24 4 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Lebensraum Stadt Klimaoptimierte Neubauquartiere Ein Münchner Beispiel für innovative Planung mit „Grüner Infrastruktur“ Klimaanpassung, Quartiersentwicklung, Grüne Infrastruktur, Planungsprozesse, Klimaschutz, Lebenszyklusanalyse Christina Meier-Dotzler, Teresa Zölch, Sabrina Erlwein, Hannes Harter, Farzan Banihashemi, Simone Linke, Andreas Putz, Stephan Pauleit, Werner Lang Klimawandel und Bevölkerungszunahmen stellen wachsende Städte vor Herausforderungen. Grüne Infrastruktur ermöglicht sowohl Klimaschutz als auch -anpassung in der Quartiersentwicklung. Am Beispiel eines Münchner Neubauquartiers untersuchte das Projekt „Grüne Stadt der Zukunft“ planerische Umsetzungsmöglichkeiten. Klimamodellierungen, Gebäudesimulationen und Lebenzyklusanalysen für Energie- und Ressourceneffizienz zeigen hierfür Wege zur klimaoptimierten Quartiersentwicklung auf. Bild 1: Zukunftsbild. © IÖW, V. Haese Bild 2: Visualisierung städtebaulicher Vorstudien (G. Rebouskos, LHM) der Neubebauung an der Heltauer Straße, München (links: Blockbebauung; rechts: Zeilenbebauung). © LHM; TUM Einführung Klimawandel als Planungsherausforderung Der Einfluss des Menschen auf den Klimawandel und den CO 2 -Ausstoß verschiedener Sektoren ist klar belegt [1]. Allein der Bausektor ist für 38 % der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich-[2]. Durch den Klimawandel werden die Hitzetage mit durchschnittlich mehr als 30 °C sowie die Starkregenereignisse in Deutschland weiter zunehmen. Vor allem wachsende Städte stehen vor großen Planungsherausforderungen: Wohnraumschaffung bei gleichzeitig reduziertem Flächenverbrauch und 25 4 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Lebensraum Stadt Schaffung klimaresilienter Grünflächen für die Klimaanpassung. Parallel müssen die CO 2 -Emissionen und Ressourcenverbräuche der Gebäude für den Klimaschutz verringert werden. Diese Herausforderungen greift das Forschungsvorhaben „Grüne Stadt der Zukunft - klimaresiliente Quartiere in einer wachsenden Stadt“ auf. Vorstellung Quartier Heltauer Straße Die größtenteils unbebaute, landwirtschaftlich und gewerblich genutzte Fläche an der Heltauer Straße in München ist eines der im Projekt untersuchten Reallabore für eine zukünftige Wohnbebauung. Das Gebiet liegt in einer übergeordneten Grünverbindung und wird von umliegender Wohnbebauung eingerahmt. Direkt im Süden schließt eine Bahntrasse an. Auf Grund einer sehr guten ÖPNV-Anbindung wird eine hohe bauliche Dichte im Planungsgebiet angestrebt. Auf Basis einer städtebaulichen Machbarkeitsstudie der Landeshauptstadt München (LHM) wurden folgende Kriterien des Klimaschutzes und der Klimaanpassung betrachtet:  Sicherung der nächtlichen Durchlüftung  Vermeidung lokaler Hitze-Hotspots  Nutzung lebenszyklusbasierter Energie- und Emissionseinsparpotenziale Bild 2 zeigt zwei 3D-Visualisierungen erster Vorstudien. Der erste Entwurf (links) ähnelt einer Blockbebauung, im zweiten Entwurf (rechts) sollen die geöffneten Zeilenstrukturen einen besseren Luftaustausch gewährleisten. Bild 3: Methodische Ansätze und ihre Verknüpfung auf verschiedenen Betrachtungsebenen. © TUM Methodisches Vorgehen Im Projekt fand ein regelmäßiger Austausch mit dem zuständigen Projektleiter des Neubaugebietes der LHM sowie den Grünplaner*innen statt. Das Referat für Klima- und Umweltschutz der LHM war als Projektpartner beteiligt und nahm auch eine Mittlerrolle zu den städtischen Stellen ein. Der Austausch war maßgebend für die Festlegung der Szenarien und der betrachteten Parameter, die Modellierungsergebnisse dienten wiederum als Informationsgrundlagen für die Planer*innen. Auf Quartiersebene erfolgten eine Analyse der Durchlüftungssituation des Ausgangszustands sowie die beiden Vorstudien. Betrachtet wurden verschiedene Windanströmrichtungen und die Auswirkungen der neuen Lärmschutzwand. Für einen kleineren Gebietsausschnitt wurden der thermische Komfort exemplarisch simuliert und die Kühlwirkung der geplanten grünen Infrastruktur analysiert. Auf Gebäudeebene fanden Untersuchungen zur thermischen Gebäudesimulation sowie eine ökologische und energetische Lebenszyklusanalyse statt (Bild 3). Klimatische Veränderungen auf Quartiers- und Blockebene Nächtliche Durchlüftung Während autochthoner Wetterlagen im Sommer ist in diesem Gebiet die Kaltluftzufuhr aus Süden relevant für die nächtliche Abkühlung. Die Neubebauung reduziert den nächtlichen Luftaustausch von Süden über das Plangebiet in die nördlich angrenzende Wohnbebauung. Die Auswirkungen für Teilbereiche der Bestandsbebauung sind so hoch, dass erhebliche Reduktionen von über 10 % des Kaltluftvolumenstroms um 4 Uhr nachts erreicht werden [3]. 26 4 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Lebensraum Stadt Dies kann zum Teil auch auf die durch die Lage an der Bahntrasse notwendigen Lärmschutzmaßnahmen, die das Planungsgebiet nach Süden hin abschirmen, zurückgeführt werden. Gleichzeitig wird in beiden Planungsvarianten die Bebauungsdichte durch die Neubebauung stark erhöht, so dass die Gebäude Strömungshindernisse, gerade im bodennahen Bereich, darstellen. Die mittlere Lufttemperatur steigt nachts um 1,2 bis 1,4 °C. Die Bebauung einer Freifläche beschränkt also den nächtlichen Luftaustausch. Die Berücksichtigung der übergeordneten Durchlüftungssituation bei der Entwurfsplanung sowie eine strategisch platzierte Grünausstattung außerhalb der wichtigsten Luftaustauschbahnen können aber helfen, die negativen stadtklimatischen Veränderungen zu verringern. Für den klimaoptimierten Entwurf wird statt geschlossener Bauweisen oder Gebäuderiegeln in Durchlüftungsrichtung eine offene Zeilenbebauung empfohlen (Bild 4). Mikroklimatische Untersuchungen Die mikroklimatischen Untersuchungen wurden mit dem Simulationstool ENVI-met durchgeführt. Als Maß für den menschlichen thermischen Komfort im Außenraum diente die Physiologische Äquivalenztemperatur (PET; Einheit °C), die das menschliche Wärmeempfinden abbildet. Werte über 40 °C entsprechen einem heißen Wärmeempfinden [4]. Als Windanströmrichtung wurde neben der Süd- und Ostanströmung zusätzlich eine Südostanströmung angenommen, die sich aus der übergeordneten Durchlüftungssimulation ergeben hatte. Das Teilgebiet umfasst einen Bereich der neuen Bebauung inklusive des Lärmschutzwalls sowie der angrenzenden Bestandsbebauung. Die Ergebnisse um 14 Uhr zeigen einen deutlichen Unterschied zwischen den kühlen Baumstandorten (Bild 5) und den offenen, nicht verschatteten Flächen: Die vorgesehenen Baumpflanzungen reduzieren das Hitzeempfinden spürbar um bis zu 10° C PET. Die Baumalleen verschatten Straßen und Wege, während die Baumgruppen auf den offenen Flächen zur Hitzereduzierung der Innenhöfe beitragen. Kühlere Bereiche befinden sich zudem im Schatten der Gebäude. Für das Teilgebiet zeigen sich nur geringe Unterschiede zwischen der Vorstudie mit Blockbebauung und der klimaoptimierten Bebauung. Um 14 Uhr stuft das Modell den Verschattungseffekt der querliegenden Gebäudeteile höher ein als ihre Reduzierung der Windgeschwindigkeit. Zu anderen Tageszeiten und bei anderen Sonnenständen trifft dies nicht zu. Wichtig ist daher, den Tagesverlauf sowie die Nachsituation zu berücksichtigen. Die Auswertung für 4 Uhr nachts zeigt, dass unabhängig von der Planungsvariante ein Wärmerückhalt unter den Baumkronen stattfindet. Für die nächtliche Abkühlung sind daher offene Freiflächen wichtig. Bild 4: Vergleich der Ist-Situation des nächtlichen Kaltluftvolumenstroms mit den beiden Planungsvarianten bei Südanströmung mit dem FITNAH Modell. © LHM mit Geo-net 27 4 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Lebensraum Stadt Energetische und ökologische Lebenszyklusanalyse auf Gebäudeebene Zur Identifizierung der lebenszyklusbasierten Ressourcenverbräuche und den daraus resultierenden Umweltwirkungen der Bebauung wurde eine energetische und ökologische Lebenszyklusanalyse (LCA) für die Baukonstruktion, die Technische Gebäudeausrüstung (TGA) und den betrieblichen Energieeinsatz durchgeführt. Die maßgebenden Indikatoren zur Bewertung der ökologischen Qualität waren das Treibhausgaspotenzial (GWP; Einheit: kg CO 2 -Äquivalente) sowie der Aufwand nicht-erneuerbarer Primärenergie (PENRT; Einheit: kWh) und der Gesamtaufwand an (erneuerbarer und nicht erneuerbarer) Primärenergie (PET; Einheit: kWh). Mit Hilfe eines eigens entwickelten Tools wurde die vorhandene 3D-Visualisierung in ein semantisches 3D-Stadtmodell (CityGML-Standard) umgewandelt und mit weiteren Informationen, wie dem Energiestandard (Passivhaus) und unterschiedlichen Klimabedingungen angereichert [5]. Die betrieblichen Energiebedarfe für das Heizen und das Kühlen jedes einzelnen Gebäudes im Jahr 2020 und im Jahr 2070 wurden mittels der Software umi berechnet [6]. Zur Einbeziehung von Wärmeinsel- und Vegetationseffekten in die Klimadaten wurde die Software UWG verwendet [7]. Auch der Verschattungseinfluss und die Evapotranspirationsleistung der benachbarten Bäume flossen in die Berechnungen ein. Die Untersuchung zeigte, dass durch die Kühlleistung der Großbäume und weiterer passiver Gebäudemaßnahmen, wie automatisierte Fensterlüftungen, die Kühlenergie signifikant gesenkt und der thermische Innenraumkomfort gesteigert werden können. Auf Basis der Energiebedarfsberechnung wurden das GWP, PENRT und PET des betrieblichen Energieeinsatzes berechnet und die TGA mit dem Ziel eines möglichst effizienten und erneuerbaren Betriebs dimensioniert. Es wurde ein Fernwärmeanschluss mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe verglichen. Kombiniert wurden diese Varianten jeweils mit einer Solarthermieanlage zur Trinkwarmwasserbereitung und einer Fußbodenheizung als Wärmeübergabesystem. Die LCA des betrieblichen Energieeinsatzes und der TGA wurde mit der LCA ausgewählter Bauweisen (Holz- und Massivbauweise) verglichen und es wurde daraus ein Quartiersdurchschnitt errechnet. Wird die Holzbauweise (geringste Umweltwirkungen) gewählt, ergeben sich die in Bild 6 dargestellten Werte je m² Wohnfläche und Jahr in Abhängigkeit der Energieversorgungsvarianten und des gewählten Klimaszenarios für 2070. Trotz Wahl einer ökologischen Holzbauweise nimmt die Baukonstruktion signifikanten Einfluss auf die Umweltwirkungen. Aber auch allein durch die Wahl der Energieversorgung und weiterer TGA- Komponenten können die lebenszyklusbasierten Umweltwirkungen deutlich beeinflusst werden. Es zeigte sich, dass eine LCA auf Basis semantischer 3D-Stadtmodelle eine schnelle und effiziente Berechnung großer Gebäudebestände sowie einen Bild 5: Ergebnisse und Unterschiede der Mikroklimasimulationen zur gefühlten Temperatur für die verschiedenen Planungsvarianten für den ENVI-met Teilausschnitt. © TUM 28 4 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Lebensraum Stadt anschaulichen Vergleich verschiedener Szenarien und derer Umweltwirkungen ermöglicht. Hieraus resultieren Ergebnisse, die nicht nur auf stadtplanerischer, sondern auch auf politischer Ebene von hohem Interesse sind. Daraus können Konzepte zur Erreichung eines klimaneutralen Gebäudebestandes erarbeitet werden, die in Hinblick auf die Herausforderungen des Klimawandels von höchster gesellschaftspolitischer Relevanz sind. Integration in die Planungspraxis Entscheidend für die Umsetzung der Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt in die Praxis ist, die Integrationsmöglichkeiten („Fenster“) für verschiedene Planungsinstrumente zu identifizieren. Neben den städtebaulich-landschaftsplanerischen Vorstudien, wie sie im Reallabor Heltauer Straße Anwendung finden, wurden unter anderem die Prozessphasen verschiedener informeller Planungsinstrumente, der Bauleitplanung und städtebaulicher Sanierungsmaßnahmen untersucht. Durch die aktive Begleitung der Reallabore und die Erkenntnisse aus Expert*inneninterviews wurde deutlich, dass frühe Planungsphasen mit Grundlagenermittlung, Bestandsanalyse und der gutachterlichen Prüfung möglicher Bebauungsszenarien einen besonderen Stellenwert bei der Implementierung von Klimaanpassungsmaßnahmen einnehmen. Entscheidend ist die Einflussnahme noch bevor Art und Maß der baulichen Nutzung festgelegt werden, da diese mit Dichte, Versiegelungsgrad und Gebäudestellung wesentlich auf das Stadtklima einwirken. Im Idealfall finden zu Beginn einer jeden Planung interdisziplinäre Startgespräche mit verschiedenen Fachstellen (unter anderem Umweltamt, Stadtentwässerung und Grünflächenunterhalt) und Planungsbeteiligten (zum Beispiel: Investor*innen, Quartiersmanagement) statt, die beispielsweise die Ergebnisse aus mikroklimatischen Untersuchungen und Ökobilanzierungen diskutieren und abwägen. Neben der frühzeitigen Berücksichtigung ist auch eine ganzheitliche und konsistente Betrachtung nötig. Ganzheitlich bezieht sich auf das klimaorientierte Bewusstsein und die Expertise aller Akteur*innen im Planungsverlauf (zum Beispiel im Preisgericht bei Wettbewerben) und auf alle Planungsebenen (von übergeordneten Leitlinien über die Flächennutzungsplanung bis hin zur Objektplanung). Eine konsistente Betrachtung bedeutet, dass Klimaorientierung nicht nur zu Beginn, sondern in allen weiteren Planungsphasen mitgedacht wird. Die Klimaorientierung endet auch nicht mit der Fertigstellung der Bebauung: Starkregenereignisse, Grünflächenunterhalt oder auch Energieeffizienzsteigerungen sind in der Zukunft anfallende Arbeiten und Veränderungen, die bereits im Prozess Berücksichtigung finden müssen. Schlussfolgerungen Die Verknüpfung der vorgestellten Methoden ermöglicht, Synergieeffekte zu erkennen und zu nutzen. Wie gezeigt, kann sich etwa der Einsatz grüner Infrastruktur positiv auf den Energiebedarf und den damit verbundenen Emissionsausstoß von Gebäuden auswirken. Mehr Verschattung durch grüne Infrastruktur im Sommer führt zu weniger Überhitzung im Innenraum von Gebäuden. Der Verzicht auf Tiefgaragen ermöglicht wiederum das gesunde Wachstum von Großbäumen mit tiefgreifendem Wurzelwerk. Gleichzeitig reduziert man erheblich den Ressourceneinsatz beim Bau der Gebäude. Durch diese Betrachtung der Synergien ergibt sich eine Argumentations- und Planungsgrundlage für stadtplanerische und politische Entscheidungsprozesse, die bislang in dieser Form nicht eingesetzt werden, aber zukünftig eingesetzt werden müssen. Aus der Anwendung der Methoden auf das Fallbeispiel der Heltauer Straße lassen sich folgende grundsätzliche Aussagen als Handlungsempfehlungen festhalten:  Insbesondere Großbäume leisten durch ihre Verschattungs- und Verdunstungsleistung einen wesentlichen Beitrag, sofern sie nicht in großen Riegeln eine Barriere für den Luftaustausch bilden.  Die Durchlüftung auf Quartiersebene spielt für die nächtliche Abkühlung eine wichtige Rolle.  Mobilitätskonzepte und Anpassungen des Stellplatzschlüssels sind ein wesentlicher Ansatzpunkt, um den Grünanteil zu erhöhen und vitale grüne Infrastruktur umzusetzen. 100% 80% 60% 40% 20% 0% 14,7 18,4 29,6 35,9 43,2 54,0 Fernwärme Wärmepumpe Fernwärme Wärmepumpe Fernwärme Wärmepumpe GWP in kg CO 2 -Äq. PENRT in kWh PET in kWh Anteil TGA je Ausführung (ohne Gutschriften) Minimaler Anteil BauKo in Holzbauweise (ohne Gutschriften) Operativer Anteil (Heizen+Kühlen mit Klimaszenario 2070) Bild 6: Ergebnisse Ökobilanzierung Quartier Heltauer Straße: Verteilung des GWP, PENRT und PET (gesamt je m² Wohnfläche und prozentual) je Komponente. © TUM 29 4 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Lebensraum Stadt  Die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen leistet einen positiven Beitrag zur Emissionsvermeidung und -reduktion.  Der Einsatz von erneuerbaren Energien trägt zur Steigerung der energieeffizienten Nutzung von Gebäuden bei und sorgt durch die Verwendung von Umweltenergien für eine Emissionsvermeidung und -reduktion.  Klimaschutz und Klimaanpassung müssen frühzeitig, ganzheitlich und konsistent in die Planungsprozesse integriert werden. Das Projekt „Grüne Stadt der Zukunft - klimaresiliente Quartiere in einer wachsenden Stadt“ wurde von 2018 bis 2021 vom BMBF gefördert, weitere Infos und alle Publikationen des Projekts unter: https: / / www3.ls.tum.de/ lapl/ forschung/ gruene-stadt-derzukunft/ LITERATUR [1] IPCC (Hrsg.): Masson-Delmotte, V., Zhai, P., Pirani, A., Connors, S.L., Péan, C., Berger, S., Caud, N., Chen, Y., Goldfarb, L., Gomis, M.I., Huang, M., Leitzell, K., Lonnoy, E., Matthews, J.B.R., Maycock, T.K., Waterfield, T. Yelekçi, O., Yu, R., Zhou, B. (eds.): Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press. In Press, 2021. [2] UNEP (Hrsg.).: 2020 Global Status Report for Buildings and Construction: Towards a zero-emission, efficient and resilient buildings and construction sector, Executive Summary, 2020. https: / / globalabc. org / sites/ default / f iles/ inline -f iles/ Building s%20 GSR_Executive_Summary%20FINAL_0.pdf [3] Verein deutscher Ingenieure: Umweltmeteorologie: Lokale Kaltluft, Richtlinie 3787, Blatt 5. (2008). https: / / www.vdi.de/ richtlinien/ details/ vdi-3787-blatt-5-umweltmeteorologie-lokale-kaltluft-1. [4] Holst, J., Mayer, H.: Urban human-biometeorology: Investigations in Freiburg (Germany) on human thermal comfort. In Urban Climate News (38), (2010) pp. 5 - 10. Available online at https: / / www. researchgate.net/ profile/ Helmut _ Mayer/ publication/ 261135196_Urban_humanbiometeorology_. [5] Banihashemi, F., Gadi, H.K., Harter, H., Lang, W.: Gh-urban: A Grasshopper tool for employing CityGML data in dynamical building simulations and the utilization of Energy Application Domain Extension. Proceedings from Building Simulation Conference (IBPSA 2021). Bruges (BE), 1 - 3 September 2021. [6] Reinhart, C., Dogan, T., Jakubiec, J., Rakha, T., Sang, A.: UMI - An urban simulation environment for building energy use, daylighting and walkability. Proceedings from BSO2013: Building Simulation and Optimization Conference. Chambéry (FR), 26 - 28 August 2013. [7] Nakano, A., Bueno, B., Norford, L. K., Reinhart, C.: Urban Weather Generator - A Novel Workflow for integrating urban heat island effect within urban design process. Proceedings from Building Simulation Conference (IBPSA 2015). Hyderabad (IND). 7 - 9 December 2015. Christina Meier-Dotzler, M.Eng. Lehrstuhl für energieeffizientes und nachhaltiges Planen und Bauen Technische Universität München Kontakt: christina.dotzler@tum.de Dr. Teresa Zölch Referat für für Klima- und Umweltschutz Landeshauptstadt München Kontakt: teresa.zoelch@muenchen.de Sabrina Erlwein, M.Sc. Lehrstuhl für Strategie und Management der Landschaftsentwicklung Technische Universität München Kontakt: sabrina.erlwein@tum.de Hannes Harter, M.Sc. Lehrstuhl für energieeffizientes und nachhaltiges Planen und Bauen Technische Universität München Kontakt: hannes.harter@tum.de Farzan Banihashemi, M.Sc. Lehrstuhl für energieeffizientes und nachhaltiges Planen und Bauen Technische Universität München Kontakt: farzan.banihashemi@tum.de Dr. Simone Linke Lehrstuhl für energieeffizientes und nachhaltiges Planen und Bauen Technische Universität München Kontakt: s.linke@tum.de Andreas Putz, M.Sc. Referat für Stadtplanung und Bauordnung Landeshauptstadt München Kontakt: andreas.putz@muenchen.de Prof. Dr. Stephan Pauleit Lehrstuhl für Strategie und Management der Landschaftsentwicklung Technische Universität München Kontakt: pauleit@tum.de Prof. Dr.-Ing. Werner Lang Lehrstuhl für energieeffizientes und nachhaltiges Planen und Bauen Technische Universität München Kontakt: w.lang@tum.de AUTOR*INNEN