Erwärmungseffekte durch befestigte Flächen im städtischen Bereich

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1 Z EMENT BETO 22 Erwärmungseffekte durch befestigte Flächen im städtischen Bereich DI Dr. Stefan Krispel, DI Martin Peyerl Forschungsinstitut der VÖZ (VÖZFI), Abteilung Beton m 500 m Abbildung 1: Versiegelte Flächen in Städten (linke Seite: Los Angeles; rechte Seite: Wien) [3] Der Klimawandel im Allgemeinen und die Reduktion der Treibhausgasemissionen im Speziellen sind einerseits ein für zukünftige Generationen wichtiges und andererseits aufgrund der Brisanz ein äußerst sensibles Thema. Österreich hat sich im Kyoto-Abkommen verpflichtet, den Ausstoß von Kohlendioxid bis 2012 auf den um 13 % verringerten Wert des Jahres 1990 zu reduzieren. Dieses Ziel ist nur unter großen Anstrengungen sowohl seitens der Industrie als auch seitens der Konsumenten und öffentlichen Haushalte zu erreichen. Die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre, verursacht durch die Nutzung fossiler Rohstoffe, nimmt durchaus bedenkliche Werte an. Dies führt in der Folge wiederum zu einer stetigen Erwärmung unseres Planeten. Gleichzeitig nimmt der Mensch immer mehr Flächen für Wohnraum und Industrie in Anspruch, wie am stetigen Wachstum der Ballungsräume ersichtlich ist. Aus diesem Grund kommt der Untersuchung des sich vom Umland abhebenden Stadtklimas eine große Bedeutung zu. Eines der wichtigsten Phänomene der Stadtklimatologie ist die Ausprägung eines zusätzlichen Treibhauseffektes in Städten, so genannter urbaner Wärmeinseln (Heat- Island). Dies bedeutet, dass sich das Klima eines urbanen Bereiches deutlich von den großräumig bedingten Werten abhebt, ein Effekt, der sich besonders drastisch an heißen und windstillen Sommertagen zeigt [5]. Dadurch wird zusätzlich zu der allgemeinen Erwärmung 1 das Temperaturniveau im urbanen Bereich nochmals erhöht. Wie am Anstieg der Sterbefälle bei Hitzeperioden beobachtet werden kann, ist dieser hohe thermisch verursachte Stress gesundheitsgefährdend. Besonders bei älteren und empfindlichen Personen ist ein starkes Ansteigen der Sterblichkeitsquote gegenüber dem statistischen Erwartungswert an überdurchschnittlich heißen Tagen zu beobachten [4]. Anzumerken ist, dass diese Mehrsterblichkeit bei einer Hitzewelle nicht wieder durch eine anschließende Mindersterblichkeit ausgeglichen wird. Dies bedeutet, dass auch Personen sterben, die ohne diese kurzfristige intensive Belastung noch lange hätten leben können [2, 4]. Zusätzlich ist aber ebenso ein beträchtliches Absinken des Wohlbefindens und der Leistungsfähigkeit der Gesamtbevölkerung selbst bei weniger extremen Abweichungen von den thermischen Behaglichkeitsbedingungen zu beobachten [5]. 1 In Wien betrug der Anstieg der Jahresmitteltemperatur von ,5 C [11]

2 ZEMENT + BETON 23 Einflussfaktoren der Temperaturerhöhung in Städten Die Veränderung des Mesoklimas 2 einer Stadt gegenüber dem Klima des Umlandes beruht auf einer Vielzahl von Faktoren. Neben allgemeinen Einflussparametern wie Lage, Stadtgestalt und Größe der Stadt sowie dem Einfluss der Sonnenstrahlung spielen auch Bebauungsgeometrie und daraus resultierende Strömungshindernisse sowie Luftverunreinigung und auch die verwendeten Baumaterialien eine wesentliche Rolle auf die Ausprägung einer städtischen Wärmeinsel [1]. In Abbildung 1 ist der Anteil von bebautem und begrüntem Raum in einer Stadt, exemplarisch für Los Angeles und Wien, optisch ersichtlich. Die gelbe Linie stellt jeweils eine Länge von 500 m dar. In Tabelle 1 sind Kennzeichen und deren energetische Auswirkungen auf das Stadtklima dargestellt. Wie aus dieser Tabelle ersichtlich, verursachen diese speziellen Bedingungen eine generelle Erhöhung der Temperatur, wobei grundsätzlich zwischen zwei Wärmeenergielieferanten unterschieden werden muss. Anthropogene Wärme wird durch den Menschen meist durch Verbrennungsprozesse direkt produziert. Der viel größere Anteil erfolgt jedoch durch den Eintrag der Strahlungswärme der Sonne. Dieser Energieeintrag durch die Sonne auf eine Fläche kann mittels der Energiebilanzgleichung (Gleichung I) einer Oberfläche ausgedrückt werden [10]. Q net = Q + B + H + V Q net Summe aller Energieeingänge an einer Oberfläche Q Strahlungsbilanz B Bodenwärmestrom 3 H Strom fühlbarer Wärme 4 V Strom latenter Wärme 5 [I] Den größten materialabhängigen Einfluss auf die in eine Oberfläche induzierte Energie weist von den oben aufgelisteten Termen der Anteil der Strahlungsbilanz auf. Deshalb ist die weitere Behandlung dieses Themas auf die Betrachtung des in Gleichung II beschriebenen Terms Q fokussiert [10]. Q = (1 α). (AG A) Q [II] Strahlungsbilanz einer Oberfläche (Nettostrahlung) α Albedo einer Oberfläche 6 G Globalstrahlung 7 AG Atmosphärische Gegenstrahlung 8 A { kurzwellige Strahlungsbilanz { langwellige Strahlungsbilanz Langwellige Ausstrahlung von der Erdoberfläche 9 Tabelle 1: Faktoren für die Ausprägung städtischer Wärmeinseln, Eigendarstellung nach [5] Kennzeichen Energetische Auswirkung 2 Bezieht sich auf Gebiete mit bis zu etwa 250 km Ausdehnung. 3 Wärmefluss der absorbierten Wärmeenergie in tiefer liegende Bodenschichten. 4 Pro Fläche und Zeit zwischen Bodenoberfläche und der Luft ausgetauschte Wärmemenge. 5 Energiefluss zufolge Kondensations- und Verdunstungsvorgängen. 6 Die Albedo wird durch ein Doppelpyranometer (= Albedometer) gemessen. Dabei werden sowohl die Globalstrahlung als auch die von einer Oberfläche reflektierte Strahlung mittels zwei getrennter Messeinheiten erfasst. 7 Summe von direkter und diffuser Sonneneinstrahlung. 8 Langwellige von der Erde zur Atmosphäre gerichtete Strahlung. 9 Abstrahlung einer Oberfläche in die Atmosphäre. Bebauungsgeometrie a) große Oberfläche Mehrfachreflexionen der Sonnenstrahlen an Häuserfronten b) große Horizontaleinengung Reduktion effektiver Abstrahlung c) verminderte Windgeschwindigkeit Reduktion des Wärmetransports Luftverunreinigung Anthropogene Wärme Erhöhung der Reflexionsstrahlung a) Wärmeemissionen von Gebäuden Erhöhung der Temperatur b) Wärmeemissionen von Erhöhung der Temperatur, Verbrennungsprozessen Erhöhung der Reflexionsstrahlung durch Luftverschmutzung Baumaterialien a) größere Wärmeleitfähigkeit Erhöhung der Wärmespeicherung b) größere Wasserdurchlässigkeit Reduktion der Verdunstung, Verdunstungskälte

3 Z EMENT BETO 24 Gleichung II lässt sich in eine kurz- und in eine langwellige Strahlungsbilanz aufspalten. Da die langwellige Strahlungsbilanz einen weit geringeren Einfluss auf die Erwärmung der betreffenden Oberfläche ausübt, wird auf eine genauere Erläuterung dieser Faktoren verzichtet und der Fokus auf den Anteil der kurzwelligen Strahlungsbilanz gelegt. Die Albedo einer Oberfläche α definiert das Verhältnis zwischen kurzwelliger Ein- und Ausstrahlung. Unter Globalstrahlung ist die Summe der an einem Ort auf der Erdoberfläche eintreffenden Solarstrahlung zu verstehen. Diese wird mit einem Albedometer gemessen und kann bei Vergleich verschiedener nebeneinander angeordneter Oberflächen als konstant angenommen werden. Tabelle 2 liefert eine Zusammenstellung einiger publizierter Albedowerte unterschiedlicher Materialien, die im Stadtraum vorherrschen können. Tabelle 2: Albedowerte ausgewählter Materialen nach [1, 4 und 6] Die in Tabelle 2 dargestellten Werte unterstreichen, dass sich die Wahl von unterschiedlichen Materialien aufgrund ihres Albedowerts auf die Strahlungsbilanz und somit auf die Erwärmung der jeweiligen Oberflächen auswirken. Deutlich erkennbar ist, dass Betonflächen im Mittel ein höheres Albedoniveau aufweisen als Asphaltfächen [10]. Besonders neu aufgetragener Asphalt weist sehr geringe Albedowerte auf, während sehr hellem (weißem) Beton ein sehr hoher Wert zugeschrieben wird. In heißen Sommermonaten kommt es bei Materialien mit niedriger Albedo zu einem erhöhten Wärmeeintrag in die entsprechenden Bauteile und als Folge davon zu einer Erwärmung des gesamten Umfeldes. Abbildung 2 stellt den Farbunterschied in der Matrix zementgebundener und bituminöser Bindemittel bei Verwendung einer gleichartigen Gesteinskörnung dar. Material Kurzwelliges Albedo [%] Quelle Nefzger Helbig et al Fezer 1995 et al Matzarakis 2001 Asphalt gealtert trocken 19 Asphalt gealtert nass 13 Asphalt neu trocken Asphalt neu nass 7 Beton weiß Beton unterschiedl. Alters trocken 24 Beton unterschiedl. Alters nass Wiese Laubwald (25) 10 Wien liegt auf einer geografischen Breite von etwa 48,2 N. Abbildung 2: Farbunterschied in der Matrix von Beton und Asphalt Foto: VÖZFI Auswirkung unterschiedlicher Albedowerte auf Oberflächentemperaturen Die Stadt Wien weist eine Gesamtfläche von 415 km 2 auf, davon entfallen 62 % auf Grünflächen, etwa 33 % auf Bauflächen bzw. sonstige Flächen und 5 % entfallen auf Gewässer [7]. Annähernd 10 % der Gesamtstadtfläche, also rund 40 km 2, sind als Verkehrsfläche ausgewiesen [8]. Dies unterstreicht die Bedeutung von hellen Oberflächenmaterialien im Straßenbau, d. h. den positiven Einfluss von Materialien mit hoher Albedo, auf das urbane Klima. Um den Einfluss der Albedo, also der Reflexionseigenschaften der Straßenoberfläche auf die Oberflächentemperatur, abschätzen zu können, wurde die in Gleichung I beschriebene Energiebilanzgleichung in Abhängigkeit der in Österreich relevanten geografischen Breite 10 für verschiedene Albedo

4 ZEMENT + BETON 25 Lösung der Energiebilanzgleichung für unterschiedliche Albedowerte gelöst [10]. Die grafische Darstellung in Abbildung 3 beschreibt diese Zusammenhänge für eine Albedo von 10 % (Asphalt) und 30 % (Normalbeton). In Abbildung 3 ist zu erkennen, dass die Änderung der Temperaturdifferenz zwischen Oberflächen- und Lufttemperatur durch eine Änderung der Albedos stark beeinflusst wird [10]. Deutlich wird dies beim Vergleich der Oberflächentemperaturen von Straßenbaustoffen mit unterschiedlichem Albedowert. Normalbeton weist im Mittel einen Albedowert von 30 % auf (grüne Linie in Abbildung 3), während Asphalt etwa ein Albedowert von 10 % zugeordnet werden kann (blaue Linie in Abbildung 3). In Abbildung 3 sind die Ergebnisse der Lösung der Energiebilanzgleichung für Albedowerte von 10 % (Asphalt) und 30 % (Normalbeton) bei einer Lufttemperatur von 25 C und einer geografischen Breite von 48,2 N dargestellt. Die Differenz von Oberflächen- zu Lufttemperatur beträgt bei einem Albedowert von 30 % (Normalbeton) etwa 11,5 C und bei einer Albedo von 10 % (Asphalt) etwa 18,5 C. Daraus ergeben sich im hier angeführten Beispiel Oberflächentemperaturen von 36,5 C bei Beton (25 C Lufttemperatur und 11,5 C Temperaturdifferenz) und 43,5 C (25 C Lufttemperatur und 18,5 C Temperaturdifferenz) bei Asphalt. Dies bedeutet eine nicht unbeträchtliche Differenz der Oberflächentemperaturen der beiden untersuchten Baustoffe von 7 C. Temperaturdifferenz T(Oberfläche) - T(Luft) [ C] Maximaltemperatur des Fahrbahnmaterials [ C] , , , 49 geografische Breite Albedo = 10% (Asphalt) Albedo = 30% (Normalbeton) Abbildung 3: Ergebnisse der Lösung der Energiebilanzgleichung für Albedowerte von 10 % (Asphalt) und 30 % (Normalbeton) bei einer Lufttemperatur von 25 C, Eigendarstellung nach [10] Maximale Fahrbahnoberflächentemperaturen in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit Albedo = 10% (Asphalt) Albedo = 30% (Normalbeton) ,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 Wärmeleitfähigkeit des Fahrbahnmaterials [W/mK] Abbildung 4: Maximale Straßenoberflächentemperaturen in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit des Fahrbahnmaterials, Eigendarstellung nach [10] In Abbildung 4 sind die Zusammenhänge zwischen Wärmeleitfähigkeit, Albedo und Maximaltemperatur der Straßenoberfläche zusammengestellt. Bituminöse Decken weisen eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1,0 1,4 W/mK, Betondecken von etwa 1,6 2,5 W/mK auf [10]. Mittels einer Sensitivitätsanalyse wurde in [10] untersucht, inwieweit sich eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit auf die resultierende Oberflächentemperatur auswirkt. Die Ergebnisse dieser Berechnung zeigen für die betrachteten Albedoniveaus von 10 % (Asphalt) und 30 % (Normalbeton) die Abnahme der maximalen Oberflächentemperatur bei zunehmender Wärmeleitfähigkeit. Die Abbildungen 3 und 4 machen deutlich, dass niedrigere Albedowerte zu einer Erhöhung der Oberflächentemperaturen führen. Materialien mit höheren Wärmeleitfähigkeiten liefern einen geringeren Beitrag zur Erhöhung der Oberflächentemperaturen als Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Höhere Temperaturen

5 ZEMENT BETO 26 Bedingt durch die Kühlfunktion der Blätter und anschließendem Abfließen der Luft in den Stammraum, was zu neuerlichem Nachfließen von warmer Luft führt, erscheinen Waldgebiete auf Thermalbildern als warm [9]. Abbildung 5: Optische Wirkung heller und dunkler Verkehrsflächen im Stadtgebiet Foto: VÖZFI der Bauteile bewirken wiederum eine vermehrte Wärmeabstrahlung und somit höhere Temperaturen im urbanen Bereich. In Abbildung 5 ist der Unterschied der optischen Wirkung heller und dunkler Verkehrsflächen im innerstädtischen Bereich sehr gut ersichtlich. Großräumige Oberflächentemperaturmessung mittels Satellitenbildaufnahmen Eine optische Darstellung von Oberflächentemperaturen, welche das Mesoklima von Siedlungsgebieten maßgeblich beeinflussen, ist mit Thermalbildern möglich. Thermalaufnahmen erlauben die Darstellung von Bereichen unterschiedlicher Temperatur. Abbildung 6 zeigt ein Abend-Thermalbild eines Stadtteils von Osnabrück (Deutschland) mit einer Auflösung von einem Kelvin im Vergleich zu einer Tages-Satellitenbildaufnahme des gleichen Stadtteils [9]. Sehr deutlich heben sich die Straßenflächen von den gegenüber Grünflächen wärmeren Siedlungsflächen ab. Grünflächen hingegen weisen die geringsten Oberflächentemperaturen auf. Aufgrund der relativ hohen Temperatur leisten versiegelte Infrastrukturflächen einen großen Beitrag zur Ausbildung einer urbanen Wärmeinsel (Heat-Island). Gemäß den o. a. Darlegungen erscheint zur Verbesserung des urbanen Klimas der Einsatz von Beton, aufgrund seiner thermalen Eigenschaften, als Straßenbaustoff im Gegensatz zu bituminösen Deckschichten als äußerst zweckmäßig. Zusammenfassung Mitbedingt durch das stetige Wachsen der Ballungsräume und die allgemeine globale Erwärmung kommt es an heißen Sommertagen zu äußerst hohen Lufttemperaturen im urbanen Bereich. Einen wichtigen Beitrag zur Reduktion dieser Temperaturmaxima würden Absenkungen der Oberflächentemperaturen liefern. Dies kann durch den Einsatz von Baumaterialien, welche ein höheres Reflexionsvermögen (Albedo) aufweisen, erzielt werden. Da Straßen etwa 10 % der Flächen eines Stadtgebietes in Anspruch nehmen und sich dieser Bereich durch Mehrfachreflexion an den Häuserfronten überdurchschnittlich erwärmt, ist hier die Wahl eines Baustoffes mit hoher Albedo besonders sinnvoll. Als Beispiel seien u. a. Siedlungen in Griechenland angeführt, wo besonderer Bedacht auf die Verwendung von hellen Baustoffen wie Beton sowie die Herstellung heller Oberflächen durch Verwendung von weißen Fassadenfarben Abbildung 6: Abend-Thermalbild der Stadt Osnabrück (Stadtteil Westerberg) im Vergleich zu einem Tages-Satellitenbild, Abend-Thermalbild: [9] Tages-Satellitenbild: [3]

6 ZEMENT + BETON 27 gelegt wird. Beton eignet sich, vor allem aufgrund seines im Vergleich zum Asphalt deutlich höheren Albedowertes und seiner höheren Wärmeleitfähigkeit, sehr gut als Straßenbaustoff im urbanen Bereich. Durch die insbesondere im Sommer auftretenden deutlich geringeren Bauteiltemperaturen kann die Umgebungstemperatur maßgeblich verringert werden, was wiederum zu einem niedrigeren Kühlenergiebedarf (Gebäudeklimaanlagen etc.) führt. Weiters kann mittels der helleren Fahrbahnoberfläche bei Verwendung von Beton die Straßenoberfläche energiesparender und optisch heller ausgeleuchtet werden. Dies führt, neben einer Kostenreduktion, zu einer Erhöhung der objektiven und subjektiven Sicherheit der Verkehrsteilnehmer. Der geringere Kühlenergiebedarf sowie der reduzierte Energieaufwand bei der Ausleuchtung bewirken wiederum eine Reduktion des Kohlendioxidausstoßes, womit ein nicht unerheblicher Beitrag zu den österreichischen Bemühungen zur Erreichung des Kyoto-Ziels geleistet wird. Literaturverzeichnis [1] Fezer, F.: Das Klima der Städte, Perthes Geographie Verlag, Gotha, 1995 [2] Kalkstein, L. S.: Direkt impacts in cities. In: Health and Climate Change. The Lancet 1994, [3] Google Earth.: Digitaler Satellitenbildatlas, Version 4, , [4] Helbig, A.; Baumüller, J.; Kerschgens, M. J.: Stadtklima und Luftreinhaltung, 2. Aufl., Springer Verlag Berlin Heidelberg New York, 1999 [5] Matzarakis, A.: Die thermische Komponente des Stadtklimas, Habilitation an der Universität Freiburg, Freiburg, 2001 [6] Nefzger, H.; Karipot A.: Einfluß von Strahlung und Mikroklima auf Straßenwetterprognosen, Bundesministerium für wirtschaftliche Angelegenheiten, Wien, 1997 [7] Statistisches Jahrbuch 2005: Statistik Austria, Herausgeber: Österreichischer Städtebund, Wien, 2006 [8] Straßen Wien (MA 28) Zahlen und Fakten, Bezugsjahr 2005; zahlen.html [9] Wessels, K.: Stadtklimatologische Untersuchung der Stadt Osnabrück auf der Basis von Thermalscannerbefliegungen, Projekt im Auftrag der Stadt Osnabrück, Institut für Geoinformatik und Fernerkundung Universität Osnabrück, 1998, delange/projekte/sko/sko.html [10] Wistuba M.; Litzka J.; Blab R.: Klimakenngrößen für den Straßenoberbau in Österreich, Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Straßenforschung Heft 507, Wien, 2001 [11] ZAMAG: Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Klima ,