Umweltaspekte in der Bauleitplanung - PEUTZ CONSULT GmbH

Umweltaspekte in der Bauleitplanung: Wind und Licht
Seminarbeitrag vom 21.02.2006
1 Einleitung
Neben den in vielen Bebauungsplanverfahren zu berücksichtigenden
Immissionen durch Schall- und Erschütterungen
gewinnen zunehmend auch die Aspekte
Windkomfort, Tageslichtversorgung und Verschattung
sowie Lichtimmissionen im Rahmen der städtebaulichen
Planung an Bedeutung.
Nachfolgend werden zu diesen Themenbereichen jeweils
die Beurteilungsgrundlagen vorgestellt, die in der
städtebaulichen Planung relevant sind, und es werden
die Untersuchungsmethoden und Bewertungsweisen
erläutert.
2 Windkomfort
2.1 Das Phänomen Wind
Wind ist ein komplexes Phänomen. Neben der zeitlichen
Schwankung der Windgeschwindigkeiten (Turbulenzen,
Windböen) und der zeitlichen Schwankung der
Windgeschwindigkeit und Windrichtung variiert die
Windgeschwindigkeit auch über die Höhe.
Bebauung und Bewuchs am Boden führen zu einer
Reibung und so zu einer Verringerung der Windgeschwindigkeit
in bodennahen Schichten. Hierdurch
bildet sich das sogenannte natürliche Windprofil in der
atmosphärischen Grenzschicht aus.
Die Windgeschwindigkeit nimmt innerhalb dieser
Grenzschicht mit ansteigender Höhe zu. Wenn die freie
Windströmung nun durch ein Hindernis, z.B. ein aus der
übrigen Bebauung heraus ragendes Gebäude behindert
wird, so beeinflusst dies die lokalen Windverhältnisse.
Zum einen können Luftbewegungen aus höheren
Schichten, die höhere Luftgeschwindigkeiten aufweisen,
als Fallwind in Richtung Boden abgelenkt werden,
zum anderen entstehen Verwirbelungen, Überdruck
und Unterdruck.
Die Wahrnehmung des Windes ist subjektiv und ist von
einer Reihe von Faktoren abhängig, u.a. dem Alter,
dem Gesundheitszustand, dem Aktivitätsgrad (Sitzen /
Gehen), der Temperatur und auch von der Gewöhnung.
2.2 Stand der Normung
Die weltweit erste Norm zur Beurteilung von Windkomfort,
die niederländische NEN 8100, wurde im Februar
2006 veröffentlicht.
In der NEN 8100 sind neben der Definition von Anforderungen
/ Grenzwerten und der Beschreibung möglicher
Untersuchungsmethoden auch Instrumentarien beschrieben,
die dem städtebaulichen Planer und den
Behörden eine Beurteilung ermöglichen, ob eine Windkomfortuntersuchung
überhaupt erforderlich ist.
Ebenso wird der Zeitpunkt der Untersuchungen klar
definiert, nämlich im Rahmen der städtebaulichen Planung.
In Deutschland wird zur Zeit eine Windkomfort-
Richtlinie im Rahmen der Windtechnologischen Gesellschaft
e.V. unter Mitarbeit der Peutz-Gruppe erarbeitet.
Die Richtlinie lehnt sich an die Erfahrungen aus den
Niederlanden, der einschlägigen Literatur sowie an
Erfahrungswerten der teilnehmenden Fachleute an.
2.3 Beurteilungskriterien
Im Rahmen einer Windkomfortuntersuchung wird die
Wahrscheinlichkeit ermittelt, dass eine Grenz-
Windgeschwindigkeit (in der Regel im Mittel u Grenz = 5
m/s) überschritten wird. Zulässige Überschreitungswahrscheinlichkeiten
bzw. zulässige Überschreitungstage
pro Jahr werden definiert für verschiedene Gebietstypen.
Hierbei wird unterschieden zwischen Verkehrsflächen,
Bewegungsflächen, z.B. vor Gebäuden und Verweilflächen,
z.B. Terrassen, Biergärten. In Abhängigkeit der
ermittelten Überschreitungshäufigkeit wird das Windklima
am Betrachtungspunkt in eine Qualitätskategorie
eingestuft.
M ax. Anzahl Überschreitungstage pro Jahr
Kom fortkriterium (v < 5m /s)
Bereichstyp
gut gu t b is m äßig
kriterium
Verkehrsflächen
Bewegungsflächen
Verweilflächen
Unbefriedigend,
verbesserungswürdig
Gefahren-
(v < 15m/s)
< 15 15 – 40 > 40 ≥ 0,5
< 2 2 – 10 > 10 ≥ 0,5
0 0 – 1 > 1 ≥ 0,5
Abb. 1: Bewertungsmatrix Windkomfort
Von einer Gefährdung für Fußgänger und Radfahrer
kann ausgegangen werden, wenn die mittlere Windgeschwindigkeit
u Grenz ≥ 15 m/s beträgt.
Bei einer Überschreitungshäufigkeit dieser Windgrenzgeschwindigkeit
während mehr als 12 Stunden pro Jahr
kann von einer relevanten Gefährdung für Fußgänger
und Radfahrer ausgegangen werden. Dieses Kriterium
ist unabhängig von der Gebietseinstufung.
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2.4 Windkanaluntersuchungen
Windkanaluntersuchungen werden in sogenannten
Grenzschicht-Windkanälen durchgeführt. Dazu wird ein
maßstäbliches Modell mit Messsensoren bestückt und
in den Winkanal eingebaut. Bevor der Wind während
der Messung über das Modell streift, passiert er Rauhigkeitselemente
im Vorlaufgebiet.
Diese dienen dazu, das natürliche atmosphärische
Windprofil in Abhängigkeit des Grades der Bebauung
im Untersuchungsbereich nachzubilden.
Während der Messung werden die lokalen Windgeschwindigkeiten
an den verschiedenen Messsensoren
ermittelt und anschließend ausgewertet.
Die Ermittlung der statistischen Kenngrößen und die
Ermittlung der Überschreitungswahrscheinlichkeiten der
Grenzgeschwindigkeit erfolgt mit Hilfe der langjährigen
Windstatistik am Untersuchungsort.
Anhand der Bewertungsmatrix kann die Windkomfortsituation
bewertet und das Potenzial für eine mögliche
Gefährdung quantifiziert werden.
Abb. 2: Blick in den Peutz Windkanal, im Vordergrund:
Modell, im Hintergrund: Rauhigkeitselemente;
Photo: Peutz bv
Die anschließende Aufgabe bei der Beratung ist die
Entwicklung von Planungsalternativen, falls Handlungsbedarf
zur Optimierung des Windklimas besteht.
Mögliche Maßnahmen sind die Anordnung von Abschirmungen
(z.B. Hecken, Baumreihen), von Überdachungen
zumeist über dem Eingangsbereich von Gebäuden
oder ggf. auch die Änderung der Gebäudestellung.
Da unter Umständen also zur Verbesserung des Windkomforts
ein erheblicher Eingriff in die Planung erforderlich
sein kann, sollten Windkomfortuntersuchungen
bereits im Rahmen der städtebaulichen Planung erfolgen,
um ggf. die Änderungen im Bebauungsplan berücksichtigen
zu können.
Abb. 3: Projektbeispiel: Abschirmungen an einem
Hochhaus zum Schutz des Eingangsbereichs
und des Bürgersteigs; Photo: Peutz Consult
3 Verschattung
Durch die Planung neuer Gebäude ändert sich insbesondere
in innerstädtischen, dicht bebauten Lagen
häufig die Verschattungssituation.
Oftmals werden negative Auswirkungen auf die Besonnung
der Fassaden bestehender Gebäude von Seiten
der Anwohner vorgebracht. Um hier einerseits den
Schattenwurf von Gebäuden zu visualisieren und andererseits
auch eine Bewertung im Rahmen der städtebaulichen
Planung vornehmen zu können, sind hier
Verschattungssimulationen ein geeignetes Instrument.
Als Möglichkeit bietet sich zum einen die Untersuchung
eines maßstäblichen Modells im Besonnungssimulator
an. Dies ist insbesondere dann eine wirtschaftlich günstige
Methode, wenn bereits ein Windkanalmodell besteht.
Zum anderen bietet sich eine Computersimulation
an, die aufbauend auf einer Sonnenstandsberechnung
für verschiedene Tages- / Jahreszeiten den Schattenwurf
in einem städtebaulichen Ensemble vor und nach
Umsetzung der Planung visualisiert.
Zur Bewertung der Verschattung durch Gebäude bzw.
der Besonnung von Fassaden existieren keine gesetzlichen
Vorgaben. Empfehlungen gibt die DIN 5034 "Tageslicht
in Innenräumen". Bezüglich der Besonnung der
Fassaden von Wohnräumen gibt sie folgende Mindestbesonnungsdauer
vor:
Am Stichtag 17. Januar muss je Wohneinheit mindestens
ein Wohnraum eine Stunde lang direkt von der
Sonne besonnt werden können. Dabei ist die astronomisch
mögliche Besonnung, also ohne Einfluss von
Bewölkung und Meteorologie, aber unter Berücksichtigung
der Topografie und der Verbauung durch benachbarte
Gebäude zu berücksichtigen. Nachweisort ist die
Fenstermitte in Brüstungshöhe in Fassadenebene.
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Die Einhaltung dieser Anforderungen sowie eine globale
Bewertung der Verschattungsverhältnisse ist mit Hilfe
einer Verschattungssimulation und ergänzenden Sonnenstandsberechnungen
möglich.
Bei unverbautem Himmel im Freien beträgt der Tageslichtquotient
somit definitionsgemäß 100 Prozent.
Die Überprüfung der Anforderungen an die Tageslichtbeleuchtung
und Helligkeit kann bei einfachen Geometrien
und weitgehend unverbauter Umgebung mit Nomogrammen
und einfachen Verfahren bestimmt werden.
Bei komplexen Geometrien oder wenn ein Teil des
Tageslichtes durch Reflexionen oder über Tageslichtlenkung
in den Raum geführt werden soll, sind numerische
Simulation erforderlich.
Abb. 4: Visualisierung des Schattenwurfs mit einer
Computersimulation; Bild: Peutz Consult
4 Tageslichtbeleuchtung
Die natürliche Tageslichtbeleuchtung für Wohn- und
Arbeitsräume ist ein wichtiger Faktor zur Sicherstellung
gesunder Wohnverhältnisse.
Mit Hilfe der Ray Tracing-Methode werden die Lichtstrahlengänge
unter Berücksichtigung der Einflüsse auf
dem Ausbreitungsweg, wie z.B. Reflexion und Absorption
an Oberflächen, vom Himmel bis in den zu betrachtenden
Bewertungspunkt in Gebäude verfolgt.
Mit Hilfe einer solchen Simulation kann der Tageslichtquotient
ermittelt werden. Von Interesse können hierbei
die zukünftigen Verhältnisse in geplanten Gebäuden,
oder aber auch die Bewertung der Auswirkungen auf
bestehende Gebäude z.B. durch geplante Bebauung
innerhalb eines Plangebietes sein.
Der Tageslichtversorgung kommt auf Grund ihrer psychologischen
Relevanz eine hohe Bedeutung zu. So
sollte eine ausreichende Tageslichtbeleuchtung vorhanden
sein, um einen Bezug zur Wetterlage und den
sich im Tages- und Jahreszeitverlauf ändernden Lichtverhältnissen
sicher zu stellen.
Zur erforderlichen Helligkeit in Wohnräumen existieren
ebenfalls keine gesetzlichen Grundlagen. Daher wird
bei der Bewertung wiederum auf DIN 5034 zurück gegriffen.
Hierin werden Anforderungen an die Helligkeit in
Wohn- und Arbeitsräumen in Form des sogenannten
Tageslichtquotienten D gestellt.
Der Tageslichtquotient ist als das Verhältnis der Beleuchtungsstärke
in einem Punkt innerhalb eines Raumes
durch direktes und/oder indirektes Himmelslicht
zur gleichzeitig vorhandenen Horizontalbeleuchtungsstärke
im Freien bei unverbauter Himmelshalbkugel
definiert.
Fensteranordnung Anforderung D [%]
Fenster in einer Wand
Fenster in zwei aneinander
grenzenden Wänden
0,9 % Mittelwert
0,75 % ungünstigste Stelle
1,0 % ungünstigste Stelle
Abb. 5: Anforderungen an den Tageslichtquotienten
nach DIN 5034, Teil 1
Abb. 6: Beispiel einer Tageslichtsimulation: Berechnung
von Isolinien gleicher Beleuchtungsstärke;
Bild: Peutz bv
5 Lichtimmissionen
Licht ist zur Sicherstellung gesunder Wohnverhältnisse
in Räumen erforderlich – es kann unter gewissen Umständen
aber auch eine Störung oder gar Gefährdung
darstellen. Lichtimmissionen künstlicher Lichtquellen,
z.B. Flutlichtanlagen an Sportplätzen, können somit
unter Umständen zu den schädlichen Umwelteinwirkungen
nach BImSchG zählen.
Im Immissionsschutz entsteht dabei in der Regel die
Belästigung bzw. Beeinträchtigung der Nachbarschaft
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durch Störungen durch Lichtquellen, aber keine Gefährdung
im Vordergrund.
Als Beurteilungsgrundlage für Lichtimmissionen in der
Nachbarschaft wurden vom Länderausschuss Immissionsschutz
(LAI) im Jahre 2000 Hinweise zur Messung
und Beurteilung von Lichtimmissionen entwickelt.
Diese wurden im gleichen Jahr in Nordrhein Westfalen
in einem Runderlass "Lichtimmissionen – Messung,
Beurteilung und Verminderung" umgesetzt.
Im Erlass sind zwei Beurteilungsgrößen definiert: Die
Raumaufhellung durch von außen eindringendes Licht
und die (psychologische) Blendung durch Quellen hoher
Leuchtdichte.
Analog zur Vorgehensweise beim Schallimmissionsschutz
sind jeweils Immissionsrichtwerte für die Raumaufhellung
und die Blendung in Abhängigkeit der Tageszeit
und der Gebietsfestsetzung angegeben.
Immissionsort
Kurgebiete, Krankenhäuser,
Pflegeanstalten
Wohngebiete (WR/WA)
Kernsiedlungsgebiete
Erholungsgebiete
Beleuchtungsstärke E F in lx
tags 6 - 22 h
nachts22 - 6 h
1 1
3 1
Dorfgebiete, Mischgebiete 5 1
Kerngebiete,
Gewerbegebiete,
Industriegebiete
15 5
Abb. 7: Immissionsrichtwerte Raumaufhellung
Bezüglich der Blendung wird eine maximale tolerable
Leuchtdichte der Quelle definiert, die wiederum abhängt
von Tageszeit, Gebietsausweisung, Umgebungsleuchtdichte
und dem Raumwinkel als Maß für die Größe der
Quelle:
Der Runderlass ist zunächst auf die messtechnische
Überprüfung an bestehenden Anlagen ausgelegt. Im
Rahmen städtebaulicher Planungen werden die Anforderungen
an die Raumaufhellung und Blendung aber
auch mit Hilfe einer numerischen Lichtausbreitungsrechnungen
im Vorfeld überprüft.
Typische Anwendungsfälle sind z.B. die Planung von
Sportplätzen oder die Ausweisung neuer Gewerbetriebe,
bei denen im Vorfeld von einer intensiven Beleuchtung
ausgegangen wird. Somit können hier bereits im
Vorfeld Nachbarschaftskonflikte untersucht und gelöst
werden.
Immissionsort
Kurgebiete, Krankenhäuser,
Pflegeanstalten
Wohngebiete (WR/WA)
Kernsiedlungsgebiete
Erholungsgebiete
Proportionalitätsfaktor K
tags abends nachts
6 – 20 h
20 – 22 h
32
22 – 6 h
96 64 32
Dorfgebiete, Mischgebiete 160 32
Kerngebiete,
Gewerbegebiete,
Industriegebiete
- 160
Abb. 8: Proportionalitätsfaktoren Blendung
Abhilfemaßnahmen sind im Rahmen der Planung oft
einfach und mit wenig Aufwand umsetzbar, während
spätere Umrüstungen zumeist mit erheblichen Kosten
verbunden sind.
Bei Sportplätzen stehen z.B. Kappen oder Abschirmungen
im Bereich der Quelle, die Verwendung moderner
Leuchtmittel mit gerichteter oder asymmetrischer Abstrahlungscharakteristik
oder die Verwendung höherer
Lichtmasten zur Erhöhung des Lichteinfallswinkels zur
Verfügung.
mit:
L max
k
L u
Ω s
L
max
= k
= Immissionsrichtwert: maximal tolerable
Leuchtdichte einer Blendlichtquelle in cd/m²
= Proportionalitätsfaktor
= maßgebende Leuchtdichte in der Umgebung
der Blendlichtquelle in cd/m²; L u ≥ 0,1 cd/m²
= Raumwinkel der vom Immissionsort ausgesehenen
Blendlichtquelle in sr
L u
Ω
s
6 Zusammenfassung
Bei städtebaulichen Planungen sind in bestimmten
Fällen Aussagen zum Windkomfort, zur Verschattung
und Tageslichtbeleuchtung oder zu Lichtimmissionen
zu treffen.
Mit numerischen Simulationen oder einer Windkanaluntersuchung
mit Maßstabsmodellen lassen sich bereits
im Planungsstadium die Planungsansätze optimieren
und Lösungen finden, die den Anforderungen an Windkomfort,
Besonnung und Tageslichtversorgung sowie
ausreichenden Schutz vor Lichtimmissionen Rechnung
tragen.
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