40 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie Mit Kühlung das Klima aufheizen In den heißen Sommern der letzten Jahre ist der Absatz von Klimaanlagen deutlich gestiegen. Wachsende Komfortwünsche und eine zunehmende Anzahl von Sommertagen (Lufttemperatur über 25 °C), heißen Tagen (über 30 °C) und tropischen Nächten (über 20 °C) führen schon jetzt zu einem steigenden Interesse an Kühltechniken. Bei Büro- und Verwaltungsgebäuden geht das Umweltbundesamt davon aus, dass fast die Hälfte der Gebäude über Techniken zur Klimatisierung verfügt [1]. Trotz aller Bemühungen um Energieffizienz wird hier für das Jahr 2030 mit einer Verdoppelung der CO 2 -Emissionen gerechnet. Im Wohnsektor spielen Kühlbedarfe bislang nur eine marginale Rolle, in sehr energieeffizienten Neubauten liegen diese aber bereits über den Heizbedarfen. Insgesamt wird auch bei Nichtwohngebäuden von einer Zunahme der CO 2 -Emissionen durch Kühlung um 25 % ausgegangen [1]. Jenseits der Gebäudegrenze Klimaanpassung im Freiraum als Baustein einer suffizienten Stadtgestaltung Klimaanpassung, naturbasierte Lösungen/ nature based solutions, Suffizienz, Gebäudekühlung Sandra Sieber Gebäude stehen nicht im luftleeren Raum, sie beeinflussen ihr Umfeld durch Verschattung, Versiegelung oder Abwärme, aber auch das Umfeld wirkt auf sie ein. Insbesondere bei Bestandsgebäuden mit schlechten energetischen Standards können die Heizaber insbesondere die Kühlbedarfe durch das Umfeld mitbestimmt werden. Die Gestaltung von urbanen Freiräumen kann in Form von „naturbasierten Lösungen“ (nature based solutions) ein Baustein in suffizienten Energiekonzepten sein. Sie verbindet im Idealfall Energieeinsparung, Klimaanpassung und Aufenthaltsqualität. Bild 1: Alnatura Campus. © Alnatura, Lars Gruber 41 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie Konventionelle Kühltechniken verschärfen dabei eher die sich abzeichnenden klimatischen Probleme: Sie stellen Kälte bereit, produzieren aber Abwärme und heizen damit die Umgebung weiter auf. Dazu kommen die Strombedarfe mit ihren jeweiligen CO 2 - Emissionen sowie die Emissionen von bestimmten Kältemitteln (HFKW), die ebenfalls zum Klimawandel beitragen. Das Umweltbundesamt geht hier für das Jahr 2016 von einem CO 2 -Äquivalent von etwa 10-Mio. Tonnen aus [1]. Technische Ansätze, wie die Verwendung anderer Kältemittel, die Nutzung von Abwärme zur Kälteerzeugung oder der Einsatz adiabater Kühlsysteme (auf der Basis von Verdunstungskälte), versuchen daher weniger klimaschädliche Optionen der Gebäudeklimatisierung bereitzustellen. Bei Bestandsgebäuden im Wohnsektor bietet auch das angepasste Verhalten der Bewohnenden ein großes Potenzial zur Reduktion der sommerlichen Hitzebelastung, ganz ohne technische Aufrüstung [2]. Gebäude stehen nicht im luftleeren Raum Als Ursache für die Kühlbedarfe der Büro- und Verwaltungsgebäude nennt das Umweltbundesamt dezidiert bauliche Aspekte: Ein (zu) hoher Anteil verglaster Flächen und fehlende bzw. unzureichende Verschattung [1]. Auch hier gibt es architektonische „Lowtech“-Ansätze (wie zum Beispiel das „Bürohaus 2226“ oder der „Alnatura Campus“ (Bild 1)), deren Ziel es ist, durch Ausnutzung der thermischen Masse sowie einer geschickten Verschattung und Besonnung ganzjährig ein angenehmes Raumklima bereitstellen. Der „Alnatura Campus“ nutzt zusätzlich Zuluft, die mit Hilfe eines Erdkanals vorkonditioniert wird. Solche Ansätze verdeutlichen eine letztlich banale Tatsache: Gebäude stehen nicht im luftleeren Raum, sie interagieren mit ihrer Umgebung, werden durch diese beeinflusst und beeinflussen diese. Egal wie energieeffizient eine Kühltechnik ist, Umgebungs- und Innenraumtemperatur bleiben zwei entscheidende Einflussfaktoren, die sich immer auf Kühl- und damit Energiebedarfe auswirken. Im Zuge des Klimawandels wird sich das immer deutlicher zeigen: Für Städte, wie das bereits jetzt schon „warme“ Mainz ( Jahresdurchschnittstemperatur 10 °C, rund 44 Sommertage und 9,5 heiße Tage pro Jahr), wird beispielsweise bei fehlenden oder mäßigen Klimaschutzmaßnahmen mit einer Erhöhung der Jahrestemperatur um bis zu drei Grad für den Zeitraum 2035 bis 2065 gerechnet, verbunden mit bis zu 45 zusätzlichen Sommertagen und 30 zusätzlichen heißen Tagen, plus Zunahme der tropischen Nächte. Auch mit ambitionierten Klimaschutzmaßnahmen gehen die Prognosen für den Zeitraum 2035 bis 2065 von bis zu 27 bzw. 12 zusätzlichen Sommer- und heißen Tagen aus [3]. Damit erhöht sich der Zeitraum im Jahr mit Kühlbedarfen im ungünstigsten Fall dramatisch, bestehende und heute errichtete Gebäude werden „dagegen ankühlen“ müssen, wenn Arbeitsstätten, egal ob Büro- oder Gewerbenutzung, nutzbar bleiben sollen. Naturbasierte Lösungen nutzen Vor diesem Hintergrund gewinnt das „Stadtgrün“, also private und öffentliche Vegetationsflächen in einer Stadt, als Baustein zur Klimaanpassung an Bedeutung. Die stadtklimatische Wirkung von Stadtgrün ist gut erforscht (ein Klassiker ist zum Beispiel die städtebauliche Klimafibel [4]) und zeigt sich klar in der urbanen Hitzeinselverteilung: Die städtische Überwärmung ist da am höchsten, wo die geringste Verdunstungskälte und Verschattungskühle bereitgestellt werden und gleichzeitig die größten baulichen Speichermassen gegeben sind. In durchgrünten Wohnbebauungen mit niedriger Versiegelung ist der Wärmeinseleffekt immer am geringsten max. 90°C max. 90°C Überhitzung des ganzen Stadtgebietes + 2 K bzw. °C Stadtrand / geringe Versiegelung Stadtzentrum / hohe Versiegelung (+ 10 bis über 12 K bzw. °C ) (+3 bis 9 K bzw. °C ) max. 90°C max. 50°C Verdunstung - 30 bis - 60 % Innenstadt bis zu 100 % Gewerbe ca. 80-90 % Park fast 0 % ca. 35 % ca. 25-30 % Bild 2: Grün wirkt: In durchgrünten Stadtraumtypen mit niedriger Versiegelung ist die urbane Überhitzung deutlich geringer ausgeprägt, entsprechend geringer ist auch der Bedarf an Gebäudekühlung im Sommer. © Grafik: Sandra Sieber, 2022 42 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie ausgeprägt (Bild 2). Diese Effekte des Stadtgrüns sollen als Baustein zur Klimaanpassung verstärkt genutzt werden, damit unsere Städte auch bei zunehmender Überwärmung nicht zur (tödlichen) Gesundheitsgefahr werden. Die Anpassungen an Starkregenereignisse und Dürreperioden machen diese Zielstellung noch einmal komplexer (Bild 3). „Effizienz“ lässt sich als bestmögliche Nutzung übersetzen, die Idee der „Suffizienz“ geht einen Schritt weiter und fragt, ob eine Nutzung oder ein Mitteleinsatz überhaupt nötig ist. Aus dieser Perspektive betrachtet, sind Freiraumgestaltung und Gebäudebegrünung nicht nur Bausteine der urbanen Klimaanpassung, sondern auch Teil intelligenter Kühlkonzepte (Bild 4). Beim „Alnatura Campus“ ist es der angrenzende Kiefernbestand und das Erdreich, die in das „Kühlsystem“ miteinbezogen wurden, bei anderen Projekten wird die Kühlwirkung von Rasen- oder Wasserflächen (ebenfalls eine Form der adiabaten Kühlung) ausgenutzt. Der Architekt Klaus Daniels hat sich beispielsweise schon in den 1990er- Jahren mit den Möglichkeiten suffizienter Architektur und naturbasierter Lösungen auseinandergesetzt [5]. Im Kontext des Projekts „Grün statt Grau - Gewerbegebiete im Wandel“ haben Unternehmen der beteiligten Modellkommunen Parkplätze entsiegelt, Bäume gepflanzt und Dächer begrünt, um besser gegen zunehmende Wetterextreme gewappnet zu sein [6] Die „naturbasierten Lösungen“ des Stadtgrüns basieren hauptsächlich auf zwei Effekten: der Kühlung durch Verschattung und der Kühlung durch Verdunstung. Die Kühlfunktion von Grün resultiert vor allem aus der Verdunstung. Bei einem Hektar Laubwald wird von einer Verdunstungsleistung (Transpiration) von etwa 40 000 bis 60 000 Liter pro Tag ausgegangen, ausreichend Wasser vorausgesetzt. Auch der Boden verdunstet Bodenwasser (Evaporation) und trägt so zur Kühlleistung bei. Wo Plätze und Straßen nicht durch Gebäude verschattet werden, wie in den meist schmalen Gassen historischer Altstädte, können Bäume mit ihrem Blattwerk den Wärmeeintrag reduzieren. Je nach Art und Sorte variiert die „Verschattungsleistung“ von Bäumen und bietet so Gestaltungsspielräume. Laubwälder sind tagsüber immer kühler als bebaute Bereiche, 20° C -20° C 39° C 50° C 30° C Geothermie in PV auf Kühlung Verdunstung Regenwasser- Regenwasser- Solarthermie PV Temperatur Temperatur Verdunstung Bild 3: Eine kommende Herausforderung: das Jahr im Klimawandel. © Grafik: Sandra Sieber, 2022 Bild 4: Stadtgrün und naturbasierte Lösungen als Bausteine intelligenter oder suffizienter Gebäude- Konditionierungskonzepte. © Grafik: Sandra Sieber, 2022 43 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie welche im Idealfall von der kühleren Luft profitieren können, nachts sorgen Wiesenflächen für eine gute Nachtauskühlung [4]. Wo der Platz für Bäume fehlt, kann die Fassadenbegrünung eine Alternative sein. In Kombination mit einem Rankgerüst kann sie auch größere Glasfronten im Sommer verschatten, nach dem Laubfall im Herbst können erwünschte winterliche Wärmeeinträge wieder genutzt werden. Gerade für Bestandsgebäude, die sich im Sommer stark aufheizen kann die Fassadenbegrünung eine Alternative zu technischen Kühlsystemen sein. Pflanzen für Fassadenbegrünungen können aber auch als „grünes Dach“ jede gewünschte Fläche verschatten. Solche Pergolen sind klassische Elemente der Gartenkultur und wurden beispielsweise in Gärtenstädten als verbindendes Element zwischen Freiraum und Gebäude eingesetzt. Im Zuge der Klimaanpassung hätten begrünte Pergolen definitiv eine Renaissance verdient. Bei Dachbegrünungen hängt die Verdunstungskühle von Schichtaufbau/ Schichtstärke und Niederschlag ab. Ein extensives Gründach wird im Verlauf einer Dürreperiode kaum noch Verdunstungskälte bereitstellen, dafür überstehen die robusten Pflanzen dieses Gründachtyps Trockenperioden sehr gut. Wenn seitens der Statik von Anfang an eingeplant, können spezielle Retentionsdächer Niederschläge aber auch zurückhalten und allmählich verdunsten. Sie fungieren dann gleichzeitig als Baustein zur Starkregenvorsorge. Lage der Stadt (Klimazone) Größe der Stadt (Ausprägung des Stadtklimaeffekts) Art / Materialität der Bebauung (z.B. Verwundbarkeit gegenüber Hochwasser ... Umgebende Bebauung (Höhe, Dichte, Grad der Versiegelung, Ausdehnung ...) Grundwasserstand (Gefahr bei Hochwasser, Potenzial für Stadtgrün ...) Gewässer (Gefahr bei Hochwasser, Potenzial für Durchlüftung / Kühlung ...) Retentionsraum (Potenzial zur Aufnahme von Hochwasser und Starkregen ...) Landnutzung im Umland (z.B. Kaltluftentstehung, aber auch Potenzial von Schlammlawinen ...) Niederschlag (Summe pro Jahr, Verteilung pro Jahr, Starkregengefahr ...) Besonnung (Sonnenstunden pro Jahr ...) Topographie der Stadt / im Umland (z.B. Luftleitbahnen, aber auch Gefaher von Schlammlawinen oder Sturzfluten..) Grünsysteme (Anteil Stadtgrün, Verteilung, Gewässer ...) Boden-Art (Versickerungsfähigkeit, Wasserhaltefähigkeit ...) Barrieren im Stadtgebiet (Barriere für Luftaustausch / Luftleitbahnen, aber auch Regenwasser/ Hochwasser ...) Herausforderungen Wichtigste Grundlage (und zukünftige Herausforderung) für den Einsatz von Stadtgrün als naturbasierter Lösung ist die Verfügbarkeit von Wasser: Ohne Wasser kein Pflanzenwachstum, ohne Pflanzenwachstum kein dichtes Blattwerk, ohne dichtes Blattwerk keine Verschattung und Verdunstung. Die Beachtung der Standortansprüche von Pflanzen, eine ausreichende Bewässerung in den ersten Jahren und die Möglichkeit einer Notbewässerung in Dürreperioden werden essenziell. Insbesondere im Straßenraum mit seiner hohen Versiegelung und Aufheizung, der andauernden Gefahr der Beschädigung und dem oft geringen/ ungünstigen Wurzelraum, wird der Baum zukünftig entweder zum „Premiumkunden“ oder zum Ausfall. Wenn Pflanzen als Baustein eines innovativen „Kühlsystems“ fungieren sollen, braucht es zukünftig auch eine Auseinandersetzung mit dem Thema des dezentralen Regen- oder Brauchwassermanagements. Was aus der Perspektive einer nachhaltigen, an Wetterextreme angepassten Stadtentwicklung natürlich kein Nachteil wäre. Die Herausforderung wird darin bestehen, Wasser für Pflanzen so verfügbar zu machen, dass sie im Sommer profitieren, bei Dauer- und Starkregen aber auch keinen Schaden nehmen. Hier sind wieder die Pflanzenauswahl und das passende Pflanzsubstrat entscheidend. Weitere Rahmenbedingungen können vorhandene Gewässer, der Grundwasserstand oder die Bodenart sein (Bild 5). Technische und planerische Lösungen, um die Wasserversorgung des Stadtgrüns zu verbessern gibt es einige, zum Beispiel Baumrigolen (unter anderem in Bochum realisiert). Sie sollen Wasser, das im Straßenraum anfällt, vor Ort halten und so für die Straßenbäume verfügbar machen. Ein Beispiel für ein bestehendes dezentrales Regenwassermanagement ist der „Technologiepark Adlershof“ in Berlin, hier lässt sich die Kombination von Bild 5: Rahmenbedingungen mit Auswirkungen auf das Stadtgrün (graue Schrift) und mögliche Potenziale/ Risiken in Bezug auf Starkregenereignisse (baue Schrift). © Grafik: Sandra Sieber, 2022 44 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie Versickerung und Bepflanzung in unterschiedlichen Varianten begutachten. Für private Gebäude wäre der Einbau einer Zisterne ein einfacher Baustein bei der Starkregen- und Dürrevorsorge sowie bei der Einsparung von Trinkwasser. Die technisch ebenfalls mögliche Nutzung von Regenwasser in Wohn-, Büro- oder Verwaltungsgebäuden (zum Beispiel für Toilette oder Waschmaschine) scheitert in der Praxis bislang meist an den Kosten des separaten Leitungsnetzes. Gleiches gilt für die Wieder-Nutzung von Grauwasser (das beispielsweise beim Duschen anfällt), welches ebenfalls als Wasser-Reserve diskutiert wird. Die genannten Beispiele zeigen auch: Die komplexen Herausforderungen des Klimawandels können nur im Zusammenspiel unterschiedlicher Disziplinen (bzw. unterschiedlicher Verwaltungen auf kommunaler Ebene) angegangen werden. Die größte Herausforderung beim Einsatz naturbasierter Lösungen des Stadtgrüns ist aber weiterhin die Forderung nach finanzieller und energetischer Bilanzierung. Noch sind Bäume und Fassadenbegrünung keine Standardwerte, die in üblichen Programmen zur energetischen Bilanzierung von Gebäuden einfach miteingerechnet werden, wie Wandaufbau und Dämmmaterial. In Bezug auf Gebäudeumgebung oder Stadtquartiere sind stadtklimatische Simulationen durchaus möglich, mit ihnen können freiraumplanerische Entwürfe stadtklimatisch optimiert werden [7]. Bei Anlagen zur dezentralen Versickerung sind Berechnung und Nachweis Standard, auch Konditionierungssysteme wie der „Erdkanal“ werden dimensioniert und bilanziert. Ob solche Verfahren und Systeme sich dann allerdings „rechnen“, hängt im Wesentlichen von den Kosten der Alternativen (Entwässerung in Kanal bzw. konventionelle, fossile Gebäudekonditionierung) ab. Wo auf gesamtstädtischer Ebene mehr Stadtgrün gefordert wird, muss gewährleistet sein, dass die kommunalen Grünflächenämter und Abteilungen, diesen Mehraufwand auch stemmen können, denn er ist ja ein „Benefit“ für die gesamte Kommune. Chancen Wo naturbasierte Lösungen klar im Vorteil sind: Sie sind meist robust, wenig störanfällig und im Idealfall multifunktional - wie das Stadtgrün, das (fast) immer eine Verbindung von Klimaanpassung, Biodiversität und Aufenthaltsqualität bietet. Die multiplen Herausforderungen des Klimawandels bergen die Chance zur weiteren Entwicklung von „smarten“ Lösungen, wie sie aktuell mit den Baumrigolen erprobt oder in Form von dezentralen Regenwassersystemen schon längst etabliert sind. Die Themen Stadtklima, Klimawandel und Klimaextreme werden auch in Studium und Ausbildung immer wichtiger, Pflanzenwissen gewinnt wieder an Bedeutung, der Einsatz von Grün aus Gründen der Klimaanpassung wird sich zunehmend etablieren. Denn: Eine Außenanlage kostet nicht automatisch mehr, wenn sie mit der Zielstellung der Klimaanpassung geplant wird, sie sieht vielleicht nur etwas anders aus. Stadtgrün kann sehr viel bieten, es ist an uns, diese Angebote gezielt einzusetzen. LITERATUR [1] Umweltbundesamt: Gebäudeklimatisierung, 2020. https: / / www.umweltbundesamt.de/ themen/ klimaener gie / f luorier te treibhausga s e -fck w/ anwen dungsbereiche-emissionsminderung/ gebaeudeklimatisierung [2] Vgl. Ergebnisse des Projekts „HeatResilientCity“, http: / / heatresilientcity.de/ [3] Pfeifer, S., Bathiany, S., Rechid, D.: Klimaausblick Mainz und angrenzende Landkreise, Climate Service Center Germany (GERICS), eine Einrichtung der Helmholtz- Zentrum hereon GmbH, 2021. https: / / www.gerics. de/ klimaausblick-landkreise [4] Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg: Städtebauliche Klimafibel, Hinweise für die Bauleitplanung, 2012. https: / / www. staedtebauliche-klimafibel.de [5] Daniels, K.: Low-Tech Light-Tech High-Tech: Bauen in der Informationsgesellschaft, Birkhäuder Verlag, Basel-Boston-Berlin, 1998. [6] Vgl.: Verbundprojekt und Netzwerk „Grün statt Grau - Gewerbegebiete im Wandel“, http: / / gewerbegebiete-im-wandel.de/ , Rubrik „Tipps“. [7] Laue, H.: Klimagerechte Landschaftsarchitektur - Handbuch zum Umgang mit Elementen und Faktoren des Klimas im Freiraum, Patzer Verlag, 2021. Dr.-Ing. Sandra Sieber Wissenschaftliche Mitarbeiterin Technische Universität Darmstadt FG Entwerfen+ Freiraumplanung Kontakt: sieber@freiraum.tu-darmstadt.de AUTORIN