Kaltluftströmungen Simulieren

Dipl.-Ing. Rudolf Brinkmöller, Soft-Engineering Brinkmöller

Dr.-Ing. Norbert Hölscher, Ingenieurgemeinschaft Niemann & Partner

Insbesondere in klaren und windschwachen Nächten bildet sich auf unversiegel­ten Flächen (z. B. Äcker und Wiesen) Kaltluft. Diese Kaltluft ist schwe­rer als die Umgebungsluft. Bei geneigtem Gelände oder unterschiedlicher Kaltluftproduktion auf be­nachbarten Flächen setzt sich die Kaltluft in Bewegung. Der Vorgang ist weitgehend vergleichbar mit dem Abfluß von Wasser.

Mit der im folgenden Beitrag beschriebenen AutoCAD-Applikation HDKLAM, läßt sich dieser Vorgang simulieren.

Bild 1: Basis für die Simulation ist das digitale Geländemodell. Im Bild ist das Rheintal bei Bonn/Bad Godesberg zu sehen, in der Mitte des Bildes erhebt sich das Siebengebirge, an dessen Fuß im Rheintal der Ort Oberdollendorf liegt.


Kaltluft kann für natürliche Belüftung und Abkühlung von Städten sorgen. Befinden sich je­doch Dämme mit Straßen oder Häu­ser im Kaltluftstrom, reduzieren oder unterbinden sie die Kaltluftzufuhr für Städte und Siedlungsgebiete. An ihrer der Strömung zugewandten Seite (Luv) staut sich dann die Kalt­luft. Bildet sich in Mulden oder vor Hindernissen ein Kaltluftsee, so ist dort die Frost- und Nebel­häufigkeit größer als in benachbarten Gebie­ten. Kaltluft kann au­ßerdem Schadstof­fe und Gerüche aus dem Kraftfahrzeugverkehr, von Industrieanlagen oder aus dem Hausbrand aufnehmen und in relativ hoher Akkumulation in die weitere Umgebung transportieren. Im Rahmen des Klima- und Immissionsschutzes ist es daher von Bedeutung, die Kaltluftentstehung und die daran gekoppelten Kaltluftabflüsse sowohl qualitativ aber insbesondere auch quantitativ bestimmen zu können. Das im folgenden beschriebene Kaltluftabfluss­modell HDKLAM kann für diese Aufgabe eingesetzt werden. Zu den möglichen Anwendern von HDKLAM gehören ebenso Planungsbehörden, z.B. Landschaftsverbände, Kommunalverbände, größere Städte und Kreise, wie Landschaftsplanungsbüros oder Klimagutachter.

Hydrodynamisches Kaltluftabflussmodell HDKLAM

Für die Simulation von Kaltluftströmungen ist ein hydro­dynamisches Kaltluftabflussmodell entwickelt wor­den. Es handelt sich um ein zweidimensionales Einschichtenmodell, das die dynamischen Eigenschaften der Kaltluftströmungen durch eine hydrostatische Approximation der strömungsphysikalischen Transport­gleichungen für Impuls und Masse abbildet. Das Modell nutzt ein bodenfolgendes Koordinatensystem, womit Rechnungen in beliebiger Topografie möglich sind. Als Eingangsdaten werden das Geländerelief, die Flächen­nutzungen, nutzungsspezifische Kaltluftproduktionsraten, sowie Anfangs- und Randbedingungen benötigt. HDKLAM liefert als orts- und zeitabhängige Ergebniswerte die Richtung der Kaltluftflüsse, die Abfluss­mengen, die Schichthöhen der Kaltluft und schließlich auch die Strömungsgeschwindigkeiten.

Auslöser einer Kaltluftströmung sind bei ausreichender Kaltluftproduktion in erster Linie die topografischen Verhältnisse. Die Strömung wird in Richtung der Schwerkraft gravimetrisch angetrieben, sie verläuft hang­abwärts. Temperaturunterschiede zwischen der abfließenden Kaltluft und der Umgebung lösen eine Auf­triebswirkung aus, die dem weiteren Abfluss entgegenwirkt. Im Rahmen des Modells wird dieser Effekt durch eine entsprechende Schwerkraftkorrektur berücksichtigt. Dringt die Kaltluft aus einem freien Umland (Kalt­luftproduktionsgebiet) in ein Gebiet mit urbaner oder landwirtschaftlicher Nutzung ein, wird die Kaltluft­strömung von den Gebäuden, von Anpflanzungen oder Waldflächen behindert. Sind die einzelnen Strö­mungshindernisse für die vorliegende Aufgabenstellung von eher globaler Bedeutung, wird ihre Wirkung über die aerodynamische Geländerauhigkeit in parametrischer Form abgebildet. Ist eine hohe Detailtreue erforderlich, werden die Hindernisse durch entsprechende Geländerhebungen, lokal oder über größere Flächen, dargestellt. Für die Berechnungen bietet sich dann ein geschachteltes Rechennetz (Nesting) an. Mit diesen wesentlichen äußeren Einflüssen, stellt sich die Kaltluftströmung im zeitlichen und örtlichen Wechsel in Abhängigkeit der Kaltluftmächtigkeit ein. Bei ausreichender Schichtdicke dringt sie auch in ebenes Gelände ein und kann sich über sie hinweg bewegen. Die Strömungsverhältnisse können sich zudem durch einen leichten übergeordneten Wind in Richtung und Geschwindigkeit verändern.

Das Kaltluftabflussmodell HDKLAM bildet diese Strömungsphysik im Rahmen einer AutoCAD®-ObjectARX-Anwendung (AutoCAD R14 / 2000/ 2000i, AutoCAD Map R3 / R4) ab. HDKLAM gibt es mit deutscher oder englischer Bedienerober­fläche. Simulationsrechnungen mit HDKLAM werden über eine Anzahl definierter ASCII-Eingabedateien befehlsorientiert und/oder menügeführt abgewickelt. Sämtliche HDKLAM-Befehle können direkt über die AutoCAD-Befehlzzeile aufgerufen und in das AutoCAD-Abrollmenü integriert wer­den. Es besteht die Mög­lichkeit, die erforderlichen Eingangsdaten wie Gelände- und Flächennutzungsdaten entweder interaktiv zu digitalisieren oder aber aus entsprechend Geo-Informationssystemen zu importieren.

Zur Unterstützung von HDKLAM gehören eine Anzahl von ARX-Applikationen mit zum Lieferumfang. So kann aus beliebig verteilten Geländedaten durch Interpolation das für HDKLAM benötigte Geländemodell erzeugt werden. Dreidimensionale Daten, die innerhalb von AutoCAD digitalisiert wurden, können in eine Geländedatenbank exportiert werden. Für die Ein- und Ausgabe und zur Manipulation von Rasterdaten stehen mehrere Module zur Verfügung. So kann aus den Geländedaten der Verlauf von Wasserscheiden, Rinnen und Höhenlinien generiert werden. Alle Simulationsergebnisse können in Dateien geschrieben und innerhalb von AutoCAD dargestellt und abgefragt werden. Dies schließt zunächst die Kaltluftverteilungen und die Kaltluftströmungen (letztere als Vektorströmung) ein. Sie können in jedem beliebigen Zwischenzu­stand, im Endzustand und als Mittelwerte über die simulierte Zeit bestimmt und ausgegeben werden. Für ausgewählte Querschnitte können darüber hinaus die Volumenströme oder lokale Strömungsgeschwindig­keiten und Kaltluftschichtdicken als Momentanwerte, zeitliche Mittelwerte oder als Zeitreihen angegeben werden.

Als AutoCAD-Applikation stehen für die grafische Ausgabe der Ergebnisse von HDKLAM eine große Palette von Druckern und Plottern zur Verfügung. Das Modell läuft unter den auf Microsoft®-Windows basierenden Betriebssystemen (Windows 98SE / ME, Windows NT 4 SP4, Windows 2000).

HDKLAM Befehle und Funktionen

HDKLAM und die zum Lieferumfang gehörenden zusätzlichen AutoCAD-Appli­kationen sind als C++ Programme über die ARX-Schnittstelle an AutoCAD ange­bunden. Vor der ersten Ausführung der Applika­tionsbefehle müssen die Applika­tionen mit (arxload „Applikationsname“) geladen werden. Ruft man die Befehle über das Menü auf, geschieht das Laden der benötigten Applikationen automa­tisch. Applikationen, die nur aus einem Befehl bestehen, können nach dem Laden durch den Aufruf von Applikationsname ausgeführt werden. Bei den an­deren Applikationen erscheint nach dem Aufruf von Applikationsname eine Liste der Applikationsbefehle auf dem Bildschirm.

HDKLAM Datenbefehle

Mit dem Befehl ladeMdlDaten werden die für die Simulation der Kaltluftströ­mung notwendigen Dateien geladen. Zum Laden der Dateien wird jeweils ein AutoCAD-Dialogfenster geöffnet.

Als Eingangsdateien müssen vorhanden sein:

1.        Das dreidimensionale Geländemodell mit der Dateinamenerweiterung (Extension) ZSN (Z ScaN). Das Geländemodell muß als Rasterdatei vorliegen. Der Name der Geländemodelldatei ist gleichzeitig der Vorgabedateiname für alle weiteren Dateien.

2.        Die Flächennutzungen (Rasterdaten) mit der Extension SSN (Surface ScaN).

3.       Die Nutzungszuweisungen mit der Extension UFA (Use Flag Assignments). Die Nutzungszuweisungen werden in einer vom Anwender zu erstellenden ASCII-Datei abgelegt.

 

Die verschiedenen Dateien müssen folgende Informationen enthalten:

ZSN :

-         Rechtswert [m]

-         Hochwert [m]

-         Geländehöhe [m]

SSN :

-         Rechtswert [m]

-         Hochwert [m]

-         Nutzungsflag [reelle Zahl]

UFA:

-         Nutzungsflag [reelle Zahl]

-         Kaltluftproduktionsraten [m3/(m2h)]

-         Geländeüberhöhung [m]

-         Ge­länderauhigkeiten [m]

-         Auftriebsparameter [/].

 


Bild 2: HDKLAM Datenflussdiagramm


Jeder Rasterdatei ist ein Dateiheader mit Informationen über den Dateityp und das Datenraster vorange­stellt. ASCII-Dateien sind spaltenweise organisiert. Sie können zusätzlich zu den Datenspalten noch beliebige Kommentarspal­ten enthalten.

Der in der UFA-Datei anzugebende Auftrieb wird aus dem Verhältnis der absoluten Temperaturen der Kaltluft zur Umgebungstemperatur (Tk/Tu) oder dem Verhältnis der Dichten (rw/ru) berechnet. Hierüber kann das Kaltluftabflussmodell von An­wender leicht an unterschiedliche Bedingungen, wie Winter und Sommer, angepasst werden.


Bild 3: Kaltluftproduktion auf den Wald- und Freiflächen um Oberdollendorf


Die Leistungsfähigkeit von HDKLAM wird am Beispiel der Ortschaft Oberdollen-dorf, die am Rand des Siebengebirges liegt, auf-gezeigt. Für die Kaltluft-simulationen wurde ein Untersuchungsgebiet von ca. 3x3 km² abgesteckt, vgl. Bild 1. Das Gelände ist mit Höhenunterschieden von bis zu ca. 300 m zwischen dem Rheintal im Süd­westen und den höchsten Lagen deutlich ausgeprägt. Oberdollendorf schließt sich einer ca. 500 m breiten Talsenke an, die als einzige Verbindung den Ort durch das umgebenden Siebengebirge an die im Osten liegenden Höhen öffnet.


Zur Berechnung von Kaltluftabflüssen in derart reliefiertem Gelände ist die Kenntnis der Kaltluftproduk­tionsraten von Bedeutung. Sie gibt an wie viel Kubikmeter Luft auf einer Grundfläche von 1 m² innerhalb einer Stunde auf die Temperatur der bodennahen Kaltluft abkühlt. Anhaltspunkte für die Kaltluftproduk­tivität bieten sowohl empirische Feldstudien als auch theoretische Modellansätze. Wesentliche Einfluss­größe ist hierbei die Flächennutzung, so dass für erste Betrachtungen eine Differenzierung unversiegel­ter Freiflächen, Waldflächen und besiedelter Gebiete ggf. genügen kann. Die Kaltluftmengen werden dann anhand von flächentypischen Kaltluftproduktionsraten abgeschätzt: landwirtschaftliche Flächen sind gute Kaltlufterzeuger, während Wälder nur eine geringeren und dicht bebaute Siedlungsgebiete keinen Beitrag zur nächtlichen Kaltluftbildung leisten. In dem Anwendungsbeispiel wird auf die häufig genutzten Standardwerte von King (1973) zurückgegriffen. Die Angaben erlauben lediglich eine qualitative Beurteilung der Situation, für eine quantitative Kaltluft-Strömungssimulation bedarf es sicher einer über den Rahmen der Beispielrechnung noch hinausgehenden Gebietsanalyse.

Ist der Befehl ladeMdlDaten ausgeführt, so wird das Geländemodell mit den Nutzungsflags in die AutoCAD-Zeichnung als Polygon-Netz eingefügt. Das Ge­ländemodell wird nach Geländehöhen-Klassen ein­gefärbt. Die Zuordnung, Ge­ländehöhen-Klasse-Farbe, kann in einer ASCII-Datei mit dem Namen der Gelän­demodelldatei und der Dateinamenerweiterung ZCC   (Z Classes Colors) vorge­geben werden. Wenn HDKLAM diese Datei nicht findet, wird die Höhenklassi­fizierung und Einfärbung automatisch durchgeführt. Nachträglich können die Far­ben des Polygon-Netzes mit dem zum Lieferumfang gehörendem Modul NetzFl geändert werden. Mit NetzFl hat man auch die Möglichkeit das Po­lygon-Netz nach Flächen­nutzungskriterien einzufärben. Darüber hinaus stehen Module zur Generierung von Isolinien, Wasserscheiden und Rinnen zur Verfü­gung.

Die für eine Kaltluftabflußsimulation benötigten Daten werden von ladeMdlDaten auch in den Arbeits­speicher für HDKLAM geladen.

Mit dem Befehl übernehmeMdlDaten können Geländeerhebungen und Flächen­nutzungen von einem Polygon-Netz übernommen und in den Arbeitsspeicher ge­laden werden. Diesen Befehl kann man anstelle von ladeMdlDaten anwenden, wenn aus einer früheren Arbeitssitzung schon ein Polygon-Netz in einer AutoCAD-Zeichnungsdatei existiert oder wenn das Poly­gon-Netz mit anderen zum Lieferumfang gehören­den Modulen erzeugt wurde.

Mit dem Befehl löscheMdlDaten werden alle Daten aus dem Arbeitsspeicher entfernt. Der freie Arbeits­speicher steht AutoCAD und anderen Anwendungen wieder zur Verfügung. Die Dateien selbst und die AutoCAD-Zeichnungselemente werden nicht gelöscht. Eine Kaltluftabflußsimulation kann nur durchgeführt wer­den, wenn sich die Daten auch im Arbeitsspeicher befinden.

Mit dem Befehl Ausgangsdateien können für die Ausgangsdateien Namen zu­gewiesen werden. Die Aus­gangsdateinamen sind nach dem Laden oder Über­nehmen der Modelldaten schon mit Vorgabenamen vor­belegt. Der Befehl Ausgangsdateien muß nur ausgeführt werden, wenn die Namen geändert werden sollen. Falls keine Zuweisung erfolgt, werden für die Ausgangsdateien die Namen der Geländemodelldatei mit den Extensionen H, HM, U, UM und VUM gewählt.


Als ein mögliches Ergebnis einer Kaltluft-Strömungs­simulation erhält man flächenhafte Verteilungen der Strömungsgeschwindig­keiten und -richtungen sowie der Kaltluftschicht­dicken, Bild 4. In dem Unter­suchungsgebiet fließt die hauptsächlich auf den Freiflächen entstehende Kaltluft in die Talsenke ein, wo sie auf weitere Zuflüsse aus den Waldgebieten stößt. Die Kaltluftmengen genügen um die anfänglich geringere Kaltluftschicht im Bereich der mittleren Tal­sohle auf eine Mächtigkeit von bis zu 12 m anwachsen zu lassen.


Bild 4:    Kaltluftströmung zum Ende einer Strahlungsnacht


Die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten von 2.0 m/s bis 2.5 m/s werden an den Hanglagen berechnet. Die Abflussgeschwindigkeiten Richtung Oberdollendorf bleiben mit Werten um 1.5 m/s vergleichsweise hoch. Mit der Talöffnung erweitert sich der Kaltluftstrom, so dass maximale Schichtdicken von weniger als 4 m verbleiben. Die Simulationsergebnisse weisen den Abfluss der Kaltluft über den Standort Oberdollendorf nach.

Ausgangsdateien sind:

1. Kaltluftschichtmächtigkeiten mit der Extension H (Height).

2. Kaltluftschichtmächtigkeiten, Mittelwerte über die simulierten Nachtstun­den, mit der Extension HM (Height Meanvalues).

3. Strömungsgeschwindigkeit mit der Extension U (groUp velocity).

4. Strömungsgeschwindigkeit, Mittelwerte über die simulierten Nachtstunden, mit der Extension UM
(groUp velocity Meanvalues).

5. Volumenstrom, Mittelwerte über die simulierten Nachtstunden, mit der Ex­tension VUM (Volume groUp velocity Meanvalues).

Über den Befehl konfigHDKLAM kann zusätzlich ein automatisches Speichern der Zwischenergebnisse, nach dem Ablauf eines Zeitintervalls, vorgegeben wer­den. Diese Zwischenergebnisse werden in Dateien mit dem Namen [tag][std][min][sek] gespeichert. [tag], [std], [min] und [sek] sind jeweils zwei­stellige Zahlen, die sich aus dem Datum des Speicherns ergeben.

Alle bei einer Kaltluftabflußsimulation verwendeten Ein- und Ausgangsdateina­men werden in einer Proto­kolldatei gespeichert.


 

Bild 5:   Bilanzierung der Kaltluftvolumenströme über den Talquerschnitt


Anhand der berechneten Geschwindigkeitsverteilungen lässt sich der Kaltluft­volumenstrom an beliebigen Querschnitten bestimmen. Es finden sich zwei Haupt­zu­­flüsse, im Nordosten mit ca. 2.000 m³/s (Kaltluftab­flussbreite 550 m) und im Süd­osten mit etwa 1.100 m³/s (320 m). Entlang der Talachse bilanzieren sich die weiteren Nebenströme bis hin zum Talausgang zu ca. 4.000 m³/s. Damit kann die Kaltluft für die luft­hygienischen und klima­tischen Standortgegeben­heiten wirkungs­relevant werden.


Randbedingungen

HDKLAM verwendet zur Kaltluftabflußsimulation die über Z integrierten Grundgleichungen der Stömungs­mechanik. Um die aus den Grundgleichungen abgeleiteten Differenzengleichungen lösen zu können, müssen für die Ränder des Modellgebietes die Randbedingungen bekannt sein. Durch Setzen der Randbe­dingungen kann  man auch einen Ausschnitt aus den Modelldaten für die Simula­tion auswählen. So können Teilflächen, zum Beispiel Flächen die durch Wasser­scheiden von dem zu untersuchenden Gebiet getrennt sind, von der Simulation ausgenommen werden.

Mögliche Randbedingungen sind: Keine, Schreibe (Randbedingungen in eine Datei), KOntinuierlich, Reflektierend, Absorbierend und Lese (Randbedingungen aus einer Datei).

Mit den Befehlen ladeMdlDaten und übernehmeMdlDaten werden auch die Randbedingungen gesetzt. Falls schon eine Datei mit dem Namen der Gelände­modelldatei und der Extension BOR (BORder) existiert, werden die Randbedin­gungen für das zu untersuchende Gebiet aus dieser Datei übernommen. Im ande­ren Fall werden die Randbedingungen mit Versäumniswer­ten vorbelegt und kön­nen mit dem Befehl setzeRandbedingungen verändert werden.

Mit dem Befehl ladeRandbedingungen können die Randbedingungen über ein AutoCAD Dialogfenster, von einer Datei mit der Extension BOR (BORder), ge­laden werden. Die Randbedingungen werden in der AutoCAD-Zeichnung als Solides auf dem Layer BORDER eingefügt. Die Farben der einzelnen Solides stehen für die verschiedenen Randbedingungen. Um HDKLAM den schnellen Zugriff auf die Randbedingungen zu ermöglichen, wer­den die Randbedingungen auch in den Arbeitsspeicher von HDKLAM geschrie­ben.

Der Befehl setzeRandbedingungen ermöglicht die Modifikation der Randbedin­gungen. Mit dem Zeige­gerät können über ein Fenster oder einem Punkt die Rand­bedingungen gewählt und anschließend verändert werden. Beim Setzen der Rand­bedingungen hat man die Wahl zwischen Keine, Schreibe, KOntinuierlich, Reflektierend, Absorbierend und Lese. Für die Auswahl ist es ausreichend, wenn man die groß geschriebenen Anfangsbuchstaben eingibt.

Die Grenzflags bedeuten:

Keine                        grüne Farbe, keine Randbedingung wurde gewählt. Für dieses Gebiet wird die Kaltluft­strömung simuliert.

Schreibe                   gelbe Farbe, keine Randbedingung wurde gewählt. Für dieses Punkte wird die Kaltluft­strömung simuliert. Ein Zeitreihendia­gramm der Spiegelhöhe und Strömungs­geschwindigkeit wird für diese Punkte in eine oder mehrere Dateien mit den Exten­sionen HUT (Height, groUp velocity, Time) geschrieben.

KOntinuierlich          blaue Farbe, markiert den Rand des Gebietes. Es wird ange­nommen, daß die Kaltluft­strömung an dieser Stelle kontinuier­lich abfließt.

Reflektierend            weiße Farbe, markiert den Rand des Gebietes. Die Kaltluft­strömung wird an dieser Stelle reflektiert.

Absorbierend            schwarze Farbe, markiert den Rand des Gebietes. Die Kaltluft­strömung wird an dieser Stelle absorbiert.

Lese                          rote Farbe, markiert den Rand des Gebietes. Die Kaltluftströ­mung ist an diesen Stellen bekannt. Das Zeitreihendiagramm der Spiegelhöhe und Strömungsgeschwin­digkeit wird für diese Punkte von einer oder mehrerer Dateien mit den Extensionen HUT (Height, groUp velocity, Time) gelesen.

Randbedingungen die bei einer vorhergehenden Simulation über Schreibe in eine Datei geschrieben wurden, können bei einer nachfolgenden Simulation für ein benachbartes Gebiet über Lese eingelesen und verwendet werden.

Mit dem Befehl sicherRandbedingungen können die veränderten Randbedin­gungen in einer Datei mit der Extension BOR (BORder) gesi­chert werden.

Wahl der richtigen Zeitintervalleinstellung für die Kaltluftabflußsimulation

Das zur instationären Kaltluftabflußberechnung verwendete Differenzenverfahren führt nur dann zu brauchbaren Ergebnissen, wenn man bei der Wahl des Zeit­schrittes die Stabilitätsbedingung beachtet:

Dt                     =          Zeitschritt
Dx = Dy            =          Rastergröße
g                      =          Fallbeschleunigung
u                      =          Betrag der Strömungsgeschwindigkeit
h                      =          Kaltluftschichtdicke

Die Strömungsgeschwindigkeit und die Spiegelhöhe variieren mit Ort und Zeit. Das Zeitintervall Dt muß aber für alle Punkte (Orte), nicht für alle Zeiten, gleich ge­wählt werden. In jedem Punkt gibt es eine obere Grenze für Dt. Man wählt also Dt kleiner als das Minimum dieser oberen Grenzen. Die besten Resultate erzielt man aber, wenn Dt möglichst nahe diesem Minimum gewählt wird (Dämpfung der kurzwelligen Komponenten). Bei gegebener Rastergröße ist es immer verfehlt, Dt möglichst klein zu wählen, um angeblich die Genauigkeit zu erhöhen. Die Genau­igkeit kann durch Verkleinern der Rastergröße erhöht werden, dies bedingt dann auch die Wahl eines kleineren Zeitintervalls. Da der optimale Zeitschritt sich mit der Zeit ändern kann, wird von HDKLAM die Zeitintervalleinstellung laufend überwacht und nach jeder Iteration modifiziert.

Von dem gewählten Zeitintervall hängt zudem das Laufzeitverhalten von HDKLAM ab. Da der größt mög­liche Zeitschritt umgekehrt proportional zu ist, wird es von der maximalen Strömungs­ge­schwin­dig­keit und von der Spiegelhöhe beeinflusst. Beide Größen sind wiederum abhängig von den je­weiligen Geländegegebenhei­ten und den örtlichen Kaltluftproduktionsraten. Allgemeingültige Lauf­zeit­an­gaben sind daher nur schwer anzubieten. (Die für Oberdollendorf gezeigten Simulationsergebnisse wurden mit einem Standardprozessor innerhalb von weniger als ca. 10 Min erzeugt.) 

Die Simulation der Kaltluftströmung

Der Befehl Simulation startet die Simulation der Kaltluftströmung. Am oberen Bildschirmrand wird wäh­rend der Simulation die simulierte Zeit und die Laufzeit angezeigt. Die Zeit die simuliert werden soll (Anzahl der Nachtstunden) kann vor der Simulation mit dem Befehl konfigHDKLAM vorgegeben werden. Die End­ergebnisse der Kaltluftabflußsimulation werden nach der Simulation in die Da­teien geschrieben und in die AutoCAD-Zeichnung eingefügt.

Über die Funktionstasten der Tastatur stehen dem Anwender während der Simu­lation Funktionen zur Bild­schirmaktualisierung und zum Speichern von Zwi­schenergebnissen zur Verfügung. Mit ESC kann die Kalt­luftabflußsimulation vorzeitig abgebrochen werden.

Anzeigen von Simulationsergebnissen und Erzeugen von Ergeniselementen

Nach dem Ablauf einer Kaltluftabflußsimulatinon werden die Endergebnisse so­fort in der AutoCAD-Zeich­nungsdatei als Ergebniselemente dargestellt. Zu jedem Ergebniselementtyp werden die zugehörigen Daten wie Kaltluftschichtdicke, Strömungsgeschindigkeit oder Volumenstrom abgelegt. Mit dem Befehl fragErgebnisse kann man ein Ergebniselement auswählen. fragErgebnisse er­kennt den Elementtyp und zeigt die zugehörigen Daten an.

Die Voreinstellungen für die Darstellung der Ergebniselemente kann man mit dem Befehl konfigHDKLAM verändern. Vektorfelder, die zur Darstellung der Strö­mungsgeschwindigkeit verwendet werden, kann man auch nachträglich mit den Befehlen änderVek, lichteVek und gestalteVek verändert. Die Befehle wir­ken immer auf ein komplettes Vektorfeld. Mit änderVek kann man die Längennor­mierung der Vektoren und die Breite der Vektorpfeilspitze ändern. Mit lichteVek kann man Vektoren aus dem Vektorfeld entfer­nen. gestalteVek erlaubt es, ein Vektorfeld durch Interpolation von Zwischenergebnissen neu zu gestalten.

Ergebnisse, die während und nach der Simulation in Dateien geschrieben wurden, können mit den Funk­tionen Hin, HMin, Uin und UMin eingelesen und darge­stellt werden. Die Voreinstellungen für die Darstel­lung können auch für diese Be­fehle mit konfigHDKLAM verändert werden.

Volumenströme können nach der Simulation für ausgewählte Querschnitte be­rechnet werden und als Ergeb­niselement innerhalb von AutoCAD dargestellt werden. Zum Berechnen und Darstellen von Volumenströmen stehen die Befehle ladeVolStrom, löscheVolStrom, rechneVolStrom, erzeugeVolStromEl und konfigVolStrom zur Verfügung. Die Voreinstellungen zur Volumenstrom-Ele­menterzeugung können auch mit konfigHDKLAM geändert werden.

Die Konfiguration von HDKLAM

Die Konfigurationsdaten von HDKLAM werden in HDKLAM.CFG gespeichert. Beim Laden von HDKLAM werden auch die Konfigurationsdaten aus HDKLAM.CFG übernommen. Modifiziert man die Konfigurations­einstellungen mit konfigHDKLAM oder konfigVolStrom, dann werden die Änderungen in HDKLAM.CFG gespeichert. Mit dem Befehl konfigHDKLAM kann man die Voreinstellungen in den drei Gruppen Modellparameter, Grafikausgabe und Volumenstrom ändern. konfigVolStrom erlaubt nur Ände­rungen bei den Vor­einstellungen zur Volumenstromelementerzeugung.

Werkzeuge zur Unterstützung von HDKLAM

Zur Unterstützung von HDKLAM gehört ein Programmpaket zur Rasterdaten Generierung, Visualisierung und Bearbeitung mit zum Lieferumfang. Das Pro­grammpaket beinhaltet die AutoCAD-Applikationen SCT2NETZ, SCTOUT, ZSCANIN, SSCANIN, ZSCANADD, SSCANADD, ZSSCANIN, ZSCANOUT, SSCANOUT, NetzEdit, NetzFl, NetzRdsg, NetzPkt, Isohypse, WSRIN, VektorFl und RASTERN.

Beliebig verteilte Geländedaten können in einer AutoCAD-Zeichnung mit SCT2NETZ als Polygon-Netz dar­gestellt werden. SCT2NETZ interpoliert die Maschen des Polygon-Netzes aus den beliebig verteilten Gelän­dedaten. Der Be­fehl SCTOUT schreibt aus einer AutoCAD-Zeichnung alle 3D-Daten in eine be­liebig verteilte Geländedaten Datei mit der Extension SCT (SCaTtered data). Das Format der SCT-Datei ist ein ASCII-For­mat. In der SCT-Datei werden die Ko­ordinaten der 3D-Punkte mit der Reihenfolge

gespeichert.

Rasterdaten können über eine große Palette an Befehlen in einer AutoCAD-Zeichnung als Polygon-Netz abgelegt werden und zu bestehenden Polygon-Net­zen hinzugefügt werden. Umgekehrt können die Raster­daten auch von Poly­gon-Netzen gelesen und in Dateien geschrieben werden. ZSCANIN liest ein dreidi­men­sionales Geländemodell von einer ZSN-Datei und stellt es in der AutoCAD-Zeichnung als Polygon-Netz dar. SSCANIN liest Flächennutzungen von einer SSN-Datei und stellt sie als Polygon-Netz dar. Das Polygon-Netz wird nach Flä­chennutzungskriterien eingefärbt. ZSCANADD fügt Geländedaten aus einer ZSN-Datei zu ei­nem vorhandenen Polygon-Netz hinzu. SSCANADD fügt Flä­chennutzungen aus einer SSN-Datei zu einem vorhandenen Polygon-Netz hinzu. ZSSCANIN liest ein dreidimensionales Geländemodell von einer ZSN-Datei und  die Flächennutzungen von einer SSN-Datei. Die Daten werden als Polygon-Netz dargestellt. ZSCANOUT extrahiert Geländedaten aus einem Polygon-Netz und legt sie in eine ZSN-Datei ab. SSCANOUT schreibt die Flächennutzungsflags von einem Polygon-Netz in eine SSN-Datei.

Das Ändern der Geländeerhebungen, Flächennutzungsflags und Farben von Poly­gon-Netzen ermöglicht der Befehl NetzEdit. Die AutoCAD-Applikation NetzFl macht das Einfärben von Polygon-Netzen nach Flächennutzungskriterien oder Höhenklassen möglich. Mit NetzRdsg kann man ein Polygon-Netz oder Netzaus­schnitt auswählen und aus diesen Netz ein neues Polygon-Netz mit geänderten Maschenweiten er­zeugen.

Mit der AutoCAD-Applikation NetzPkt können die Koordinaten zu jeder Stelle auf dem Polygon-Netz abgerufen werden. Möchte man die Koordinaten von meh­reren Punkten auf einem Polygon-Netz wissen, so ist NetzPkt schneller als die AutoCAD Funktion ID mit eingeschalteten Fangmodus. Darüber hinaus berech­net NetzPkt durch Interpolation auch Punkte die zwischen den Maschen eines Poly­gon-Netzes liegen.

Isolinien Wasserscheiden und Rinnen können mit den Befehlen Isohypse und WSRIN aus Polygon-Netzen generiert werden.

Um flächenbezogene Daten zu digitalisieren und zu rastern, gibt es schließlich noch die AutoCAD-Applika­tionen VektorFl und RASTERN. Mit VektorFl können die Grenzen zwischen Flächen mit unterschiedlichen Nutzungen digitali­siert und bearbeitet werden. RASTERN konvertiert die mit VektorFl erzeugten Daten in ein Polygon-Netz.

Schlussbemerkungen

Mit der AutoCAD-Applikation HDKLAM steht ein Kaltluftabflussmodell zur Verfügung, das klimatische und lufthygienische Fragestellungen im Zusammenhang mit Kaltluftsystemen beschreibt. Es können qualitative Aussagen z.B. über das Auftreten von Kaltluftabflüssen, ihre Abflussrichtung und Eindringtiefen  gewonnen werden. Anhand der berechneten Strömungsgeschwindigkeiten lassen sich darüber hinaus z.B. die Kaltluft­volumenströme, die daran gekoppelten Durchlüftungsraten und in Kombination mit einem Ausbreitungsmo­dell die Konzentrationen von Luftbeimengungen quantifizieren. Hierzu wird HDKLAM gegenwärtig um eine Lagrange'sches Dispersionsmodell KLDISP ergänzt. Mit dem Tool KLPROD soll zusätzlich Hilfestellung bei der Festlegungen der Kaltluftproduktionsraten gegeben werden.

Die Einbindung von HDKLAM in die AutoCAD-Oberfläche bietet vor allem erhebliche Vorteile im Pre-Processing der erforderlichen Modelleingabedaten. Für die parktische Anwendung besonders hilfreich werden die vielfältigen Möglichkeiten der Ergebnispräsentation gesehen, die dem heute geforderten Standard eines modernen geografischen Informationssystems entsprechen.