InnoGOK – Untersuchung der energetisch und ökologisch verwertbaren Nutzbarkeit der solaren Einstrahlung auf urbane Plätze und Wege

Ausgangssituation/Motivation

Vor dem Hintergrund der Folgen des Klimawandels stellt sich, unter der Annahme zunehmender Erwärmung städtischer Quartiere, die Frage nach Möglichkeiten zur Bereitstellung geeigneter regenerativer Energieversorgungen im öffentlichen Raum bei gleichzeitiger Erhaltung eines behaglichen urbanen Mikroklimas. Dies ist insbesondere wichtig, da das Wohlbefinden der Nutzer sowohl in Gebäuden als auch in städtischen Außenbereichen entscheidend von den mikroklimatischen Verhältnissen abhängig ist.

Die operative Temperatur in Städten ist mittelfristig zu senken (Reduktion von Hitzeinseln), um die Behaglichkeit und Leistungsfähigkeit der Personen, die in ihnen leben, zu erhalten. Andererseits müssen umweltschonende Maßnahmen gefunden werden, um diese umfassenden Behaglichkeitskriterien mit geringstmöglichem Energieaufwand zu erfüllen.

Inhalte und Zielsetzungen

Im Forschungsvorhaben wurde herausgearbeitet, inwieweit bei ganzheitlicher Planung von städtischen Außenbereichen die großzügig vorhandenen, horizontalen Flächen (Verkehrsflächen, Parks, Plätze und Wege) zur Energiegewinnung verwertet werden können. Gleichzeitig wurde das Potential zur Reduktion städtischer Hitzeinseln aufgezeigt.
Ziel war die Sondierung der möglichen Verwertbarkeit der lukrierbaren Energiemengen im direkten Umfeld (z.B. Brauchwassererwärmung, Eisfreihaltung von Verkehrsflächen) und der dafür notwendigen Energiespeicherung für eine phasenverschobene Nutzung der Energie bei gleichzeitiger Reduktion der Oberflächentemperatur durch den Wärmeentzug.

Methodische Vorgehensweise

Die Versuchsanlage der HTL Krems ist mit geeigneten Testflächen und Speichermedien (Eisspeicher und Erdkollektor) ausgestattet, die im Rahmen der Studie technisch adaptiert und mit Messeinrichtungen ergänzt wurden. Mit neu definierten Betriebsszenarien erfolgte eine ausführliche Messkampagne, die daraus resultierenden Messergebnisse wurden einer detaillierten Auswertung und Interpretation unterzogen. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden Zusammenhänge mathematisch dargestellt und für weitere Berechnungen und Parameterstudien verwendet.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das Wärmeentzugspotential v.a. bei der vorhandenen Asphaltfläche groß ist. An sehr sonnigen Tagen sind unter den gegebenen Randbedingungen Entzugsleistungen von bis zu 300 W/m² Absorberfläche möglich, während bei der Betontestfläche bis zu 200 W/m² erreicht wurden. Gleichzeitig konnte aufgezeigt werden, dass sich die Oberflächentemperaturen durch den Wärmeentzug bei der Asphaltfläche um bis zu 10 K (Asphalt) bzw. 5 K (Beton) reduzieren lassen und damit das Potential zur Entschärfung der Hitzeinselproblematik gegeben ist.

Das Wärmetauscherelement Asphalt/Beton ist auch als free cooling Komponente einsetzbar, wenn die Reduktion urbaner Hitzeinseln nicht im Fokus steht.

Die im Sommer abgeführten Wärmemengen von bis zu 4 kWh/m²d bzw. 250 kWh/m² sind prinzipiell in einem entsprechend großen Erdspeicher (Erdbeckenspeicher oder Tiefensondenfeld) saisonal speicherbar. Dabei sind große Kubaturen ab ca. 1.000 m³ erforderlich, um einerseits die Wärmeverluste gegenüber der Speicherkapazität aufgrund eines besseren A/V-Verhältnisses auf ein vernünftiges Maß zu senken bzw. andererseits wirtschaftlich zu bleiben. Durch die phasenverschobene Nutzung ist ein breites Anwendungsfeld gegeben.

Ausblick

Im vorliegenden Sondierungsprojekt konnten wesentliche Potentiale zur Reduktion städtischer Hitzeinseln durch Wärmeentzug aus horizontal versiegelten Flächen aufgezeigt werden. Die zahlreich möglichen Anwendungsfälle sind aus technischer Sicht gegeben, müssen jedoch in einem nächsten Schritt v.a. im Hinblick auf deren ökonomische und ökologische Sinnhaftigkeit untersucht werden.

Da die Nutzungskonzepte den Schwankungen des Mikroklimas unterliegen und die Absorberflächen in thermischer Verbindung mit dem Erdreich stehen, müssen diese jedenfalls instationär betrachtet bzw. simuliert werden, um nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Aussagen für die konkrete Umsetzbarkeit in einem realen Umfeld tätigen zu können. Außer Acht gelassen dürfen dabei weder praktische Rahmenbedingungen wie größtmögliche Flexibilität gegenüber nachträglichen Einbauten bzw. Sanierungen sowie Bandbreiten bei den Simulationsparametern.