HeatResBuild

Hitzeresiliente Gebäude - Wechselwirkung von Hitzeanpassungsmaßnahmen in Gebäuden und Freiraum, indikatorenbasierte Wirksamkeitsbewertung, Umsetzungsdynamik und Gesundheitsaspekte

Problemstellung

Die Hitzebelastung in Gebäuden nimmt aufgrund der voranschreitenden Klimaerwärmung und der zunehmenden Versiegelung in Städten immer weiter zu. Der aktuelle Stand der Forschung weist jedoch bezüglich der Bewertung der Überhitzung von Gebäuden noch zahlreiche Unsicherheiten auf. So gibt es bisher keinen international einheitlichen Standard wie die Überhitzung von Innenräumen von Wohngebäuden zu bewerten ist. Auch der in Deutschland geltende Standard, die DIN 4108-2, berücksichtigt in ihrer Bewertung des sommerlichen Wärmeschutzes einige relevante Faktoren nicht. Des Weiteren konzentrieren sich die meisten wissenschaftlichen Arbeiten auf Fallstudien für einen bestimmten Ort, ohne einen räumlichen Vergleich zwischen Stadt und Land oder zwischen unterschiedlichen Regionalklimata innerhalb eines Landes zu durchzuführen. Auch die Wechselwirkung zwischen Hitzeanpassungsmaßnahmen im Freiraum und Gebäude ist bisher unzureichend erforscht, ebenso wie die Ursachen für die beobachtete geringe Umsetzungsdynamik von Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel. Das Projekt HeatResBuild adressiert diese relevanten Forschungslücken in Verbindung mit den IÖR-Forschungsprojekten HeatResilientCity, Klimakonform und SYSDYM und entwickelt hierfür Lösungsansätze.

Projektinhalt

In dem Projekt HeatResBuild wird die Hitzebelastung von Gebäuden aus mehreren Perspektiven untersucht und dabei die folgenden Schwerpunkte beleuchtet:

  1. Unter Nutzung der Modellkette von mikroskaliger Stadtklimasimulation (durchgeführt vom Partner TU Dresden und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ)) zu Gebäudesimulation (siehe Abbildung unten) wird analysiert, inwieweit sich abkühlende Effekte von Hitzeanpassungsmaßnahmen im Freiraum auf die Hitzebelastung in Gebäuden auswirken. Auch die Gegenrichtung, inwieweit sich Maßnahmen am Gebäude auf das mikroskalige Stadtklima und somit letztendlich auch im Gebäude auswirken, ist mit diesem Ansatz beleuchtbar. Beispielquartiere in diesem Projekt sind Dresden-Gorbitz, Erfurt Oststadt, Plauen Südostvorstadt und Naumburg Altstadt. Dieser Teil des Projekts geschieht in Zusammenarbeit mit dem HeatResilientCity II und dem KlimaKonform Projekt.
  2. Die Auswirkung unterschiedlicher Regionalklimata sowie des Hitzeinseleffekts auf die Überhitzung im Gebäude wird über einen Ansatz verfolgt, in dem meteorologische Messdaten des Deutschen Wetterdienstes der letzten 30 Jahre für sechs verschiedene Standorte in Deutschland statistisch ausgewertet werden. Dabei wird für jeden Standort ein durchschnittlicher Sommer im Zeitraum der letzten 30 Jahre ermittelt sowie über Klimaprojektionen ein zukünftig durchschnittlicher Sommer in 30 Jahren. Zudem wird für die verschiedenen Standorte durch Aufprägung des Stadtinseleffektes (durchgeführt vom Partner TU Dresden) untersucht, inwiefern sich die Hitzebelastung im Gebäude unterscheidet je nachdem ob es in der Stadt liegt oder außerhalb. Die Wirkung der verschiedenen meteorologischen Datensätze auf die Überhitzung im Gebäude wird mittels thermischen Gebäudesimulationen geprüft. Die Bearbeitung dieses Themas erfolgt in Zusammenarbeit mit dem HeatResilientCity II Projekt.
  3. Für die Bewertung der Hitzebelastung im Gebäude existieren Indikatoren, deren Aussagekraft jedoch limitiert ist. Aufbauend auf diesen existierenden Indikatoren soll die Bewertbarkeit von Hitzebelastung in Wohngebäuden verbessert und genauere wissenschaftliche aber auch praxistaugliche Indikatoren entwickelt werden. In dem Zusammenhang soll über eine ausgiebige Literaturrecherche auch geprüft werden, ob der Stand der Wissenschaft und Praxis ausreicht um die Verknüpfung von Hitzebelastung im Innenraum zur gesundheitlichen Belastung hergestellt werden kann. Auch die Bearbeitung dieses Themas erfolgt in Zusammenarbeit mit dem HeatResilientCity II Projektteam.
  4. Die Umsetzungsdynamik von Hitzeanpassungsmaßnahmen im Freiraum und am Gebäude ist aktuell in der Praxis sehr gering. Die Ursachen dieser geringen Dynamik sollen mittels systemdynamischen Ansätzen aufbauend auf dem SYSDYM-Projekt erforscht werden.

Forschungsfragen

Das HeatResBuild Projekt adressiert die Beantwortung der folgenden vier zentralen Forschungsfragen im Bereich der Überhitzung im Gebäude:

Mit welchen Indikatoren lässt sich die Hitzebelastung im Gebäude geeignet bewerten, sowohl wissenschaftlich als auch in der Praxis? Wie kann eine Verbindung zu gesundheitlichen Auswirkungen hergestellt werden?

Ist ein Gebäude, das in Dresden hitzerobust ist, es auch in anderen Städten Deutschlands wie Hamburg oder Stuttgart? Wie groß ist der Einfluss auf die Überhitzung der Wohnung, ob das Gebäude in der Innenstadt oder im Umland errichtet wurde?

Welche Auswirkungen haben Hitze-Anpassungsmaßnahmen im Freiraum auf die Intensität der Überhitzung von Innenräumen in Gebäuden und umgekehrt?

Wie lässt sich die Umsetzungsdynamik von Anpassungsmaßnahmen gegen Sommerhitze deutlich erhöhen?

Bisherige Projektergebnisse

Modellkette Stadtklimasimulation - Gebäudesimulation
Die bisher entwickelte Modellkette der Stadtklimasimulation – Gebäudesimulation (1) wurde deutlich erweitert. So wurden in einer eingereichten wissenschaftlichen Veröffentlichung zusammen mit der TUD und der HTW die Limitierungen dieser Modellkette und mögliche Alternativen diskutiert. Die Hitzeanpassungsmaßnahmen im Freiraum der beiden betrachteten Quartiere Dresden Gorbitz und Erfurt Oststadt, die in der Stadtklimasimulation betrachtet werden, wurden final abgestimmt. Diese werden nun in der Stadtklimasimulation implementiert und deren Auswirkungen auf das Innenraumklima des Gebäudes durch Gebäudesimulationen geprüft.

Auswirkungen des Regional- und Stadtklimas auf die Hitzebelastung im Gebäude
Die raumweisen 3D Simulationsmodelle zweier Mehrfamilienhaustypen (Gründerzeit- und Plattenbau) wurden erstellt und parametriert, sowie repräsentative (durchschnittliche) Sommermonate für sechs verschiedene Standorte in Deutschland aus den DWD-Datensätzen der letzten 30 Jahre ermittelt. Erste Simulationen haben begonnen. Im nächsten Schritt wird die Aufprägung des Hitzeinseleffektes zur Berücksichtigung von Wohnungen innerhalb der Stadt implementiert. Zudem werden meteorologische Datensätze zukünftig projizierter heißerer Sommer erstellt. Die über 100 Simulationsvarianten wurden teilweise bereits gestartet und müssen am Ende anschaulich aufbereitet werden.

Indikatoren-Entwicklung Hitzebelastung in Gebäuden und Gesundheitsaspekte:
Im Zusammenhang mit dem HRC II Projekt wurde zusammen mit der HTW an der Erstellung eines Praxisindikators sowie an der Weiterentwicklung eines wissenschaftlichen Indikatorensets auf Grundlage bestehender Indikatoren gearbeitet.
Der Praxisindikator bewertet die Hitzebelastung in Räumen, sowie die Wirkung verschiedener Hitzeanpassungsmaßnahmen auf qualitative Art über ein fünfteiliges Ampelsystem. Die Einschätzung erfolgte dabei aus den Erkenntnissen bisheriger Gebäudesimulationen und Monitoring des Innenraumklimas. Der Praxisindikator dient einer ersten (groben) Einschätzung und adressiert eher interessierte Bürgerinnen und Bürger und keine Fachplaner. Er ersetzt dabei nicht die Planung oder genauere Betrachtungen durch Gebäudesimulationen. Dieser Praxisindikator soll nach erfolgreichem Test durch Praxispartner der Landeshauptstadt Dresden und Erfurt im Jahr 2022 im HRC II Projekt in ein Online-Tool übersetzt werden.
Das wissenschaftliche Indikatorenset baut auf den vorhandenen Indikatoren der Übertemperaturgradstunden der DIN 4108-2 auf und erweitert diesen um Raumnutzung, Berücksichtigung von Schwüleereignissen und vor allem um die Adaption des Menschen an sich ändernde Temperaturen im Sommer. Im Jahr 2022 soll dieses mit Vertretern aus der Planungspraxis vorgestellt und diskutiert werden.
In einem weiteren Schritt soll durch Literaturrecherche geprüft werden, ob der Stand der Wissenschaft und Praxis ausreicht um die Verknüpfung von Hitzebelastung im Innenraum über das wissenschaftliche Indikatorenset auf die gesundheitliche Belastung herzustellen. Mit dieser Recherche wurde in den letzten Monaten begonnen und wird deutlich vertieft werden.

Systemdynamikmodellierung zur Umsetzung von Anpassungsmaßnahmen
In Verbindung mit dem SYSDYM Projekt wurden gemeinsame Modellierungsworkshops mit Akteuren aus Wissenschaft (TUD, IÖR) und Praxis (Wohngenossenschaften EWG Dresden und WBG Zukunft) zur Thematik der geringen Umsetzungsdynamik von Gebäudebegrünungen durchgeführt. Dafür wurden in vier Workshops Kausaldiagramme erstellt, welche die Wirkungszusammenhänge der Faktoren herausgestellt haben, die Einfluss auf die Umsetzungsdynamik haben.

Literatur
(1) Schünemann, C.; Ziemann, A.; Goldberg, V.; Ortlepp, R. Urban climate impact on indoor overheating – a model chain approach from urban climate to thermal building simulation. In Proceedings of the Proceedings of 26th International Sustainable Development Research Society, Budapest, Hungary, 15.-17.07.2021, 2020.

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