Quantifying the Impact of Urban Block Morphology and Orientation on Office Building Energy Use in a Tropical City
In einem hochverdichteten, heiß-humiden Zentraljakarta zeigt eine parametrische Studie, dass die urbane morphologische Dichte (Bebauungsdichte und Gebäudehöhe) die Energieeffizienz von Bürogebäuden überwältigend dominiert, indem sie die Kühllasten durch gegenseitige Verschattung und geringere Sky-View-Faktoren reduziert, wodurch die Fassadenorientierung praktisch unbedeutend wird.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich die Stadt als einen riesigen, atmenden Organismus vor. Genau wie ein menschlicher Körper hat sie eine Temperatur, und in den Tropen ist diese Temperatur oft zu heiß. Wenn Städte mit Gebäuden vollgestopft werden, speichern sie Hitze und erzeugen so eine „urbane Hitzeinsel“ – eine gemütliche, warme Decke aus heißer Luft, die direkt über dem Dschungel aus Beton liegt. Diese zusätzliche Hitze bringt unsere Klimaanlagen dazu, Überstunden zu leisten und enorme Mengen an Elektrizität zu verschlingen, nur um uns kühl zu halten. Lange Zeit waren Architekten und Stadtplaner von einem ganz speziellen Trick besessen, um dieser Hitze zu bekämpfen: die Gebäude in die „richtige“ Richtung zu drehen. Das alte Regelwerk besagt: „Richten Sie Ihre langen Wände nicht der Morgen- und Nachmittagssonne zu!“ Es ist, als würde man einem Sonnenanbeter sagen, er solle sich seitlich stellen, damit er keine Bräune bekommt. Aber hier kommt die Wendung: Was wäre, wenn die Form der gesamten Nachbarschaft viel wichtiger ist als die Frage, in welche Richtung die Haustür zeigt? Was wäre, wenn die Dichte der Gebäude – ihre Höhe und wie eng sie zusammenstehen – wie ein riesiger, selbstschattierender Sonnenschirm wirkt, der das Spiel komplett verändert? Das ist die große Frage, die sich Wissenschaftler stellen: Zählt in einer superdichten, heißen Stadt die Richtung, in die man sein Gebäude ausrichtet, wirklich noch etwas, oder erledigt die Menge der Nachbarn um einen herum die ganze schwere Arbeit?
Ein Team von Forschern der Universitas Gadjah Mada in Indonesien beschloss, diese Frage auf die Probe zu stellen, aber sie betrachteten nicht nur ein einzelnes Gebäude; sie bauten eine virtuelle Stadt in einem Computer. Sie konzentrierten sich auf Zentral-Jakarta, einen Ort, der heiß, feucht und dicht gepackt mit Wolkenkratzern ist. Mit einem geschickten digitalen Werkzeugzeug erstellten sie 36 verschiedene Versionen eines Stadtblocks. Stellen Sie sich ein quadratisches Stück Land vor, und darauf spielten sie mit zwei Hauptreglern: wie viele Gebäude sie auf das Grundstück stellten (von spärlichen 6 Gebäuden bis hin zu einem dichten Block aus 14 Gebäuden) und wie hoch diese Gebäude waren (von 5 Stockwerken bis zu 15 Stockwerken). Dann drehten sie diese Blöcke um, um sie in vier verschiedene Richtungen auszurichten: Nord-Süd, Ost-West und die beiden diagonalen Ecken.
Um sicherzustellen, dass sich ihre Computerstadt echt anfühlt, verwendeten sie nicht einfach nur Standard-Wetterdaten. Sie nutzten einen speziellen „Urban Weather Generator“, der die zusätzliche Hitze simuliert, die zwischen den Gebäuden gefangen wird, wodurch die digitale Luft heißer und klebriger wird, genau wie in einer echten tropischen Stadt. Dann ließen sie eine massive Energiesimulation laufen, um zu sehen, wie viel Elektrizität ein Bürogebäude in jedem dieser 36 Szenarien benötigen würde, um kühl zu bleiben. Die Ergebnisse waren ein kleiner Schock für das alte Regelwerk.
Die Studie ergab, dass die Richtung, in die die Gebäude zeigten, praktisch bedeutungslos war. In den Simulationen änderte die Änderung der Ausrichtung der Gebäude den Gesamtenergieverbrauch um weniger als 2 %. Es war, als würde man versuchen, einen Raum zu kühlen, indem man einen Ventilator um einen Zentimeter nach links dreht; der Unterschied war kaum wahrnehmbar. Die Forscher berechneten, dass die Orientierung nur etwa 1 % der Unterschiede im Energieverbrauch erklärte. Tatsächlich waren die Stromrechnungen für die meisten der dicht bebauten Layouts fast identisch, völlig egal, in welche Richtung die Gebäude zeigten.
Die wahren Helden der Geschichte waren die Dichte und die Höhe. Die Studie zeigte, dass die „Flächenbebauung“ (wie viel vom Boden die Gebäude bedecken) und die Gebäudehöhe die eigentlichen Chefs waren und unglaubliche 93 % der Energieunterschiede erklärten. Hier ist der überraschende Teil: Je voller der Block war, desto weniger Energie benötigten die Gebäude. Als die Forscher die Flächenbebauung von 0,3 (ziemlich offen) auf 0,7 (sehr dicht) erhöhten, sank der Gesamtenergieverbrauch um 4 % bis 7 %. Auch das Höherbauen der Gebäude half dabei, weitere 1 % bis 4 % einzusparen.
Warum macht es die Gebäude effizienter, sie enger zusammenzupacken? Es kommt auf das Konzept des „Sky View Factor“ (SVF) an. Stellen Sie sich den Himmel als eine riesige, leuchtende Glühbirne vor. Wenn Sie auf einem offenen Feld stehen, sehen Sie die ganze Gluke und werden von der Hitze getroffen. Aber wenn Sie in einer tiefen Schlucht zwischen hohen, engen Gebäuden stehen, sehen Sie nur einen winzigen Streifen des Himmels. Die Gebäude blockieren die Sonne, sodass sie die Wände ihrer Nachbarn nicht trifft. In diesen Simulationen hatten die dichtesten Blöcke einen SVF von nur 11,7 %, was bedeutete, dass sie fast vollständig von ihren Nachbarn beschattet wurden. Diese „gegenseitige Beschattung“ wirkte wie ein natürlicher Sonnenschutz und reduzierte drastisch die Hitze, die auf die Wände traf. Obwohl die dichten Gebäude auch etwas mehr Hitze in der Luft einschlossen (der Urban Heat Island Effekt), war der Vorteil des Blockierens der Sonne so stark, dass er den Kampf gewann und die dicht bebauten Blöcke am energieeffizientesten machte.
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass in einer hochverdichteten tropischen Stadt wie Jakarta die alte Besessenheit davon, Gebäude in die „richtige“ Richtung zu drehen, überbewertet ist. Wenn man Energie sparen will, ist der mächtigste Hebel nicht der Kompass, sondern die Menge der Nachbarn. Indem man Blöcke entwirft, die höher und dichter beieinander stehen, schafft man eine selbstschattierende Umgebung, die die Gebäude natürlich kühl hält. Während die Orientierung nicht nutzlos ist, spielt sie im Vergleich zum massiven Einfluss der Dichte nur eine untergeordnete Rolle. Die Studie legt nahe, dass Architekten sich für zukünftige tropische Städte eher darauf konzentrieren sollten, zu verwalten, wie viel Himmel von der Straße aus sichtbar ist, anstatt sich zu sehr darüber den Kopf zu zerbrechen, in welche Richtung die Haustür zeigt. Natürlich war dies eine Simulation basierend auf Bürogebäuden mit spezifischen Fenstern, und die reale Welt mag einige Überraschungen bereithalten, aber die Botschaft der Daten ist klar: In der Hitze der Tropen könnte ein eng vernetztes Viertel vielleicht einfach der kühlste Ort zum Sein sein.
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