Strahlungsmodellierung und -simulation moderner urbaner Räume

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Sabine Hoffmann
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Städtebau/Stadtentwicklung, Raumplanung, Verkehrs- und Infrastrukturplanung, Landschaftsplanung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524069026

Strahlungsvorgänge sind von großer Bedeutung für die menschliche Existenz auf der Erde. Ohne (Solar-)Strahlung könnte die Menschheit nicht existieren. Darüber hinaus ermöglicht sie uns, unsere Umgebung visuell und thermisch zu erfassen. Strahlungsvorgänge werden von verschiedenen Faktoren bestimmt: Sonne, Himmelshalbraum, Gebäude, Vegetation. Im Vergleich zu ländlichen Gebieten weisen städtische Gebiete eine größere Anzahl an baulichen Oberflächen auf, die die Strahlungsvorgänge beeinflussen. Außerdem wirkt sich Strahlung im lokalen Mikroklima urbaner Gebiete stärker auf den Energieverbrauch aus als in ländlichen Gebieten. Basierend auf der Literaturrecherche lässt sich feststellen, dass die Modelle und Simulationsmethoden, die den aktuellen Stand der Wissenschaft darstellen, nicht geeignet sind, um die Komplexität moderner urbaner Morphologien in ihrer Gesamtheit darzustellen. Die vorhandenen numerischen Modelle für urbane Oberflächen gehen von stark vereinfachenden Annahmen aus; die numerischen Modelle zur Darstellung von Sonne und Himmelshalbraum weisen keine ausreichende Auflösung auf, um die tatsächlichen Strahlungsvorgänge angemessen zu repräsentieren. Zudem können die aktuell existierenden Simulationsmethoden auch nur diese vereinfachten Oberflächen- und Himmelsmodelle verwenden. Das beantragte Forschungsprojekt wird diese Forschungslücken füllen und geeignete Lösungen hierfür entwickeln: Ein umfassendes und einheitliches Material-Modell zur Darstellung urbaner Oberflächen wird entwickelt werden. Dieses wird eine Vielzahl an Materialien mit verschiedenen optischen und thermischen Eigenschaften beschreiben können, darunter auch Spezialmaterialien wie Vegetation, für die bis dato noch keine allgemeine Beschreibung existiert. Ein generalisiertes Himmelsmodell zur Modellierung von Strahlung im urbanen Kontext wird geschaffen werden. Basierend auf einer Sensitivitätsanalyse wird eine adäquate Diskretisierung des Himmelsmodells bestimmt werden und durch eine angemessene zeit-diskrete Berücksichtigung des genauen Sonnenstandes ergänzt werden. Schließlich werden Simulationstechniken entwickelt werden, die kurz- und langwellige Strahlung koppeln. Das Simulationsmodell soll experimentell validiert werden und hinsichtlich Genauigkeit und Berechnungszeit mit herkömmlichen Ansätzen verglichen werden. Ziel des Projektes ist es, einen umfassenden methodischen Rahmen zu schaffen, in dem mit angemessenen Modellen und Simulationstechniken Strahlungsvorgänge in modernen urbanen Räumen genau berechnet werden können. Das Ergebnis des Projektes wird die Grundlage dafür darstellen, den Einfluss der sich verändernden Klimabedingungen auf das städtische Mikroklima untersuchen und mögliche Strategien zu entwickeln, um die urbanen Räume an den Klimawandel anpassen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Greg Ward, Ph.D.