Climate change in urban areas. Part 2, Measures - SpringerOpen

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Climate change in urban areas. Part 2, Measures Klimawandel im urbanen Bereich. Teil 2, Maßnahmen Wilhelm Kuttler*

Abstract Part 2 presents measures at the city scale, which are distinguished into object- and area-related means. The former ones include emission reduction, energy gaining and saving, as well as the climate-improving impact of rooftop and façade greening. Area-related means refer to the reduction of radiation temperature through shading and transpiration as well as impact of urban green areas of different size on the urban climate. Furthermore the opportunities to use subsurface urban heat island as an energy-reservoir for cooling or heating are discussed. Keywords Urban measures, urban climate, global climate change, mitigation, adaptation, urban greening, oasis effect, subsurface heat island, geothermal potential of urban heat island Zusammenfassung In Teil 2 werden anhand verschiedener Beispiele Maßnahmen gegen den globalen Klimawandel auf lokaler, insbesondere städtischer Ebene, vorgestellt. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Möglichkeiten, trockener Hitze und hohen Strahlungsintensitäten durch Beschattung, aber auch durch Aufhellung von Oberflächen zu begegnen. Dabei wird zwischen objekt- und flächenbezogene Maßnahmen unterschieden. Eine besondere Rolle nimmt hierbei die Begrünung von Straßenschluchten und Gebäuden ein. Auch wird exemplarisch untersucht, ob eine Nutzung der urbanen Untergrundwärmeinsel als Energieträger sinnvoll ist. Einleitung Nachdem in Teil 1 dieses zweiteiligen Beitrags [1] der globale Treibhauseffekt mit seinen projizierten Wirkungen auf das urbane Klima und die Luftqualität an Beispielen aus dem Ruhrgebiet erläutert wurde, stellt Teil 2 Maßnahmen auf städtischer Ebene vor. Unterschieden wird dabei zwischen objekt- und flächenbezogenen Vorkehrungen. Zu Erstgenannten zählen Möglichkeiten der Abgasreduzierung, der Einsparung und Gewinnung von Energie sowie der klimaverbessernden Wirkung von Gebäudebegrünungen. Unter den flächenbezogenen Maßnahmen wird auf die Reduktion der Strahlungstemperaturen durch Beschattung eingegangen, die Wirkung unterschiedlich großer innerstädtischer

*Correspondence: [email protected] Universität Duisburg-Essen, Campus Essen, Fakultät für Biologie, Angewandte Klimatologie und Landschaftsökologie, Schützenbahn 70, D-45127, Essen, Germany

Grünflächen auf das Stadtklima diskutiert und auch die Frage aufgeworfen, welche Möglichkeiten es gibt, die städtische Unterflurwärmeinsel als Energiereservoir zu Kühl- und Heizzwecken zu nutzen. Maßnahmen gegen den globalen Klimawandel sollten insbesondere in Städten ergriffen werden, da diese trotz ihres geringen Anteils an der Landoberfläche der Erde als die stärksten Nettoquellen anthropogenen Kohlendioxids gelten [2,3,4]. Mit dem Klimawandel wird unter anderem ein globaler Temperaturanstieg verbunden sein, der allerdings regional hinsichtlich seiner Wirkungen sehr unterschiedlich ausfallen kann [5]. Für Mitteleuropa und damit auch für das Ruhrgebiet kann die prognostizierte Erhöhung der Wintertemperaturen zum Beispiel eine seltenere Beseitigung von Schnee und Eis in den Städten als positive Wirkung zur Folge haben. Vor allem dürfte der Energieaufwand für die Beheizung von Gebäuden niedriger ausfallen als bisher, wodurch CO2-Emissionen eingespart werden können.

© 2011 Kuttler; licensee Springer. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

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Diesen durchaus positiven Seiten des Klimawandels stehen jedoch Nachteile (siehe auch Teil 1 [1]) gegenüber, die in einer • höheren thermischen Belastung für den Menschen im Sommer • Zunahme des sommerlichen Kühlbedarfs von Gebäuden • stärkeren Verbreitung von Krankheitsüberträgern (Mücken, Zecken) und allergieauslösenden Pflanzen (zum Beispiel Ambrosia) sowie • durch Starkregen verursachten Hochwasser- und Über­schwemmungsgefahr zu sehen sind. Mit geeigneten Maßnahmen der Objekt- und Stadt­ planung kann insbesondere der in dicht bebauten Stadtquartieren verstärkt auftretenden Überwärmung begegnet werden. Dabei wird meist auf zwei Strategien zurückgegriffen, die mit den bekannten Schlagwörtern „Mitigation“ und „Adaptation“ beschrieben werden. Auf beide Strategien wird nachfolgend näher eingegangen. Unter Mitigation (Abschwächung) wird allgemein das Bemühen verstanden, die Quellstärke der Treibhausgase zu verringern, die Aufnahme von CO2 durch Ver­ größerung der Vegetationsflächen zu erhöhen und dessen technische Sequestrierung (Verbringung von kom­ primier­tem CO2 in unterirdische Kavernen) rasch zu realisieren. Derartige Maßnahmen führen zu einer Reduzierung dieses Treibhausgases in der Atmosphäre [5]. Darüber hinaus sind Vorkehrungen zu treffen, die die Auswirkungen des Klimawandels reduzieren. Diese unter dem Begriff Adaptation (Anpassung) zusammengefassten Maßnahmen sollen „die Empfindlichkeit natürlicher und menschlicher Systeme gegenüber tatsächlichen oder erwarteten Auswirkungen der Klimaänderung ver­ ringern“ [6]. Da sich zum Beispiel der sich zukünftig verstärkende thermische Stress in Städten im Wesentlichen auf die sommerlichen Hitzeepisoden beschränkt, sollten ausschließlich hiergegen Maßnahmen ergriffen werden und nicht durch permanente Beschattung eine gewünschte winterliche Wärmeaufnahme von Gebäuden durch die Sonnenstrahlung verhindert werden. Thermische Belastungen können durch trockene Hitze oder feucht-heiße Witterungsabschnitte verursacht werden. Während Erstgenannte meist eine autochthone klimatische Ursache hat, sind feucht-heiße Witterungs­ abschnitte überwiegend durch allochthone Einflüsse charakterisiert. Wegen ihres makroskaligen Charakters lässt sich deshalb „schwüle“ Hitze mit Mitteln der Stadtplanung kaum bekämpfen, während gegen trockene Wärmebelastung lokale Maßnahmen ergriffen werden können [7]. So sollten zur Vermeidung unerwünschter starker solarer Einstrahlung Gebäude, Straßen und Plätze

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sowohl ausreichend beschattet werden als auch durch­ lüftungswirksam gestaltet sein, um zum Beispiel durch Advektion nächtlicher kühler Umlandluft („Flurwind“, Kaltluftflüsse [8,9]) überwärmte Innenstädte zu kühlen. Entsprechende thermische Minderungs­maßnahmen sollten nicht nur am Objekt, zum Beispiel an Gebäuden erfolgen, sondern auch flächenwirksam, in Stadt­ quartieren, realisiert werden, wie in entsprechenden Forschungsprojekten (ExWoSt, Experimenteller Wohnungsund Städtebau [10]; dynaklim, Dynamische Anpassung an den Klimawandel der Emscher-Lippe-Region [11]) untersucht wird. Auf ausgewählte Beispiele wird nachfolgend näher eingegangen.

Objektbezogene Maßnahmen Wesentliche Maßnahmen zur Verringerung des CO2 -Ausstoßes sollten unter den Bedingungen des mittel­ europäischen Klimas grundsätzlich in einem sparsameren Umgang mit der zu Heiz- und Kühlzwecken von Gebäuden aufzuwendenden Energie sowie einer effizienten Wärmedämmung gesehen werden. Energieeinspar- und Energiegewinnungsmaßnahmen Energieeinsparmaßnahmen an Gebäuden werden nach­ folgend exemplarisch erörtert. So sind die spezi­fischen Heizenergieverbräuche zum Beispiel in Deutschland gegen­ wärtig noch viel zu hoch, da ein großer Teil der über­ wiegend alten Bausubstanz, so auch im Ruhrgebiet, bisher nicht über einen effektiven Wärmeschutz verfügt. Der Heizenergieverbrauch einer Wohnung mit einer Wohnfläche von 100 m2 bis 250 m2 sollte in dieser Klimaregion weniger als 100 kWh/(m2∙a) betragen. Nach wie vor überschreiten die mittleren Verbräuche jedoch mehr als 200 kWh/(m2∙a) [12]. Durch den Bau von Passivhäusern werden mit 10 bis 15 kWh/(m2∙a) gegenwärtig schon sehr niedrige spezifische Wärmeverbräuche erreicht. Noch besser stellen sich die Bilanzen von sogenannten Plus-Energie-Häusern dar, die in der Jahressumme mehr Energie produzieren als sie verbrauchen und dadurch eine positive Energiebilanz aufweisen. Erst dadurch dürfte zum Beispiel der Betrieb eines Elektrofahrzeugs interessant werden, da die dazu benötigte Energie ohne Rückgriff auf CO2 emittierenden Kraftwerksstrom erzeugt wird. Der Energiegewinn eines Plus-Energie-Hauses wird nicht nur durch geschickte Anbringung von Photovoltaikpaneelen an den Haus­ wänden und auf dem Dach sowie einer effizienten Nutzung von Wärmepumpen erreicht, sondern auch durch die Verwendung von hochwärmedämmenden, luft­dichten Bauteilen für die Wände mit einer geregelten Lüftung der Innenräume sowie durch Wärmerück­ gewinnung. Diese Haustypen, von denen es bereits einige wenige Modellhäuser gibt (zum Beispiel von der

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Abb. 1. Effizienz unterschiedlicher Kühlmaßnahmen in Bürohäusern auf der Grundlage des Jahres 2000 (in kWh/(m2∙a); nach VDI Nachrichten vom 15.1.2010, verändert).

Universität Darmstadt [13]), befinden sich allerdings noch in der Experimentalphase. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass der energetische Aufwand, Gebäude in den Innenstädten im Sommer zu kühlen, wegen des städtischen Wärmein­ seleffektes höher ist als bei vergleichbaren Häusern im Umland. So wird in Bürogebäuden der Londoner Innen­ stadt bei heißer Witterung 16 % mehr Energie zur Küh­ lung aufgewendet als bei Vergleichsgebäuden im Umland [14]. Dabei lässt sich der zur Kühlung aufzuwendende Energiebetrag durch verschiedene – insbesondere auch passive – technische Möglichkeiten deutlich reduzieren (Abb. 1). Hierzu wird exemplarisch der Kühlenergiebedarf eines Bürogebäudes in Mailand dargestellt, wo gegenwärtig diejenigen mittleren klimatisch-thermischen Verhältnisse herrschen, die für das Ruhrgebiet im Jahre 2100 projiziert werden (entsprechend einer Zunahme der Jahresmittel­ temperatur von +2,5 K; siehe Teil 1 [1]). Unter der Annahme eines Ausgangswertes für den sommerlichen Kühlenergiebedarf von etwa 70 kWh/(m2∙a) [15] wurde untersucht, welche Technik den Energieverbrauch am effizientesten verringern kann. Als wirksamste Einzel­ maßnahme erwiesen sich die je nach Bestrahlungsstärke automatisch gesteuerten Jalousien sowie nächtliche Lüftung, die den Kühlenergiebedarf jeweils um 60 % absenken. Außenliegende Jalousien sind im Vergleich zu innenliegenden Verschattungsmöglichkeiten grundsätzlich als effizienter anzusehen, weil bei erstgenannten der größte Teil des Strahlungsumsatzes außerhalb des Gebäudes erfolgt, während bei auf der Innenseite von Fenstern angebrachten Jalousien der wesentliche Strah­ lungs­umsatz auf der Innenraumseite erfolgt, wodurch es zu einer vergleichsweisen stärkeren Erwärmung der Innenräume kommt. Aufdachanlagen für die Photovoltaik (PV) führen neben der bekannten Produktion von elektrischer

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Abb. 2. Numerische Simulation des Einflusses eines Photovoltaikdaches (PV) auf die Innenraumtemperatur einer Dachwohnung in Wuppertal (Quelle: [16], verändert)1). 1) Grundlage der Modellrechnung: heißer Sommer auf der Basis des Testreferenzjahres (tmax = 32,9 °C) in Wuppertal; empfundene Raumtemperatur errechnet sich zu je 50 % aus der Lufttemperatur und der Strahlungstemperatur aller Raumumschließungsflächen; PV‑Dach: α = 0,53; Dachziegel: α = 0,70.

Energie auch zur Beschattung des darunter liegenden Daches. Hierdurch kann zum Beispiel die empfundene Raumtemperatur einer gut gedämmten Dachgeschoß­ wohnung um bis zu 2 K im Vergleich zu einer ent­ sprechend gedämmten Dachwohnung ohne PV reduziert werden (Abb. 2). Auch wird die Häufigkeit der Jahres­ stunden mit Temperaturen > 26 °C bei Vor­hand­en­sein eines PV-Daches auf etwa ein Viertel der Zeit deutlich verringert [16]. Während eine Aufdach- PV-Anlage zu einer wirkungsvollen Beschattung einer Dachgeschoßwohnung führen kann, stellt sich die Frage nach der produzierten Strommenge durch PV-Elemente. Als Beispiel mögen „Stromerntewerte“ dienen, die von einer im mittleren Ruhrgebiet (Essen, etwa 1400 Sonnenstunden im langjährigen Mittel [17]) betriebenen Anlage (Dächer des Betriebshofs der Essener Verkehrs AG, Fläche 1.000 m2, 25 °nach S geneigt) im zweijährigen Mittel (2005/2007) produziert wurden. Die Anlage wies eine mittlere Leistungsdichte von 11 W/m2 auf und stellte durch­ schnittlich 96 kWh/(m2∙a) an elektrischer Energie bereit. Setzt man dazu die jeweils pro Quadratmeter erhaltene solare Einstrahlung der nahegelegenen Klimastation der Universität Duisburg-Essen in Beziehung, so resultiert eine „Umsetzungsrate“ von etwa 10 %. Das bedeutet, dass die Gewinnung von elektrischem Strom unter den genannten solaren Bedingungen der geographischen Breite des Ruhrgebiets offensichtlich dann sinnvoll erscheint, wenn es sich um großflächige Anlagen handelt. Direkte Maßnahmen, die Oberflächenenergiebilanzen im Sinne einer geringeren Aufheizung im Sommer zu beeinflussen, können auch darin bestehen, helle,

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reflektierende Materialien für Außenwände zu ver­ wenden. Dies führt über eine Absenkung der Ober­ flächen­temperaturen nicht nur zu einer Reduzierung der langwelligen Wärmestrahlung (L↑) und Wärmeleitung (λ), sondern auch zu einer Verringerung der turbulenten sensiblen Wärmestromdichte (QH) und damit der Lufterwärmung. Das wird anhand eines Vergleichs der maximalen Oberflächentemperaturen einer baugleichen weißen und schwarzen sonnenbeschienenen Westwand eines Gebäudes deutlich: Unter stärkster Bestrahlung erreicht die schwarz angestrichene Wand eine Maximal­ temperatur von 65 °C, eine weiße Wand hingegen nur 40  °C (Temperaturangaben nach [18]). Die darauf beruhende langwellige Ausstrahlung (ε = 1,0) beläuft sich für die schwarz gestrichene Wand auf L↑ = 740 W/m2, für den weißen Anstrich auf nur L↑ = 540 W/m2. Würde diese Differenz von 200 W/m2 über 5 Stunden pro Tag und an 30 Sommertagen pro Jahr bestehen und eine Stadtfläche von 1 km2 betreffen, dann strahlten derartig weiße Flächen 3∙10 7 kWh weniger an Energie aus als ein vergleichsweise schwarzer Untergrund. Das wäre etwa so viel, wie 7.500 deutsche Normfamilien (4 Pers. Haushalt, 4.000 kWh/a) pro Jahr an Energie verbrauchten. Hieraus ersieht man, in welchem Maße allein eine Aufhellung von Oberflächen die objektbezogene und letztlich – unter Zugrundelegung einer Vielzahl derartiger Gebäude – auch die städtische und damit flächenbezogene Energie­ bilanz positiv beeinflussen kann. Allerdings können helle Anstriche durch ihre verstärkte Reflexion des Sonnenlichts zu zusätzlichen, letztlich unerwünschten Bestrahlungen von Flächen führen, die im Schatten liegen und der direkten Sonnenbestrahlung nicht ausgesetzt sind. Doch nicht nur im kurzwelligen Bereich kann durch Erhöhung des reflektierten Anteils die Absorption ver­ ringert werden, sondern auch im langwelligen Bereich, wenn Oberflächen mit einer speziellen Beschichtung bzw. einem Anstrich versehen wurden, die zum Beispiel im nahen Infrarot reflektieren. Wegen ihrer temperatur­ sen­kenden Wirkung werden derartige Oberflächen­ behand­lungen treffenderweise auch „cool colours“ genannt. Wie Abb. 3 zeigt, ist die Reflexion im lang­ welligen Bereich (λ > 750 nm) um bis zu 60 % höher als an Oberflächen, die nicht beschichtet wurden. Aufgrund der stärkeren Reflexion im nahen Infrarot reduziert sich die Temperatur der Cool Colours Oberfläche um bis zu 6 K im Vergleich zur Standard­ oberfläche während höchster solarer Einstrahlung (Abb.  4). Dadurch, dass eine derartig beschichtete Oberfläche tagsüber weniger warm wird als eine Standardoberfläche, dringt nicht nur weniger Energie durch Wärmeleitung (λ) in die entsprechende Hauswand ein, sondern auch deren langwellige Ausstrahlung wird um bis zu L↑ = 50 W/m2 vermindert.

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Abb. 3. Wellenlängenabhängige Reflexion zweier Oberflächen (Standard, d. h. nicht beschichtet ; „cool colours“, mit langwellig reflektierender Folie beschichtet) (Quelle: [62], verändert, hier nach [63]).

Abb. 4. Tagesgang der Temperaturen der Luft, einer Standardoberfläche (S), einer „Cool Colours“ Oberfläche (CC) und deren Differenz (CC – S) an einem Strahlungstag in Essen (26. 6. 2010)1) (Quelle: P. Wagner, pers. Mitt.). 1)Standort: Klimastation der Universität Duisburg-Essen, Campus Essen.

Gebäudebegrünung und ihre energetische Wirkung Begrünungen von Gebäuden weisen in mikroklimatischer und lufthygienischer Hinsicht zahlreiche Vorteile auf. Hierzu zählen bei starker Einstrahlung eine Absenkung der Gebäudeoberflächen- und der Lufttemperaturen der unmittelbaren Umgebung [19] sowie eine Verringerung der Spannweite der Tagesschwankung der Temperatur mit schonender Wirkung auf das Baumaterial und eine Erhöhung der hauswandnahen Luftfeuchtigkeit. Im Winter kann immergrüner Bewuchs wie Efeu vor Wärm­ everlust des Gebäudes schützen. Die relativ große pflanzliche Oberfläche führt zur Abund Adsorption atmosphärischer Spurenstoffe, wodurch es in Gebäudenähe meist zu einer Verbesserung der Luftqualität kommt. Bei der Realisierung von Bepflanzungen an Gebäuden sollte daher immergrüne Vegetation verwendet werden, da diese Jahreszeiten

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Abb. 5. Oberflächentemperaturen von Dachabdeckungen mit schwarzer Dachpappe, heller Kiesschüttung, hellem Anstrich und künstlich befeuchteten bzw. bepflanzten Substraten (Quelle: [41], verändert).

unabhängig die Gebäudeenergiebilanz verbessert und Luft­verunreinigungen effektiver aufnimmt als sommer­ grüne Vegetation [20]. Am Beispiel verschiedener Dachabdeckungen soll die Strahlungstemperatur reduzierende Wirkung eines begrünten Daches während starker sommerlicher Ein­ strahlung belegt werden (Abb. 5). So erreicht schwarze Dachpappe zur Zeit des Sonnenhöchststandes kurzfristig Temperaturen von über 90 °C. Deutlich niedrigere Werte werden für helle, trockene Kiesschüttungen sowie hellen Anstrich gemessen. Die niedrigsten Werte erreichen allerdings feuchte und besonders bewässerte und bepflanzte Dachflächen. So besteht zwischen letzt­ genannten und der schwarzen Dachpappenabdeckung zur Mittagszeit ein Temperaturunterschied von bis 70 K. Zwar führen helle Anstriche bereits zu deutlich reduzierten Strahlungstemperaturen (tmax = 35 °C), bei bepflanzten, gut bewässerten Substraten kann jedoch im Vergleich zu hellen Oberflächen noch eine um etwa 15 K stärkere Reduktion der Strahlungstemperatur erzielt werden. Der Unterschied der Maximumtemperaturen zwischen den künstlich befeuchteten sowie den bepflanzten und bewässerten Substraten dürfte letztlich nicht nur auf den Transpirationsvorteil der Vegetation zurückzuführen sein, sondern auch auf den unterschiedlichen thermischen Eigenschaften beruhen, die Wasser und Vegetation hinsichtlich der Wärmeleitung (λ) und Wärmekapazitätsdichte (ζ) zu eigen sind. Festzustellen bleibt, dass bepflanzte und bewässerte Dächer zu den wirkungsvollsten oberflächentemperatur­ senkenden Maßnahmen insbesondere dann zählen, wenn während maximaler Einstrahlung die größte Abkühlung erwünscht ist. Des Nachts weisen sämtliche Dach­ abdeckungen niedrige Oberflächentemperaturen auf und gleichen sich thermisch weitgehend an.

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Auch im Jahresverlauf wirkt sich eine Dachbegrünung in Hinblick auf den Wärmetransport durch die Gebäudeumschließungsflächen positiv aus. Vergleicht man dazu die entsprechenden Wärmeleitfähigkeitswerte eines bepflanzten („Gründach“) und eines nicht bepflanzten Daches („Betondach“) miteinander, so zeigt sich (Tabelle 1), dass beim „Gründach“ die gesamten mittleren täglichen Wärmetransporte während Strah­ lungs­wetterlagen zu den Sommer- und Winterterminen negativ sind. Das bedeutet, dass Energie vom Dach an die Atmosphäre abgegeben wird, im Winter vergleichsweise mehr als im Sommer. Das trockene „Betondach“ hingegen nimmt in der Tagesgesamtbilanz während des Sommers und des Herbstes bei hoher Einstrahlung Wärme auf (positives Vorzeichen) und führt diese auch dem Gebäudekern zu. So werden durch das Betondach tagsüber (8. Juli) fast 50  W/m2 in das Gebäude transportiert, während das „Gründach“ zur gleichen Zeit sogar um bis zu 2,5 W/m2 abgibt. Dadurch erhöht sich die Raumtemperatur des Gebäudes mit „Betondach“ um 2-3 K gegenüber der des Gebäudes mit „Gründach“ [21]. Sollte diese Temperatur­ differenz beispielsweise durch eine elektrisch betriebene Klimaanlage ausgeglichen werden, wäre hierzu ein erheblicher Energieaufwand notwendig. Im Winter (10. Jan.) verlieren beide Dächer Wärme. Dabei kühlt sich das „Betondach“ jedoch um über 35 % stärker ab als das „Gründach“. Nachts strahlt das „Betondach“ sogar bis zu sieben Mal mehr Energie aus als das „Gründach“. Es zeigt sich, dass bepflanzte Dächer einen guten Wärme-/ Kälteschutz bieten, wodurch Kühl-/Heizenergie für darunter liegende Räume je nach Jahreszeit in nicht unerheblichem Maße eingespart werden kann. Auch in Bezug auf den Wasserhaushalt weisen begrünte Dächer Vorteile gegenüber nicht begrünten auf. So zeigt ein entsprechender Vergleich zwischen einem „Grün“- und einem „Kiesdach“ in Karlsruhe [22], dass bei einer jährlichen Niederschlagssumme von 750 mm bei einem Kiesdach mit bis zu 20 % der Niederschlagsmenge nur ein geringer Teil verdunstet, während vom bewässerten „Gründach“ über 90 % des Wassers über den latenten Wärmestrom (QE) in die Atmosphäre abgeführt werden. Allerdings muss dazu der Substratuntergrund eine ausreichende Mächtigkeit aufweisen (in diesem Fall 40 cm), wodurch rund 150 mm Niederschlagswasser gespeichert werden können, was etwa der durch­ schnittlichen Niederschlagssumme zweier Monate ent­ spricht. Dadurch wird gerade auch bei Stark­ regenereignissen, die in Zukunft häufiger auftreten sollen, der Spitzenabfluss in die Kanalisation nachhaltig vermindert. Sollen „Gründächer“ neben ihren unbestreitbaren klimatischen und hydrologischen Vorteilen für das

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Tabelle 1. Mittelwerte des Wärmetransportes (in MJ/m2) durch eine Dachgeschossdecke bei begrüntem („Gründach“) und nicht begrüntem Dach („Betondach“)1) an Strahlungstagen für Tages-, Nacht- und Tagesgesamtsummen (Juli 1987 – Juni 1988; Quelle: [21], verändert)

Juli 8

Aug. 2

Aug. 15

Sept. 6

Sept. 20

Okt. 4

Nov. 7

Dez. 20

Jan 10

“Gründach”

Tagessumme (24 h)

-0.39

-0.39

-0.42

-0.07

-0.52

-0.76

-1.28

-1.35

-1.01



Tag (12 h)

-0.22

-0.20

-0.30

-0.05

-0.16

-0.52

-0.75

-0.77

-0.66



Nacht (12 h)

-0.17

-0.19

-0.13

-0.02

-0.36

-0.24

-0.53

-0.57

-0.35

1.35

1.22

1.11

0.95

0.17

0.15

-1.04

-1.40

-1.38

“Betondach”

Tagessumme (24 h)



Tag (12)

4.06

4.05

3.66

3.42

3.15

2.83

1.35

0.55

0.99



Nacht (12 h)

-2.71

-2.83

-2.55

-2.47

-2.98

-2.68

-2.39

-1.95

-2.37

1) Pflanzensubstrat: 10 cm Steinwolle; Nicht begrünte Kontrolldecke: Beton; Vegetation: 43 Arten verschiedener Sträucher und Pflanzen mit automatischer Wasser- und Nährstoffversorgung; positive/negative Werte: Wärmeaufnahme/-abgabe

jeweilige Gebäude auch auf Stadtquartiersebene klimaver­bessernd wirken, dann sollten möglichst viele, insbesondere niedrige Häuser, entsprechend bepflanzt sein. Grundsätzlich sollte auch bedacht werden, dass durch die Wasserverdunstung von Gründächern die für den latenten Wärmestrom aufzuwendende Energie natürlich nicht für die Lufterwärmung zur Verfügung steht. Immerhin könnten mit der Energie, die für die Verdunstung von einem Kilogramm Wasser notwendig ist (qV,W ≈ 2,4 MJ/kg Wasser), 100 m3 Luft um 18 K erwärmt werden. Die objektbezogenen Maßnahmen sind überwiegend dem Gebäudebesitzer überlassen. In diesem Zusammen­ hang soll darauf hingewiesen werden, dass Wohnungs­ baugesellschaften eine hohe Verantwortung über­nommen haben, entsprechende Empfehlungen umzusetzen, da damit am besten ein kommunaler Flächenbezug her­ gestellt werden kann. Die derzeit zu beobachteten Massenverkäufe und Privatisierungen des Wohnungs­ bestandes sind daher aus stadtklimatischer Sicht kritisch zu sehen.

Himmelssichtfaktor (engl. Sky view factor, SVF [25,26]) bestimmt werden können, aber auch die durch­schnitt­ liche tägliche Verkehrsstärke (DTV), der Durchlüftungs­ grad, die Beschattungsmöglichkeiten, die Farbe des Untergrundes [27] sowie dessen Struktur (versiegelt/ natürlich). Zur Klassifizierung der thermischen Behag­ lich­keit stehen seitens der Human-Biometeorologie verschiedene Indices zur Verfügung (eine Zusammenfassung dazu lässt sich zum Beispiel in [28,29,30] finden). Für die Diskussion der nachfolgenden Beispiele wird sowohl auf die mittlere Strahlungs­ temperatur (Tmrt), die eine bestimmende Eingangsgröße für alle thermischen Indices darstellt, als auch auf die Physiologisch Äquivalente Temperatur (engl. Physio­ logical Equivalent Temperature, PET) zur Quantifi­ zierung des thermischen Komforts zurückgegriffen. Die Strahlungstemperatur bzw. Strahlungsäquivalent­temperatur (T0∙ε1/4) ist nicht mit der Oberflächentemperatur (T0) gleichzusetzen, da der Emissionsgrad ε meist nicht bekannt ist. Sie berechnet sich vielmehr nach

Flächenbezogene Maßnahmen Unter flächenbezogenen Maßnahmen sollen Eingriffe in die Energiebilanz und den CO2-Haushalt der städtischen Grenzschicht verstanden werden, die sich von der Größe her auf Stadtteil- bzw. Stadtquartiersebene beziehen.

mit E als Strahlungsflussdichte und σ als StefanBoltzmann-Konstante; Näheres siehe [31]. Wegen der relativ engen positiven Korrelation zwischen dem einfach zu ermittelnden SVF und Tmrt konnten zum Beispiel in Straßenschluchten ohne Baumbestand (Freiburg/Brsg.) bei einer Zunahme des SVF von 20 % auf 60 % Anstiege der Strahlungstemperaturen von 40 °C auf 60 °C ermittelt werden [7]. Neben der Straßenbreite wirkt sich insbesondere bei sommerlichen Strahlungswetterlagen in Mitteleuropa auch der Straßenverlauf (N/S bzw. E/W) auf den thermischen Komfort aus, der mit Hilfe von PET exemplarisch für ein Innenstadtquartier in Oberhausen numerisch modelliert wurde (Abb. 6).

Reduktion der Strahlungstemperaturen durch Beschattung Die Wärmebelastung auf Plätzen oder in Straßen­ schluchten wird durch verschiedene Faktoren bestimmt [23,24]. Hierzu zählen die durch die Bebauung vor­ gegebenen geometrischen Verhältnisse, deren Einflüsse zum Beispiel über das Haushöhen/Straßenbreiten­ verhältnis (engl. Height/Width, H/W) oder den

E T0 ∙ 4√ε = 4√ – ; σ

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Abb. 6. Numerische Modellanalyse des thermischen Komforts in einem hochversiegelten Innenstadtquartier während eines Hochsommertages1) (Quelle: N. Müller, pers. Mitt.). 1)Uhrzeit: 16 Uhr (MESZ); Sonnenstand: W (265 °), Sonnenhöhe: 45 °; Max. Globalstrahlungsstromdichte: 920 W/m2; Berechnung mit ENVI-met 3.2; dargestellt wurden die Werte der Physiologisch äquivalenten Temperatur (PET) für einen Ausschnitt der Oberhausener Innenstadt.

Der Vergleich der PET- Werte zwischen einer N/S und W/E verlaufenden Straße mit vergleichbar großen H/WVerhältnissen (Situation 3 und 4 in Abb. 6) zeigt, dass nachmittags die PET-Werte der N/S gerichteten Straße mit weniger als 38,5 °C wesentlich niedriger sind als diejenigen der nördlichen Seite der W/E verlaufenden Straße mit bis zu 61 °C. Interessant ist hieran auch, dass der südliche Teil dieses Straßenzugs wegen der einseitigen Beschattung deutlich niedrigere Werte erreicht als dessen nördliche Seite. Aber auch das unter­ schiedliche H/W-Verhältnis zweier W/E verlaufender Straßen (Situation 2 und 4) macht sich in der Bestrahlungsstärke und dadurch letztlich im thermischen Komfort bemerkbar: Die relativ breite Straße (Situation 2, H/W = 0,86) weist wesentlich höhere PET-Werte auf als die schmale, schattigere Straße (Situation 4, H/W = 1,65). Darüber hinaus fallen die auf die Baumschatten begrenzten Reduktionen der PET-Werte in Situation 2 auf, die punktförmig die PET-Werte um zwei Klassen verringern und damit den thermischen Komfort – allerdings nur in diesem Bereich - erhöhen. Diese Untersuchung belegt, dass schmale N/S verlaufende, durch die Häuserreihen beschattete Straßen wesentlich stärker zur Verbesserung des thermischen Komforts beitragen als W/E gerichtete Straßen­ schluchten, die wesentlich wärmer sind und nur dort kaum thermische Belastungen aufweisen, wo sie – wie im vorliegenden Beispiel - mit schattenspendenden Bäumen bestanden sind.

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Der Einfluss von Straßenbäumen auf die thermischen Verhältnisse in Straßenschluchten ist allerdings von verschiedenen Faktoren abhängig [24,32]: Unter anderem auch davon, auf welcher Straßenseite Bäume stehen, wie ihre Gestalt, Größe und die Dichte der Kronendächer beschaffen sind. Dabei hat die Größe der Baumkrone einen stärkeren Einfluss auf die jahreszeitlichen Beschat­ tungsverhältnisse als die Dichte des Kronenvolumens. Der Kühleffekt von gut transpirierenden Bäumen wird zu 80 % auf die Beschattung und zu etwa 20 % auf den auf der Evapotranspiration beruhenden latenten Wärmestrom (QE) zurückgeführt [33]. Grundsätzlich ist aber auch darauf zu achten, dass Bäume einen optimalen Standort in Bezug auf die zu beschattende Fläche aufweisen [34]. Bäume mit hohen und dichten Kronenblättern sorgen neben der Verbesserung des thermischen Komforts auch für ein angenehmeres Lichtklima sowie für eine Ver­ ringerung der langwelligen Strahlungsströme im Stamm­ raumbereich [7]. Auf die Kühlwirkung von Straßenbäumen unter Hitzebedingungen soll anschließend näher eingegangen werden. Dazu wurde in der zentralsaharischen Stadt Ghardeia (Algerien) eine W/E verlaufende, 8 m breite Straße (H/W = 2), die auf ihrer Nordseite eine Reihe von Straßenbäumen aufwies, auf die thermische Behaglich­ keit von Passanten untersucht. Wie Abb. 7 entnommen werden kann, wird der thermische Komfort für sich im Schatten aufhaltende Personen wesentlich verbessert, da sich die PET-Werte um bis zu 22 K reduzierten. Dieses ist in erster Linie auf die niedrigeren Strahlungs­ temperaturen zurückzuführen und weniger auf die Transpiration. Es zeigte sich aber auch, dass außerhalb der Beschattung durch die Bäume nur noch eine geringe Wirkung auf den thermischen Komfort nachzuweisen ist, wie auch in Abb. 6 zu sehen ist. Sowohl die direkte Sonnenstrahlung (K↓) wird während der hellen Tages­ stunden in erheblichem Maße durch Bäume reduziert (in diesem Fall um bis zu 850 W/m2; Abb. 8 a) als auch die vom Boden ausgehende langwellige Ausstrahlung (L↑) vermindert (um bis zu 200 W/m2; Abb.  8  b), was wesentlich zur Verbesserung des thermischen Komforts beiträgt. Zusammenfassend ist festzustellen, dass Bäume einen außerordentlich positiven Einfluss auf den thermischen Komfort besitzen [35], was sich allerdings im Wesent­ lichen auf den Schattenwurf beschränkt. Selbstverständlich kann Sonnenschutz auch durch den Einsatz künstlicher Materialien bewirkt werden, so durch Arkaden bzw. Galerien [36], durch das Anbringen hintereinander liegender doppelter Fassaden [37], durch Straßen bzw. Plätze abdeckende Planen [38], Markisen oder Sonnenschirme. Die Reduzierung der Strahlungs­ temperaturen kann hierbei erheblich sein, wodurch der thermische Komfort der Bewohner verbessert und der

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Abb. 7. Wirkungen von Straßenbäumen auf die thermische Behaglichkeit (PET) innerhalb einer Straßenschlucht1) im zentralsaharischen Ghardeia, Algerien (Quelle: [36], verändert). 1) (E-W gerichtet; H/W = 2; Baumreihe auf der Nordseite der Straße; Baumhöhe: 10 – 16 m, dichte Kronen; PET > 42 = sehr heiß).

Materialermüdung wegen niedrigerer Tagestemperatur­ spannen sowie der lichtinduzierten Ozonproduktion (siehe Teil 1 [1]) entgegengewirkt werden kann. Hierauf soll mit Verweis auf die entsprechende Literatur jedoch nicht weiter eingegangen werden.

Wirkung innerstädtischer Grünflächen Innerstädtische Grünflächen können sich – je nach ihrer Größe, Bestandsstruktur und Gestaltung ihrer Ränder nicht nur positiv auf das Klima [39], sondern auch luftqualitätsverbessernd sowie lärmmindernd auswirken (Zusammenstellung in Tabelle 2). Ausschließlich mit Rasen bewachsene Flächen, die häufig als städtisches Grün anzutreffen sind, tragen allerdings zur Verbesserung der stadtklimatischen Verhältnisse tagsüber nur wenig bei, da sie keinen oder kaum Schatten spenden und ihre klimatische Wirkung bei ausreichender Bodenfeuchte überwiegend auf dem durch die Evapotranspiration beruhenden latenten Wärmestrom (QE) beruht. Reduk­ tionen der Lufttemperatur über diesen Flächen erreichen im Allgemeinen nur Werte im niedrigen einstelligen Bereich [40]. Auch ad- und absorbieren Rasenflächen nur relativ geringe Mengen an Luftverunreinigungen, da die Depositionsgeschwindigkeiten (vd) von Rasenflächen nur niedrige Werte im Vergleich zu anderer Vegetation erreichen [20,41]. Wesentlich stärkere Auswirkungen in Hinblick auf eine Verbesserung der thermischen und lufthygienischen Verhältnisse weisen hingegen Sträucher, insbesondere aber hohe schattenbringende Bäume auf, die zum Beispiel auf Rasenflächen wachsen [42]. Diese bewirken bei starker Einstrahlung einen Rückgang der Ober­ flächen­temperaturen durch Beschattung im meist zweistelligen Temperaturbereich, wodurch eine

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Abb. 8. Unterschiede (a) der direkten Sonnenstrahlung (∆K↓) und (b) der langwelligen Ausstrahlung der Straßenoberfläche (∆ L↑) einer Straßenschlucht1) mit/ohne Baumreihe im zentralsaharischen Ghardeia, Algerien (Quelle: [36], verändert). 1) (W/E gerichtet; H/W = 2; Baumreihe auf der Nordseite der Straße; Baumhöhe: 10 – 16 m, dichte Kronen).

erheb­liche Abkühlung erreicht werden kann [43]. Einen ent­sprechenden Zusammenhang zwischen der Vegetations­dichte und der Reduktion der Oberflächen­ temperaturen, die auf Beschattung beruht, zeigt Abb. 9. Hiernach nimmt die Temperatur bei Zunahme des NDVI-Indexes mit etwa 2 K/0,1 NDVI-Einheit ab. Die durch die natürliche Beschattung und Transpiration verursachten niedrigeren Temperaturen können darüber hinaus zum Beispiel die Betriebskosten für den Einsatz von Gebäudeklimaanlagen [44,45] senken. Die positive thermische Wirkung von Grünflächen zeigt sich im Vergleich zu versiegelten Flächen auch bei der Gegenüberstellung der turbulenten Flüsse des sensiblen und latenten Wärmestroms (QH, QE) für Strahlungs­wetterlagen. Wie Abb. 10 zu entnehmen ist, dominiert am Stadtstandort sowohl im Sommer als auch im Winter der turbulente sensible Wärmestrom (QH), während am begrünten und wasserversorgten Umland­ standort (baumbestandene Rasenflächen) der turbulente latente Wärmestrom jeweils höhere Werte erreicht. Das Bowenverhältnis (Bo = QH/QE) beläuft sich am Stadtstandort im Sommer auf Bo = 1,8, im Winter auf Bo  = 21,4. Hieraus kann der Schluss gezogen werden, dass wegen der eingeschränkten Verwendung oder gar des Fehlens von Wasser wesentlich mehr Energie für die Lufterwärmung als für die Verdunstung aufgewendet wird. Demgegenüber erreichen die Bo-Werte am suburbanen Standort sowohl im Sommer als auch im Winter mit Bo ≈ 0,5 erwartungsgemäß zum Teil deutlich niedrigere Werte. Bezieht man den Anteil von QE auf die Strahlungsbilanz Q*,so zeigt sich, dass am urbanen Standort im Sommer 23 %, im Winter sogar nur 4 % der Energie mangels Wassers über die Verdunstung

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Tabelle 2. Klimatische und lufthygienische Auswirkungen von Grünflächen sowie Gestaltungsempfehlungen in Stadtgebieten (zus.gestellt nach versch. Verf.) •

Reduktion der Oberflächentemperaturen und der Lufttemperaturen durch Beschattung und Evapotranspiration (qv,W 20°C ~ 2,4 MJ/kg)



Wesentlich höhere Vermeidung der CO2 – Produktion in der Stadt durch Stadtbäume im Vergleich zu Waldbäumen (ein urbaner Schattenbaum entspricht in seiner CO2 - reduzierenden Wirkung mehreren Waldbäume)



Generierung eines angenehmen Lichtklimas



Reduktion der Windgeschwindigkeit; dadurch Möglichkeit der Spurenstoffdeposition an der Pflanzenoberfläche (insbesondere Stäube), jedoch auch Gefahr der atmosphärischen Schadstoffakkumulation („Tunnelbildung“ in Straßenschluchten)



Kaum Reflexion im kurzwelligen Bereich; deshalb Straßenbäume geeignet als „UV-Sperre“ in Straßenschluchten für Fußgänger



Verminderung von Abflussspitzen nach Starkregen wegen Interzeptionsverdunstung und zeitversetzter Versickerung von Niederschlagswasser im Boden



Senken des Ozonbildungspotentials durch niedrige Umgebungstemperaturen



Große Flächen sollten nach dem „Savannenprinzip“ bepflanzt werden: Rasen und eingestreute großkronige schattenspendende Bäume



Grünschneisen sollten rauigkeitsarm gestaltet und möglichst untereinander verbunden sein



Innerstädtische oder stadtnah gelegene Flächen mit „Energiepflanzen“ (zum Beispiel Pappeln) sollten nach der Ernte nicht brachfallen



Erhalt von Grünflächen in städtischen Außenbereichen zur Kalt- und Frischluftregeneration



Schrumpfungsprozesse in Städten (engl. „Shrinking Cities Problem“) zum Rückbau von Versiegelungsflächen nutzen und in Grünflächen umgestalten

Abb. 9. Abhängigkeit der Oberflächentemperaturen vom Pflanzenbedeckungsgrad (NDVI) in Paris während der Zeit 12 bis 14 UTC (1. – 13. 8. 2003), nach [64], verändert1). 1) Die Auswertung beruht auf 61 Satellitenaufnahmen. Der NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) erlaubt Aussagen zur Dichte von Vegetationsflächen; nackter Boden hat einen Wert von Null, pflanzenbestandene Flächen erreichen bis zu 0,7; weitere Erläuterungen in [65].

abgeführt werden können. Am suburbanen Standort sind diese Anteile mit 54 % (So) bzw. 41 % (Wi) erstens höher und zweitens wegen der optimalen Wasserverfügbarkeit auch wesentlich schwankungsärmer als in der Stadt. Gelegentlich überschreitet der Betrag von QE denjenigen der Strahlungsbilanz Q* am suburbanen Standort insbesondere in den Nachmittagsstunden (hier nicht dargestellt). In derartigen Fällen spricht man von einem „Oaseneffekt“, bei dem ein hohes Verdunstungspotential durch Q* nicht gedeckt werden kann. Dadurch wird Energie der Umgebung zur Kompensation der Strahlungsbilanz entzogen und deshalb auch die Umgebung gekühlt.

Abb. 10. Mittlere Tagesgänge der Energieflussdichten QH und QE für einen urbanen und suburbanen Standort in Oberhausen (NRW) an Strahlungstagen im Sommer 2010 und Winter 2010/111) (Quelle: A. Goldbach, pers. Mitt.). 1)August/ September (2010): 10 Strahlungstage; Dezember/Januar (2010/11): 8 Strahlungstage; Definition Strahlungstag nach [66] bzw. [67].

Der Vergleich in Abb. 10 verdeutlicht, dass Grün­ flächen, die bei guter Bodenwasserversorgung ein hohes Evapotranspirationspotential aufweisen, zu einer signifi­ kanten Verbesserung der thermischen Behag­lichkeit beitragen können. Von stadtplanerischer Seite sollte diesem Aspekt wegen der zukünftig häufiger zu erwarten­den Hitzewellen größere Beachtung als bisher geschenkt werden. Allerdings muss dann auch

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Tabelle 3. Übersicht über Größe, Umgebung, maximale Kühleffekte (PCImax) und thermische Reichweiten städtischer Grünflächen (nach einer Zusammenstellung in [47], gekürzt und verändert, Literatur siehe dort; hier nach [63] Gröbe In ha (gerundet) Lage (UHI in K) Park Gestaltung PCImax In K 3

Kumamoto(Kyushu) [3 tags, 2 nachts]

Kengung Shinto Shrine

5

Vancouver (6 bei Trafalgar-Park Sonnen-Untergang)

Bäume

2,5(15 Uhr)

Reichweite In m 50

Greas, Baumrand 5,0(nachts) Messfahrt 200 – 300 teilweise bewässert

Quelle Saito u.a. 1990 Spronken-Smith Und Oke 1998

18 Berlin Stadtpark Steglitz - 1,0 (abends) 80 – 140

von Stülpnagel 1987

30

Mainz

Stadtpark

-

44 Stuttgart Schlossgarten -

2,0 (morgens)

<300

Naumann 1981

1,3 (Jahresmittel) 3,8 (Tagesmittel)

200

Knapp 1998

80 Kopenhagen Falledparken Gras + Bäume 2,1 (22 Uhr) 100

Eliasson and Upmann 2000

125 Berlin

von Stülpnagel 1987

Kleingärten Garten 5,5 (abends) 250 Priesterweg

156 Göteberg Slottsskogen - 3,3 (18 U hr) Station 250

Eliasson and Upmann 2000

212 Berlin Tiergarten Wald / Gras 4,3 (abends) 200 – 1300

von Stülpnagel 1987

525 Mexico City Chapultepec

Jauregui 1990

Mix (Bäume, Gras); Nicht be wässert

sichergestellt werden, dass für die Bewässerung in ausreichendem Maße Wasser zur Verfügung steht [46]. Verbundforschungsprojekte wie dynaklim (s. oben) nehmen sich dieser Fragestellung an. Städtische Grünflächen werden wegen ihrer meist niedrigeren Temperaturen im Vergleich zur (über­wiegend wärmeren) bebauten Umgebung als „Kühleinseln“ bezeichnet [47]. Die Unterschiede sind nachts stärker ausgeprägt als tagsüber. Durch die niedrigeren Temperaturen der Grünflächen bedingt, kann es des Weiteren zu lokalen Aus­ gleichszirkulationen zwischen diesen und dem bebauten Gebiet kommen. Derartige Parkwinde erreichen nur geringe Geschwindigkeiten und treten eher inter­ mittierend denn kontinuierlich auf. Die Eindringtiefe der Kaltluft in die bebaute Umgebung wird sowohl von der Gestaltung und Einfassung einer Grünfläche als auch von der Art der sie umgebenden Bebauung bestimmt. Liegt eine Grünfläche zum Beispiel in einer Mulde oder wird sie von einer hohen Mauer umgeben, so wird der Luftaustausch hierdurch behindert und die Eindringtiefe in das bebaute Areal verkürzt. Maueröffnungen mit senkrecht dazu verlaufenden Straßen können jedoch Schneisenfunktionen übernehmen und kühle Luft in die Straßenschluchten ableiten. Auf Seiten der Bebauung bestimmen dagegen deren Höhe und Dichte die Eindringtiefe der aus den Grün­ flächen stammenden Luft. Geschlossene hohe Häuser­ fronten behindern den klimatisch günstigen Einfluss, aufgelockerte Bauweise hingegen fördert ihn. Von stadtklimatisch-planerischer Relevanz ist die

4,0(Trockenzeit) 1,0 (Regenzeit)

2000 (eine Park-breite)

Beant­wortung der Frage, wie groß eine Grünfläche sein muss, um zu einer Temperaturreduktion zu führen und bis zu welcher Entfernung von der Grünfläche in das bebaute Gebiet hinein sich ein temperatursenkender Einfluss nachweisen lässt. Grundsätzlich dürfte mit der Größe einer Grünfläche auch eine stärkere thermische Reichweite in Verbindung stehen [48], in welchem Maße das geschieht, zeigt exemplarisch Tabelle 3. Ferner bewirkt das durch Bäume vergrößerte Bestandsvolumen in Kombination mit der Reduzierung der Windgeschwindigkeit eine effektive Filterung der durch den Stammraum strömenden Luft. So können zum Beispiel Nadelbäume ein Mehrfaches an Spurenstoffen durch nasse und trockene Deposition im Vergleich zum Freiland ausfiltern [49]. Für die Absorption von Stäuben spielen dabei Art und Dichte der Vegetation, insbesondere der Blattflächenindex (engl. Leaf Area Index, LAI), eine maßgebliche Rolle (Zusammenstellung in [20,50]). Schon 200 m entfernt von einer stark befahrenen Straße konnten innerhalb einer Grünfläche im Jahres­ mittel Minderungswerte zwischen 40 % und 50 % für die atmosphärischen Spurenstoffe NO und NO2 bzw. um 20  % niedrigere Immissionskonzentrationen für CO im Vergleich zu den Ausgangskonzentrationen am Straßen­ rand ermittelt werden, während die Ozonkonzen­ trationen in der Grünfläche allerdings um bis zu 20 % höher waren als am Straßenstandort [51]. Auch zeichnen sich Grünflächen durch eine höhere relative Luftfeuchtigkeit gegenüber versiegelten Flächen aus.

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Tabelle 4. Ozonbildungspotential (OBP) und Trockentoleranz ausgewählter Baumarten und ihre Verwendungsempfehlung bei höheren Temperaturen (Quelle: kombiniert nach [56,68], verändert; hier nach [63]) Lateinischer Name

Trivialname

geringes Ozonbildungs-potenzial

hohe Trocken-toleranz

Acer campestre

Feldahorn

++

++

Acer rubrum

Rotahorn

++

++

Carya ovata

Schuppenrindenhickory

++

+

Carya tomentosa

Spottnuss

++

++

Fraxinus pennsylvanica

Grünesche, Rotesche

++

+

Ginkgo biloba

Ginkgo, Fächerbaum

++

++

Malus tschonoskii

Wollapfel

++

+

Pinus ponderosa

Gelbkiefer

+

++

Pinus sylvestris

Waldkiefer

+

++

Prunus avium

Vogelkirsche

++

++

Pyrus communis

Kulturbirne

++

+

Pyrus pyraster

Wildbirne

++

+

Quercus rubra

Roteiche

+

+

Sophora japonica

Japanischer Schnurbaum

+

++

Ulmus parvifolia

Japanische Ulme

++

+

x Cupressocyparis leylandii

Leylandzypresse

++

+

Zelkova serrata

Japanische Zelkove

++

+

1) Geringes OBP: Isoprenemission < 2µg/g TS ; ++ = sehr gut, + = gut, fett: einheim. Arten

Maßnahmenkatalog Grundsätzlich ist der Vegetationsanteil in den Städten zu erhöhen, um die Oberflächen- und Lufttemperaturen zu senken. Dabei sollte beachtet werden, als Straßen­ begleitgrün hochwachsende, großkronige, schattenspen­ dende Laubbäume zu verwenden, die im Sommer den gewünschten Strahlungsschutz gewährleisten, im Winter hingegen, bei fehlender Belaubung, die Sonnenstrahlung weitgehend durchlassen. Allerdings sollten Straßen­ bäume über der Straßenmitte keinen gemeinsamen Kronenschluss aufweisen, da ein derartiger „Tunneleffekt“ die Belüftung behindern und so zu einer Anreicherung der Kfz-Emissionen führen kann. Größere ebenerdige Grünflächen in Städten sollten nach dem sogenannten „Savannenprinzip“ [52] gestaltet werden: Danach wachsen auf Rasenflächen nur vereinzelt großkronige Bäume, die tagsüber zwar für eine ausreichende Beschattung sorgen, nachts hingegen bei negativer Strahlungsbilanz eine optimale Abkühlung des Bodens zulassen. Damit die positive Wirkung von urbanen Grünflächen nicht nur auf das jeweilige lokale Umfeld begrenzt bleibt, sollte eine innerstädtische Freiraumvernetzung ange­ strebt werden, die im Idealfall über Ventilationsbahnen an rurale Kaltluftproduktionsflächen angebunden ist. Wegen der zu erwartenden häufiger auftretenden hohen sommerlichen Temperaturen und geringeren Nieder­schlagsmengen, sollten trockentolerante Pflanzen

bevorzugt in den Städten Verwendung finden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass während hoher Temperaturen verschiedene Pflanzenarten in starkem Maße biogene Kohlenwasserstoffe (engl. Volatile Organic Compounds, VOCs), welche die Ozonbildung begünstigen, freisetzen können, wozu insbesondere das hochreaktive Isopren, aber auch Terpene und Limonen zählen [53,54] (siehe auch Teil 1 dieses Beitrages [1]). Aus diesem Grund sollten möglichst Pflanzen Verwendung finden, die zu den sogenannten „Low-Emitter-Pflanzen“ zählen [55,56]. Dabei handelt es sich um Pflanzen, deren Isoprene­ mission unter Hitzestress nicht mehr als 2 µg pro g Trockensubstanz pro Stunde beträgt. Tabelle 4 enthält ausgewählte Bäume, die sowohl durch ein geringes Ozonbildungspotential charakterisiert werden als auch optimale Toleranzen gegenüber Trockenheit bei einge­ schränkter Wasserversorgung aufweisen. Städte weisen einen nicht unerheblichen Bedarf an Parkplatzflächen auf. So beläuft sich ihr Anteil an den Stadtflächen der USA auf etwa 10 % und in Japan auf rund 7 % [57]. Da die meisten dieser Flächen asphaltiert sind und wegen der dunklen Farbe besonders stark Wärme absorbieren, dürfte Beschattung oder Begrünung des Untergrundes die Energiebilanz in erheblichem Maße positiv beeinflussen. So weist eine grasbewachsene Park­ platzfläche im Vergleich zu einer asphaltierten Fläche bei sommerlichen Einstrahlungshöchstwerten maximale Temperaturunterschiede der Oberfläche von bis zu 15 K

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Abb. 11. Zum Einfluss von Bäumen, Dachbegrünungen und hellen Oberflächen auf den Energieverbrauch und die Luftqualität (Quelle: [45], verändert).

auf. Tagsüber kann der sensible Wärmestrom dadurch um 100 bis 150 W/m2, nachts um etwa 50 W/m2 ver­ ringert werden [58]. Hieran zeigt sich, dass vegetations­ bedeckte Parkplatzflächen auch nachts die städtische Wärmeinselintensität zumindest lokal in ihrer Aus­ breitung und Intensität einschränken bzw. verringern können. Allerdings gilt das nur für intakte und bewässerte Rasenuntergründe. Ist nämlich die Grasnarbe beschädigt, fallen die Abkühlungseffekte wesentlich niedriger aus [59]. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Beschattung, Begrünung oder auch die Aufhellung von Oberflächen bei hoher sommerlicher Einstrahlung direkte bzw. indirekte Auswirkungen auf Gebäude oder Stadtquartiere haben können, die nicht nur zu niedrigeren Temperaturen, sondern auch zu geringerem Energieverbrauch durch Drosselung von Klimaanlagen führen (Abb. 11). Letzteres hat zur Folge, dass weniger Kraftwerksleistung benötigt wird, wodurch in geringerem Maße Luftverunreinigungen bzw. klimaschädigende Spurenstoffe freigesetzt werden. Darüber hinaus senken niedrigere Temperaturen chemische Reaktionsraten, wodurch die Bildung insbesondere sekundärer atmos­ phärischer Spurenstoffe vermindert werden kann.

Energetische Nutzung des städtischen Untergrunds Um Energie zu Kühl- oder Heizzwecken einzusparen und damit einen Beitrag zur Verringerung urbaner CO2Emissionen zu leisten, bietet sich in Stadtgebieten die Nutzung der als städtische Wärmeinsel (UHI) bekannten Überwärmung urbaner Gebiete (u) im Vergleich zum Umland (r) (∆Tu-r > 0 K) an. Diese Überwärmungen, die auf verschiedene Ursachen zurückgeführt werden können (siehe Teil 1 [1]), lassen sich nicht nur an der Boden­ oberfläche und in der städtischen Atmosphäre – also oberirdisch (∆Tuo-ro > 0 K) - nachweisen, sondern treten

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Abb. 12. Tagesmittelwerte der oberirdischen (∆Tuo-ro > 0 K; 2 m ü. Gr.) und unterirdischen (∆Tuu-ru > 0 K; 1,25 m u. Gr.) Wärmeinsel in Oberhausen (NRW) für den Zeitraum 1.8. 2010 bis 23.2.2011 (Quelle: H. Püllen, pers. Mitt.).

auch im oberflächennahen und –fernen Untergrund auf (∆Tuu-ru > 0 K). Beispiele dazu zeigt Abb. 12 anhand von Untersuchungen in der Stadt Oberhausen (NRW). Hier ist die atmosphärische Grenzschichtwärmeinsel dadurch charakterisiert, dass sich relativ unabhängig von der Jahreszeit Überwärmungen von bis zu 3 K mit unter­ schiedlich großen interdiurnalen Spannweiten einstellen, die wetterlagenabhängig gesteuert sind. Ruhiges Strah­ lungs­wetter vergrößert zum Beispiel die Differenzen zwischen Stadt und Umland, windige, regenreiche Witterung lässt die Unterschiede hingegen weitgehend verschwinden. In Bezug auf den Verlauf der oberirdischen UHI ist die unterirdische (oberflächennahe) Wärmeinsel wesentlich stärker durch die Jahreszeiten geprägt. So werden in den Sommermonaten mit ∆Tuu-ru ≤ 7 K relativ hohe, in den Wintermonaten hingegen niedrigere Werte erreicht (∆Tuu-ru < 2 K). Die vorliegenden Differenzen des Bodenwärmegehalts zwischen dem städtischen und dem ruralen Standort dürften sich über den Einsatz von Wärmepumpen zu Kühl- und Heizzwecken nutzen lassen. Setzt man voraus, dass die unterirdische städtische Wärmeinsel einen mittleren jährlichen Temperatur­ überschuss von 3 K zur Vergleichstiefe im Umland auf­ weist und die hiervon betroffene Innenstadtfläche 1 km2 beträgt, dann würde bei einer Wärmekapazitätsdichte des Bodens von ζ = 2∙106 J/(m3∙K) und vollständiger Ausnutzung der genannten Temperaturdifferenz etwa 17,5∙105 kWh/(km2∙a) im Vergleich zum kühleren Umland an Energie eingespart werden können. Das entspräche in etwa dem Jahresenergieverbrauch von mehr als 400 deutschen Normfamilien (Verbrauch: 4.000 kWh/a) und unter Zugrundelegung einer Emission von 0,6 kg CO2 eq/ kWh (deutscher Kraftwerksmix) einer Vermeidung von etwa 1.000 t CO2/km2. Auch der Energiegehalt von Grundwasser unter Stadt­ gebieten ist wegen des Wärmeinseleffekts vergleichsweise

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Abb. 13. Grundwassertemperaturen in 15 m Tiefe unter dem Stadtgebiet von Köln im Jahre 2009 (nach [60], verändert).

größer als unter nicht bebauten Oberflächen. Wie Temperaturmessungen in Brunnen am Beispiel der Stadt Köln zeigen (Abb. 13), ergeben sich unter dem Stadtkern in 15 m Tiefe Wassertemperaturen von 16 °C, während unter weniger dicht bebauten Stadtteilen allenfalls 11 °C erreicht werden [60]. Unter Zugrundelegung einer Differenz von etwa 5 K lässt sich für eine etwa 10 m mächtige Schicht ein Wärmeinhalt von mindestens 4,8∙1010 kJ/km2 berechnen. Wird vorausgesetzt, dass der Gebäudeenergiebedarf in Köln etwa 1,9∙1010 kJ/(km2∙a) beträgt, dann kann durch die unterirdische städtische Wärmeinsel wenigstens der 2,5- fache Energiebedarf für Heiz- oder Kühlzwecke von Gebäuden in Köln bereitgestellt werden. Für diese Abschätzung wurde von einer Gebäudeenergieversorgung von etwa 50 kWh/ (m2∙a) ausgegangen [60]. Neben der Energieeinsparung würde es unter Berücksichtigung der bereits oben genannten Emission von 0,6 kg CO2 eq/kWh (deutscher Kraftwerksmix) zu einer Emissionsverringerung von etwa 3.000 t CO2/km2 kommen können.

Ausblick Um Minderungsmaßnahmen gegen den Klimawandel in Städten durch Oberflächenentsiegelungen, Begrünungen, Erhalt oder Ausweisung von Ventilationsbahnen sowie Vernetzungskorridore zu realisieren, wird Platz benötigt, der vielfach nicht zur Verfügung steht. Da im Bereich der bestehenden Bebauung deutscher Städte Erneuerungs­ raten der Bausubstanz von höchstens 2 %/a als realistisch anzusehen sind, dürfte eine kurzfristige Umsetzung deshalb eher unwahrscheinlich sein.

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Eine Ausnahme hiervon bilden ehemals industriell geprägte Städte, in denen im Zuge des Strukturwandels alte, große Industrieflächen einer neuen Nutzung zugeführt werden können. Auch die bereits einsetzende demografisch bedingte Schrumpfung von Städten ermöglicht es [61], offen gelassene Wohnquartiere zum Beispiel sinnvoll zu begrünen und dadurch einer mög­ lichen Überwärmung vorzubeugen. Eine dem Klimawandel gerecht werdende Stadtplanung sollte eine kompakte, dennoch perforierte Bebauungs­ struktur favorisieren, die mit ausreichenden Grün- und Freiflächen versehen ist und Möglichkeiten zur Beschat­ tung bietet. Eine optimale Anbindung der Bevölkerung an den Personennahverkehr erspart grundsätzlich den Gebrauch von Privatkraftfahrzeugen in den Innenstädten („Stadt der kurzen Wege“) und reduziert damit die Emission von Abgasen, Feinstaub und CO2. Bebauungs­ dichte und Beschattungsmöglichkeiten sollten so gewählt werden, dass im Sommer ausreichender Schutz vor solarer Einstrahlung gegeben ist, im Winter hingegen größtmögliche Strahlungsaufnahme durch die Gebäude garantiert wird. Ferner sollte das vielerorts seit einiger Zeit zu beobachtende suburbane Wachstum (engl. „urban sprawl“) zugunsten des Erhalts stadtrandnaher Kaltluft­ bildungsflächen aufgegeben werden. Received: 03 May 2011 Accepted: 10 June 2011 Published: 10 June 2011 Literatur 1. Kuttler W (2011): Klimawandel im urbanen Bereich, Teil 1, Wirkungen; Climate change in urban areas, Part 1, Effects. Environmental Sciences Europe (ESEU), Springer open, DOI: 10.1186/2190-4715-23-11,S. 1-12. 2. Velasco E, Roth M (2010): Cities as net sources of CO2: Review of atmospheric CO2 exchange in urban environments measured by eddy covariance technique. Geography Compass 4,9, 1238-1259 3. Grimmond CSB, Salmond JA, Oke TR, Offerle B, Lemonsu BA (2004): Flux and turbulence measurements at a densely built-up site in Marseille: Heat, mass (water and carbon dioxide), and momentum. Journal of Geophysical Research 109, D24101 4. Vogt R, Christen A, Rotach MW, Roth M, Satyanarayana ANV (2006): Temporal dynamics of CO2 fluxes and profiles over a Central European city. Theor. Appl. Climatol. 84, 117-126 5. IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M, Miller HL (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA 6. Baede APM, van der Linden V, Verbruggen A (2008): Glossar. In: Kernautorenteam Synthesebericht IPCC. Pachauri RK, Reisinger A (Hrsg.): Klimaänderung 2007. Synthesebericht. – Berlin (Übersetzung von der deutschen IPCC-Koordinierungsstelle; Original: Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC, WMO / UNEP (2007): Climate Change 2007: Sythesis Report), 86-99 7. Holst J, Mayer H (2010): „Verbundkoordination (KLIMES ALUF-1)“ und „Planungsrelevante human-biometeorologische Bewertung von städtischen Strukturen bei thermischen Stressbedingungen hinsichtlich der Anpassung an Extremwetter (KLIMES ALUF-2)“. Schlussbericht zum Teilvorhaben. Meteorologisches Institut, Freiburg 8. Hidalgo J, Pigeon G, Masson V (2008): Urban breeze circulation during the CAPITOUL experiment: oberservational data analysis approach. Meteorol. Atmos. Phys. 102, 223-241 9. Barlag A- B, Kuttler W (1990/91): The Significance of Country Breezes for

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