Einfluss von Baumpflanzungen auf die innerstädtische Durchlüftung von Straßenzügen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Einfluss von Baumpflanzungen in städtischen Straßenschluchten auf die Verdünnung und den Abtransport der vom Verkehr bodennah freigesetzten Emissionen wird untersucht. Dazu werden in Windkanalversuchen die Strömungs- und Konzentrationsverhältnisse in einem Straßenschluchtmodell bei diversen Baumanordnungen bestimmt. In den bisher durchgeführten Messungen wurde speziell der Einfluss einer entlang der Straßenachse mittig angeordneten Baumreihe auf das Strömungs- und Konzentrationsfeld ermittelt. Unter Verwendung kugelförmiger Baumkronen wurde bei zur Straßenachse senkrechter Anströmung der Einfluss folgender Parametervariationen untersucht: Kronendurchmesser, Kronenpermeabilität, ast- und laubwerkfreie Baumstammhöhe, Pflanzabstand und verkehrsinduzierte Turbulenz. Zum allgemeinen Verständnis der Messergebnisse ist es zunächst wichtig, die Strömungsverhältnisse in der Straßenschlucht unter den o.g. Randbedingungen zu kennen. Bei der vorliegenden „langen“ Straßenschlucht lassen sich zwei für den Luftaustausch wesentliche Strömungsphänomene identifizieren. Im mittleren Straßenabschnitt sorgt allein ein Schluchtwirbel (Canyon Vortex) mit horizontaler Rotationsachse für den Luftaustausch zwischen belasteter Straßenluft und unbelasteter Luft der Dachüberströmung. An den Straßenenden sorgen darüber hinaus zusätzlich Eckenwirbel (Corner Eddies) mit vertikaler Rotationsachse für einen seitlichen Frischlufteintrag. Somit ist die Luft an den Straßenenden wesentlich besser durchmischt und weist geringere Schadstoffkonzentrationen auf. Wesentliche Ergebnisse und Fortschritte gegenüber dem Stand des Wissens Alle Untersuchungen wurden jeweils unter Variation nur eines Parameters durchgeführt um seinen speziellen Einfluss herauszuheben und sind nachstehend zusammengefasst: In der 12 cm breiten wie hohen Straßenschlucht wurden Modellbäume mit 6, 8 und 10 cm Kronendurchmesser bei jeweils 10 cm Baumabstand platziert. Bei kleinen Kronendurchmessern (6 cm) zeigen sich im mittleren Straßenschluchtbereich im Vergleich zur baumfreien Straße an der Leewand nur vernachlässigbare Konzentrationsanstiege. Zu den Straßenenden hin treten jedoch verstärkte Konzentrationszunahmen auf. Diese Beobachtungen sind darauf zurückzuführen, dass im mittleren Bereich die Ausbildung des Canyon Vortex durch kleine Kronenvolumina nur geringfügig gestört wird, an den Straßenenden jedoch das Eindringen der Corner Eddies durch Baumkronen behindert wird. Mit zunehmendem Kronendurchmesser (8, 10 cm) kommt es schließlich auch im mittleren Straßenschluchtbereich zu Konzentrationsanstiegen an der Leewand und zu leichten Konzentrationsabnahmen an der Luvwand. Die Ausbildung eines Conyon Vortexs wird nun zunehmend ver- bzw. behindert, was zu Konzentrationsanstiegen an der Leewand führt. Die Konzentrationsabnahmen an der Luvwand sind mit dem Ausbleiben des Canyon Vortex als Transportmechanismus zu erklären (alles was an Schadstoffen an die Luvwand transportiert wird, wird zuvor an der Leewand nach oben transportiert und in die nach unten gerichtete Luvwandströmung eingemischt). Zuerst wurden zwecks Erhalt eines Referenzfalles die Untersuchungen mit impermeablen Kronen vorgenommen (0 % Luftporenanteil). Um die winddurchlässige Struktur natürlicher Baumkronen zu simulieren, wurden anschließend Baummodelle aus permeablen Kronen mit 97 % Luftporenanteil für die Windkanalversuche angefertigt und untersucht. Die systematische Variation der Permeabilität wird gegenwärtig fortgeführt. Ein signifikanter Einfluss der ast- und laubwerkfreien Baumstammhöhe auf das Konzentrations- und Strömungsfeld ist nur dann vorhanden, wenn damit einhergehend eine grundlegend veränderte Lage der Baumkrone im Straßenschluchtbereich verbunden ist und damit das Strömungsfeld entscheidend beeinflusst wird. Überragen z.B. die Baumwipfel aufgrund einer größeren ast- und laubfreien Stammhöhe das Dachniveau der Straßenschlucht, so wird die Ausbildung eines Canyon Vortex verhindert und höhere Schadstoffkonzentration sind die Folge. Messungen mit vergrößertem Pflanzabstand zeigen über die gesamte Straßenschluchtlänge gleichmäßig verteilte Konzentrationsreduktionen. Insbesondere im Fall großer Kronendurchmesser ist dies eine wirksame Maßnahme zur Verminderung der Schadstoffbelastung im Straßenschluchtbereich. Die Turbulenzproduktion infolge einer Gegenverkehrsbewegung bewirkt eine Homogenisierung der Schadstoffverteilung und gleichzeitig eine Reduktion der Gesamtschadstoffbelastung in der Straßenschlucht. Diese Wirkungen der verkehrsinduzierten Turbulenz auf das Konzentrationsfeld werden durch Baumpräsenz intensiviert. Bei großen Kronendurchmessern und kleinen Pflanzabständen wird der obere vom unteren Straßenschluchtteil mehr oder weniger getrennt. Hierbei ist eine bessere Vermischung der durch den Verkehr in Bewegung gebrachten Luftmassen zwischen Kronenunterseite und Fahrspur festzustellen, was zu einer gleichmäßigeren Schadstoffverteilung im Straßenraum führt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Die Simulation atmosphärischer Grenzschichten in Windkanälen Proceedings 13. Fachtagung “Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik”, 6.-8. September 2005, BTU Cottbus, pp. 51-1 - 51-8
Christof Gromke, Bodo Ruck
