Stadt, Land…Klima! - Untersuchung und Bewertung des Einflusses von Stadtklimaeffekten auf das Humanbioklima

am Beispiel des Campus der Technischen Universität Berlin.


Projektbericht des Orientierungsprojektes in den Studiengängen Ökologie und Umweltplanung und Landschaftsarchitektur (2. Semester SoSe 2014)

Betrachtung der klimaökologischen Untersuchung der "Tempelhofer Freiheit" in Berlin

Autorin: Sarah Betty Lena Samson

1. Einleitung

Im Zuge der Planung für eine Teilbebauung des Tempelhofer Feldes der Stadt Berlin wurde eine klimaökologische Untersuchung in Auftrag gegeben. Sie ist Grundlage der vorliegenden Arbeit. Das Tempelhofer Feld hat Bedeutung für die Gesellschaft als Naherholungsgebiet, sowie als kulturelle Gedenkstätte. (vgl. SEIDLER 2007) Des Weiteren ist ihm von der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin (Senstadt Berlin), wegen seiner Funktion als Kaltluftentstehungsgebiet und Ausgleichsfläche der städtischen Wärmeinsel Berlins, eine „sehr hohe stadtklimatische Bedeutung“ zugesprochen, da es zur Verbesserung des Bioklimas in den angrenzenden Gebieten dient. (SENSTADT BERLIN 2009) Die Untersuchung soll klären, ob eine Teilbebauung des Feldes zu einer Verschlechterung seiner klimatischen Funktionen und damit zu einer Verschlechterung des Humanbioklimas führt. (vgl. GEO-NET 2013 S.1) Da sich in der Untersuchung auf eine festgelegte Wetterlage bezogen wird, nicht auf das Mittel gemessener Witterungsparameter, wird hier auf die Human-Biometeorologie verwiesen. Sie befasst sich mit dem spezifischen Einfluss von Wetter, Witterung und Klima auf den Menschen. (HELBIG et al.1999) FOKEN (2003) unterscheidet dabei drei Wirkungskomplexe: • aktinischer Wirkungskomplex: Sichtbare und ultraviolette Strahlung mit direkter biologischer Wirksamkeit, • lufthygienischer Wirkungskomplex: Feste, flüssige und gasförmige Luftbeimengungen, • thermischer Wirkungskomplex: Er setzt sich zusammen aus den (Wechsel-) Wirkungen von Lufttemperatur und -feuchte, Windgeschwindigkeit und kurz- und langwelliger Strahlung. Die Betrachtung des thermischen Wirkungskomplexes erlaubt Aussagen über eine baubedingte Änderung des Bioklimas, er ist Gegenstand der klimaökologischen Untersuchung. (GEO-NET 2013 S.36)

2. Klimaökologische Untersuchung der "Tempelhofer Freiheit"

Die modellgestützte Analyse wurde von der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt durch die Tempelhof Projekt GmbH in Auftrag gegebenen. (GEO-NET 2013 S.1) Die Untersuchung soll zur Beurteilung der klimatischen Situation dienen und Vorschläge für eine klimaökologisch optimierte Entwurfsplanung liefern, um eine planerische Berücksichtigung der Schutzgüter Klima und Luft zu gewährleisten. (ebd.) Das Gutachten hat somit keinen bindenden Charakter, es dient zur Information und Empfehlung für die Entscheidungsträger des Bebauungsplans mit dem Maßstab 1:2.500 bis 1:1.000. Ausschlaggebend für die Erstellung war der Masterplan Tempelhofer Freiheit des Berliner Senats, hervorgehend aus dem Städtebau- und landschaftsplanerischem Rahmenplan. In Abbildung 1 ist der Masterplan „Tempelhofer Freiheit“ aufgezeigt.

Er sieht eine Bebauung von ca. 60 ha vor. Es betrifft die Bereiche des Tempelhofer Damms, des Südrings, der Oderstraße und, ab 2015, des Columbiadamms. Des Weiteren sieht er eine Wasserfläche am ehemaligen Flughafengebäude und Parklandschaften an verschiedenen Stellen vor. (GEO-NET 2013 S.5f)

Der Aufbau der Geodatenbasis zur flächendeckend realistischen Modellierung der Szenarien IST- und Planzustand erfolgte anhand von Daten der Nutzungsstruktur und Geländehöhe, sowie des städtebaulichen Rahmenplans. (GEO-NET 2013 S.3-6) Die Informationen zur Nutzungsstruktur entstammen dem Umweltatlas Berlin. Der digitalen Grundkarte Berlin liefert blockbezogene Angaben zur realen Flächennutzung und dem Versiegelungsgrad. Zur Ergänzung dienten Daten des Informationssystems Stadt & Umwelt und Luftbilder. (Stand 2011). Die Höhe der Baustrukturen wurde anhand automatisierter Liegenschaftsbetriebe ermittelt, dabei lag die Auflösung der Gebäudestrukturen bei 10m x 10m. Der orographische Eingangsparameter Geländehöhe konnte vom digitalen Geländemodell des Informationssystems Stadt und Umwelt übernommen werden. (ebd.) Hier beträgt die Zellengröße wiederum 10m.

2.1 Methodik

Die Analyse der Untersuchung erfolgt anhand des Mesoskalenmodells FITNAH (Flow Over Irregular Terrain With Natural And Anthropogenic Heat Sources). Das Programm berechnet mesoskalige Phänomene und Szenarien, wie etwa Einfluss von Hindernissen auf den Wind, Kanalisierungs- und Umströmungseffekte, Flurwinde und dem urbanen Wärmeinseleffekt. (GEO-NET 2013 S.7f) Die Berechnung basiert auf den physikalischen Grundgleichungen der Impulserhaltung, Massenerhaltung und Energieerhaltung. (ebd.) Die Lösung der Berechnung erfolgt im numerischen Raster. Die Maschenweite des Modells in der Untersuchung liegt bei 10m x 10m. Nach oben nimmt die Höhe der Rasterzellen zu, das heißt die Gitterweite ist nicht äquidistant (ebd.) Gegenstand der Auswertung ist der Aufenthaltsbereich des Menschen. (2m über Grund) Eingangsdaten für das Modell FITNAH sind: • Geländedaten (Neigung, Höhe, Orientierung), • Nutzungsdaten (Gebäudehöhe, Versiegelung, Strahlung, Albedo …), • das großräumige Wetter. (GEO-NET 2013 S.9f) Da die autochthone, also lokal und regional beeinflusste Wetterlage des Tempelhofer Feldes untersucht wird, wurden die synoptischen Rahmenbedingungen dementsprechend festgelegt: • Bedeckungsgrad 0/8 (keine Wolken), • kein überlagernder geostrophischer Wind, • relative Luftfeuchte 50%. Die Häufigkeit dieser autochthonen Wetterlage liegt bei durchschnittlich 29% der Tage im Jahr. (ebd.) Die Szenarien werden außerdem um 04:00 Uhr angesetzt, da sich hier die Luftaustauschprozesse vollständig ausgebildet haben. Ermittelt wurden unter diesen Bedingungen die Parameter Lufttemperatur, Kaltluftvolumenstrom, Kaltluftströmungsgeschwindigkeit und das Bioklima. Um vergleichen und bewerten zu können, bediente sich GEO-NET des Vorschlags der VDI-Richtlinie 3785 Blatt 1: Einer Beurteilung das lokale oder regionale Werteniveau einer Klimaanalyse zugrunde zu legen. (ebd.) So dient die Abweichung von den mittleren lokalen oder regionalen Verhältnissen des betrachteten Klimaparameters als Bewertungsmaßstab. Diese Standardisierung der Parameter erfolgte über eine Z-Transformation. Abbildung 2 zeigt oben die Originalverteilung beispielhafter Daten. Das arithmetische Gebietsmittel (oben bei 100) wird bei der Z-transformierten Verteilung gleich Null gesetzt (unten). Durch Umrechnung der um dieses Mittel streuenden Werte ins? Vielfache der Standardabweichung können qualitative Bewertungskategorien definiert werden, hier gering bis sehr hoch, bzw. sehr günstig bis ungünstig.

Die Z-Transformation erlaubte die Bewertung des Kaltluftvolumenstroms und des Bioklimas. (ebd.)

2.2 Bewertung des Bioklimas

Die Analyse des Bioklimas erfolgt mithilfe einer Gegenüberstellung des IST- und des Planszenarios. Zur Beurteilung des für das Bioklima ausschlaggebenden Wirkungskomplexes der Parameter Temperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und thermophysiologische Strahlung wurde der 1972 von Fanger entwickelte Predicted Mean Vote (PMV) herangezogen und Z-transformiert. Dies ermöglicht eine vierstufige qualitative Bewertung von sehr günstig bis ungünstig. (GEO-NET 2013 S.36) Abbildung 3 zeigt kartographisch die Differenz der Szenarien. Auf Angabe des Maßstabs musste leider verzichtet werden, da er in der Untersuchung fehlt. (vgl. ebd.) Die Abbildung zeigt punktuelle Verschlechterung des Bioklimas in den das Feld umgebenden Siedlungen, insgesamt sind die südlichen Gebiete am stärksten betroffen. Der Zustand von 2% der heute bioklimatisch günstigen Flächen würde sich zu einem ungünstigen Zustand verschlechtern. (GEO-NET 2013 S.47)

3. Diskussion

3.1 Evaluation der klimaökologischen Untersuchung

Der PMV errechnet sich aus einer empirischen Funktion und gibt Aufschluss über die thermophysiologische Behaglichkeit eines festgelegten Normmenschen (vgl. FOKEN 2003). Durch die Standardisierung geht jedoch der Bezug zur tatsächlichen PMV-Skala verloren: Bereiche, die in der Untersuchung als „günstig“ bezeichnet werden, sind nicht zwangsläufig tatsächlich behagliche Bereiche nach Fanger, nur günstig im Vergleich zur gesamtklimatischen Situation Berlins. Des Weiteren widerspricht der Bebauungsplan dem Stadtentwicklungsplan Klima, offene Wiesenflächen zu erhalten. (SENSTADT 2012, S.42) Von einer Bebauung wird nicht abgeraten, obwohl sich zum Teil erhebliche Verschlechterungen ergeben, z.B. eine Reduzierung des Kaltluftvolumenstroms um 16,3% am Südring. (GEO-NET 2013, S. 47) Zudem sind möglichen positiven Auswirkungen und neutralen Ergebnissen unverhältnismäßig viel Aufmerksamkeit gewidmet. (vgl. GEO-NET 2013, S.43, S.47) Es werden Planungshinweise zu Dach- und Fassadenbegrünung sowie Baumaterial mit hoher Albedo gegeben: Kleinräumige Maßnahmen können zwar zu blockbezogenen Verbesserungen führen, stehen jedoch in keinem Verhältnis zur positiven Auswirkung offener Freiflächen. (vgl. SENSTADT 2012 S.42f) Bei näherer Betrachtung fällt außerdem auf, dass die geplante Bepflanzung der Parklandschaft nicht berücksichtigt wurde. Sie hätte Auswirkung auf die Kaltluftströmungsgeschwindigkeit aufgrund höherer Reibung. (vgl. HÄCKEL 1993)

3.1 Das Mesoskalenmodell FITNAH

Entwicklung: 1991 von G. Gross „Szenarien und Modelle simulieren Entwicklungen sowie ihre möglichen Konsequenzen und spielen als Planungsinstrument eine wichtige Rolle.“ (ENDLICHER 2012, S.49) So müssen in der Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) nach UVPG §2 Auswirkungen auf das Schutzgut Klima ermittelt, beschrieben und bewertet werden. Modelle für das Mesoklima (MEKM) sind hierfür geeignet, da sie zielorientiert eingesetzt werden können. (vgl. HUPFER et al. 2006, S.436) Das physikalische, numerische MEKM FITNAH ist ein Computerprogramm der Rubrik Agent. Es kann autonom, in Abhängigkeit verschiedener Ausgangszustände, unterschiedliche Prozesse wie Strömungsvorgänge simulieren. (ENDLICHER 2012, S. 49; IMA STUTTGART 2013) So war es durch FITNAH ermöglicht, das ventilatorische und thermische Stadtklima im lokalen Maßstab dreidimensional zu errechnen. In der Untersuchung konnten Erkenntnisse zu den Strömungsvorgängen Kaltluftvolumenstrom und Kaltluftströmungsgeschwindigkeit erlangt werden. Positiv zu beurteilen ist außerdem die niedrige Maschenweite der numerischen Lösung im Vergleich zu anderen Modellen (HUPFER 2006 S. 440) (siehe auch 2.1). Die Übertragung der numerischen Lösung auf Karten liefert einen anschaulichen Datensatz, welcher eine Bewertung der Flächennutzungsänderung erlaubt (vgl. GEO-NET 2013) Trotz des hohen Entwicklungsstandes des Modells FITNAH wären Messungen vor Ort sinnvoll gewesen, um die errechneten Ergebnisse mit einem tatsächlichen Szenario abzugleichen. Dies hätte die Berechnungen bestätigen und stützen können. Des Weiteren ist die Sammlung der Daten aufwendig. Durch die große Menge an Daten ergeben sich außerdem zudem lange Berechnungszeiten. (ENDLICHER 2012) Die Verfasser beziehen sich in ihrer Bewertung des Gebiets als Hitzereduktionsgebiet auf die „Modellgestützte Analyse der klima- und immissionsökologischen Funktionen und deren planerischen Umsetzung im Stadtgebiet Berlin“ [GEO-NET 2003] und dem „Fachbeitrag Stadtklima im Rahmen Änderung Flächennutzungsplan und Landschaft- /Artenschutzprogramm“ [GEO-NET 2009]. Auf nähere Erläuterung muss verzichtet werden, da die unvollständigen Quellenangaben dieser Berichte das Auffinden dieser Studien nicht ermöglichten.

4. Bedeutung für unser Projekt

Im Grundlagenprojekt Stadt, Land, Klima…! - Untersuchung und Bewertung des Einflusses von Stadtklimaeffekten auf das Humanbioklima beschäftigen sich die Studenten unter anderem mit Methoden zur Stadtklimaanalyse. Das MEKM FITNAH dient zur räumlichen Simulation klimatischer Prozesse und ist hierzu ein geeignetes Instrument. Da sich das Tempelhofer Feld in der städtischen Wärmeinsel Berlins befindet, sind dort ablaufende, lokalklimatische Prozesse, z.B. Kaltluft- und Flurwindentstehung, relevant für unser Projekt. Sie konnten hier aufgrund des Rahmens nicht weiter ausgeführt werden, für Interessierte sei jedoch auf die Untersuchung verwiesen. Die Bewertung des Bioklimas anhand Fangers PMV- Skala unter Berücksichtigung des thermischen Wirkungskomplexes ist eine geeignete Methode zur Erkennung von klimatischen Bedingungen, in welchen Hitzestress auftreten kann. Den Prozess des Aufbaus einer Geodatenbasis und Methoden wie Parameterstandardisierung oder Festlegung von Rahmenbedingungen zu kennen ist für Planer wichtig um Gutachten objektiv betrachten zu können. Die Fähigkeit Gutachten kritisch zu lesen, zumal wenn wie hier die Auftraggeber der Untersuchung Befürworter des Projekts sind, gehört zum Repertoire jedes Landschaftsplaners. Die geplante Bebauung des Tempelhofer Feldes wurde per Volksentscheid vom 25.05.2014 abgelehnt.

Quellenverzeichnis

ENDLICHER, W. (2012): Einführung in die Stadtökologie: Grundzüge des urbanen Mensch- Umwelt-Systems. Ulmer, S.49

FANGER, P. (1972): Thermal comfort: Analysis and applications in environmental engineering. McGraw Hill Books, New York, S. 244 ff

FOKEN, T. (2003): Angewandte Meteorologie: Mikrometeorologische Methoden. 1. Aufl.Springer: Berlin, Heidelberg, S. 231

GEO-NET UMWELTCONSULTING GmbH (Hrsg.), GROSS, G. (2013): Klimaökologische Untersuchung „Tempelhofer Freiheit“ in Berlin. Gutachten im Auftrag der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin, Hannover. Online im Internet: URL: http://baufachinformationen.de/literatur/Klima%C3%B6kologische-Untersuchung-Tempelhofer-Freiheit-in-Berlin/2014019016176 [Stand 25.06.2014]

HÄCKEL, H. (1993): Meteorologie. 3. Aufl., Ulmer: Stuttgart, S. 286

HELBIG, A., BAUMÜLLER, J., KERSCHGENS, J. (Hrsg.) (1999): Stadtklima und Luftreinhaltung. Springer: Berlin, Heidelberg, S. 467 ff

HUPFER, P., KUTTLER, W. (Hrsg.) (2006): Witterung und Klima. 12. Aufl., Teubner: Wiesbaden

IMA STUTTGART (Hrsg.) (2013): Das numerische Simulationsmodell FITNAH. Online im Internet: URL: http://www.staedtebauliche-klimafibel.de/pdf/FITNAH_Kurzuebersicht.pdf [Zuletzt abgerufen am 26.05.2014]

SEIDLER, F., 2007: Die Entwicklung der Flughäfen in Berlin - Brandenburg. 1. Aufl., Grin: Norderstedt, S. 5 ff

SENATSVERWALTUNG FÜR STADTENTWICKLUNG UND UMWELT BERLIN (Hrsg.) (2009): Klimamodell Berlin – Bewertungskarten (Ausgabe 2009) – Planungshinweise Stadtklima. Online im Internet: URL: http://www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/umweltatlas/da411_05.htm [Stand 21.06.2014].

SENATSVERWALTUNG FÜR STADTENTWICKLUNG UND UMWELT BERLIN (Hrsg.) (2012): Stadtentwicklungsplan Klima - Urbane Lebensqualität im Klimawandel sichern. 2. Aufl., Kulturbuch-Verlag: Berlin, S.42ff

UVPG (Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung) i .d. F.g vom 24. Februar 2010, BGBl. I S. 2749

Abbildungen

Abbildung 1: Masterplan „Tempelhofer Freiheit“ - Auszug: ASTOC/GROSS.MAX.; Tempelhof Projekt GmbH (2013): Online im Internet: URL: http://www.stadtentwicklung.berlin.de/planen/b-planverfahren/de/fruehbb/tempelhof/download/foeb_7-70+7-71/masterplan/Masterplan09_2013. Pdf [Stand: 26.05.2014]

Abbildung 2: Veranschaulichung der Standardisierung: GEO-NET UMWELTCONSULTING GmbH (Hrsg.), GROSS, G., 2013: Klimaökologische Untersuchung „Tempelhofer Freiheit“ in Berlin. Unveröffentl. Gutachten im Auftrag der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin, Hannover, S. 11

Abbildung 3: Veränderung der bioklimatischen Situation im Bestand - Auszug: GEO-NET UMWELTCONSULTING GmbH (Hrsg.), GROSS, G., 2013: Klimaökologische Untersuchung „Tempelhofer Freiheit“ in Berlin. Unveröffentl. Gutachten im Auftrag der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin, Hannover, S.35


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