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M. Solman:
"The Representation of Urban Climate for Effective Building Energy Performance Simulation";
Supervisor: A. Mahdavi, U. Pont; Institut für Architekturwissenschaften, Abteilung Bauphysik und Bauökologie, 2020; final examination: 2020-01-21.

Currently, simulations efforts of thermal building performance regularly do not consider the location-dependent microclimatic conditions. This is majorly due to unavailability of monitored data from metrological weather stations or the failure to model specific location microclimates. This contribution focuses on assessing a recently developed model for generating urban weather files from a reference (weather) station that reflects the corresponding microclimate of a location. The differences between building site location and measurement station located at a distance from the building in rural areas such as airports are scarcely researched. Such variations can pertain to temperature, humidity, wind speed and wind direction, which are prime driving variables for heat and mass transfer processes in a building. First, microclimatic circumstances for several locations within the city of Vienna have been analyzed. The Urban Weather Generator (UWG) has been applied to estimate the hourly urban air temperature and humidity using weather data from a rural weather station and accounting for the reciprocal interactions between buildings and the urban climate. The urban measured data has been used to validate the simulated urban data. The measured and modeled weather data have been used as boundary conditions, and both a typical residential and an office building are subjected to thermal performance simulations. For all urban locations, the resulting performance indicators were then compared. The results have been further compared to the outcomes of the simulations that used simultaneously measured rural weather and standardized weather files commonly used for Vienna. The results suggest that the use of standardized weather files for building performance simulation can result in rather unrealistic energy demand estimations. This is due to the fact that this data does not describe the actual climate in each part of the city and is typically based on a historical long- term measurements. Therefore, new weather files should be created to reflect recent local climate change using more recent measurements. However, measurements from a reference station located outside of the urban area such as airports are neglecting the significant differences between rural and urban surroundings. The UWG can reduce this difference between urban and rural heating and cooling demand in urban locations. The results suggest that methods for generating urban weather files from a rural station and that account for the site-specific microclimatic conditions have utility in building performance simulation.

Im Moment berücksichtigen thermische Gebäude Simulationen in den meisten Fällen nicht die lokalen mikroklimatischen Bedingungen. Das hat vor allem damit zu tun, dass lokale Wetteraufzeichnungen nicht verfügbar sind oder aber nicht geeignet um spezifische, lokale Mikroklimate nachzumodellieren. Diese Master-These fokussiert auf die Bewertung eines jüngst entwickelten Modells zur Generation von lokal angepassten Mikroklima-Daten anhand von Daten von Referenzwetterstationen, welche im Stande sind die jeweiligen standortspezifischen Mikroklima-Daten nachzubilden. Die Unterschiede zwischen den mikroklimatischen Bedingungen bei
der jeweiligen (zumeist urbanen) Location (Gebäude bzw. Site) und den jeweiligen Standorten von Wetterstationen (oftmals beispielsweise bei Airports außerhalb der Stadt) sind nur wenig erforscht. Solche Unterschiede bestehen beispielsweise bei den
Temperatureverläufen, der Feuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und -Richtung. Diese Variablen sind aber zumeist die Haupteinflussfaktoren auf Wärme- und Stofftransferprozesse in bzw. an Gebäuden. In dieser Arbeit wurde folgendermaßen
vorgegangen:
Zunächst wurden die mikroklimatischen Bedingungen für eine Reihe von Locations in Wien erhoben bzw. analysiert. Das Werkzeug Urban Weather Generator (UWG) wurde eingesetzt um stündliche Temperature und Feuchtigkeitsdaten aus einer ländlich gelegenen Wetterstation zu verwenden und für die städtischen Locations zu adaptieren. Messdaten welche vor Ort an den städtischen Locations erhoben wurden, wurden verwendet um diese generierten Daten zu validieren. Anschließend wurden sowohl die gemessenen wie auch die simulierten Daten verwendet um Gebäudesimulationen von zwei typischen Bauwerken (einem Wohngebäude, so wie einem Bürogebäude) durchzufüren. Die Ergebnisse dieser Simulationsbemühungen
wurden einander gegenübergestellt. Darüber hinaus wurden Simulationen mit standardisierten Wetterdaten für Wien bzw. den Wetterdaten der ländlich gelegenen Wetterstation angestellt.
Die Ergebnisse dieser Bemühungen zeigen, dass die Verwendung von
standardisierten Wetterdaten im Rahmen von thermischen Gebäudesimulationen zum Teil zu recht unrealistischen Ergebnissen betreffend Energiekennzahlen führen können. Diese standardisierten Wetterdaten können zum Einen nicht das zutreffende
Mikroklima in jedem Teil einer urbanen Agglomeration beschreiben und zum anderen beruhen diese Daten oft auf historischen Langzeitmessungen, welche aktuelle Veränderungen in den Mikroklimaten bzw. in der Großklimasituation nicht
berücksichtigen. Deshalb sollten neue Wetterdaten generiert werden, welche das aktuelle Mikroklima anhand aktueller Messdaten besser beschreiben. Messdaten, die nicht im urbanen Umfeld gesammelt werden, wie z.B. bei Flughäfen vor den Toren einer Stadt, bilden die signifikanten Unterschiede zwischen ländlichen und städtischen Umgebungen jedoch nicht ab. Der UWG kann dazu verwendet werden, diese Unterschiede über Modifikation der Wetterdaten auszugleichen. Es versteht sich von selbst, dass solche Werkzeuge - welche zur Generation von urbanen Wettermodellen verwendet werden können - einen Nutzen für Gebäudesimulationszwecke haben.

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