Simulationsmodell gegen den Klimakollaps

Durch den Klimawandel kommt es immer häufiger zu Extremwetterereignissen.
Langanhaltende Hitzeperioden, Unwetter und Starkregen sind auch für Städte
eine Belastung. Das Stadtklimamodell PALM-4U ermöglicht es Mitarbeitenden
von Kommunen sowie Stadtplanerinnen und Stadtplanern, die Auswirkungen
geplanter baulicher Maßnahmen auf das urbane Klima zu simulieren. Damit
lassen sich die Folgen extremer Wetterlagen im Vorhinein besser
einschätzen, die Lebensqualität in der Stadt verbessern und die Gesundheit
älterer oder kranker Menschen schützen. Forschende des Fraunhofer IBP
haben hierfür die Bedienoberfläche gestaltet.

Der Klimawandel stellt auch Stadtplanerinnen und Stadtplaner vor
Herausforderungen. Forschende erwarten in Zukunft vermehrt lange
Hitzeperioden, Starkregen und Unwetter. »Dicht besiedelte urbane Räume
sind besonders anfällig für diese extremen Wetterlagen. Diese belasten
nicht nur das Wohlbefinden. Für Menschen, die schwächer oder
gesundheitlich angeschlagen sind, beispielsweise in Seniorenheimen,
Kindertagesstätten oder Krankenhäusern, kann das extreme Wetter auch
gefährlich sein«, erklärt Matthias Winkler, Experte für Hygrothermik am
Fraunhofer IBP. Deshalb arbeiten Städte und Kommunen intensiv an der
Planung baulicher Maßnahmen, die geeignet sind, die Folgen des
Klimawandels abzumildern, das Klima in der Stadt bis zu einem gewissen
Grade beherrschbar zu machen und damit die Lebensqualität zu erhalten und
auszubauen.

Das Stadtklimamodell PALM-4U ermöglicht die Darstellung und Simulation
baulicher Maßnahmen auf das urbane Klima und unterstützt damit
Planungsbüros und Kommunen. So kann man beispielsweise simulieren, ob die
Begrünung einer Fassade oder das Pflanzen von Bäumen den thermischen
Komfort der Bewohnerinnen und Bewohner verbessert. Die
Stadtklimasimulation ermöglicht es auch, Schwerpunkte der Hitzebelastung
zu identifizieren und vor der Umsetzung baulicher Maßnahmen wie der
Platzierung von Grünanlagen oder Entsiegelung von Flächen deren
klimatische Folgen für das jeweilige Umfeld zu berechnen. Winkler und sein
Team haben für das komplexe Tool eine Bedienoberfläche entwickelt, die
PALM-4U GUI, die Übersichtlichkeit und logischen Aufbau bietet und
gleichzeitig die Einstellung aller nötigen Funktionen und Parameter
erlaubt.

PALM-4U wurde im Rahmen der Initiative »Stadtklima im Wandel« des
Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) konzipiert und
entwickelt. Fraunhofer-Experte Winkler sagt: »PALM-4U ermöglicht nicht
nur, die klimatischen Folgen baulicher Maßnahmen zu bestimmen, sondern
auch, diese exakt zu quantifizieren.« Damit könnten Planende auch
abschätzen, ob sich die Investition in eine Baumaßnahme am Ende rentiert
oder eine andere Maßnahme kostengünstiger und zugleich ebenso effektiv
wäre.

Als Datenbasis für das Tool dienen einerseits meteorologische Daten,
beispielsweise die des Deutschen Wetterdienstes (DWD) oder auch aus
Regionalklimamodellen. Falls vorhanden, können Kommunen auch die
Wetterdaten ihrer regionalen Messstationen einbinden, also etwa
Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit aber auch die
Feinstaubbelastung an bestimmten Plätzen. Außerdem fließen die kompletten
Geodaten und Stadtkarten mit ein. Darin sind Straßen, Plätze, Häuser,
Gewässer und Grünanlagen verzeichnet. Je genauer und detailreicher diese
Elemente dargestellt sind, desto zuverlässiger gelingt die Simulation in
PALM-4U.

Thermischer Komfort, Windkomfort und Schadstoffbelastung

Die Analyse des urbanen Klimas legt den Schwerpunkt auf drei typische
Themenkomplexe: Erstens thermischer Komfort und nächtlicher
Kaltlufthaushalt. Dazu zählen beispielsweise die Wärmebelastung bei
Hochdruckwetterlagen in Gebäuden, Plätzen und Straßen sowie die Frage, ob
ausreichend Frischluftschneisen vorhanden sind, die das Gebiet nachts
durchlüften. Zweitens der Windkomfort. Dabei werden aus den Simulationen
und der lokalen Windstatistik Gebiete mit unterschiedlichen
Windkomfortkriterien identifiziert. Daraus lassen sich Aussagen über die
potenzielle Nutzbarkeit der Flächen ableiten, beispielsweise für die
Außengastronomie. Und drittens die Feinstaubbelastung der Luft, etwa
infolge von Hausbrand oder des Autoverkehrs – sofern die entsprechenden
Daten vorhanden sind.

Bei Bedarf stellt die PALM-4U GUI einen Expertenmodus zur Verfügung. Damit
können Anwenderinnen und Anwender weitere Simulationen benutzerdefiniert
ergänzen. »Das Tool ist skalierbar und kann das Klima der ganzen Stadt,
eines Viertels, einzelner Quartiere oder einzelner Plätze betrachten«,
sagt Winkler. Mitarbeitende in Kommunen und Stadtplanungsbüros prüfen mit
dem Tool beispielsweise, welche Folgen der Bau eines Hochhauses auf das
Nebengebäude, auf die umliegenden Straßen oder auf das ganze Quartier
hätte, um nur eines von vielen möglichen Beispielen zu nennen.

Vergleich verschiedener Planungsvarianten

Für die Berechnung einzelner Fragestellungen sind entsprechende typische
meteorologische Randbedingungen bereits hinterlegt, die durch die
Anwenderinnen und Anwender auf die lokalen Gegebenheiten angepasst werden
können. Für die Untersuchungen zum thermischen Komfort wird beispielsweise
eine sommerliche Hochdruckwetterlage angesetzt.

»Mit PALM-4U sind wir auch in der Lage, verschiedene Planungsvarianten
miteinander zu vergleichen. So können wir frühzeitig typische
Fehlplanungen vermeiden, die etwa dazu führen, dass Kinder auf einem
falsch angelegten Spielplatz starker Hitze ausgesetzt sind«, erklärt
Fraunhofer-Expertin Sabine Giglmeier, zuständig für Business Development
im Bereich Hygrothermik. Auf die gleiche Weise lassen sich auch der Anbau
für die Seniorenresidenz oder für das Krankenhaus bereits in der
Planungsphase auf klimatisch heikle Bedingungen abklopfen.

Unterstützung und Beratung für Kommunen

Die Simulationsergebnisse können über die Nutzeroberfläche analysiert und
visualisiert werden. Bei der Entwicklung der Bedienoberfläche haben die
Forschenden des Fraunhofer IBP auch das Feedback von Fachleuten aus der
Praxis genutzt. »Wir haben mit kommunalen Mitarbeitenden, zum Beispiel aus
den Städten Berlin, Stuttgart und Dresden zusammengearbeitet, um deren
konkrete Anforderungen besser zu verstehen und die Praxistauglichkeit des
Systems zu optimieren«, sagt Winkler. Auch die langjährige Erfahrung und
das Know-how des Fraunhofer IBP, vor allem in Fachbereichen wie
Hygrothermik und Raumklima, zahlen sich hier aus. Die Software arbeitet
Cloud-basiert, eine aufwändige Installation und Einbindung in vorhandene
IT-Systeme ist nicht erforderlich.

Das Fraunhofer IBP will Städte und Kommunen auch bei der Nutzung von PALM-
4U unterstützen. »Wir bieten Schulungen zur Qualifizierung von
Anwenderinnen und Anwendern an und wir beraten beim konkreten Einsatz von
PALM-4U, wenn es um die Entwicklung individueller Lösungen für eine Stadt
geht. Auf Wunsch führen wir auch stadtklimatische Untersuchungen durch«,
erklärt Giglmeier.