Windkomfort

Erläuterungen zum Thema Windkomfort

Die windklimatischen Verhältnisse im Nahbereich der Hochhäuser unterliegen einer Vielzahl von Einflußfaktoren.
Während sich in der Regel auf den windabgewandten Seiten am Hochhaus durch Leewirkung eine Windabschwächung einstellt, treten an den Kanten und an den windzugewandten Seiten häufig Geschwindigkeitserhöhungen auf.
Im Luvbereich werden die auftreffenden Luftmassen in einer beschleunigten Bewegung um und über das Hochhaus transportiert.
Ein beträchtlicher Teil wird aber auch nach unten abgelenkt und der bodennahen Strömung überlagert.
Dies führt gerade bei sehr hohen Gebäuden häufig zu merkbaren Geschwindigkeitserhöhungen in Fußgängerbereichen, zu Belästigungen und kann unter sehr ungünstigen Umständen auch Gefährdungen von Passanten verursachen.

Die in der Tabelle links dargestellte Skala nach Beaufort zeigt die Windwirkungen bei verschiedenen Geschwindigkeiten. Wind mit Geschwindigkeiten unter 1m/s wird kaum wahrgenommen, Windgeschwindigkeiten von über 3m/s können im Freien die Behaglichkeit z.B. beim Sitzen bereits erheblich beeinträchtigen.

Bft	m/s	km/h	Knoten	Bezeichnung	Auswirkungen im Binnenland
0	0-0.2	0-0.8	0-0.5	Windstille	Rauch steigt senkrecht empor, Wind ist nicht bemerkbar
1	0.3-1.5	0.9-5.5	0.6-3.0	leiser Zug	Rauch zeigt Wind an, Windfahne noch nicht, behaglich beim Sitzen
2	1.6-3.3	5.6-12.1	3.1-6.5	leichte Brise	Wind im Gesicht eben fühlbar, Windfahne bewegt sich
3	3.4-5.4	12.2-19.6	6.6-10.5	schwache Brise	Blätter und dünne Zweige bewegen sich, Wind streckt Wimpel, Kleidung flattert, die Haare bewegen sich
4	5.5-7.9	19.7-28.5	10.6-15.5	mäßige Brise	dünne Äste bewegen sich, Staub und loses Papier werden aufgewirbelt
5	8.0-10.7	28.6-38.8	15.6-20.9	frische Brise	bewegt größere Zweige und bringt kleinere Laubbäume ins Schwanken, die Windkraft auf Körper wird fühlbar, noch behaglich beim schnellen Gehen - beim Schaufensterbummel unbehaglich, auf Seen bilden die Wellen Schaumköpfe
6	10.8-13.8	38.9-49.8	21.0-26.9	starker Wind	als Sausen hörbar, Schirme nur mit Schwierigkeiten nutzbar, Geradeausgehen erschwert, auch starke Äste bewegen sich, Telegraphenleitungen pfeifen
7	13.9-17.1	49.9-61.7	27.0-33.3	steifer Wind	schwache Baumstämme geraten in Bewegung, beim Gehen wird Unsicherheit empfunden
8	17.2-20.7	61.8-74.6	33.4-40.3	stürmischer Wind	Wind bricht Zweige von Bäumen, bewegt auch stärkere Bäume, Stahldrähte und Wanten beginnen zu pfeifen, das Vorwärtskommen ist erschwert, das Gleichgewicht in Böen nur schwer zu halten
9	20.8-24.4	74.7-88.0	40.4-47.5	Sturm	kleinere Schäden an Häusern (verrückte Dachziegel), Menschen können durch Böen umgeworfen werden
10	24.5-28.4	88.1-102.4	47.6-55.3	voller Sturm	Bäume werden entwurzelt
11	28.5-32.6	102.5-117	55.4-63.4	schwerer Sturm	zerstörende Wirkungen schwerer Art, (im Binnenland sehr selten)
12+	32.7+	118+	63.5+	Orkan	schwerste Verwüstungen

Quelle: DWD, 1977 und div.

Für eine flächenhafte Darstellung des Bodenwindfeldes, d.h. für eine Lokalisierung der Punkte mit besonders hohen oder niedrigen Geschwindigkeiten im Aufenthaltsbereich von Fußgängern wird das Sanderosionsverfahren angewendet. Der Boden eines im Grenzschichtwindkanal montierten, maßstäblich verkleinerten Stadtmodells mit dem betrachteten Hochhaus wird mit einer sehr dünnen und möglichst gleichmäßigen Schicht Sand bestreut. Die Windgeschwindigkeit wird schrittweise erhöht, bis der Sand abgetragen wird.
Die lokal höchsten bodennahen Windgeschwindigkeiten treten an den Stellen auf, die als erstes vom Sand befreit sind. Innerhalb der Bereiche, die auch bei hohen Windgeschwindigkeiten noch mit Sand bedeckt bleiben, herrschen relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeiten.
Der Anwendung des Meßverfahrens liegt zugrunde, daß die Empfindung des Menschen für Wind einerseits von der zeitlich gemittelten Geschwindigkeit beeinflußt ist, andererseits aber auch von der Häufigkeit des Auftretens kurzzeitiger Böen. Das Sanderosionsverfahren macht sich nun die Analogie zunutze, daß für die Abtragung der Sandkörner sowohl eine erhöhte, zeitlich gemittelte bodennahe Windgeschwindigkeit, aber auch die Häufigkeit des Auftretens kurzzeitiger Geschwindigkeitsspitzen ausschlaggebend ist, die an den Kanten von Gebäuden und insbesondere im Nahbereich von Hochhäusern auftreten können. In windgeschützten Bereichen, z.B. im Lee von Gebäuden herrschen niedrige Geschwindigkeiten ohne die Überlagerung ausgeprägter Spitzen. Aus den Konturen der verbleibenden Sandauflage läßt sich die komplexe Struktur des Bodenwindfeldes für jeweils gleiche Windlagen im Istzustand und im Planzustand gegenüberstellen und bewerten.

In der Regel werden zwölf Windrichtungen untersucht. Die Fußgängerflächen des Modells werden mit einer Sandauflage jeweils gleichen Anfangszustands versehen.

In der Decke des Windkanals installierte, digitale Kameras registrieren aus verschiedenen Blickrichtungen das Umfeld des Hochhauses.

Bei sechs Geschwindigkeitsstufen, die jeweils längere Zeit eingestellt bleiben, wird die Sandabtragung dargestellt. Am Ende dieser Zeitabschnitte werden die Sanderosionsbilder aufgezeichnet und für eine weiterführende Bildverarbeitung gespeichert.

Die Abb. oben zeigt das Modell einer Großstadt mit Hochhäusern im Maßstab 1:300 eingebaut in der Meßstrecke des Grenzschichtwindkanals.

Die Abbildung unten zeigt beispielhaft eine rechnerisch entzerrte Aufsicht des Stadtmodells. Unter dem weißen Sand werden die in der Größe zunehmenden, erodierten schwarzen Flächen sichtbar, die sich bei steigender Windgeschwindigkeit der Anströmung ergeben.

Zwischen den Bildern, die für die verschiedenen Windrichtungen aufgenommen werden und den Aussagen über den lokalen Windkomfort liegt ein weiterer, komplexer Rechenweg, der die langjährige Windstatistik einer nahegelegenen Meßstation und die Übertragung dieser Daten auf die lokalen Verhältnisse zu berücksichtigen hat.

Das Verfahren wird zunächst kalibriert, indem durch Vergleichsmessungen festgestellt wird, welche Böengeschwindigkeit am Ort der Kontur einer erodierten Fläche herrscht.

Das Verhältnis zwischen dieser und der Windgeschwindigkeit in einer Bezugshöhe an einem Bezugsort (z.B. in 10 m Höhe an der meteorologischen Meßstation) läßt sich auf diese Weise für jede der entstandenen Konturen berechnen.

Für jeden Punkt der im Bild erfaßten Bodenfläche wird anschließend unter Verwendung der für die Meßstation verfügbaren statistischen Daten aus langjährigen Messreihen die Häufigkeit errechnet, mit der eine bestimmte Böenwindgeschwindigkeit zu erwarten sein wird.

Eine weitere aussagekräftige Methode, zu einer verfeinerten Darstellung des lokalen Bodenwindfeldes zu gelangen, stellt die Messung der zeitabhängigen Luftgeschwindigkeiten dar.

An ausgewählten Standorten, dort wo sich im Sanderosionsversuch ein Verdacht auf eingeschränkten Windkomfort ergeben hat, wird mit Hilfe von thermischen Anemometern die effektive Böenwindgeschwindigkeit (Maß für die Höhe der Windgeschwindigkeitsspitzen) in Kopfhöhe ermittelt.

Unter Einbindung windstatistischer Angaben lassen sich so noch genauer für einen bestimmten Standort im Fußgängerbereich die zu erwartenden Häufigkeiten bestimmen, mit denen bestimmte Schwellwerte erreicht werden.

Da im Einflußbereich von größeren Gebäuden stets sehr turbulente Strömungsverhältnisse zu erwarten sind, resultieren starke Geschwindigkeitsschwankungen und häufige Strömungsrichtungsänderungen. Daher werden Laser-Doppler Anemometer oder zeitlich und räumlich fein auflösende, richtungsunabhängige Geschwindigkeitssonden eingesetzt. Die Abbildung rechts zeigt beispielhaft eine Miniatur-Kugelsonde zur Messung der Böenwindgeschwindigkeiten, eingebaut im Modell 1:200 einer Fußgängerpassage.

Für die Bewertung der Windkomfortsituation in einem bestimmten Fußgängerbereich ist weniger von Bedeutung, wie hoch die absolute Windgeschwindigkeit für eine bestimmte Windsituation ist. Vielmehr ist ausschlaggebend, wie häufig (z.B über ein Jahr hinweg) bestimmte Windgeschwindigkeiten in Böen überschritten werden.

Die Kenntnis dieser Häufigkeit erlaubt, mit Hilfe geeigneter Kriterien die Einteilung des untersuchten Bereiches in, für verschieden windsensible Nutzungen mehr oder weniger gut geeignete Flächen. Die in der Abbildung rechts oben beispielhaft angegebene, flächendeckende Darstellung dient Architekten und Freiflächenplanern als Grundlage für die Gestaltung.

In der untenstehenden Tabelle findet sich beispielhaft eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der maximalen Stärke der Windbö, die in einer Stunde des Tages mehrmals auftreten darf und entsprechenden Nutzungsempfehlungen verbunden mit entsprechenden Tätigkeiten.

In dem Diagramm links oben und in der Tabelle darunter sind beispielhaft alternative Vorschläge verschiedener Autoren zusammengefaßt, wie eine Beurteilung des windbedingten Fußgängerkomforts vorgenommen werden könnte.

Das Diagramm nutzt die Kombination aus der Böengeschwindigkeit und der Häufigkeit, mit der diese im langjährigen Durchschnitt erreicht wird.

Die Tabelle beschränkt sich auf eine ganz bestimmte Häufigkeit (hier Böen in einer Stunde des Tages) und gibt dafür tolerierbare Schwellenwerte und Nutzungen an.

Windkomfortklasse	Tätigkeit	Nutzung	Schwellenwert
A	Schnelles Gehen	Bürgersteige, Verkehrsflächen in Industriegebieten	< 11 m/s
B	Stetes Spazierengehen	Parks, Eingänge, Durchgangsbereiche	< 8.5 m/s
C	Bummeln, kurzes Stehen- und Sitzenbleiben	Parks, Einkaufspassagen, Wartebereiche	< 6.5 m/s
D	Ruhen, langes Stehen- und Sitzenbleiben	Parks, Ruhebänke, Spielplätze, Straflencafés	< 5 m/s