Das große Oval des ArenA Stadions in Amsterdam wird von einer blauen Wolke eingehüllt. Blau steht in der Computergrafik für niedrige Windgeschwindigkeiten. Nur die obersten Ränge der Nordseite sind rot. "Für Stehplätze ist das noch in Ordnung, aber sitzen wollen Sie dort lieber nicht", sagt Jan Carmeliet vom Institut für Bautechnologie an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich. Rot verrät einen unangenehmen Luftzug mit mehr als 20 Stundenkilometern Geschwindigkeit.

Diese Berechnung lässt sich mit Messungen belegen. Doch wie wird sich die Windbelastung verändern, wenn neben dem Stadion das Hochhausviertel in den Himmel wächst, das dort gerade geplant wird? Zieht es dann plötzlich woanders? Überall Windschatten? Oder wird es in der Amsterdamer ArenA gar noch windiger? Carmeliets Antwort flimmert als Simulationsrechnung über den Bildschirm seines Computers.

Die Wege des Windes sind wichtig, nicht nur für offene Stadien. Wer sie bereits bei der Stadtplanung im Auge hat, kann im Sommer viel Energie für Klimaanlagen sparen und im Winter durch punktgenaue Isolierung vorbeugen. Denn wo der Wind am stärksten ist, geht am meisten Wärme verloren. Auch Abgase werden schneller verweht, wenn die Ausrichtung von Straßenschluchten mit der Hauptwindrichtung harmoniert.

Weltweit beschäftigen sich rund 100 Wissenschaftler wie Carmeliet mit solchen Fragen der urban physics, der Städtebauphysik. Man könnte auch von Stadtwindforschung sprechen. International führt Japan. Seine Megastädte sind im Sommer brütend schwüle Hitzeinseln, deren Klimaanlagen gierig Strom schlucken. Ganze Kraftwerke laufen allein dafür, heizen mit ihrer Abwärme den Metropolen zusätzlich ein.

Grünflächen, Bäume, Schattenspender, das naheliegende Repertoire von Architekten und Planern hilft da nicht überall. "Straßenbäume sorgen durch ihre Verdunstung für Abkühlung", sagt Carmeliet, "stehen sie falsch, können sie aber auch Windströme blockieren." Wie man es nicht machen sollte, erlebten schon die Spanier bei der Kolonisierung der Karibik. So verhindern schachbrettartige Grundrisse, die sie aus ihrer trocken-heißen Heimat mitbrachten, im tropisch-schwülen Havanna die Zirkulation. Weil es dort nachts kaum abkühlt, kann auch kein frischer Luftzug durch die schnurgeraden Gässchen streichen. Besser wären verwinkelte Höfe, die am Tag verschattet, nachts aber nach oben geöffnet werden könnten.

Fassaden und Straßenzüge bleiben über Jahrzehnte fast unverändert. Daher ist Windforschung dort besonders nützlich, wo ganze Großstädte am Reißbrett geplant werden, in den asiatischen Boomregionen etwa, vor allem in China. Den weltweit ersten Großversuch gab es jedoch auf der arabischen Halbinsel. Masdar City, die futuristische CO₂-neutrale Wüstenstadt im Emirat Abu Dhabi , soll dank geschickter Verschattung, Begrünung und Belüftung kaum elektrischer Kühlung bedürfen.

Die Software aber, die auch Masdars Luftströme und -wirbel simulierte, ignorierte noch viele bauliche Details, etwa die unregelmäßigen Ränder einer Straßenschlucht oder den Reibungswiderstand verschiedener Fassadenoberflächen.

 

"Die kommerziell verfügbaren Modellierungen sind recht armselig", sagt Michael Schatzmann, Leiter der Abteilung für technische Meteorologie der Universität Hamburg , "obwohl sie immer häufiger eingesetzt werden, sind die meisten von ihnen noch nie systematisch getestet worden." Er leitet eine Gruppe von Forschern aus 22 europäischen Ländern, die seit 2005 einheitliche Qualitätskriterien suchen. Diese werden gebraucht, um die EU-Richtlinien zur Luftqualität zu erfüllen, die erstmals im europäischen Recht ausdrücklich den Einsatz wissenschaftlicher Modellierungen vorschreiben.

In Zukunft gehören Fragen nach dem Wind also zum Planungsalltag. Gegenwärtig geht es noch um die Güte entsprechender Computersimulation. Die kann nur überprüfen, wer nachmisst: in realen Städten, oder an Modellen im Märklin-Maßstab im Windkanal. Aufwendig und teuer ist beides.

Die bisher größte Messkampagne hat im Juli 2003 in Oklahoma City stattgefunden. Wissenschaftler und Behörden wollten herausfinden, wie sich ein Terroranschlag mit Giftgas oder Milzbranderregern in einer Großstadt auswirken würde. Die Millionenmetropole im Mittelwesten der USA bot sich für den Test an, weil dort im Sommer ein stabiler Südwind bläst, aber auch weil man bei den Bürgern Verständnis für all die Messgeräte und kreuz und quer verlegten Kabel erwartete. Schließlich hatte in Oklahoma City acht Jahre zuvor ein schwerer Bombenanschlag ein Bürogebäude zerstört und die Menschen für Terrorgefahren sensibilisiert.

Parallel zu den Messungen vor Ort stellte Schatzmann damals ein Modell der untersuchten Innenstadt in den Windkanal. Bis heute dienen die damals gesammelten Daten der Verbesserung von Simulationsprogrammen.

Einen Windkanal speziell für die Städtebauphysik nimmt die ETH in Zürich gerade in Betrieb. Drei Laserkameras erfassen dort die Bewegung winziger Öltröpfchen im bis zu 110 Stundenkilometer schnellen Luftstrom, der über die Modellstädte bläst. Pro Sekunde entstehen dabei bis zu fünf Gigabyte Daten. Am Computer wird daraus ein dreidimensionales Abbild der Luftbewegung im Zeitverlauf errechnet.

"Besonders interessant ist die nur einen Millimeter dünne Grenzschicht an den Fassaden", sagt Viktor Dorer, der für Bau und Betrieb der Anlage zuständig ist. Was sich dort tut, ist besonders schwer zu simulieren, hat aber entscheidenden Einfluss auf den Wärmehaushalt eines Gebäudes. Gerade an Hausecken ist die Windgeschwindigkeit – und damit auch der Energieverlust – besonders hoch. Punktgenau verstärkte Isolierungen könnten ihn senken.

Von einer Simulation, die den tatsächlichen Luftzug in einer Straßenschlucht vorwegnimmt, sind die Forscher noch weit entfernt. Jan Carmeliet ist skeptisch, ob das überhaupt möglich ist: "Wir versuchen gar nicht, das Strömungsverhalten komplett zu verstehen, sondern nur so weit, wie das jeweilige Problem es erfordert." In der Stadtwindforschung herrscht Bescheidenheit. Eines ihrer Bonmots lautet: "Am achten Tag hat Gott die Turbulenzen geschaffen. Er will uns damit necken."

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