Stadt, Land…Klima! - Untersuchung und Bewertung des Einflusses von Stadtklimaeffekten auf das Humanbioklima

am Beispiel des Campus der Technischen Universität Berlin.


Projektbericht des Orientierungsprojektes in den Studiengängen Ökologie und Umweltplanung und Landschaftsarchitektur (2. Semester SoSe 2014)

Human-bioklimatische Auswirkungen von urbanen Dachbegrünungen

Autorin: Lisa Teichmann

1 Einleitung

Die Städte der Welt sind wärmer als die umgebende Landschaft, verstärkt wird diese Erscheinung durch den Klimawandel und die damit verbundene globale Erwärmung. Das Phänomen wird auch als Urban Heat Island (Städtische Wärmeinsel) bezeichnet (MILLS 2008: 154). Verantwortlich dafür sind die erhöhte Speicherung von Strahlungswärme in der Gebäudestruktur, der hohe Versiegelungsgrad, anthropogene Wärmeproduktion, das „Fangen“ (durch Reflexion der Gebäudeoberflächen) von Strahlung in Gebäudeschluchten, sowie die Verhinderung von Winddurchzug (MILLS 2008: 156). Wenn es in den Städten nun immer wärmer wird, wie wirkt sich das auf das den menschlichen Organismus und das menschliche Wohlbefinden aus? Mit dieser Frage beschäftigt sich die Human-Biometeorologie. Dabei unterscheidet das Fachgebiet den thermischen, lufthygienischen und aktinischen Wirkungskomplex (VDI 3787, Blatt 2, 1998: 5). Für diese Ausarbeitung ist besonders der thermische Wirkungskomplex von Bedeutung, der sich mit der Wirkung von Lufttemperatur, Luftfeuchte und Strahlung auf den Menschen befasst. Wichtig sind diese Themen deshalb, weil Hitzestress (ggf. auch Kältestress) einen Anstieg der Morbiditäts- und Mortalitätsraten der Bevölkerung hervorrufen kann (VDI 3787, Blatt 2, 1998: 17). Forschungsgegenstand der Human-Biometeorologie ist es unter anderem, Maßnahmen zu identifizieren, die der Entstehung von Hitzestress entgegenwirken können. In der Stadtplanung gibt es die Möglichkeit, durch den Einsatz von Vegetation in unterschiedlicher Form (Straßenbäume, Begrünung in Hinterhöfen, Parks…), das lokale Klima zu verbessern. Grünfassaden und Gründächer sind eine dieser Formen. Gegenstand dieser Ausarbeitung ist, wie sich Dachbegrünungen auf das Humanbioklima auswirken.

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2.1 Aufbau eines Gründachs

So vielfältig wie die Auswirkungen von Gründächern, so vielfältig sind auch die heutzutage erhältlichen baulichen Ausführungen. Zum Verständnis der klimatischen Bedeutung von Gründächern soll eine vereinfachte Darstellung genügen.

Abb. 1 Vereinfachter Aufbau eines Gründachs (eigene Darstellung, nach ANSEL und REIDEL, 2012)

Obenauf befindet sich die Vegetation. Darunter liegt die Vegetationstragschicht, die aus einem den Pflanzenbedürfnissen entsprechenden Bodensubstrat besteht. Das Bodensubstrat speichert Wasser, so wie es auch bei einem natürlichen Boden der Fall ist. Es folgt eine Drainageschicht, die den Wasser- und Lufthaushalt regelt, Wasser speichern kann, sowie dafür sorgt, dass überschüssiges Wasser in die Kanalisation geleitet wird. Die Wasserspeicherung ist deshalb von großer Bedeutung, da sie zur Evaporation notwendig ist, die wiederum vielfältige Folgen für das Mikroklima hat. Darunter liegt eine Schutzschicht, die einerseits verhindert, dass Wurzeln in die Dachkonstruktion dringen, andererseits vor mechanischen und stoßartigen Belastungen schützt. Die folgende Abdichtung ist unabdingbar, um ein Vordringen von Wasser in die Dachkonstruktion zu verhindern. Hierbei muss sich der Planer dringend mit den verantwortlichen Hochbauarchitekten koordinieren, damit Gründach und Hauskonstruktion aufeinander abgestimmt sind.

2.2 Extensiv- und Intensivbegrünung

Es gibt wesentliche Unterschiede zwischen Extensiv- und Intensivbegrünungen, die darin begründet sind, dass die Intensivbegrünung eine anspruchsvollere Pflanzung hat, die beispielsweise auch aus Gehölzen bestehen kann. Die Extensivbegrünung ist eine recht anspruchslose Pflanzung aus Gräsern, Kräutern oder Stauden, die kaum bis gar nicht gepflegt werden müssen (ANSEL und REIDEL, 2012). Die Intensivbegrünung hat einen höheren Kosten- und Pflegeaufwand, jedoch können hier auch Pflanzen verwendet werden, die z.B. einen höheren Bodenaufbau benötigen. Die Intensivbegrünung kann auch regelmäßig begangen und betreten werden, ist dafür sogar prädestiniert, und eignet sich infolgedessen auch als Dachgarten (Aufenthaltsort). Die Extensivbegrünung soll, außer für wenige Pflegemaßnahmen, nicht betreten werden (ANSEL und REIDEL, 2012).

3 Mikroklimatische Auswirkungen von Gründächern

Hier soll in erster Linie auf die Auswirkungen von Gründächern auf das Mikroklima (d.h. einen Umgebungskreis kleiner als 2 km) eingegangen werden. Die genannten Faktoren wie Lufttemperatur und Wasserhaushalt dürfen nicht als separate Größen aufgefasst werden, vielmehr müssen sie immer im gegenseitigen Wechselspiel betrachtet werden.

3.1 Lufttemperatur

Gründächer bewirken einen Luftabkühlungseffekt, der durch unterschiedliche Faktoren zustande kommt. Der wichtigste Faktor ist Kühlung durch Evapotranspiration (DÜRR, 1995). Bei der Evapotranspiration wird die sensible (fühlbare) Wärme der Luft in latente Wärme umgewandelt. Dabei wird der Aggregatzustand des Wassers verändert: Es entsteht Wasserdampf. Evapotranspiration ist ein Summenparameter für Evaporation + Transpiration + Interzeption (Evaporation: Verdunstung von der Bodenoberfläche; Transpiration: Verdunstung von Wasser über Pflanzenblätter durch Spaltöffnungen; Interzeption: Abfangen bzw. Zurückhalten von Niederschlägen auf der „Oberfläche“ der Vegetation). Der entstandene Wasserdampf muss danach von Wind abgetragen werden, da sonst der menschliche Eindruck von „Schwüle“ entstehen kann. Ein zweiter wichtiger Kühlungsfaktor auf dem begrünten Dach ist die Beschattung durch die Bepflanzung (z.B. durch Gehölze). Als dritter Faktor für den Kühlungseffekt ist die Albedo (das Rückstrahlvermögen von Oberflächen) zu nennen. Hellere Oberflächen an Fassaden und Dächern reflektieren mehr Strahlung und verhindern so, dass sich die Oberflächen stark aufheizen (GROSS, 2012). Insofern ist die Nutzung von Bauelementen mit einer hohen Albedo zur Verbesserung des Stadtklimas von hohem Nutzen. Die Albedo von Gründächern liegt bei etwa 20 %, es absorbiert also ca. 80% der eintreffenden Solarstrahlung. Die Albedo von einem herkömmlichen Flachdach liegt bei 25% (GROSS, 2012). Das bedeutet, dass das Flachdach zwar minimal mehr reflektiert (abhängig von Oberflächenqualität und Farbe). Trotzdem hat das Gründach einen höheren Kühlungseffekt, der durch Evapotranspiration und Beschattung zustande kommt.

Abb. 2: Maximale Temperaturschwankungen auf Flachdächern, Differenzen bis 70 K im Jahresverlauf

Abbildung 2 veranschaulicht, wie sich die Temperaturamplitude im Jahresverlauf auf einem Flachdach (Kiesdach) und einem Gründach unterscheiden. Man sieht, dass es auf dem Flachdach an einem Sommertag bis zu 80°C heiß werden können, an einem Wintertag bis zu 30°C. Auf dem Gründach sind die Schwankungen wesentlich geringer. Das Gründach gleicht Temperaturextreme aus, mit der Folge, dass die Dachmaterialien weniger bauphysikalischen Belastungen standhalten müssen, weil sie nicht mehr der direkten Hitze ausgesetzt sind (DÜRR, 1995). Man muss bedenken, dass das Gründach nicht nur thermisch günstige Aufenthaltsbedingungen schafft, sondern auch eine bessere Luftqualität durch geringen Schadstoff- und Staubgehalt, sowie erhöhte Sauerstoffproduktion (DÜRR, 1995). Die Gründe dafür sind vielfältig, sollen aber in diesem Rahmen nicht näher diskutiert werden.

3.2 Wasserhaushalt

Wie schon zuvor beschrieben, entsteht auf dem Gründach durch erhöhte Evapotranspiration mehr Luftfeuchtigkeit. Das bewirkt eine hohe Verdunstung und einen geringen Abfluss (DÜRR, 1995). Bei Intensivbegrünungen ist der Wasserspeicher und die Verdunstung besonders groß (abhängig von Vegetation, Durchwurzelungsgrad und Bodenaufbau).

Abb. 3 Wasserhaushalt auf einem Flachdach und auf einem Gründach

Auf dem Flachdach ist der Versiegelungsgrad wesentlich höher, analog auch auf städtischen Straßenoberflächen. Durch die Versiegelung gibt es einen sehr großen, raschen Oberflächenabfluss, und einen sehr kleinen Anteil Verdunstung (siehe Abb.3)

4 Diskussion

Um die Frage zu beantworten, wie groß der Einfluss von Vegetation und Dachbegrünungen auf das Stadtklima tatsächlich ist, muss eine Quantifizierung im Mikroskala-Maßstab erfolgen, wie es Günther Gross beispielhaft durchführte (GROSS, 2012). Dafür erstellte er ein Modell namens ASMUS (Ausbreitung- und Strömungsmodell für urbane Strukturen) und untersuchte die Eigenschaften unterschiedlicher Oberflächenarten in einer kleinen Stadt. Es wurden Temperaturmessungen in 2 m Höhe und in der urbanen Atmosphäre über Gebäudehöhe durchgeführt und mithilfe aufwändiger Rechnungen analysiert. Wichtig sind die Ergebnisse der Studie: Wenige, weit verteilte Dachbegrünungen haben kaum einen Einfluss auf das Stadtklima insgesamt (GROSS, 2012: S. 411), sehr wohl jedoch auf das Klima in der direkten Umgebung (z.B. kühlere Temperaturen im privaten Dachgarten). Eine Rasenfläche neben dem Bürgersteig kann die Temperatur auf Fußgängerniveau herabsenken, nicht jedoch die Stadttemperatur insgesamt (GROSS, 2012: S. 411). Nur durch den kontinuierlichen Einsatz und die Kombination unterschiedlichster Grünformen in der Stadt kann ein stadtklimatischer Unterschied bemerkbar gemacht werden. Eine weitere effektive Methode wäre der verstärkte Einbau von Materialien mit einer hohen Albedo (GROSS, 2012: S. 411).

Abgesehen davon, dass die Auswirkungen von Dachbegrünungen auf das Stadtklima nur in eingeschränkter Weise für das Stadtklima relevant sind, gibt es noch einige andere Faktoren, die man bei der Planung einbeziehen muss. Dachbegrünungen müssen nicht zwangsläufig teurer sein als herkömmliche Dächer, wobei Extensivbegrünungen deutlich günstiger sind als Intensivbegrünungen (OHLWEIN, 1989). Die klimatischen Auswirkungen von Intensivbegrünungen sind jedoch größer, ebenso der Pflegeaufwand (ANSEL und REIDEL, 2012). Es muss immer auch eine ausreichende Wasserversorgung garantiert sein, damit Evapotranspiration stattfinden kann. Wenn die Niederschlagsmenge nicht ausreicht, muss künstlich bewässert werden. Hier sollte dann der erhöhte Wasserverbrauch mit den klimatischen Vorteilen ökologisch abgewägt werden. Für das Humanbioklima sind Dachbegrünungen nur in einem kleinen Betrachtungsmaßstab relevant. Wie bereits zuvor beschrieben, wird eine hohe Anzahl von Dachbegrünungen benötigt, um stadtklimatisch einen Unterschied quantifizierbar zu machen, und es müssten auf nahezu jedem Dach in der Stadt Dachbegrünungen installiert werden. Da die Entscheidung darüber aber nicht zwingend klimatisch bedingt sein muss, sondern vielmehr auch politisch-administrative, ideologische und ästhetische Fragestellungen mit sich bringt, zweifle ich hypothetisch an, dass es je genug Dachbegrünungen geben wird, um alleine durch ihre Funktion signifikante stadtklimatische Auswirkungen messbar zu machen. Dachbegrünungen können aber in Form von Intensivbegrünungen auch Erholungsorte darstellen. Dazu muss bedacht werden, dass Dächer aufgrund ihrer exponierten, erhöhten Lage auch vermehrt der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind (DÜRR, 1994). Man muss deshalb, um Erholungsorte zu schaffen, möglichst auch Gehölze pflanzen, die beschatten, sowie Oberflächenmaterialien mit einer hohen Albedo verwenden. Auch ein kleiner Teich kann sich beispielsweise durch Verdunstung positiv auswirken. Je größer die Anzahl und physische Höhe der verwendeten Pflanzen, umso größer ist der Kühlungseffekt. Eingedenk dieser Maßnahmen könnte man meiner Ansicht nach beispielsweise auf Altersheimen oder Kindergärten (besondere Risikogruppen im Hitzestresskontext) neue kühle Aufenthaltsorte schaffen, und auch das Innenraumklima in diesen Anlagen verbessern, was zu einer Reduzierung der Mortalitäts- und Morbiditätsrate führen könnte. Allerdings bedürfen diese Thesen zur Überprüfung einer quantitativen biometeorologischen Untersuchung.

5 Schlussfolgerung


Versiegelung, zunehmende Verstädterung und der Klimawandel führen zu überhitzten Großstädten und bewirken damit eine höhere thermische Belastung des menschlichen Organismus (VDI 3787, Blatt 2, 1998). Der vermehrte Einsatz von Grün in der Stadt ist unerlässlich, um das Stadtklima zu verbessern, Dachbegrünungen können hierzu einen Beitrag leisten. Es ist jedoch ein weiter Weg, bis man einen realen Kühlungseffekt allein durch Dachbegrünungen bemerkbar machen kann. Der vielseitige Einsatz unterschiedlichster Grünarten ist erforderlich. Es müssen unterschiedliche Vegetationsarten (Straßenbäume, Fassadenbegrünungen, Parks…) geschaffen werden, um tatsächlich auf längere Sicht urbane Kühlung herbeizuführen (GROSS, 2012). Dachbegrünungen sind jedoch nicht zwangsläufig teurer als herkömmliche Dacharten, was sie zu einem tragfähigen Zukunftsmodell macht. Auch bieten sie das Potenzial, bei gezieltem Einsatz von schattenspendender Vegetation und Materialien mit hoher Albedo, als Erholungsorte mit einer kühleren Temperatur genutzt zu werden. Insofern sollten sich angehende Stadtplaner, Ökologen und Landschaftsarchitekten nicht davon abhalten lassen, Dachbegrünungen zu bauen.

6 Literaturquellen

ANSEL, W. und REIDEL, P., 2012: Moderne Dachgärten - Kreativ und individuell. 1. Auflage, Deutsche Verlagsanstalt: München.

DÜRR, A., 1995: Dachbegrünung – ein ökologischer Ausgleich. Umweltwirkungen, Recht, Förderung. 1. Auflage, Bauverlag GmbH: Wiesbaden und Berlin.

GROSS, G., 2012: Effects of different vegetation on temperatures in an urban building environment. Micro-scale numerical experiments. – Meteorologische Zeitschrift, Vol. 21, Nr. 4: S. 399

KLEEREKOPER, L., VAN ESCH, M., SALCEDO, T., 2012: How to make a city climate-proof, addressing the urban heat island effect. – Resources, Conservation and Recycling, No. 64: S. 30-38

LIESECKE, H., KRUPKA, B., 1989: Grundlagen der Dachbegrünung – Zur Planung, Ausführung und Unterhaltung von Extensivbegrünungen und einfachen Intensivbegrünungen. 1. Auflage, Patzer Verlag: Berlin und Hannover.

MILLS, G., 2008: Luke Howard and The Climate of London. – Royal Meteorological Society, Weather – June 2008, Vol. 63, No. 6: S. 153-157

OHLWEIN, K., 1989: Dachbegrünung - ökologisch und funktionsgerecht. 2. Auflage, Augustus Bauverlag: Wiesbaden und Berlin.

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE (VDI) 3787, Blatt 2, 1998: Umweltmeteorologie – Methoden zur human-biometeorologischen Bewertung von Klima- und Lufthygiene für die Stadt- und Regionalplanung - Teil 1: Klima. Beuth Verlag GmbH: Berlin.

Internetquellen

http://www.optigruen.de/Presse/Dach-und-Fassade.html [Zugriff am 26.05.2014]

Abbildungen Abb.1: eigene Darstellung

Abb. 2: DÜRR, A., 1995: Dachbegrünung – ein ökologischer Ausgleich. Umweltwirkungen, Recht, Förderung. 1. Auflage, Bauverlag GmbH: Wiesbaden und Berlin, S. 16.

Abb.3: frei nach: DÜRR, A., 1995: Dachbegrünung – ein ökologischer Ausgleich. Umweltwirkungen, Recht, Förderung. 1. Auflage, Bauverlag GmbH: Wiesbaden und Berlin, S. 32

Abb. 4: eigene Darstellung

Anmerkung: Es wird in diesem Artikel unterschieden zwischen „Flachdach“ und „Gründach“. Flachdach soll alle herkömmlichen Arten von Dächern bezeichnen, also auch Dächer mit Neigungswinkel, Dachschindeln und Kiesdächer. Im Gegensatz dazu soll das Gründach stehen.


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