Klima-Stress

Webspecial zur Titelstory des Fraunhofer-Magazins 1.2021

Extremwetterlagen nehmen zu: Seit 1980 hat sich die Zahl der klimabezogenen Katastrophen mehr als verdrei­facht. Das ist auch in Deutschland deutlich spürbar. Jetzt im Frühjahr, aber auch im Herbst lassen Starkregenereignisse Flüs­se und Bäche häufig über die Ufer treten, überlasten die Kanalisation und setzen Keller unter Wasser. Im Sommer drohen Dürre und Wassermangel – mit Folgen für Landwirtschaft und Industrie.

Es ist an der Zeit, unsere Städte auf die Auswirkungen des Klimawandels vorzu­bereiten. Wie schnell und konsequent Le­bensgewohnheiten geändert werden kön­nen, hat die Corona-Krise gezeigt. Dabei werden wir – so hart es auch klingen mag – mit jeder Krise besser darin, sie zu meis­tern. »Lassen Sie sich niemals eine gute Krise entgehen!«, formulierte es Winston Churchill.  

Möchte man Hitzestress für die Bewohner von Städten vermeiden, genügt es nicht, Straßenzüge und Plätze mit urbanem Grün angenehmer zu temperieren. Vielmehr gehört auch das Innenraumklima in den Gebäuden dazu. Eine solide Grundlage, um dieses zu bewerten, lieferte das EU-Projekt »Climate for Culture«, an dem ein multidisziplinär zusammengesetztes Team mit 27 Partnern aus Europa und Ägypten beteiligt war und das vom Fraunhofer IBP koordiniert wurde.

»Wir haben das hygrothermische Gebäudesimulationsmodell WUFI®Plus mit Klimamodellen gekoppelt«, konkretisiert Dr. Johanna Leissner, Repräsentantin der Fraunhofer-Gesellschaft im Forschungskonsortium. »Auf diese Weise können wir das Innenraumklima von Gebäuden bis zum Jahr 2100 simulieren und analysieren, wie sich der Klimawandel, aber auch bauliche Maßnahmen wie neue Fenster, Türen oder eine Abschattung auf das Innenraumklima auswirken und welcher zukünftige Energiebedarf für die Klimatisierung der Gebäude dadurch entsteht.« Eine solche Kopplung von Klimamodellen mit Gebäudesimulationen ist bisher weltweit einmalig – und erforderte viel Forschungsarbeit. So mussten die Forscherinnen und Forscher zunächst einmal die Parameter festlegen, welche für die Gebäudesimulation gebraucht werden, und diese dann aus den Klimamodellen herausrechnen. Dazu galt es, die Klimaparameter mit einer Auflösung von zehn mal zehn Kilometern über ganz Europa bis zum Jahr 2100 zu berechnen, und zwar für zwei verschiedene Szenarien, da die tatsächliche zukünftige Emission von Klimagasen nur abgeschätzt werden kann. »Es war ein riesiges Datenvolumen, das wir hier verarbeiten mussten, bevor wir es in die Gebäudesimulation einspeisen konnten«, erinnert sich Leissner. Diese ermittelten Parameter validierte das Forscherteam mit Klimadaten der Vergangenheit. Im Fokus des Projekts standen zwar historische Gebäude und Kulturerbe, doch eignet sich die Simulation für Gebäude aller Art.

Orkanböen und Starkwind

Weniger aufsehenerregend als Dürre, Starkregen und steigende Temperatu­ren sind Orkanböen und starker Wind – ebenfalls relevante Auswirkungen des Klimawandels. Hier gilt es, Windschnei­sen gezielt zu durchbrechen, ohne die positiven Auswirkungen der Durchlüf­tung zur Abkühlung während der Som­mermonate zu mindern. »Wie der Wind sich seinen Weg durch Städte sucht, ist neben der Topographie vor allem durch die menschengemachten Hindernisse vor­gegeben – sprich durch die Gebäude«, sagt Matthias Winkler vom Fraunhofer IBP. »Wir haben also nur wenige Möglichkei­ten, Windschneisen abzumildern, da wir die bestehende Baustruktur ja nicht groß­flächig ändern können.« Eine dieser weni­gen Möglichkeiten liegt darin, Baulücken nicht abschließend mit anderen Häusern zu bebauen, sondern das neue Gebäude etwas versetzt hochzuziehen. Eine weitere sind Bäume, Sträucher oder Kunstwerke, die am Anfang einer Windschneise ste­hen und die ungehinderte Windpassage durchbrechen.

In welchen Straßenzügen einer Stadt der Wind besonders stark pfeift und wie sich solche Maßnahmen konkret auf be­sonders windige Ecken bestimmter Städte auswirken, lässt sich mit dem Stadtklima­modell PALM-4U analysieren. Das Modell wird im Projekt »Stadtklima im Wandel« von einem Forschungskonsortium entwi­ckelt, dem auch das Fraunhofer IBP ange­hört. »Über PALM-4U können wir sowohl Temperaturverläufe bis auf Gebäudeebene räumlich darstellen als auch Windschnei­sen simulieren«, erläutert Winkler.

Die Stadt Berlin wurde bereits simuliert: Mit dem Modell können künftig Wind-Hot­spots aufgedeckt und Lösungsansätze auf ihre Wirkung untersucht werden. Bringen sie den erhofften Effekt? Für die Stadt Stutt­gart erstellen die Forscher derzeit ebenfalls ein Modell, Ende 2021 soll es fertig sein.

Im Teilprojekt ProPolis wollen die Fraun­hofer-Forscher das Stadtklimamodell in die Praxis bringen und es entsprechend den Bedürfnissen von Kommunen und anderen Anwendern weiterentwickeln. Dazu gehören unter anderem eine graphi­sche Benutzeroberfläche und Schulungs­konzepte. Denn: Je praxistauglicher und leichter zu bedienen, desto mehr Kommu­nen, Städte und Gemeinden werden es ver­mutlich nutzen. Im Projekt UCare4Citizen bereiten die Forscher die Simulationser­gebnisse so auf, dass die komplexen Infor­mationen via Augmented-Reality-Brille erfahrbar werden. Im Projekt KERES un­tersuchen die Forscher unter anderem die Auswirkungen von extremen Stürmen auf Kulturgüter und betrachten dabei sowohl historische Gebäude als auch Gartenan­lagen.

Natürlich sind die Auswirkungen des Kli­mawandels nicht auf Europa begrenzt – ebenso wenig wie die Fraunhofer-Ansätze, dem Klimawandel etwas entgegenzuset­zen. Stark durch den Klimawandel betrof­fen sind beispielsweise die Städte Kochi in Indien und Saltillo in Mexiko. Im Projekt »Morgenstadt Global Smart Cities Initiati­ve« ersinnen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IAO, des Fraunhofer IGB, des Fraunhofer ISI und des Fraunhofer IBP daher konkrete Handlungsmöglich­keiten. Finanziert wird das Projekt von der Internationalen Klimaschutzinitiative IKI des Bundesministeriums für Umwelt, Na­turschutz und nukleare Sicherheit BMU. »Wir nutzen unsere Erfahrung des Mor­genstadt-Netzwerks mit 40 Partnern aus Wirtschaft, Forschung und Kommunen sowie die Morgenstadt-Tools«, sagt Dr. Markus Schwegler. Dazu gehören drei wesentliche Schritte: Im ersten werden die Zusammenhänge in der Stadt ana­lysiert. Welche Probleme bestehen? Im zweiten Schritt sprechen die Forscher von Co-Creation – sie tüfteln gemeinsam mit allen Partnern und Assoziierten die ersten Projektideen aus und priorisieren die Ideen. Und im dritten Schritt steht die Umsetzung an.