Hot in the City

Urbane Ballungszentren unterscheiden sich klimatisch stark von ihrer ländlichen Umgebung. Die dichte Bebauung hat zahlreiche Auswirkungen, sowohl auf das Klima in kleinen Strukturen, das sogenannte Mikroklima, als auch auf das Klima im gesamten Stadtbereich. Oft entstehen sogenannte „Urban Heat Islands", Hitzeinseln, über dicht bebauten Gebieten. Die Temperaturunterschiede zwischen Stadt und Land können am Abend in Extremfällen bis zu 12°C betragen, auch innerhalb der Stadtstruktur selbst kann es zu regionalen Unterschieden von bis zu 7°C kommen. Am größten sind diese Unterschiede in den Nachtstunden und auch im Laufe der Jahreszeiten machen sich immer mehr klimatische Unterschiede bemerkbar.

Die Hauptursachen dafür sind in der Struktur und Oberflächencharakteristik von Städten zu finden. Durch die Bebauung werden nicht nur Flächen versiegelt, es werden auch neue geschaffen. Die Stadt hat aufgrund ihrer vertikalen Ausdehnung eine vielfach größere Oberfläche als eine naturbelassene Fläche gleicher Ausdehnung.

Und diese städtischen Oberflächen haben verhältnismäßig ungünstige thermische Eigenschaften. Wärme wird stärker absorbiert, die Flächen heizen sich auf. Wärme wird gespeichert und nur langsam wieder abgegeben. Zusätzlich wird Strahlung reflektiert, die Flächen beeinflussen sich gegenseitig.

Die versiegelten Bodenoberflächen können weniger Wasser aufnehmen, auch das beeinflusst ihre Wärmeaufnahmefähigkeit. Das Wasser wird zusätzlich oft unterirdisch abgeführt und kann so weniger Wärme aufnehmen und abführen, auch der kühlende Effekt der Verdunstung fällt aus.

Durch die Stadtstruktur verändern sich auch die Windverhältnisse. Generell sinkt die Windgeschwindigkeit in Bodennähe in der Stadt, langsamere Windgeschwindigkeiten verschlechtern den Abtransport von Wärme. An aufgeheizten Fassaden können Mikrozirkulationen und Verwirbelungen lokal unangenehm böigen Wind verursachen. In hoch bebauten, schmalen Straßenzügen staut sich die Wärme, die nächtliche Abstrahlung wird behindert.

Diese Veränderung des Stadtklimas hin zu höheren Temperaturen und längeren Hitzeperioden hat Einfluss auf Fauna und Flora. Jahreszeitliche Ereignisse verschieben sich, es verändert sich auch die Artenzusammensetzung. So muss beispielsweise in Wien bei der Neupflanzung von Bäumen auf hitzeresistentere Arten, wie den europäischen Zürgelbaum oder den Ginko, zurückgegriffen werden, da sich heimische Baumsorten unter diesen Bedingungen nicht mehr wohl fühlen, nicht gedeihen oder kürzer leben. Weiters wird die Verbreitung von wärmeliebenden Tierarten und Krankheitserregern aus wärmeren Regionen, z.B. Malaria, beobachtet.

Hitzestress, der auftreten kann, wenn die Temperaturen auch über Nacht nicht unter 25 °C fallen, führt zu Schlafstörungen und Herz-Kreislauf-Beschwerden. Das beeinträchtigt auch das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit untertags.

Für all die oben genannten Ursachen gibt es stadtplanerische Maßnahmen, die der Bildung von Hitzeinseln entgegenwirken. Die Begrünung von Dächern und Fassaden, sowie Schaffung von durchgängigen Grünzonen und offenen Gewässern steht dabei an erster Stelle.

Eine weitere, entscheidende Ursache für die erhöhten Temperaturen in der Stadt ist die zusätzliche Wärmeproduktion, verursacht durch ihre Bewohner, Verkehr, Industrie und Gewerbe, die sogenannte anthropogene Wärme.

Während sich für die Industrie aufgrund der Menge und der Temperaturniveaus oft Möglichkeiten zur Nutzung der Abwärme ergeben, wird die Abwärme, die in Wohnungen oder Büros entsteht, meist ungenutzt in die Umgebung abgeführt. Allgemein steigende Temperaturen und die Häufung von extremen Wetterlagen durch die Veränderung des Weltklimas, Zuzug in urbane Zentren sowie das gestiegene Komfortbedürfnis in Wohnung und Arbeitsplatz verursachen einen immerzu steigenden Kühlbedarf. Dabei wird die Wärme nicht nur nach außen verlagert, sondern es entsteht zusätzliche Abwärme durch die Klimageräte selbst. So bildet sich ein mikroklimatischer Teufelskreis – höhere Temperaturen führen zu vermehrter Klimatisierung, bei der das Mikroklima wiederum erwärmt wird.

Da die Stadttemperaturen auch in der Nacht nur wenig absinken, ist das Abkühlen der Speichermassen nicht möglich. Die Klimageräte müssen in Hitzeperioden häufig auch nachts weiterlaufen, eine „freie" Kühlung über die Außenluft, die Wohnungen oder Büros über Nacht für den nächsten Tag vorkühlt, ist kaum noch möglich. Das Ausmaß dieser Abwärme und ihre Auswirkungen, sowie die dafür benötigte elektrische Energie, werden oft unterschätzt.

Um dieser Situation bestmöglich gegenzuwirken, ist es essenziell, bei der Konzeption neuer Gebäude und Stadtteile von Anfang an vernetzt zu planen. Obwohl die Wichtigkeit der integralen Planung und der Zusammenarbeit über einzelne Planungsphasen und Gewerke in der Baubranche mittlerweile wohlbekannt ist, wird diese Strategie oft nicht ausreichend umgesetzt. Stadtplanung, Architektur, Statik, Bauphysik und Gebäudetechnik müssen auf einander abgestimmte Lösungen mit demselben Ziel erarbeiten, um vorhandene Potenziale bestmöglich zu nutzen.

 

Auch wenn es, wie zuvor erwähnt, schon diverse Maßnahmen, wie Stadt-, Dach- und Fassadenbegrünung gibt, bleibt ein steigender Kühlbedarf, der gedeckt werden muss.

Um diesen niedrig zu halten, sind sowohl bauliche als auch bauphysikalische Maßnahmen nötig. Neben architektonischen Möglichkeiten, wie die Anzahl, Platzierung und Größe von Fensterflächen oder die Orientierung und Form von Gebäuden, hat auch die Wahl und Ausführung der Verschattung, sowie die Wahl der Baumaterialien mit verschiedenen Speichermassen und Dämmstärken einen Einfluss auf die Innentemperaturen im Sommer.

Um den dann noch verbleibenden Kühlbedarf zu decken, ohne das städtische Klima weiter negativ zu beeinflussen und Energieverbrauch sowie Betriebskosten niedrig zu halten, sind innovative Kühlsysteme vonnöten.

Eine Möglichkeit bietet hier zum Beispiel die Nutzung der Abwärme zur Warmwasserbereitung in Wohngebäuden. Über eine Wärmepumpe kann die Abwärme trotz ihres verhältnismäßig niedrigen Temperaturniveaus zum Erwärmen des Brauchwassers verwendet werden. Eine andere Möglichkeit ist die Speicherung der Abwärme in saisonalen Speichern. Hier gibt es unter anderem Möglichkeiten, wie die Regenerierung von Erdfeldern nach dem Wärmeentzug zum Heizen im Winter, Betonkernaktivierung oder Latentwärmespeicher. Auch wächst das Fernkältenetz der Stadt Wien, diese erzeugt Kälte über die auch im Sommer vorhandene Fernwärme mit Absorptionskältemaschinen.

Bei all diesen Systemen gelangt weder Abwärme in die unmittelbare Umgebung, noch entstehen Schallemissionen wie bei klassischen Split-Geräten.

Dass diese Systeme gut umsetzbar sind, zeigen zahlreiche Projekte, wie beispielsweise ein 2017 fertiggestelltes Bauvorhaben auf der Hohen Warte im 19. Bezirk in Wien. Dort werden 23 Wohnungen in 5 Gebäuden vollständig über ein Wärmepumpensystem gekühlt. Die den Wohnungen entzogenen Wärme wird erst zur Warmwasserbereitung verwendet, überschüssige Wärme wird in das Erdreich geführt. Da die Gebäude im Winter auch über dieses System geheizt werden, trägt diese Wärmezufuhr zur Regeneration des Erdreichs und einer zusätzlichen und beinahe kostenfreien Effizienzsteigerung bei. Beim Bau der Wohngebäude wurde zusätzlich darauf geachtet, den gewachsenen Baumbestand zu erhalten, da auch dieser einen wertvollen Beitrag zu einem angenehmen Mikroklima leistet.

Zur Nutzung von Abwärme aus der Industrie bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Potenzial ist nachweislich da, wie eine Erhebung des Austrian Institute of Technology (AIT) zeigt, die 2015 durchgeführt wurde. Mit Abwärme hoher Temperaturniveaus kann relativ konstant Strom erzeugt werden, das ist der Stabilisierung des Netzes zuträglich. Die Nutzung von niedrigeren Temperaturniveaus bietet sich vor allem dort an, wo in die bestehende Fernwärmestruktur eingespeist werden kann. Hier gibt es auch einige Vorzeigeprojekte, beispielsweise in Wien, wo die für ihre Schokoladenerzeugnisse bekannte Firma Manner seit Oktober 2016 mit einer Abwärmeleistung von einem Megawatt einspeist – das reicht aus, um ca. 600 Haushalte zu versorgen. Weitere, ähnliche Projekte sind in Planung oder werden gerade umgesetzt.

Weiters sind in einigen Städten, so auch in Wien, sogenannte „Anergienetze" in Planung. Die Funktionsweise ähnelt einen Fernwärmenetz, jedoch auf einem niedrigeren Temperaturniveau, um die Nutzung von Abwärme mit niedrigen Temperaturen (in der Abbildung gelb dargestellt) zum Beispiel aus Klimaanlagen oder Rechenzentren nutzbar zu machen. Wie in der Abbildung gut sichtbar, fallen auch im Stadtzentrum und direkt in der Innenstadt große Mengen an Abwärme an. So gibt es in Wien beispielsweise Rechenzentren hinter historischer Fassade in der Altstadt, die Abwärme von mehreren tausend Megawattstunden ungenutzt abführen – das befeuert das städtische Klima immens.

Das Phänomen der städtischen Überhitzung birgt viele Herausforderungen; reduzieren und rückgewinnen ist das Gebot der Stunde. Um die vorhandenen Potenziale optimal auszunützen sind fachübergreifende Zusammenarbeit der Gewerke und langfristige Strukturplanung essenziell.