title: Systemic implementation of Vertical Greenery Systems
title: contributions to urban water management and energy-efficient buildings
titleType: Subtitle
Creators: name: Hoffmann, Karin
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
subject: building greening
subject: nature-based solutions
subject: heat stress reduction
subject: climate-adapted buildings
subject: building cooling
subject: Gebäudebegrünung
subject: naturbasierte Lösungen
subject: Hitzestressreduktion
subject: klimaangepasstes Bauen
subject: Gebäudekühlung

description: Climate adaptation of cities is one of the most pressing current problems in light of increasingly frequent extreme events such as heat waves, droughts, and heavy rainfall. At the same time, climate adaptation must be in line with the decarbonization of the building sector, which is to be achieved in the European Union by 2050. Technological end-of-pipe solutions are widely used but, in turn, often have negative impacts on the climate themselves when their entire life cycle is considered. Vertical Greenery Systems (VGS) are recognized as climate adaptation measures that can strengthen climate resilience, while providing a carbon sink. Due to their low horizontal space requirement, they are particularly suitable for implementation in densely built-up areas. Although empirical studies provide information on the thermal impacts and water requirements of VGS, there is a need for process-based, standardized assessment methods that can be applied to different locations, building morphologies, and VGS designs. This thesis aims to provide transferable process-based calculation methods for (1) the required irrigation water, (2) recycling potentials using alternative irrigation water sources (i.e., rainwater and greywater), and (3) potentials in cooling energy reduction on the building level for ground-based VGS. First, a model adaptation concept for the daily reference evapotranspiration of a VGS was developed. The most relevant meteorological parameters were identified and adapted to the micro-climatic conditions at a specific urban site. The model’s performance was evaluated using onsite measured meteorological and lysimeter data. We found the best predictions of VGS water demand when meteorolgical input data is verticalized, i.e., adapted to the facade and height-adapted. While using daily data leads to robust results, further research is needed for hourly resolution. Using the verticalized evapotranspiration approach, the water recycling potential of VGS for alternative water sources (i.e., rainwater and greywater) for six case study buildings differing in their climatic conditions, architecture, and occupancy has been evaluated. VGS was found to be a suitable water recycling measure. The water management potential depends on climatic factors but can be overruled by the building features determining greenable areas and the provision of alternative water sources. We found quarter- or district-based planning should be preferred over planning for single buildings. Finally, assuming sufficient water supply, the cooling energy-saving potential of VGS in the existing building stock has been quantified. Therefore, relevant building types in Berlin, Germany, and Ljubljana, Slovenia, have been identified. Thermal effects and cooling energy savings during summer have been calculated using a process-based one-dimensional heat-mass-transfer model. Findings suggest VGS is most effective for walls with moderate insulation (U-values) and low thermal inertia. Suitability of VGS for cooling should be quantified dynamically and case-specifically. The presented thesis provides transferable, process-based methods and analyses to evaluate VGS as an interface in the water cycle and urban energy balance. It is thus contributing to evidence-based planning of VGS for urban water management and energy efficiency and fostering climate resilience in cities.
description: Die Klimaanpassung von Städten ist angesichts immer häufiger auftretender Extremereignisse wie Hitzewellen, Dürren und Starkregen eine der drängenden aktuellen Herausforderungen. Gleichzeitig muss die Klimaanpassung im Einklang mit der Dekarbonisierung des Gebäudesektors stehen, die in der Europäischen Union bis 2050 erreicht werden soll. Technologische End-of-Pipe-Lösungen sind weit verbreitet, haben aber häufig selbst negative klimatische Wirkungen, wenn ihr gesamter Lebenszyklus betrachtet wird. Vertikalbegrünung (VG) ist eine Klimaanpassungsmaßnahme, die Klimaresilienz stärken und eine Kohlenstoffsenke bieten kann. Aufgrund des geringen horizontalen Flächenbedarfs ist sie insbesondere für den Einsatz in dicht bebauten Gebieten geeignet. Obwohl empirische Studien Informationen über die thermischen Auswirkungen und den Wasserbedarf von VG liefern, besteht Bedarf an prozessbasierten, standardisierten Bewertungsmethoden, die auf verschiedene Standorte, Gebäudemorphologien und Begrünungssystemtypen angewendet werden können. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, übertragbare prozessbasierte Berechnungsmethoden für (1) die benötigte Bewässerungsmenge, (2) Potenziale der (Wieder-)Verwendung alternativer Wasserressourcen (z.B. Regenwasser und Grauwasser) und (3) Potenziale zur Reduzierung der Kühlenergie durch bodengebundene VG auf Gebäudeebene bereitzustellen. Zunächst wurde eine Modellanpassung der Referenzverdunstung auf den speziellen Fall eines Vertikalbegrünungssystems (VG) auf täglicher und stündlicher Basis vorgenommen. Die wichtigsten meteorologischen Parameter wurden ermittelt und an die mikroklimatischen Bedingungen eines urbanen Standorts angepasst. Die Ergebnisse des Modells wurden mithilfe von vor Ort gemessenen meteorologischen und Lysimeterdaten bewertet. Die besten Vorhersagen des Wasserbedarfs wurden erzielt, wenn die meteorologischen Eingangsdaten vertikalisiert, d.h. an die Fassade und die Höhe angepasst wurden. Während die Verwendung täglicher Daten zu zufriedenstellenden Ergebnissen führte, sind weitere Untersuchungen für eine stündliche Auflösung erforderlich. Unter Verwendung des Ansatzes der vertikalisierten Referenzverdunstung wurde das Wasserrecyclingpotenzial von VG mittels Nutzung alternativer Wasserressourcen (d.h. Regen- und Grauwasser) bewertet. Die Bewertung erfolgte an sechs Beispielgebäuden, die sich in ihren klimatischen Bedingungen, ihrer Architektur und ihrer Nutzung unterscheiden. Es wurde festgestellt, dass VG für den Einsatz im Wasserrecycling geeignet ist. Das Wassermanagementpotenzial hängt hauptsächlich von klimatischen Faktoren ab. Diese können aber durch Gebäudeeigenschaften, die die begrünbare Fläche und die Verfügbarkeit alternativer Wasserressourcen bestimmen, überlagert werden. Eine quartiers- oder stadtteilbezogene Planung sollte gegenüber einer Planung für einzelne Gebäude vorgezogen werden. Schließlich wurde unter der Annahme einer ausreichenden Wasserversorgung das Einsparpotenzial von Kühlenergie durch VG im Gebäudebestand quantifiziert. Dazu wurden relevante Gebäudetypen in Berlin, Deutschland, und Ljubljana, Slowenien, identifiziert. Die thermischen Effekte und die Kühlenergieeinsparungen im Sommer wurden mit einem prozessbasierten Wärmestrommodell berechnet. Die Ergebnisse weisen auf eine hohe Effektivität von VG bei Wänden mit mittlerer Dämmung (U-Wert) und geringer thermischer Masse hin. Die Eignung von VG zur Gebäudekühlung sollte dynamisch und fallspezifisch bewertet werden. Die vorliegende Arbeit liefert übertragbare, prozessbasierte Methoden und Analysen zur Bewertung von VG als Schnittstelle im Wasserkreislauf und dem städtischen Energiehaushalt. Sie leistet einen Beitrag zur evidenzbasierten Planung von VG für urbanes Wassermanagement und energieeffiziente Gebäude und zur Förderung der Klimaresilienz von Städten.