„Grüne“ Strategien zur Reduzierung städtischer Wärmeinseln: Der Einsatz von Vegetation zur Beeinflussung der Lufttemperatur?

Tab.1: Energetische Ursachen der urbanen Wärmeinsel (Mazarakis 2001 nach Oke (1982))

Tab.2: Vor- u. Nachteile der Maßnahmen (eigene Darstellung)

In der folgenden Arbeit werden Strategien zur Reduzierung städtischer Wärmeinseln erfasst und die effektivste „grüne“ Maßnahme, hinsichtlich des Kühlungseffektes auf die Lufttemperatur, basierend auf Literaturrecherche, ermittelt. In den letzten Jahren hat die Stadtklimatologie an Bedeutung gewonnen. Grund dafür ist, dass Verantwortliche für Stadt- und Umweltplanung Antworten auf die klimatologischen und lufthygienischen Änderungen im urbanen Bereich, auch unter dem Aspekt des Klimawandels, erwarten (Kuttler 2008). Im Jahr 2008 leben erstmals mehr als 50 % der Weltbevölkerung in Städten, in absoluten Zahlen 3,3 Milliarden Menschen. Bis 2030 werden voraussichtlich fünf Milliarden Menschen die Städte bevölkern (Bundesregierung o.J.). Wenn Menschen durch Wärmeinsel bedingten Hitzestress nachts vom Schlafen abgehalten werden, ist ihre körperliche Erholung gestört und negative gesundheitliche Folgen sind möglich. Häufig ist Hitzestress nicht einmal die direkte Ursache von Krankheits- und Todesfällen, sondern ein belastender Begleitumstand, der bestehende gesundheitliche Probleme verstärkt. Die Statistik zeigt, dass in Berlin rund 5 % aller Todesfälle mit erhöhten Lufttemperaturen einhergehen. Betroffen sind vor allem Menschen, die älter als 65 Jahre alt sind (Fehrenbach et al. 2014). Dies verdeutlicht die Notwendigkeit Städte ökologisch, sowie Lebenswert zu gestalten und Strategien zur Reduzierung der städtischen Wärmeinsel zu entwickeln und umzusetzen. Können Dachbegrünung, Fassadenbegrünung und Parks die Lufttemperatur in der Stadt senken und somit das Stadtklima verbessern?

Für diese Arbeit wurde eine Bandbreite von wissenschaftlichen Artikeln und Literatur genutzt. Die Fachartikelsuche über Internet (https://scholar.google.com/), online Literaturdatenbank (http://isiknowledge.com/), sowie Fachliteratur an der Universitätsbibliothek lieferten dabei die wichtigsten Informationen.

Im Folgenden werden elementare Begriffe und das Phänomen „Wärmeinsel“ erklärt. Dabei spielt das Stadtklima eine wichtige Rolle. Stadtklima lässt sich als ein durch anthropogen veränderte Landnutzung modifiziertes Klima beschreiben. Auf Grund der hohen Bevölkerungsdichte und des hohen (lokalen) Energieverbrauchs besitzt das Stadtklima einen besonderen Stellenwert in der Diskussion um den Klimawandel. Prognosen zum Klimawandel besagen, dass bis zum Ende des 21. Jahrhunderts ein Anstieg der Lufttemperatur in Deutschland von ca. 3 °C zu erwarten ist. Dies entspricht in etwa der Modifikation des lokalen Klimas durch Städte. Das heißt, wir erleben momentan in unseren Städten bereits das erwartete Klima des endenden 21. Jahrhunderts (Matzarakis 2013).

Nach Kuttler (2008) werden urbane Räume weltweit durch klimatische Verhältnisse geprägt, die im Wesentlichen durch die Art der Bebauungsstruktur und Oberflächenversiegelung sowie durch die Freisetzung von Abwärme und Luftverunreinigungen verursacht werden. Das Klima der Siedlungsräume ist aber auch in das jeweils vorherrschende Großklima eingebettet und somit fallen auch makroskalige Einflüsse ins Gewicht. Eine besonders große Rolle in Siedlungsräumen spielt die urbane Wärmeinsel (engl.: UHI = Urban Heat Island). Eine entsprechende Definition liefert Kuttler (2008: 6): „[…]die als positive horizontale Temperaturdifferenz zwischen Stadt und Umland von verschiedenen Einflussgrößen abhängig ist“. Alternativ bietet Matzarakis (2001) folgende Definition: „Die urbane Wärmeinsel wird als die Erhöhung der Lufttemperatur gegenüber den Bedingungen in vergleichbarer Höhe im unbebauten Umland definiert“. Beide Definitionen betonen die Temperaturdifferenz zwischen Stadt und Umland. Besonders stark ausgeprägt ist dieser Effekt vor allem in Sommernächten, da hier die gespeicherte Wärme in Baukörpern wesentlich langsamer abgegeben wird als auf unbebauten Flächen und die Ausstrahlung geringer ist. Tabelle 1 bestätigt die vorangegangene Aussage und zeigt die städtischen Kennzeichen (welche die Stadt vom Umland unterscheidet) und die dazugehörigen energetischen Auswirkungen, welche zur Lufterwärmung führen.

Tab. 1: Energetische Ursachen der urbanen Wärmeinsel (nach Oke (1982) in Mazarakis (2001)

Der Klimawandel erfordert sofortige Anpassungsmaßnahmen weltweit und insbesondere in urbanen Ballungsräumen, um die Lebensqualität und das Wohlbefinden der Stadtbewohner zu sichern. Es existieren vielfältige Möglichkeiten der UHI entgegenzuwirken und diese abzuschwächen. Dabei lassen sich direkte und indirekte Maßnahmen unterscheiden. Direkte Maßnahmen sind zum Beispiel Dach-/Fassadenbegrünungen, helle Straßen- und Dachflächen zur Erhöhung der Oberflächenalbedo, immergrüne Vegetation oder auch Frischluftschneisen. Unter indirekten Maßnahmen versteht man zum Beispiel eine effiziente Nutzung regenerativer Energien zur Substitution des Verbrauchs fossiler Energien (Kuttler und Weber 2009).

In dieser Arbeit liegt der Fokus auf den direkten Maßnahmen der Dach- u. Fassadenbegrünung, sowie Parks in Städten und deren Einfluss auf die Lufttemperatur im urbanen Raum.

Parkanlagen stellen meistens einen wichtigen Erholungsort in urbanen Räumen dar. Zur Betrachtung der Lufttemperatur wurde ein Review (Bowler et al. 2010) herangezogen. In diesem wurden 26 Studien, welche Daten zur Lufttemperatur in Parks und dem angrenzenden urbanen Raum erhoben haben, verglichen und dargestellt. Untersucht wird die durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen urbaner Fläche und Park am Tag (Turban – Tpark in °C). Den jeweiligen Studien wurde ein „Gewicht“ zugewiesen, je nach Umfang und Aussagekraft (Bowler et al. 2010). Betrachtet wurde das 95 % Konfidenzintervall. Das bedeutet, dass 95 % der Messungen den Mittelwert einschließen. Also umso größer das Intervall, desto aussageschwächer ist die Studie. Anschließend wurde aus allen Daten der Mittelwert errechnet, der bei 0,94 °C am Tag liegt. Dies liegt hauptsächlich an der erhöhten Evapotranspiration. In der Nacht sind es sogar 1,15 °C Unterschied, hervorgerufen durch die höhere nächtliche Ausstrahlung. Die meisten Werte liegen um die 1 °C Marke (Bowler et al. 2010). Nur eine Studie (Barradas 1991 AP) sticht heraus mit einer Differenz von über 3 °C. Diese Studie fand in fünf Parks in Mexico City statt. Die große Differenz wird mit der sehr starken Befahrung der Umgebung durch Kraftfahrzeuge begründet, wodurch der urbane Raum deutlich erwärmt wird (Barradas 1991).

Fassadenbegrünung hat nicht nur einen ästhetisch hohen Wert, sondern vermag auch die Lufttemperatur signifikant zu beeinflussen. Eine Studie aus dem Jahr 2006 befasste sich umfassend mit Fassadenbegrünung und deren Auswirkungen auf die Lufttemperatur in neun unterschiedlichen Klimaten dieser Welt. In der Studie wurden Ost-West ausgerichtete Straßenschluchten mit einer Breite von 10 m und Gebäudehöhen von 5 m beidseitig begrünt. Untersucht wurde die Temperatursenkung in den Straßenschluchten in Abhängigkeit von der Uhrzeit. Die Wände wurden in allen Städten mit gemeinem Efeu (Hedera helix) bepflanzt. Es zeigt sich, dass die Temperatursenkung zwischen ca. 17.00 und 20.00 Uhr am stärksten ist (bis zu 5 °C, Riyadh) und in der Nacht um 24.00 Uhr am schwächsten (max. 1,5 °C, Beijing). Im Mittel senkt eine beidseitige Fassadenbegrünung die Lufttemperatur um 2,5 °C. Die Lufttemperatur wird durch die Evapotranspiration des Efeus und die kühlere Wandoberfläche, die aus der Abdeckung durch das Efeu resultiert, abgesenkt (Alexandri und Jones 2006).

Dachbegrünung bietet ein großes Potenzial in Großstädten, da keine neuen Flächen erschlossen werden müssen und es noch sehr viele unbegrünte Dächer gibt. Zur Betrachtung der Lufttemperatur wurde eine Fallstudie aus den Niederlanden herangezogen, welche extensiv bepflanzte Dächer hinsichtlich der Oberflächentemperatur und der Lufttemperatur untersuchte. Die Dächer wurden mit gemeinem Mauerpfeffer (Sedum acre) bepflanzt, was eine beliebte und häufig angewendete Dachpflanze ist. In dem Artikel wurden die Messergebnisse aus zwei Juli Wochen genauer betrachtet. Eine Messreihe fand in einer meist bewölkten Woche statt und die andere wies einen meist klaren Himmel auf. Verglichen wurden ein Dach mit weißer Kieselauflage und ein Gründach, hinsichtlich der Oberflächentemperatur, sowie der Lufttemperatur in 15 cm Höhe. Es zeigt sich, dass zwar die Oberflächentemperatur durch den Mauerpfeffer stark reduziert wird (bis zu 20 °C unterschied), die Lufttemperatur am Tag aber im Durchschnitt ca. 0,5 °C erhöht wird. Nachts kommt es zu einer geringen Kühlung, die jedoch schwächer als die Erwärmung am Tag ausfällt und somit die Lufttemperatur im 24 Stunden Durchschnitt sogar um 0,2 °C erhöht. Das liegt daran, dass Mauerpfeffer eine CAM Pflanze ist und somit geringe Evapotranspirationswerte aufzeigt (Solcerova et al. 2016). CAM-Pflanzen vermeiden starke Wasserverluste, indem sie tagsüber ihre Stomata geschlossen halten und nur nachts für die CO₂-Fixierung öffnen (Pflanzenforschung Online o.J.).

Die Fassadenbegrünung ist im Hinblick auf die Lufttemperatur am effektivsten. Die Nachteile sind jedoch, dass Fassadenbegrünung an Häuserwänden mit Fenstern einen großen Pflegeaufwand bedeuten, was häufig von Hausbesitzern und Bewohnern nicht gewollt ist. Das liegt daran, dass Rankenpflanzen die Hauswand nachhaltig beschädigen können und ein beliebter Nistplatz für Vögel sind, was zu erhöhtem Geräuschpegel für die Anwohner führen kann (Brandwein Online o.J.).

Parkanlagen sind ca. 1 Grad Celsius kühler als die umliegende Stadt. Insgesamt reicht der Einfluss eines Parks auf die Lufttemperatur jedoch nicht sehr weit über seine Grenzen hinaus.Upmanis (1998) stellte bei dem größten von ihr untersuchten Park eine Einflusszone von 1100 m über die Parkgrenze hinaus fest. Bei den kleineren Parks reichte der Einfluss des Parks jedoch nur weniger als 40 m über die Begrenzung des Parks hinaus. Givoni (1998) merkt an, dass die Parkgröße nach Überschreiten einer bestimmten Größe weder Auswirkungen auf die klimatischen Bedingungen innerhalb des Parks, noch auf die Reichweite seines Einflusses hat. Daher hat ein über die ganze Stadt verteiltes Netzwerk mit einer großen Anzahl kleinerer Parks einen größeren Effekt auf das Stadtklima, als eine kleine Anzahl großer Parks (Givoni 1998).

Es hat sich gezeigt, dass extensive Dachbegrünung mit CAM Pflanzen keinen Kühlungseffekt auf die Lufttemperatur hat. Intensive Dachbegrünung hingegen kühlt die Luft deutlich ab. In der Studie wurde lediglich angegeben, dass es sich auf den Dächern um Gräser handele (Alexandri, Jones 2006). Ein weiterer Vorteil der Dachbegrünung ist es, dass sie gleichzeitig zum Wasserrückhalt dienen kann. Bei den durch den Klimawandel bedingten Starkniederschlägen entlastet dies die Kanalisation. 50 – 90 % der Niederschlagsmengen auf den Dächern kann zurückgehalten werden (Deutsches Dachdeckerhandwerk Zentralverband, Online 2016). Stattdessen verdunstet der größte Teil des Wassers und gelangt so in den natürlichen Wasserkreislauf zurück. Das restliche Wasser läuft verzögert ab und entlastet somit die Kanalisation. Durch den Klimawandel werden vermehrt Starkniederschläge erwartet und somit bietet die Dachbegrünung dafür eine nützliche Anpassungsmaßnahme. Außerdem bietet die Dachbegrünung eine Versickerungsfläche, welche die innerstädtische Grünfläche erweitert.

Tabelle 2: Vor- u. Nachteile der Maßnahmen (eigene Darstellung)

Die vorangegangene Betrachtung der drei Minderungsmaßnahmen hat gezeigt, dass die Fassadenbegrünung den größten Kühlungseffekt auf die Lufttemperatur ausübt. Auch Parkanlagen haben im 24 Stunden Durchschnitt einen kühlenden Effekt, der jedoch ca. 1,5 °C geringer ausfällt als bei der Fassadenbegrünung. Im Durchschnitt kühlt ein Park die Lufttemperatur um 1 °C. Hoch interessant ist, dass extensiv begrünte Dächer (Mauerpfeffer) im 24 Stunden Durchschnitt die Lufttemperatur sogar um 0,2 °C erhöht haben. Zwar kühlten die Dächer in der betrachteten Studie nachts (wo der Wärmeinseleffekt am größten ist) ca. 0,5 °C, aber dieser Kühlungseffekt war insgesamt schwächer als die Erwärmung am Tag. Es ist anzunehmen, dass nur intensive Dachbegrünung in der Lage ist die Lufttemperatur zu senken. Für die Reduzierung der Auswirkungen von Starkniederschlagsereignissen haben Gründächer ein höheres Potential gegenüber unbegrünten Dächern.

Mit Blick in die Zukunft lässt sich festhalten, dass eine nähere Betrachtung der Dachbegrünung, speziell im Hinblick auf den Kühlungseffekt der Luft, notwendig ist. Besonders die Frage, mit welchen Pflanzen man begrünen sollte, scheint noch nicht geklärt zu sein. Macht extensive Begrünung als Anpassungsmaßnahme an die Auswirkungen des Klimawandels überhaupt Sinn? Wenn extensive Begrünung zu keinem Kühlungseffekt führt, wann und bis zu welchem Ausmaß lassen sich intensive Begrünungsformen wirtschaftlich tragen? Vor allem in heißen, ariden Klimazonen könnte der Wasserverbrauch von Dach-, als auch Fassadenbegrünung so hoch sein, dass der Kühlungseffekt diesen in der Kosten-Nutzen-Betrachtung nicht aufwiegen kann. Fragen, die im Zusammenhang mit Stadtklimatologie von akuter Dringlichkeit sind und weiterer Untersuchungen bedürfen.

Alexandri, E., Jones, P., 2006: Temperature decreases in an urban canyon due to green walls and green roofs in diverse climates. In: Building an Environment 43, ScienceDirect, 480 ff.

Barradas, V. L., 1991: Air temperature and humidity and human comfort index of some city parks of Mexico City. In: International Journal of Biometeorology, ReseachGate, 25ff.

Baruch, G., 1998: Climate Considerations in Building and Urban Design. VanNostrand Reinhold, 319ff.

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Upmanis, H., 1998: The Influence of green Areas on nocturnal Temperatures in a high latidude City (Göteborg,Sweden). International Journal of Climatology, 1.

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Autor: Nolte, Fabio
Datum: 04.08.2017