DIE VERWENDUNG VON PFLANZEN ZUR
KLIMATISIERUNG UND ALS LÄRMSCHUTZ

P. R. Costa und R. W. James

South Bank University, Borough Road, London SE1

HINTERGRUND

>Die Verwendung von Pflanzen zur Klimatisierung und als Lärmschutz< beschreibt zwei Verfahren, die bislang nicht als technische Attribute von Pflanzen angesehen wurden: Kühlen und Luftbefeuchtung. Neue, einfache Modelle sollen diese Prozesse in und auf Gebäuden quantifizieren. Die Gleichung basiert auf der Vergrößerung bestehender Parameter. Die Kühlgleichung ergibt eine Sol-Air Temperatur von 18 C für eine bepflanzte Fläche im Verhältnis zu 67 C bei einer künstlichen dunklen Fläche, oder 44 C für eine helle Fläche, basierend auf einer durchschnittlichen Außentemperatur von 19 C. Dieses würde bedeuten, dass der Sonneneinfluss auf dieser Fläche außer acht gelassen werden kann. Konsequenterweise könnte man dadurch die Leistungsfähigkeit der Klimaanlage verringern, was eine Reduzierung des Energieverbrauchs zufolge hätte. Dieses resultiert in einer Reduzierung der Kohlendioxid Produktion des Kraftwerkes. Neue Erkenntnisse über die Geräuschdämpfung durch Pflanzen werden ebenfalls präsentiert.

EINFÜHRUNG

Die Bautechnik ist umfangreich geworden, aber es gibt einen stärker werdenden Trend zur Einfachheit. Es ist unwahrscheinlich, dass die sich daraus ergebenden Lösungen die grundsätzliche Ausrichtung des bautechnischen Gewerbes ersetzen wird, aber sie werden für mehr Ausgewogenheit sorgen. Zwei Beispiele für die Anwendung dieser Prinzipien, sind das Horniman Museum’s Centre for Understanding the Environment (Horniman Museums Zentrum zum besseren Verständnis der Umwelt) in Süd Ost London und Watford und die New Hope Trust’s ‘Day Centre‘ in Nord London, wo die Gebäudetechnik und die Bepflanzung auf und am Gebäude auf einander abgestimmt sind.

Der Wasserverlust durch Verdunstung ist ein Mittel zur Steuerung der Nährstoffe, und die Aufnahme latenter Wärme ist ein wichtiges Mittel zur Umwandlung der Energie auf Blätter und Wurzeln. Die Stomata (biologische Ventile in den Blättern) steuern die Verdunstung. Der Öffnungsgrad der Stomata wird durch die Faktoren Lichtintensität, Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit und Konzentration des Kohlendioxid bestimmt. Gegenwärtig werden Pflanzen auf oder an Gebäuden dafür bestimmt, die Sonneneinstrahlung durch Schatten zu verringern. Die Pflanzen bieten jedoch bedeutendere Zwecke, die von den Technikern nicht berücksichtigt wurden, nämlich das Kühlen, durch Verdunstung und die Luftbefeuchtung. In diesem Bericht werden Modelle vorgeschlagen, die diese Verfahren quantifizieren.

Sehr wenig wurde bisher in Bezug auf Pflanzen in Zusammenhang mit der Raumakustik unternommen. Im Jahre 1906 war es für Sabine, einem der Begründer der modernen Akustiktheorie, sehr schwer, die Geräuschdämpfung durch Zimmerpflanzen zu beschreiben. Er gelangte aber zu dem Ergebnis, dass 0,11 m pro m³ Pflanze absorbiert werden. Der vorliegende Bericht enthält die Dämpfungswerte des gesamten Geräuschspektrums, so wie sie durch Versuche neuer Akustikarbeiten abgeleitet wurden.

  KÜHLVERFAHREN

Die Sol-Air Temperatur ist ein technischer Begriff für die theoretische Temperatur, der in Kühlkalkulationen zur Darstellung der Sonneneinstrahlung durch ein undurchsichtiges Gewebe verwendet wird. Es gibt drei Unterscheidungsmerkmale für die Angleichung der Sol-Air Temperatur auf einer von Menschenhand hergestellten Oberfläche und einer pflanzlichen Oberfläche. Das Albedo (Sonnenabsorption) schwankt und verändert sich, die gesamte Intensität der Sonnenstrahlung wird auf 14 % bei Wiesen und auf 20 % bei laubwechselnden Pflanzen reduziert, und der Oberflächenwiderstand ist niedriger wegen der dynamischen Verhältnisse, die durch die Pflanzen verursacht werden. Diese Information wurde von T.R. Oke_I abgeleitet und bedarf der Gültigkeitserklärung für diese Anwendungen.

Tabelle 1 Albedo (Sonnenabsorption) & Langwellenverlust der Pflanzen im Jahresverlauf

* Wert aus CIBSE Leitfaden₂ Tabellen A2.33 (a) bis (h) für März bis Oktober, für November bis Februar als I_L=93 – 79 x C, (Gleichung A2.24) wobei Bewölkung ‘C‘ als 0.5 angegeben wird

Tabelle 1 über das Albedo für Pflanzen im Jahresverlauf zeigt die Veränderungen des Sonnenstandes und im Falle der laubwechselnden Pflanzen auch den Stand des Laubes. Dies steht im Gegensatz zu künstlichen Oberflächen, bei denen einer hellen Oberfläche der Wert 0,5 und einer dunklen der Wert 0,9 zugeteilt wird. In diesem Fall werden nur horizontale Oberflächen berücksichtigt. Die Gleichungen können leicht für vertikale Oberflächen und dem Wand-/Sonnenwinkel verändert werden. Für dieses Modell wurde für der Oberflächenwiderstand R_so mit 0,02 m² K/W zur Darstellung einer begrünten Oberfläche eines Daches mit hoher Emission in rauer Umgebung abgegeben. Für künstliche Oberflächen wurde der Wert 0,07 m² K/W benutzt. Die unten stehende Gleichung ist die Standardformel, die zur Berechnung der Sol-Air Temperatur auf horizontalen Oberflächen, so wie im CIBSE Leitfaden₂ angegeben, benutzt wird. Die übernommenen Modelle bedürfen der Gültigkeitserklärung.

t_eo = (a . I_THd - Î . I_L) R_so + t_ao ...(1)

Da t_eo für die Sol-Air Temperatur und a für Albedo (Sonnenabsorption) steht, wird der Grad der absorbierten Strahlung dargestellt, I_THd ist die gesamte horizontale Sonneneinstrahlung (Total Horizontal Design Solar Irradiance) angegeben in W/m² und Î (für Emission) entspricht 0,9 für einen schwarzen Radiator in der Nähe, was auf die meisten Objekte zutrifft; I_L ist der Verlust der Langwellenstrahlung in W/m², R_so entspricht 0,07 und stellt den Oberflächenwiderstand künstlicher Oberflächen in m² K/W dar; t_ao ist die Außenlufttemperatur.

Die Gleichung für horizontale Oberflächen, die von Wiesen mit mindestens 200 mm langen Halmen bedeckt sind, wird, wie unten dargestellt, modifiziert. Der Faktor 0,14 wird von der Reduzierung der Sonneneinstrahlung durch diese begrünten Oberflächen abgeleitet und in Graphen von T.R. Oke_I dargestellt. Der Oberflächenwiderstand wird mit 0,02 W/m² angegeben.

t_eo = ((a . I_THd. 0.14) - Î . I_L) R_so + t_ao; (Gleichung f. Wiese u. begrün. Oberfläche) ...(2)

Für mit laubwechselnden Pflanzen bedeckte Flächen, wird der CIBSE Leitfaden₂ Gleichung (1) wie unten modifiziert. Der Faktor 0.2 wird aus der Reduzierung der Sonneneinstrahlung auf diese bepflanzte Fläche abgeleitet und ist dargestellt im Diagramm des T.R.Oke₁ . Der Oberflächenwiderstand wird als 0.02 W/m² angegeben.

t_eo = ((a . I_THd. 0.2) - Î . I_L) R_so + t_ao; (Gleichung für laubwechselnde Bepflanzung) ...(3)

  RESULTATE DER KÜHLUNG

Als Vergleich wird eine Beispielsberechnung von vier verschiedenen Situationen, unter Verwendung folgender Einheitswerte, dargestellt: I_THd als 850W/m², t_ao als 19 C (21June@12:00), I_L als 80W/m², Î als 0.9.

Tabelle 2 Ergebnisse der Beispielberechnung in denen künstliche und bepflanzte Dächer verglichen wurden

  LUFTBEFEUCHTUNGS METHODEN

Luftbefeuchtung durch pflanzliche Ausdünstung in geschlossenen Räumen ist besonders im Winter sehr vorteilhaft, da dann die relative Luftfeuchtigkeit unter das Maß dessen fällt, das als angenehm empfunden wird. Die nötige zusätzliche Luftfeuchtigkeit wird für gewöhnlich durch Dampfbefeuchtung erzielt, einem teuren und energieaufwendigen Prozess. Pflanzen könnten den Luftfeuchtigkeitsgrad ohne zusätzliche Energieeinbußen erzielen, würden jedoch Tages- oder Kunstlicht zwecks Fotosynthese benötigen. Es muss aber bedacht werden, dass sogar Klarglas die Lichtdurchlässigkeit beeinträchtigt, was bei der Untersuchung des Luftbefeuchtungs-potenzials berücksichtigt werden muss. Für die Luftbefeuchtung im Winter ist die Verwendung von immergrünen Pflanzen notwendig. Ein mathematisches Modell aus zwei Gleichungen, dass die Verbindung von der pflanzlichen Ausdünstung zum Grad der Luftfeuchtigkeit herstellt, wird nachfolgend gegeben. Dieses Modell bedarf der Gültigkeitserklärung durch Tests.

Q_L =(I_Thd –16) x 0.49 x S (Gleichung für Luftbefeuchtungspotenzial der Pflanzen) ...(4)

△g = (Q_L / h_fg ) x 3600 (Gleichung für zusätzl. Feuchtigkeit durch Pflanzen) ...(5)

wobei Q_L die verborgene Wärme in W/m², I_THd die gesamte horizontale Sonneneinstrahlung (Total Horizontal Design Solar Irradiance) in W/m², h_fg die verborgene Wärme der Verdunstung ~ 2.45MJ/kg oder 2 450 000 J/kg, △g die Feuchtigkeit die pro Stunde in der Luft freigegeben wird in kg/m².h, und S der Übertragungsverlustfaktor bei Verglasung darstellt. Mit dem Wert des von 16 W/m² vom I_THd subtrahierten Ergebnis wird der Energieverbrauch der Pflanzen bei der Fotosynthese berücksichtigt. Bei der von den Pflanzen absorbierten Sonneneinstrahlung wird der Wert 0.49 bei T.R.Oke₁ vorgegeben.

  RESULTATE DER LUFTBEFEUCHTUNG

Beispielberechnungen der beiden o.g. Gleichungen werden mit Einheitswerten dargestellt, I_THd = 850W/m², (21June@12:00). S = 0.5. Die nachfolgende Tabelle 3 zeigt, dass Luftbefeuchtung durch Pflanzen vorteilhaft ist. Die Steuerung der Luftbefeuchtung kann jedoch dann zu Schwierigkeiten führen, wenn sie nicht gewünscht ist. Dieses Problem kann man dadurch überwinden, indem man Pflanzen benutzt, die ihre Stomata bei starker Sonneneinstrahlung schließen, so wie beispielsweise Pflanzen aus dem australischen Raum.

Tabelle 3 Beispielberechnung Ergebnisse zur Luftbefeuchtung durch Raumpflanzen

  VERFAHREN ZUR RAUMAKUSTIK

Pflanzen bieten Geräuschdämpfung durch Absorption, wobei der Geräuschpegel in einem Raum dadurch reduziert wird, dass die Reflektionen der Schallwellen, die im Raum abprallen, vermindert werden. Die Widerhallzeit ist ein Anzeichen dafür, wie sich der Raum akustisch verhält. Ein lauter Raum ist durch harte Oberflächen, einem blechernen Klang, Echos und eine lange Widerhallzeit gekennzeichnet. Je länger das Echo, desto länger die Widerhallzeit. Ein akustisch toter oder ruhiger Raum hat weiche Oberflächen, einen tiefen Klang, keine Echos und eine kurze Widerhallzeit. Der durch ein Element absorbierte Klang kann durch die Verkürzung der Widerhallzeit, die er auslöst, bestimmt werden. Vergleichswerte der Absorption wurden in der Widerhall-Testkammer der South Bank University ermittelt und in einer Studie über die praktische Anwendung der Raumakustik in Gebäuden verarbeitet. Vier Nachweisversuche wurden durchgeführt, um damit die Nutzung von Pflanzen in der Raumakustik zu untersuchen. Sie zeigen, besonders bei höheren Frequenzen, dass Pflanzen die Widerhallzeit reduzieren und somit den Raum ruhiger machen. Um einen effektiven Unterschied zu erreichen, ist dichte Bepflanzung erforderlich. Diese Versuche haben auch bestätigt, dass in lauten Räumen bessere Ergebnisse erzielt wurden als in ruhigen Räumen. Es ist nicht möglich gewesen, Voraussagen bezüglich der auf der abgeleiteten akustischen Leistung basierenden Absorption zu machen. Hinsichtlich der Wirkung von Pflanzen auf die Raumakustik sollten sorgfältige Überlegungen angestellt werden.

Pflanzen bieten Absorption, Zerstreuung und Reflektion von Klängen. Das Gleichgewicht zwischen diesen Mechanismen kann sich mit der Frequenz, aus welcher der Klang entsteht, und durch die Beschaffenheit des Raumes verändern. Bei niedrigen Frequenzen mit einer Wellenlänge von etwa einem Meter können Pflanzen für Zerstreuung sorgen, da die Blattgröße im Vergleich zur Wellenlänge klein ist. Bei höheren Frequenzen können die Blattgrößen den Klang auf andere Oberflächen ablenken, die dann den Klang absorbieren. Größere Blätter bieten verstärkte Reflektionen bei niedrigen Frequenzen.

Die Sorten, die Größe der Pflanze, die Größe des Pflanztopfes, der Feuchtigkeitsgehalt des Topfinhaltes und die Beschaffenheit des Mulchs beeinflussen die mögliche Absorption einer Pflanze.

Pflanzen können dazu benutzt werden, um Flatterwiderhall abzustellen, der besonders in Räumen mit parallelen Wänden, Decken und Böden bemerkbar ist. Flatterwiderhall kann auch vermieden werden, indem man Wände und Decken einige Millimeter außertrittfallend baut. Pflanzen arbeiten beständiger bei hohen Frequenzen, bei denen viele lästige helle Töne auftreten. Es stellte sich heraus, dass die Wirkung von Pflanzen bei tiefen Frequenzen sehr variabel ist, und hierfür gibt es durchaus andere Materialien, die eine bessere Funktion bieten bei solchen Frequenzen.

  RESULTATE DER AKUSTIK

Die Absorption durch Pflanzenkombinationen, die in verschiedene feuchte Komposte gepflanzt waren, wird in unten stehender Tabelle 4 dargestellt. Drei separate Tests wurden in der Widerhall-Testkammer des South Bank University durchgeführt. Vier Nachweisversuche wurden in der Rentokil Tropical Plant’s Zentrale in East Grinstead durchgeführt, wobei hier nachgewiesen wurde, dass der Einsatz von Pflanzen durchaus den Widerhall-Effekt in Räumen mit harten Oberflächen reduzierte.

Tabelle 4 Absorption durch Pflanzen 125 bis 4k Hz

• beinhalten Topf, Nennwert 350 dia, 350 Hoch, **** bedeutet Ergebnislosigkeit

  DISKUSSIONEN ZUR KÜHLUNG UND LUFTBEFEUCHTUNG

Pflanzen versetzen Wasser aus dem Boden in die Luft. Eine kleine Menge hiervon wird chemisch genutzt, der größte Teil aber verdunstet. Hauptsächlich benutzen Pflanzen die Verdunstung durch Verdampfen, um Nährstoffe aus der Erde zu befördern und um Temperaturspannungen zu minimieren. Einen Verdunstungswert von 1mm pro Stunde pro m² (ein Liter pro Stunde) ergibt 680 W/m² Kühlung. Da 1 kWh genutzter Strom 1kg freigesetztem Kohlendioxid gleicht, können die Umweltvorteile quantifiziert werden. Der Einsatz üblicher Luftkühlung mit einem CoP von etwa 2.5 um 0.68 kWh Kühlung zu erzielen (680 Watt pro Stunde), würde darin resultieren, dass 272 Gramm CO² freigesetzt werden. Bei der Luftbefeuchtung mittels Dampf würde die CO² Abnahme rund 680 Gramm betragen.

Die Verdunstung durch Verdampfen nutzt die Sonnenstrahlung als Energiequelle, und somit ist der Prozess an die Sonneneinstrahlung gebunden. Daraus ergibt sich ein selbstregulierendes Verdampfungskühl- und Luftbefeuchtungssystem, das den Tiefstand der Feuchttemperatur des adiabatischen Prozesses ausnutzt. Am höchsten Punkt des begrünten Daches kann die Temperatur jedoch über die Umgebungstemperatur steigen, da die Bäume die Sonnenenergie dadurch speichern, dass die Temperatur der Pflanzen erhöht und Wasser verdunstet wird.

Belüftung würde einen sehr wichtigen Teilaspekt dieser Lösung darstellen, da es die Hauptmethode zur Wärmeableitung der Pflanzen darstellt. Laubwechselnde Kletterpflanzen bieten Schatten und Kühlung in Form von Verdampfung, wenn im Sommer ein Schutz vor Sonneneinstrahlung am meisten benötigt wird. Im Frühling und Herbst, wenn Sonneneinstrahlung ein geringeres Problem darstellt, bieten laubwechselnde Kletterpflanzen weniger Schatten und Kühlung, da sie dann fast keine Blätter tragen. Im Winter, wenn Sonneneinstrahlung erwünscht ist, befinden sich die laubwechselnden Pflanzen im Winterschlaf und minimieren somit ihren Einfluss. Das Albedo variiert ebenfalls durch die Blattdichte. Der Kühleffekt ist etwa mit dem der Sonneneinstrahlung des Jahresverlaufs gleichzusetzen, wenn gewährleistet wird, dass genügend Wasser zwecks Verdampfung vorhanden ist.

DISKUSSIONEN ZUR RAUMAKUSTIK

Die Nutzung von Pflanzen, um einen Raum von hohen Frequenzen zu befreien, wird wertvolle Ergebnisse zeigen. Bei tiefen Frequenzen bieten verschiedene andere Materialien weitaus bessere Ergebnisse. Größere Gefäße beinhalten mehr Mulch und können somit größere Pflanzen stützen. Hieraus ergibt sich, dass diese einen größeren Effekt auf die Raumakustik darstellen. Zusammenstellungen von verschiedene Pflanzen in Gruppen von 3 bis 5 scheinen ein besseres Ergebnis zu erzielen als einzelne Pflanzen. Zusätzlich bieten Pflanztöpfe die Gelegenheit Helmholtzsche Resonatoren (Hohlraumresonatoren, die Lärm aus spezifischen Frequenzen beseitigen) unauffällig im Raum zu integrieren. Diese Möglichkeit wird in der South Bank University Aksutik Abteilung der School of Engineering Systems and Design bereits untersucht.

Verschiedene solcher Zusammenstellungen im Raum verteilt, ist wesentlich effektiver als eine Konzentration der Pflanzen an einem Ort, da hierdurch die Fläche, der die Pflanzen ausgesetzt sind, wesentlich größer ist und die Möglichkeit der Reflektion auf andere Flächen geboten wird. Sie nahe an die Raumwand und in Ecken zu stellen, wäre effektiver als sie in der Raummitte zu platzieren. In diesen Positionen werden die Geräusche wesentlich effektiver durch die Pflanzen abgefangen.

Da bei der Benutzung von Pflanzen zu akustischen Zwecken sehr sorgfältig vorgegangen werden muss, sollte eine große Auswahl solcher Pflanzenzusammenstellungen getestet werden. Feuchtigkeit der Pflanzerde ändert die Absorption. Die Art der oberen Schicht der Pflanzerde spielt auch eine Rolle. Sogar in der gleichen Art sind Pflanzen von Natur aus variabel. Dieses ist bei der akustischen Arbeit sehr offenkundig. Um einen verlässlichen vorhersehbaren Beitrag von Pflanzen zu sichern, sollte eine weitere Studie durchgeführt werden, wobei weitere Pflanzenarten und Größen untersucht werden. Die Bedeutung des Pflanztopfes (z. B. Topf und Erde) auf die Absorption ist wichtig genug, um eine detaillierte Studie von verschieden Größen und Formen von Pflanztöpfen, die im Raum benutzt werden, durchzuführen. Der Beitrag des Rindenmulches zur Absorption ist ausreichend wichtig, um eine detaillierte Studie der Arbeit über verschiedene Mulch-Arten, sowie auch Moos und Kieselsteine, zu realisieren.

DANK

The Flower Council of Holland

  QUELLEN

1. Oke T.R.. 1995. Boundary Layer Climates, Routledge. Pp 110-157.

2. CIBSE Guide A Sections A2, A3 & A5, London: Chartered Institute of Building Services Engineers.

Seite drucken

Fenster schliessen