartieren – Quantifizierung der Wechselwirkung zwischen dem Energieverbrauch und dem Lokal- und Mikroklima, ein Local Climate Zone (LCZ) basierter Ansatz

Stipendiatin/Stipendiat: Nooshin Nowzamani

Der historische Baubestand in den Städten muss innerhalb kurzer Zeit energetisch saniert werden, um den derzeitig hohen Energieverbrauch zu reduzieren und den notwendigen Beitrag des Gebäudesektors zur Einhaltung der Klimaschutzziele zu leisten. Der Energieverbrauch eines Quartiers findet sich in der Oberflächenenergiebilanz als Teil der anthropogenen Wärmeemission wieder. Die Abwärme aus den Gebäuden verursacht also gleichzeitig einen erhöhten Energieverbrauch und einen steigenden Wärmeeintrag in die städtische Atmosphäre, der zur städtischen Überwärmung beiträgt. Diese Arbeit nutzt daher den anthropogenen Wärmestrom als innovativen Schlüsselindikator für die Gestaltung des Übergangs zu den klimaverträglichen Stadtquartieren, da er sowohl die Energieeffizienz als auch die stadtklimatischen Auswirkungen beschreibt. Eine Reduktion von Wärmeemission ist also eine win-win Strategie für Klimaschutz und Klimaanpassung. Bisherige Untersuchungen zur Energieeffizienz im Gebäudebestand betrachten meist Einzelgebäude und ignorieren dabei die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Gebäuden im Wärme- und Strahlungshaushalt (etwa gegenseitige Beschattung). Da in Industrieländern drei von vier heute stehenden Gebäuden auch in 40 Jahren noch in Betrieb sein werden (IEA, 2010a), ist ein Großteil der Einsparpotenziale nur durch aktive Unterstützung von energetischen Sanierungsarbeiten zu realisieren (Schellnhuber et al. 2011). Entsprechend ist für den systematischen und grundlegenden Umbau von Städten unbedingt die Block- bis Quartiersskala zu betrachten. Das Quartier steht als Bindeglied zwischen gebäudeindividuellem Sanierungsfahrplan und nationalen oder kommunalen Strategien, als Ort, an dem sowohl erneuerbare Erzeugungsanlagen integriert als auch die dezentral erzeugte Energie gespeichert werden kann. Der Gebäudebestand und die Freiräume des Quartiers sind sehr heterogen. Deshalb braucht es Methoden, die es ermöglichen, komplexe heterogene stadtmorphologische Strukturen eindeutigund schnell zu erfassen. In der Stadtklimatologie hat sich zur vergleichenden Betrachtung von unterschiedlichen Stadtstrukturen und Morphologien das Konzept der Local Climate Zones (LCZ) durchgesetzt. Diese sind definiert als Regionen einheitlicher Oberflächenbedeckung, Struktur, Material und menschlicher Aktivität, mit einer horizontalen Ausdehnung von hunderten bis tausenden Metern (Stewart & Oke 2012). Um Stadtquartiere klimagerecht umzubauen und anzupassen, werden in diesem Projekt neue Analyse werkzeuge benutzt, um ihre Energieeffizienz zu bewerten und Anpassungsoptionen zu vergleichen. Das Hauptziel dieser Studie ist es, den anthropogenen Wärmestrom und Gebäudeenergieverbrauch von LCZs sowie verschiedene Sanierungs- und Anpassungsoptionen zu bewerten, und damit einen Beitrag zur Stärkung des Forschungsstands der energetischen Bewertung auf Quartiersebene und zum Klimaschutz im Gebäudebestand zu leisten. Dieser Arbeitsablauf wird hier anhand von standortspezifischen Fallstudien zentraleuropäischer Städte untersucht. Um Handlungsoptionen bewerten zu können, werden die Städte zunächst mit dem LCZ Generator (Demuzere et al. 2021) klassifiziert, um dann mit hochauflösenden 3D-Gebäudedatentypische Morphologien pro LCZ-Typ zu identifizieren. Danach werden die Geometrie und quantifizierte LCZs verwendet, um den Energieverbrauch und die Wärmeemissionin jeder LCZ und jedem Baublock nachzubilden. Dafür werden das Urban Building Energy Modell: Urban Modelling Interface (UMI) sowie das im Rahmen der BMBF-Projektes Urban Climate Under Change weiterentwickelte Large Eddy Simulation Model (PALM-4U) zum Einsatz kommen.

 

 

 

 

 

 

 

LITERATUR

 

Demuzere, Matthias, Jonas Kittner, and Benjamin Bechtel. 2021. “LCZ Generator: A Web Application to Create Local Climate Zone Maps.” Frontiers in Environmental Science.

 

IEA – International Energy Agency (2010a): Energy Technology Perspectives 2010. Scenarios & Strategies to2050. Paris: IEA.

 

Schellnhuber, Hans J, Dirk Messner, Claus Leggewie, Reinhold Leinfelder, Nebojsa Nakicenovic, Stefan Rahmstorf, Sabine Schlacke, Jürgen Schmid, and Renate Schubert. 2011. “Welt Im Wandel. Gesellschaftsvertrag Für Eine Große Transformation: Zusammenfassung Für Entscheidungsträger.” ETH Zurich.

 

Stewart, Ian D, and Tim R Oke. 2012. “Local Climate Zones for Urban Temperature Studies.” Bulletin of the American Meteorological Society 93 (12): 1879–1900.

 

Förderzeitraum:
01.07.2022 - 30.06.2025

Institut:
Ruhr-Universität Bochum
Fakultät für Geowissenschaften, Geographisches Institut
Lehrstuhl für Klimatologie

Betreuer:
Prof. Dr. Benjamin Bechtel

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