Wider den Energiehunger der Städte

In Städten liegen die Temperaturen normalerweise höher als im Umland – ein Phänomen, das als „urbane Hitzeinsel“ bekannt ist. Im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms „Nachhaltige Siedlungs- und Infrastrukturentwicklung“ (NFP 54) untersuchen Forschende der ETH Lausanne, wie sich mit der „Hitzeinsel“ besser umgehen lässt. Ziel ist eine Verringerung des Energieaufwands für die Wärmeregulierung in den Gebäuden.

Dass es urbane Wärmeinseln gibt, ist eine Tatsache: Die Menschen verbrauchen im Alltag enorme Mengen von Energie, die zu einem Grossteil in Wärme umgewandelt wird. Unzählige Gebäudeflächen werden von der Sonne beschienen, und die Baumaterialien nehmen die Sonnenwärme äusserst effizient auf. Gleichzeitig wird diese Wärme durch die unebene Oberflächenstruktur der Stadt gefangen und kann sich während der Nacht schlechter verflüchtigen.

Die Stadt speichert dadurch die Hitze und kühlt sich in der Nacht weniger schnell ab als Felder und Wälder in der Umgebung. Das Ausmass der Erwärmung hängt von zahlreichen städteplanerischen Faktoren ab: etwa von der Grösse und Farbe der Gebäude, von den Baumaterialien, der Breite und der Ausrichtung der Strassen oder von der Bevölkerungsdichte. Das Temperaturgefälle zwischen einer Stadt und ihrer Umgebung kann bis zu zehn Grad Celsius betragen.

Komplexes Phänomen
Je nach Klima oder Jahreszeit kann eine Hitzeinsel dazu beitragen, dass der Energieaufwand für die Wärmeregulierung in den Gebäuden entweder steigt oder sinkt. In einem kalten Klima wirkt sich ein Wärmeüberschuss positiv aus, da weniger Energie zum Heizen erforderlich ist. Wird hingegen die Hitze in wärmeren Gebieten mit Klimaanlagen bekämpft, steigt dadurch der Energiekonsum zusätzlich – und es wird draussen noch heisser! In Gebieten wie der Schweiz mit ausgeprägten Jahreszeiten ist die Lage noch komplizierter: Im Winter ist die Wirkung günstig, im Sommer ungünstig.

So komplex die Zusammenhänge, so klar ist die Schlussfolgerung: Urbane Hitzeinseln beeinflussen die Energiebilanz in städtischen Gebieten. Wie lässt sich diese Bilanz nun am ehesten verbessern? Diese Frage stellten sich Alain Clappier und Darren Robinson, Forscher an der ETH Lausanne, im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms „Nachhaltige Siedlungs- und Infrastrukturentwicklung“ (NFP 54).

Ein Modell, drei Ebenen
Für Alain Clappier ist die Situation an jedem Ort anders, „es gibt keine allgemeingültige Antwort“. Die beiden Wissenschafter haben deshalb ein Modell entwickelt, mit dem sich das Phänomen nachbilden lässt. Es basiert auf drei Modulen, die drei verschiedene Ebenen betrachten:
– Das erste Modul simuliert die meteorologischen Daten eines Orts mit den drei Grössen Temperatur, Windgeschwindigkeit und Windrichtung.
– Mit dem zweiten Modul wird der Wärmeaustausch auf der Stufe eines Quartiers berechnet. Gebäude werden in Form von Parallelepipeden dargestellt, mit Angabe von Höhe, Breite, Länge, Ausrichtung, Abstand, Farbe, Baumaterialien und Fensterflächenanteil.

– Mit dem dritten Modul wird die Energiebilanz der einzelnen Gebäude betrachtet. Berücksichtigt werden Art der Heizung und Kühlung, Anzahl Benutzer und Verwendungszweck.

Zum Testen ihres Modells konnten Alain Clappier und Darren Robinson auf die direkten Messungen zur Hitzeinsel Basel zurückgreifen, die im Rahmen der Messkampagne BUBBLE* vorgenommen worden waren. Die ersten Versuche fielen sehr vielversprechend aus: Das Modell und die Messungen vor Ort stimmen überein. Die beiden Wissenschafter können nun Szenarien zur städtischen Entwicklung erstellen – indem sie Quartiere und Städte virtuell verändern oder bauen – und die Auswirkungen auf das Phänomen der urbanen Hitzeinsel untersuchen.

Entscheidungshilfe
Könnte das Modell in Zukunft bei der Planung von Städten konkret eingesetzt werden? „Das ist das Ziel unserer Arbeit“, erklärt Darren Robinson. „Aber wir versuchen keineswegs, den Städteplanern vorzuschreiben, was sie zu tun haben!“ Das Modell liefert denn auch keine Lösungsvorschläge, sondern zeigt lediglich auf, welche ökologischen Folgen verschiedene städtebauliche Szenarien hätten. Es handelt sich somit in erster Linie um eine Entscheidungshilfe, mit der sich ein noch allzu häufig vernachlässigter Faktor berücksichtigen lässt.

Für die beiden Forscher liegt der Schlüssel zu einer weltweiten Drosselung des Energiekonsums – und damit zu weniger Treibhausgasemissionen und einer besseren Luftqualität – in erster Linie in den Städten. Bereits heute lebt mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in urbanen Gebieten, und die städtischen Ballungszentren werden immer grösser. Am meisten fossile Energie verzehren dabei der Verkehr und die Wärmeregulierung in Gebäuden – zwei vorwiegend urbane Themen. Im Hinblick auf eine nachhaltige Entwicklung führt somit kein Weg an einer Verbesserung der Energiebilanz in den Städten vorbei. Ein optimaler Umgang mit dem Phänomen der urbanen Hitzeinseln kann dazu einen Beitrag leisten.

*BUBBLE: Basel Urban Boundary Layer Experiment

Kontakt:
Dr. Alain Clappier
ETH Lausanne
Laboratorium für Luft- und Bodenverschmutzung
1015 Lausanne
Tel. +41 (0)21 993 61 60
E-Mail: alain.clappier@epfl.ch
Dr. Darren Robinson
ETH Lausanne
Laboratorium für Solarenergie und Gebäudephysik
1015 Lausanne
Tel. +41 (0)21 693 45 43
E-Mail: darren.robinson@epfl.ch