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

Abstract

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.