nt 01 | 2025 Leben im Klimawandel
Brennpunkt urbane Hitze
Daniel Rüdisser
Die rapide fortschreitende Erderhitzung verbunden mit zunehmender Urbanisierung und Flächenversiegelung hat die Städte in den letzten Jahrzehnten zu Hotspots des Klimawandels werden lassen. Dies gilt insbesondere für Mitteleuropa, wo die prognostizierte und bereits eingetretene Erwärmung besonders markant ausfällt. Während uns langfristig nur die Reduktion der Treibhausgasemissionen retten kann, gilt es kurzfristig, mittels Klimawandelanpassung die Auswirkungen der Erhitzung zu lindern. Im städtischen Kontext bedeutet dies, die auf die Menschen einwirkende Hitzebelastung in und außerhalb von Gebäuden zu reduzieren. Als Basis hierfür sind detaillierte Analyse- und Optimierungsmethoden notwendig. Zu diesem Zweck wurde bei AEE INTEC vor mittlerweile sechs Jahren die Methode „Smart-City-Sensing“ entwickelt und seither laufend weiterentwickelt und angewendet.
Was ist Hitze?
Sowohl für die Vermittlung unserer Messmethode im Speziellen als auch für das Erfassen der Herausforderungen durch urbane Hitze im Allgemeinen ist ein Verständnis des Begriffs Hitze essenziell. Gemäß Duden bezeichnet Hitze eine „starke, als unangenehm empfundene Wärme“. In Fachgebieten, die sich mit der Messung und Quantifizierung von Hitze beschäftigen, werden die Begriffe „thermischer Komfort“ oder „thermische Behaglichkeit“ verwendet. Allen diesen Begriffen gemein ist der vermeintlich subjektive Charakter. Dies ist jedoch irreführend, da Hitze mit einer objektiven, thermischen Einwirkung auf den menschlichen Organismus verbunden ist. Diese thermische Belastung beeinträchtigt Komfort, Produktivität und Gesundheit und kann bei vulnerablen Personengruppen zu irreversiblen Schäden oder sogar Lebensgefahr führen.
Um „Hitze“ zu erfassen, ist es notwendig, den thermischen Austausch zwischen dem Menschen und seiner Umgebung zu verstehen. Dieser Wärmeaus- tausch ist komplex und hängt von einer Reihe von physikalischen Parametern ab. Naturgemäß ist hierbei die Lufttemperatur relevant. Für die Effektivität des Wärmeaustausches über die Haut und Atmung gilt es jedoch auch, die Strömungsgeschwindigkeit der Luft sowie die Luftfeuchte zu berücksichtigen. Neben dem Wärmeaustausch mit dem Luftkörper ist der Wärmeaustausch über Strahlung von essenzieller Bedeutung. Insbesondere bei höheren Temperaturen stellt dieser sogar die dominante Komponente dar. Dabei sind zwei Strahlungskomponenten relevant: Die Solarstrahlung und die Wärmestrahlung. Die Solarstrahlung umfasst sowohl die direkte Solarstrahlung aus Richtung der Sonne, als auch diffuse Strahlung in Form von gestreutem und reflektiertem Sonnenlicht. Hauptquellen der Diffusstrahlung sind „der blaue Himmel“ und die Wolken. Im urbanen Kontext spielt jedoch auch Diffusstrahlung durch Reflexion auf Boden- und Fassadenflächen eine wichtige Rolle.
Die zweite Komponente des Strahlungsaustausches, die Wärmestrahlung, wird häufig unterschätzt. In der Alltagswelt ist sie den meisten am ehesten als „Strahlungskälte“, etwa von kalten Fensterflächen oder als „Strahlungswärme“, wie beim Kachelofen bekannt. Prinzipiell tauschen wir aber permanent mit allen uns umgebenden Flächen Wärme in Form von Strahlung aus. Dieser Austausch ist grundsätzlich immer wechselseitig. Ist die Temperatur der Umgebung höher, so nehmen wir in Summe Wärme auf, ist sie geringer, so geben wir Wärme ab.
Drohnen auf der Jagd nach Hitze
In der bei AEE INTEC entwickelten Smart-City-Sensing Methode werden nun all diese für die Hitze relevanten physikalischen Messgrößen messtechnisch erfasst. Das besondere an der Methode ist, dass die Bestimmung der Strahlungstemperatur nicht lokal, für wenige Standorte, erfolgt, sondern in einem dreidimensionalen Strahlungsmodell flächendeckend durchgeführt werden kann. Dies gestattet es hochaufgelöste, detaillierte Hitzekarten der untersuchten Gebiete anzufertigen, die neben den Hitzeindikatoren (wie z. B. gefühlte Temperatur) auch alle wesentlichen Einflussparameter räumlich aufgelöst darstellen können. Zur Anfertigung dieses dreidimensionalen Strahlungsmodells wird das Untersuchungsgebiet mit einer Drohne mit zwei Spezialkameras beflogen. Mit der Thermalkamera wird die von allen Flächen ausgehende Wärmestrahlung detektiert, während mit der Multispektralkamera die rückreflektierte Solarstrahlung erfasst wird. Die hierbei entstehenden umfangreichen Bildserien werden in einem aufwändigen Prozess ausgewertet und in ein dreidimensionales Strahlungsmodell des Stadtgebiets überführt. In diesem Modell kann dann die sonst sehr aufwändige Messung der Strahlungstemperatur virtuell an einer Vielzahl von Messpunkten durchgeführt werden.
Die innovative Methode lieferte bereits bei ihrer ersten prototypischen Anwendung in Graz so aussagekräftige Ergebnisse, dass das Klimainformationssystem (KIS) der Stadt Graz sogleich den großen Nutzen des neuen Werkzeugs erkannte. In der Folge wurde die Methode nun mittlerweile in sieben Gebieten des Grazer Stadtgebiets angewendet. Weiters erfolgten umfangreiche Untersuchungen für den Kernbereich der Städte Weiz und Wolfsberg.
Die gewonnenen Daten werden nach Abschluss der Untersuchungen den Stadtplaner*innen und Entscheidungsträger*innen übersichtlich in Form eines interaktiven, dreidimensionalen Stadtmodells online zur Verfügung gestellt. Dies gestattet es den Entscheidungsträger*innen, sich auf wertvolle und wissenschaftlich objektivierte Fakten zu stützen, um optimierte Klimawandelanpassungsmaßnahmen zu entwickeln. In Graz lieferten die Erkenntnisse im Bereich Tummelplatz und Bischofsplatz eine wertvolle Basis für den Stadtplanungswettbewerb zu deren Umgestaltung.
Ursachen und Maßnahmen
Die wesentliche Erkenntnis aus den Untersuchungen ist, dass nur Vegetationsflächen in der Lage sind, die Auswirkungen von urbaner Hitze effizient zu mildern. Vegetation in Form von Bäumen, Gebüsch, Wiesen, Dach- oder Fassadenbegrünung verfügt über die einzigartige Fähigkeit, Solarstrahlung zu absorbieren, ohne sich dabei signifikant zu erwärmen. Die aufgenommene Solarenergie wird stattdessen für die Photosynthese und damit für das Wachstum, die Sauerstoffproduktion und Verdunstung verwendet. Keine verfügbaren High-Tech Oberflächen sind in der Lage, im urbanen Umfeld Ähnliches zu leisten. Vegetation wirkt hierbei gleich dreifach bei der Reduktion von urbaner Hitze: Erstens nimmt sie die Solarstrahlung auf und verhindert so die Erwärmung der dahinter- liegenden Flächen (Beschattung). Zweitens kühlt sie die Umgebungsluft durch Verdunstung und drittens reduziert sie die lokale Strahlungstemperatur. Bäume und Grünfassaden vor Gebäuden verringern nicht nur deren Erwärmung, sondern schirmen zugleich die Abstrahlung von aufgeheizten Flächen auf die Umgebung und auf Personen ab.
Im Gegenzug zur Vegetation führt die Solarstrahlung bei versiegelten Flächen unweigerlich zu einer Temperaturerhöhung. Wie viel Wärme dabei aufgenommen wird, hängt dabei von der Oberflächenfarbe ab. Wie hoch die daraus resultierende Temperaturerhöhung ist und wann die Wärme wieder abgegeben wird, hängt von der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Materials ab.
Abgesehen von der Wirkung der Vegetation verdeutlichen die durchgeführten Untersuchungen auch den Einfluss der Oberflächenfarbe und Windzugänglichkeit. Die Farbgebung einer Oberfläche ist entscheidend dafür, wie viel Sonnenstrahlung aufgenommen und wie viel reflektiert wird. Hierbei spielen nicht nur die sichtbaren, sondern auch die ultravioletten und infraroten Anteile der Solarstrahlung eine Rolle.
Dieses umfassende solare Rückreflexionsvermögen einer Oberfläche wird als Albedo bezeichnet. Ein (theoretischer) Wert von 1.0 bedeutet, dass die gesamte eintreffende Sonnenstrahlung reflektiert wird, während ein Wert 0.0 vollständige Absorption bedeutet. Da die meiste Energie der Solarstrahlung im sichtbaren Spektrum enthalten ist, kann aus der Farbe der Oberfläche ein guter Rückschluss auf die solare Absorption gemacht werden. Hellgraue und weiße Oberflächen reflektieren gut, absorbieren somit weniger und erwärmen sich damit auch geringer. Im Kontext von urbaner Hitze sind diese damit grundsätzlich zu bevorzugen, da so zumindest ein Teil der eintreffenden Sonnenenergie in die Atmosphäre und das Weltall zurückgestrahlt wird. Allerdings kann die hohe Reflexion von Fassaden oder Bodenflächen, wie zuvor beschrieben, im Einzelfall auch zu einer zusätzlichen Hitzebelastung für Personen in der näheren Umgebung führen.
Schließlich zeigen die durchgeführten Untersuchungen deutlich, dass auch die Windzugänglichkeit der Oberflächen von entscheidender Bedeutung ist. Vereinfacht gesagt ist Hitze der Quotient aus Sonneneinstrahlung durch Winddurchströmung. Ist die Winddurchströmung eingeschränkt, so fehlt die Möglichkeit zur Wärmeabfuhr und die lokalen Temperaturen beginnen zu steigen. Der Begriff „Wind“ umfasst in diesem Zusammenhang nicht nur den „meteorologischen“ Wind, sondern auch kleinräumige, konvektive Strömungen, die durch Temperaturdifferenzen entstehen und sowohl tagsüber als auch nachts zur lokalen Wärmeabfuhr beitragen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Klimawandelanpassungsmaßnahmen in den Städten nach wie vor zu wenig Priorität haben. Die Versiegelung von Flächen übertrifft noch immer bei weitem die Begrünungsmaßnahmen, was die urbane Hitzebelastung verschärft, anstatt sie zu lindern. Die mittel- und langfristigen Klimaprognosen sagen insbesondere für Mitteleuropa einen starken Anstieg der urbanen Hitze vorher, sowohl hinsichtlich der Dauer als auch hinsichtlich der Intensität. Ein kompromissloses Umdenken und echte tiefgreifende Maßnahmen, die über das Pflanzen einiger „Quotenbäume“ hinausgehen, sind nun dringend gefordert.
Autor:in
Dipl.-Ing. Dr. Daniel Rüdisser ist Senior Researcher des Bereichs „Gebäude" bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!