KELVIN - Reduktion städtischer Wärmeinseln durch Verbesserung der Abstrahleigenschaften von Gebäuden und Quartieren

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

In städtischen Gebieten wird die eingestrahlte solare Energiemenge stärker als in land- und forstwirtschaftlichen Flächen absorbiert und auch länger gespeichert. Grund dafür sind einerseits die Art, aber auch Farbgebung der vorhandenen Oberflächen wie Hausdächer, Straßen, Abstellflächen für Autos und sonstige verbaute Flächen und anderseits die höhere Wärmespeicherkapazität der vorhandenen Materialien (Absorptions- und Emissionspotential). Die dabei entstehende Problematik der sogenannten „städtischen Wärmeinsel" (englisch „Urban Heat Island - UHI) gilt auch als Anreiz für verschiedene städtebauliche Maßnahmen wie z.B. Fassadenbegrünungen, Dachbegrünungen, Ausbau von Park- und Rasenflächen etc. . Das Phänomen des UHI und die innerstädtische Gebäudestruktur verstärken einerseits den Energieverbrauch und andererseits auch den Klimawandel durch:

1. eine stärkere Erwärmung urbaner Flächen vor allem in den Sommermonaten mit einhergehendem stärkerem, zum Teil fossil erzeugtem Stromverbrauch für Raumkühlung von Wohnungen, Bürogebäuden, Häusern etc. und damit auch einhergehendem höheren THG Emissionen, sowie
2. einen negativen Einfluss auf die städtische Strahlungsbilanz und damit einhergehendem negativen Beitrag zum Klimawandel infolge der erhöhten Energieabsorption (geringerem Rückstrahlpotential) bzw. damit verbundenem Klimaerwärmungspotential.

Die Gebäudekühlung hat in den letzten Jahren in Österreich stark zugenommen, wobei erwartet wird, dass mit dem Klimawandel und sich entwickelnden Stadterweiterungen der Energieaufwand für Raumkühlung- bzw. Belüftung weiter steigen wird. Eine erhöhte Intensität oder Häufigkeit von Hitzewellen in den Sommermonaten könnte dabei weitreichende Folgen in Hinblick auf Stadtklima, Energieeinsatz, Gesundheit und Lebensqualität in den Städten nach sich ziehen.

Inhalte und Zielsetzungen

Das diesem Sondierungsprojekt zugrunde liegende Ziel, unterschiedliche Konzepte zur Reduktion städtischer Wärmeinseln zu untersuchen und die dadurch zu erwartenden Folgewirkungen in Bezug auf ein kühleres Stadtmikroklima und die Energieeinsparung durch geringeren Stromverbrauch abzuschätzen, wurde erreicht. Im Speziellen wurden die Auswirkungen der Abstrahleigenschaftsänderungen unterschiedlicher Flächen wie Dächer, Straßen, Parkflächen, aber auch der Einfluss von Gründächern eingehend untersucht und im Anschluss das Ergebnis in Form von Energieeinsparungs- und Emissionsreduktionsberechnungen für die Stadt Wien quantifiziert.

Methodische Vorgehensweise

Für eine erste Einschätzung des Potentials zur Vermeidung städtischer Wärmeinseln in Österreich wurde eine Literaturrecherche sowie Analyse von Projektberichten zu diesem Thema durchgeführt. Darüber hinaus wurden durch Gespräche und Befragungen mit österreichischen Interessensvertretern (Dachziegelhersteller, Stadtplaner, Regierungsvertreter etc.) Fragen der Dringlichkeit und Akzeptanz solcher Maßnahmen geklärt. Parallel dazu wurden - basierend auf hochaufgelösten Topographie- und Landnutzungsdaten - die erforderlichen Referenzwerte der Albedo (Rückstrahlvermögen der Oberflächen) des baulichen Bestands flächendeckend für die Region Wien aus Satellitendaten des Zeitraums 2000-2014 erhoben. Anschließend erfolgte mittels mikroklimatischer Simulation eine quantitative Abschätzung einer möglichen Abschwächung des Auftretens städtischer Wärmeinseln durch die Veränderung der Oberflächenalbedo unterschiedlicher Stadtstrukturen (Boden, Dachflächen, Dachbegrünung etc.). Letztlich wurde sowohl das dadurch zu erwartende Stromeinsparungspotential durch verringerten Kühlbedarf, als auch die damit einhergehende Emissionsreduktion an Treibhausgasen abgeschätzt.

Ergebnisse

Die Projektergebnisse zeigen, dass eine flächendeckende Anwendung hochreflektierender Dachdeckungen in Wien mit einem Rückstrahlvermögen von ca. 70% in Kombination mit der Annahme einer vollen Umsetzung des vorhandenen Gründachpotentials zu einer starken Abnahme der Anzahl an Hitzetagen (Tmax ≥ 30°C) führen kann. Basierend auf den Werten der Klimanormalperiode 1981 bis 2010 ergibt sich für die Innere Stadt eine maximale Reduktion der Anzahl der Hitzetage um 29% und in zentrumsferneren Bereichen bis zu 20%. Fügt man nun zusätzlich hochreflektierende Gebäudefassaden und versiegelte Flächen den Modellberechnungen als „theoretisches Gesamtpotential" hinzu, so könnten maximale Reduktionen von Hitzetagen in Bereichen wie der Hohen Warte bis zu 45% und um bis zu 53% für die Wiener Innenstadt erreicht werden. Diese Prozentzahlen bedeuten umgerechnet auf die Stadt Wien ein Stromeinsparungspotential - bei gleichbleibender derzeitiger Kühlleistung - von 5.000 – 20.000 MWh pro Jahr. Damit könnten zwischen 600 und 2000 tCO2 Äquivalente an Treibhausgasemissionen eingespart werden. Allerdings ergibt sich durch die Berücksichtigung des direkten Effekts (höheres Rückstrahlvermögen der eingehenden Globalstrahlung von städtischen Strukturen) ein noch höheres Reduktionspotential an Klimaerwärmung ausgedrückt in THG Emissionseinheiten, nämlich zusätzlich ca. 75,000 t CO2/Jahr. Effekte hinsichtlich des Humankomforts und andere positive Aspekte durch die geringere Hitzebelastung sind ebenfalls zu berücksichtigen.

Ausblick

Als weitere F&E Aktivitäten ist die Einreichung eines Folgeprojektes im Rahmen des Programms „Stadt der Zukunft" bzw. SMART CITIES Demo geplant. Hierzu wird im Programm „Stadt der Zukunft" besonderes Augenmerk auf die praktische Umsetzung der Projektergebnisse gelegt. Demnach könnte eine standardisierte Methode zur Modellierung von UHI implementiert werden, die auf Basis von standardisiert vorliegenden Landnutzungsdaten und frei verfügbaren Satellitenbildzeitreihen eine sehr kostengünstige Übertragung der Modellierung auf weitere Städte ermöglicht. Für das Programm SMART CITIES Demo sind Umsetzungsmaßnahmen als tatsächliche Fallbeispiele (Messungen an eingerichteten Dachflächen mit höherer Albedo bzw. Dachbegrünungen, Bepflanzungen von Fußgängerzonen etc.) in ausgewählten Österreichischen Städten geplant.

Auch eine industrielle Umsetzung der Arbeiten könnte in die Richtung gehen, dass mögliche Oberflächenbeschichtungen für Dachziegel gefunden werden, die den Kriterien des höheren Reflexionsvermögens bei gleichbleiender Farbgebung gerecht werden.

Zusätzliche Einreichungen zum Thema Eindämmung Städtischer Wärmeinseln in anderen Städten (Mikroklimatisch sind starke Differenzen zu erwarten), „Urban Forestry" bzw. Auswirkung von Dach- und Fassadenbegrünungen in punkto „Transpiration und Abkühlung durch Verdunstungseffekte von Pflanzen", positiver Einfluss von Gründächern auf die Feinstaubabscheidung in Städten, und die „Beschattung von Geschäftsstraßen und deren Einfluss auf das Kaufverhalten von Passanten" sind ebenfalls angedacht.

Abschließend sei noch erwähnt, das sich zukünftige Forschungsvorhaben auch in Richtung der Programme des „EU Horizon 2020" zur Demonstration innovativer, ökologischer Lösungsansätze von Maßnahmen in städtischen Gebieten richten werden.

Projektleitung

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
RESOURCES - Institut für Wasser, Energie und Nachhaltigkeit

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG)
• JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH,
  DIGITAL - Institut für Informations- und Kommunikationstechnologien

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
RESOURCES - Institut für Wasser, Energie und Nachhaltigkeit
DI Dr. Hannes Peter Schwaiger
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