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Heft 13: Kleinskalige klimatisch-lufthygienische Untersuchungen für das Gebiet A der Planung "Stuttgart 21"


Zusammenfassung
 
Aus den städtebaulichen Planungen im Zusammenhang mit dem Projekt "STUTTGART 21", die durch eine Vielzahl von Umweltuntersuchungen und -erhebungen vorbereitet und gutachtlich begleitet sind, wurde für das südliche Teilgebiet ein Bebauungsplan entwickelt. Im Rahmen des vorliegenden Gutachtens sind für das Teilgebiet A nördlich des Stuttgarter Hauptbahnhofs, das durch die Heilbronner Straße (B 27/B 10), die Wolframstraße, den Schloßgarten und das Bahnhofsgebäude begrenzt wird (vgl. Abb. 3.4), Stellungnahmen erarbeitet zu den Themen Windkomfort und Durchlüftung, lufthygienische Verhältnisse, bioklimatische Verhältnisse sowie Beschattungsverhältnisse im Bereich der geplanten wie auch der angrenzenden bestehenden Bebauung.
 
Das vorliegende Gutachten stellt eine Fortführung der Untersuchungen für das Gebiet "STUTTGART 21" dar, die für den derzeitigen Zustand und erste Planentwürfe in dem Bericht "Kleinskalige klimatisch-lufthygienische Untersuchungen für das Gebiet A der Planung STUTTGART 21" (Blazek et al., 1997) aufgezeigt sind.
Im vorliegenden Gutachten sind Untersuchungen für zwei Entwürfe des Bebauungsplans "STUTTGART 21", Teilgebiet A, die sich hinsichtlich der Höhe der geplanten Hochhäuser entlang der Heilbronner Straße unterscheiden, und den Bereich um den zu ändernden Hauptbahnhof durchgeführt. Die zwei näher zu untersuchenden Varianten des Entwurfs des Bebauungsplans "STUTTGART 21" sind:
 
- Entwurf 1 mit der niederen Hochhausvariante (Gebäudehöhen von Süd nach Nord von 40 m, 40, m, 60 m) nachfolgend mit Entwurf 1 bezeichnet sowie - Entwurf 2 mit der hohen Hochhausvariante (Gebäudehöhen von Süd nach Nord von 60 m, 80 m, 90 m) nachfolgend als Entwurf 2 gekennzeichnet. Zusätzlich zu dem Gebiet A des Bebauungsplans wird der neu gestaltete Bereich des Hauptbahnhofs entsprechend dem Entwurf der Architektengemeinschaft Ingenhoven, Overdiek, Kahlen und Partner betrachtet. Der vorliegende Bericht beschreibt die Untersuchungsergebnisse für die beiden Varianten des Bebauungsplans und zieht Vergleiche zu den Ergebnissen für den Istzustand und den ersten Entwurf "Trojan", die in der bereits vorliegenden Studie (Blazek et al., 1997) erarbeitet wurden. Für den Bahnhofsbereich wurden im vorliegenden Bericht die Grundlagen für den Istzustand und den Planzustand erarbeitet und gegenübergestellt.
 
 
Windströmungen
 
Aufgrund der geplanten Bebauung und der dadurch veränderten Strömungsverhältnisse ergeben sich Fragestellungen bzgl. der Auswirkungen auf die Windströmungen im Untersuchungsgebiet, die in die beiden nachfolgenden Themenbereiche gegliedert werden können:
 
Auswirkungen auf den Windkomfort
 
- ergeben sich aufgrund der geplanten großflächigen Bebauung Zonen stark erhöhter Windgeschwindigkeiten, die mit Nutzungseinschränkungen verbunden sind?
 
Beeinträchtigung der Durchlüftung
 
- welche Durchlüftungsverhältnisse sind im Untersuchungsgebiet zu erwarten, gibt es Zonen eingeschränkter Durchlüftung?
 
 
Windkomfort
 
Die Windströmungen wurden aufgrund der Komplexität der Strömungsverhältnisse in einem Grenzschichtwindkanal untersucht. Aus modell- bzw. versuchstechnischen Gründen wurde das zu betrachtende Untersuchungsgebiet in zwei Teilgebiete gegliedert, dem Plangebiet A mit angrenzender bestehender Bebauung und dem Bahnhofsareal mit dem Bahnhofsgebäude im Zentrum. Zur Untersuchung der durch die geplante Bebauung zu erwartenden Änderung des Bodenwindfeldes wurden in der vorliegenden Studie
 
- zur qualitativen flächendeckenden Beurteilung Sanderosionsversuche und
 
- zur quantitativen Beurteilung einzelner, besonders windexponierter Punkte Windgeschwindigkeitsmessungen mit Hilfe von Hitzdrahtsonden durchgeführt.

Im Untersuchungsgebiet ergaben sich für den Entwurf 1 die hohen Windgeschwindigkeiten im südlichen Teil des Bebauungsplans angrenzend an den Bahnhofsbereich und in der näheren Umgebung des nördlich gelegenen höchsten Hochhauses an der Heilbronner Straße. Die höchsten Werte wurden im Bereich zwischen der südöstlichen Ecke des Bankenareals und der geplanten Bebauung am südlichen Ende des Bebauungsplans ermittelt. Hier sollten keine Warte- und Sitzbereiche oder ähnliche Nutzungen vorgesehen werden. Höhere Windgeschwindigkeiten wurden ferner im südlichen Areal sowie im südöstlichen erfasst. In diesen Gebieten sind kurzzeitige Aufenthalte wie z.B. bei Wartebereichen möglich. Ähnliche Nutzungsmöglichkeiten ergaben sich auch für das Gebiet um das nördlich gelegene höchste Hochhaus an der Heilbronner Straße im Bereich der bestehenden Bebauung sowie in der näheren Umgebung im beplanten Gebiet. Für die anderen betrachteten Punkte ergaben sich keine oder geringe Nutzungseinschränkungen.

An ausgewählten Punkten im Einflussbereich der drei geplanten Hochhäuser wurden ebenfalls quantifizierende Messungen für den Entwurf 2 mit der hohen Hochhausvariante durchgeführt. Für die meisten der betrachteten Punkte ergaben sich erwartungsgemäß Erhöhungen der Überschreitungshäufigkeiten vorgegebener Grenzgeschwindigkeiten, allerdings ergaben sich kaum Veränderungen in der Nutzungskategorie.
 
Südlich anschließend an den Bebauungsplan wurde der Bahnhofsbereich näher betrachtet. In der direkten Bahnhofsumgebung verringern sich die Windverhältnisse an der östlich gelegenen Bahnhofsseite aufgrund des zukünftig geplanten Bahnhofszuganges beträchtlich. Wie zuvor schon ausgeführt, erhöhen sich im Areal zwischen dem bestehenden Bankenareal und der geplanten Neubebauung die Windgeschwindigkeiten, was die Einstufung in eine ungünstigere Nutzungskategorie mit sich bringt. Im Bereich der südlich des Bahnhofs gelegenen bestehenden Bebauung ändern sich die Windverhältnisse aufgrund der geplanten Bebauung nur unwesentlich. Der Vergleich des Bebauungsplans mit den beiden ursprünglichen Entwürfen (siehe Blazek et al., 1997) liefert flächenbezogen durchaus ähnliche Werte, die sich aber aufgrund der unterschiedlichen Bebauungsmuster punktuell unterscheiden. Bemerkenswert sind die Ergebnisse des Bebauungsplans für den Bereich südöstliche Ecke des bestehenden Bankenareals. Hier wurden sehr hohe Werte ermittelt. Bei den beiden ursprünglichen Entwürfen wurde die neue Bebauung nicht so nahe an den Bahnhofsbereich heran geführt. In diesem Bereich sollte über gezielte Windschutzmaßnahmen nachgedacht werden.
 
 
Durchlüftung
 
Die Änderungen des Windfeldes führen einerseits zu örtlichen Erhöhungen der Windgeschwindigkeiten andererseits aber auch zu Reduktionen, was zu einer Beeinträchtigung der Durchlüftung führen kann. Die flächendeckenden Strömungsverhältnisse wurden mit Hilfe der Messergebnisse aus den Windkanalversuchen und der numerischen Simulationen ermittelt und daraus planungsrelevante Zonen stark reduzierter Durchlüftung erarbeitet. In diesen Zonen sollten Emissionen von Luftverunreinigungen, wie z.B. Abluftöffnungen von Tiefgaragen möglichst vermieden bzw. reduziert werden.
 
Im Teilgebiet A zeigen sich vor allem die Innenhöfe sowie Teilbereiche von Straßen, die quer zur Hauptwindrichtung verlaufen, als Gebiete stark reduzierter Durchlüftung. Im Gegensatz zu den geplanten Innenhöfen ergibt sich für den Innenbereich des bereits bestehenden Bankengebäudes am südöstlichen Rand des beplanten Gebietes eine relativ gute Durchlüftung. Dies ist eine Folge der bei diesem Gebäudekomplex vorhandenen Durchgangsbereiche. Im Sinne einer besseren Durchlüftung sind ähnliche Korridore auch im beplanten Areal zu empfehlen. Dies hätte auch positive Auswirkungen auf die Flächen reduzierter Durchlüftung zwischen den Gebäuden.
 
Im Bahnhofsareal ergibt sich ein Bereich reduzierter Durchlüftung südwestlich des Bahnhofs zwischen Bahnhofsgebäude und der gegenüberliegenden Bebauung. Diese Zone mit reduzierter Durchlüftung existiert auch heute schon und wird durch die Bebauung nur unwesentlich beeinflusst. Eine weitere Zone liegt nordöstlich des Bahnhofs zwischen dem Bahnhofsgebäude und der geplanten Bebauung.
 
Der Vergleich mit dem früher untersuchten Entwurf "Trojan" zeigt flächenmäßig ähnliche Gebietsgrößen reduzierter Durchlüftung. Wie beim Entwurf "Trojan" zeigen sich auch beim hier betrachteten Bebauungsplan vor allen Dingen die Innenhöfe als Zonen stark reduzierter Durchlüftung.
 
 
Lufthygiene
 
Die lufthygienischen Auswirkungen der städtebaulichen Planungen wurden in Bezug auf straßenverkehrsbedingte Schadstoffe untersucht. Dazu wurden mit Hilfe des mikroskaligen Strömungs- und Ausbreitungsmodells MISKAM flächendeckend Jahreskennwerte (Mittelwert und 98-Perzentil) der Belastung an NO2, Benzol und Dieselruß berechnet. Die Berechnungen erfolgten für zwei Untersuchungsgebiete: Das Teilgebiet A des Bebauungsplans "STUTTGART 21" mit bestehenden sowie geplanten Straßenzügen als Schadstoffquellen und die nähere Umgebung des Hauptbahnhofs mit bestehenden Straßen als Schadstoffquellen.
 
Neben den Gebäuden wurde für die Berechnung der Luftströmungen auch die komplexe Topographie des Untersuchungsgebietes berücksichtigt. In einer Kalibrierungsphase wurden ausgewählte Experimente aus der parallel durchgeführten Windkanaluntersuchung mit MISKAM nachgerechnet und die Ergebnisse (normierte Konzentrationen) zwischen Windkanal- und numerischem Modell verglichen. Durch die Variation verschiedener Steuerparameter des Modells MISKAM wurden die im Sinne des oben genannten Vergleichs optimalen Modellparameter ermittelt. Diese Parameter wurden bei den Immissionsrechnungen verwendet.
 
Mit Hilfe der Verkehrszahlen sowie den vom Umweltbundesamt veröffentlichten Kfz-Emissionsfaktoren wurden für die betrachteten Straßen Emissionen der Schadstoffe NOx, Benzol und Ruß für die Bezugsjahre 1995 und 2010 bestimmt. Aus den mit dem Modell MISKAM durchgeführten Rechenläufen konnten statistische Jahreskennwerte der durch den Straßenverkehr im jeweiligen Untersuchungsgebiet verursachten Schadstoffbelastung für die Entwürfe des Bebauungsplans (Entwurf 1 bzw. Entwurf 2) sowie am Hauptbahnhof berechnet werden. Durch Überlagerung dieser Belastung mit Immissionswerten aus größerskaligen Rechnungen, die alle immissionsrelevanten Straßen in Stuttgart berücksichtigen, ergibt sich ein detailliertes Bild der verkehrsbedingten Gesamtbelastung im jeweiligen Untersuchungsgebiet.
 
Bei der Betrachtung des Bebauungsplangebietes findet man die höchsten Schadstoffkonzentrationen im Bereich der bestehenden Hauptverkehrsstraßen (Friedrichstraße, Heilbronner Straße und Wolframstraße). Das Immissionsniveau ist bei dieser Prognose für das Jahr 2010 verhältnismäßig niedrig. Die Prüfwerte der 23. BImSchV sowie der TA-Luft-Grenzwert für den Jahresmittelwert der Stickstoffdioxidbelastung werden im gesamten Untersuchungsgebiet eingehalten. Lediglich an einzelnen Punkten innerhalb des Straßenraums sind Rußkonzentrationen über dem Prüfwert von mehr als 8 Âµg Ruß/m3 zu erwarten. An den neu geplanten Straßenzügen sind aufgrund der geringeren Verkehrsstärken deutlich niedrigere Schadstoffkonzentrationen als an den oben genannten Straßen zu verzeichnen. Die Unterschiede in den bodennahen Konzentrationen zwischen Entwurf 1 und Entwurf 2 sind gering und beschränken sich auf die nähere Umgebung der geänderten Gebäude. Die Konzentrationen in der Nähe der geänderten Gebäude sind beim Entwurf 1 durchgehend höher als beim Entwurf 2. Ein Vergleich der berechneten Immissionen mit denen einer früheren Studie (Blazek et al., 1997) zeigt, daß bei der Realisierung des Bebauungsplans im Jahr 2010 gegenüber dem Istzustand keine zusätzlichen Gebiete mit kritischen Schadstoffkonzentrationen entstehen.
 
Im Bereich des Hauptbahnhofs finden sich beim Istzustand in der näheren Umgebung der betrachteten Straßen hohe Schadstoffbelastungen. Am stärksten belastet sind die Friedrichstraße, die Heilbronner Straße und der Arnulf-Klett-Platz. Hier kann es an einzelnen angrenzenden Gebäuden (insbesondere an der Friedrichstraße) zu Ãœberschreitungen des Prüfwertes der 23. BImSchV von 10 µg Benzol/m3 kommen. Auch der Prüfwert der 23. BImSchV für den Schadstoff Ruß (8 Âµg Ruß/m3) kann in einzelnen Bereichen an Gebäuden der Friedrichstraße überschritten werden. Der Jahresmittelwert der Stickstoffdioxidkonzentrationen liegt an allen Gebäuden im Untersuchungsgebiet unter dem Grenzwert der TA Luft von 80 Âµg NO2/m3. Ãœberschreitungen sind nur direkt im Straßenraum anzutreffen. Ähnliches gilt für den Kurzzeitbelastungswert (98-Perzentil) für NO2. Der Prüfwert der 23. BImSchV von 160 Âµg NO2/m3 wird im gesamten Untersuchungsgebiet unterschritten.
 
Für den Planzustand im Jahre 2010 ergibt sich im Bereich des Hauptbahnhofs ein deutlich geringeres Immissionsniveau als für den Istzustand. Dies bedeutet, dass in der Prognose für das Jahr 2010 bei den geplanten Baumaßnahmen die oben genannten Prüfwerte für Benzol, Ruß und Stickstoffdioxid sowie der TA-Luft-Grenzwert für den Jahresmittelwert der Stickstoffdioxidbelastung im gesamten Untersuchungsgebiet unterschritten werden.
 
 
Bioklima
 
Zur Beschreibung der bioklimatischen Auswirkungen werden die Wind-, Temperatur- und Bioklimaverhältnisse für eine sommerliche Strahlungswetterlage mit niedrigen Windgeschwindigkeiten (Tag- und Nachtsituation) für den Entwurf des Bebauungsplans sowie den Bahnhofsbereich im Ist- und Planzustand mittels Simulationen betrachtet. Die Modellrechnungen wurden mit einer erweiterten Version des mikroskaligen Modells MISKAM durchgeführt. Für den Entwurf 2 mit hohen Hochhäusern sind keine signifikanten Änderungen gegenüber dem Entwurf 1 zu erwarten, deshalb wurde diese Variante hier nicht näher betrachtet.
 
Hinsichtlich der Durchlüftung ergeben sich besonders in Innenhöfen und quer angeströmten Straßen Bereiche mit sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten (deutlich niedriger als die Windgeschwindigkeit über freiem Gelände), in "Straßenschluchten" parallel zum Wind können die Windgeschwindigkeiten deutlich über der "Freilandwindgeschwindigkeit" liegen.
 
Die Lufttemperaturen am Tage sind recht hoch. Wesentlich bedingt ist dies durch die solare Einstrahlung sowie die Eigenschaften der Oberflächen; nur in abgeschatteten Innenhöfen und in Parkanlagen treten niedrigere Temperaturen auf. Andererseits kühlen die bebauten Bereiche, u.a. wegen der langwelligen Abstrahlung, nachts nicht so stark ab wie z.B. Grünflächen oder Gleisanlagen.
 
Die bioklimatischen Kennwerte PMV und PET verhalten sich sowohl qualitativ als auch hinsichtlich der jeweils resultierenden Beurteilung ähnlich, wobei oft die PMV-Darstellungen mehr Struktur aufweisen als die PET-Darstellungen. Dies ist bedingt durch die höhere Sensitivität von PMV bezüglich der Eingangswerte. Tagsüber werden alle Beurteilungsstufen von warm bis heiß erreicht, nachts alle Stufen von behaglich bis kalt. Heiße Bereiche liegen meist in der prallen Sonne und/oder schlecht durchlüfteten versiegelten Zonen, die kühleren Bereiche sind abgeschattete Innenhöfe und Grünanlagen. Nachts kehren sich die Verhältnisse um: u.a. aufgrund der langwelligen Abstrahlung der Gebäude bleibt die bioklimatische Situation innerhalb der Bebauung behaglich, während z.B. Grünanlagen als kühl empfunden werden.
 
Es ergibt sich tagsüber eine hohe thermische Belastung der Gebiete des Bebauungsplans und des geplanten Bahnhofplatzes. Diese Belastung sollte durch Entsiegelung, Bepflanzung und Begrünung, eventuell auch durch weniger dichte Bebauung gemildert werden.
 
Beim Vergleich von Entwurf 1 mit Entwurf "Trojan" (siehe Blazek et al., 1997) kann weder von einer allgemeinen Verbesserung noch von einer allgemeinen Verschlechterung gesprochen werden, da beide Entwürfe, besonders am Tag, eine ausgeprägte kleinräumige Variante des PMV-Wertes aufweisen. Absolut gesehen, muss von einer hohen thermischen Belastung der Gebiete im jetzigen Planungsstadium am Tag ausgegangen werden. Nach wie vor stellen die Innenhöfe oft thermische Belastungszonen dar.
 
Bereiche mit den Belastungsstufen leicht warm/warm treten in den Schattenzonen der Gebäude auf; ihr Anteil an der Gesamtfläche ist relativ gering. Starke Kontraste der Belastung auf relativ engem Raum können in Innenhöfen auftreten, was vor allem auf den Wechsel von Licht und Schatten zurückzuführen ist.
 
Wie bereits früher festgestellt, ist die PET-Verteilung etwas weniger differenziert als die PMV-Verteilung, liefert aber qualitativ und auch hinsichtlich der thermischen Belastungsstufen mit PMV vergleichbare Ergebnisse.
 
Insgesamt ergibt sich für den Bereich der geplanten Bebauung eine recht hohe thermische Belastung. Durch die Verbauung erhöhen sich auch in manchen Bereichen der bestehenden Bebauung (z.B. Umgebung des Bonatzbaus) die Lufttemperaturen. Dadurch ergibt sich tagsüber eine Verschlechterung der bioklimatischen Situation und nachts eine leichte Verbesserung.
 
 
Beschattung
 
Für die gesamte Fläche des Teilgebietes A des Bebauungsplans "STUTTGART 21" mit den Randbereichen sowie dem neu gestalteten Bahnhofsplatz sind die Besonnungs- und Beschattungsverhältnisse aufgrund der bestehenden und geplanten Bebauung sowie der Geländehöhen berechnet. Für das Teilgebiet A sind zwei Entwurfsvarianten zu betrachten, die sich in der Höhe der drei geplanten Hochhäuser unterscheiden.
 
Für die beiden Entwürfe des Bebauungsplans "STUTTGART 21" wird je ein dreidimensionales Gelände- und Gebäudemodell erstellt. Unter Berücksichtigung der täglichen Sonnenstände von Stuttgart findet eine Berechnung der Beschattung statt. Nachdem einheitliche Grenzwerte für die mögliche Besonnung nicht bestehen, orientiert sich die Beurteilung der Ergebnisse an den in der Literatur genannten Kriterien und Richtwerten. Damit ist für ausgewählte Tage die mögliche tägliche Sonnenscheindauer zu ermitteln. Das sind die Tag- und Nachtgleichen (Frühjahr, Herbst), ein mittlerer Wintertag (08.02.) und der 17. Januar. Für diese Tage wird die mögliche tägliche Sonnenscheindauer in der Höhe der Fenster des Erdgeschosses in Form einer flächenhaften Darstellung für das gesamte Untersuchungsgebiet aufgezeigt. Zudem wurden für 10 ausgewählte Punkte Horizontogramme erstellt, aus denen die ganzjährigen Besonnungsverhältnisse detailliert abzulesen sind.
 
Die kompakte geplante Blockbebauung führt zu einer intensiven Verschattung der Innenhofbereiche und Straßenräume in der Höhe des Erdgeschosses. Die Beurteilungskriterien der Mindestbesonnung sind innerhalb des Baugebietes größtenteils nicht eingehalten. An der bestehenden Bebauung am Rand des Bebauungsplangebietes sind die Einflüsse der geplanten Bebauung nicht so groß, dass die Besonnungskriterien überschritten werden. Die Unterschiede der beiden Entwürfe mit den verschiedenen Hochhausvarianten beschränken sich hinsichtlich der Besonnungsverhältnisse auf wenige Gebäudefassaden.
 
Der neue Bahnhofsplatz wird nahezu uneingeschränkt besonnt. Die geplanten Zugänge mit den runden Kuppeln aus lichtdurchlässigem Material führen nicht zu intensivem Schattenwurf.
 
Die beispielhaft aufgezeigten Horizontogramme verdeutlichen, dass die mögliche tägliche Sonnenscheindauer während des Jahres bei den Entwürfen teilweise stark eingeschränkt ist. Die dichte Bebauung führt dazu, dass die Beurteilungswerte der zutreffenden DIN-Norm im Erdgeschoss teilweise nicht eingehalten werden. Anhand der Horizontogramme werden die Auswirkungen der Unterschiede der beiden Entwürfe mit den verschiedenen Hochhausvarianten aufgezeigt. Die Hochhäuser tragen teilweise bis zu 2 Â½ Stunden zusätzlicher täglicher Verschattung bei.
 
Im Vergleich mit dem Istzustand, der in dem Bericht "Kleinskalige klimatisch-lufthygienische Untersuchungen für das Gebiet A der Planung STUTTGART 21" (Blazek et al., 1997) beschrieben ist, wird innerhalb des Gebietes des Bebauungsplans "STUTTGART 21" die Verschattung durch die geplante dichte Bebauung deutlich zunehmen. Die Verschattung bleibt weitgehend auf den überplanten Bereich beschränkt. An den angrenzenden bestehenden Gebäuden wirken sich im wesentlichen nur die geplanten Hochhäuser auf die Besonnungsverhältnisse aus. Damit sind zusätzliche Verschattungen von bis zu ca. 2 Â½ Stunden pro Tag verbunden.
 
Gegenüber dem Planentwurf "Trojan" (siehe Blazek et al., 1997) zeigen sich innerhalb des Baugebietes ähnliche Verschattungssituationen. Unterschiede zeigen sich im Einflussbereich der Hochhäuser. Das ist insbesondere am nördlichen Rand des Gebietes an der Wolframstraße zu beobachten, da der Bebauungsplan dort ein Hochhaus beinhaltet, der Entwurf "Trojan" jedoch nicht. Unterschiedliche Form und Ausrichtung der Hochhäuser macht sich im Schattenwurf bemerkbar. Die von West nach Ost orientierten langgestreckten Hochhäuser im Entwurf "Trojan" ziehen gegenüber den zylinderförmigen Hochhäusern eine intensivere Verschattung nach sich.


 
 
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