Wie sich Städte gegen Hitze rüsten

Reflektierender Straßenlack

Das zeigt sich deutlich im Los Angeles County. Dort gibt es täglich bis zu zehn durch Hitze bedingte Todesfälle. Die Stadtverwaltung streicht daher in einem Pilotprojekt Straßen im Süden des Verwaltungsbezirks heller an, damit sie mehr vom Sonnenlicht reflektieren. „CoolSeal“ heißt die hellgraue Farbe, die gummibestiefelte Straßenarbeiter eimerweise auf die Straßen von Los Angeles auskippen und von Hand verstreichen. Auf den ersten Blick funktioniert CoolSeal gut. Die behandelte Straßenoberfläche ist um bis zu sechs Grad Celsius kühler als vor dem Anstrich.

Doch ein genauer Blick auf die Abstrahlung bringt Ernüchterung. In einer Studie haben Forscher der Universitäten von Arizona und Kalifornien gezeigt, dass die reflektierte ultraviolette Strahlung die Temperatur über dem Asphalt sogar um bis zu vier Grad erhöhen kann. Wer zum Beispiel per Fahrrad dort unterwegs ist, für den wird es auf der eigentlich kühlenden Straße noch heißer. Aber auch Fußgänger bekommen mehr Hitze ab. Denn bei niedrigem Sonnenstand strahlt CoolSeal die Gehsteige stärker an und verstärkt deren Hitzeinseleffekt sogar. „Ein Allheilmittel sind reflektierende Beläge also nicht“, resümiert das Forscherteam.

Eine lebende Klimaanlage

Ein besseres Kühlsystem sind Bäume. Auf den Gehwegen neben den hellen Straßen pflanzt Los Angeles vereinzelte Laubbäume. Deren Kühleffekt kommt nicht nur durch die Beschattung zustande. Hinzu kommt: Über die Blätter verdunstet Wasser, das der Umgebungsluft Wärme entzieht. Deshalb ist es unter einem Baum kühler als etwa unter einem gleich großen Sonnensegel. Am besten kühlen Laubbäume, weil durch die größere Oberfläche ihrer Blätter mehr Wasser verdunstet als auf Nadelbäumen. Welche Laubbaumart am besten kühlt, hat Thomas Rötzer in München untersucht. In einer Studie von 2018 verglich der Wissenschaftler am Institut für Wachstumskunde der Technischen Universität München die Kühlleistung von Winterlinden mit der von Robinien. Zwischen Erdreich und Baumkrone war es unter Robinien bis zu 1,5 Grad kühler als in der Umgebung. Die Winterlinde schafft es hingegen nur auf ein halbes Grad Unterschied.

„Ein wichtiger Faktor ist der Boden unter den Bäumen“, sagt Rötzer. „Feuchtes Erdreich speichert Wärme länger als Asphalt und leitet einen Teil der Wärme nach unten hin ab.“ Unter einem großen Laubbaum kann es an besonders heißen Tagen zwischen vier und acht Grad kühler sein als in der Umgebung. Doch ohne viel saugfähiges Erdreich verlieren die Bäume diese Fähigkeit. Der Münchner Wissenschaftler hat auch das getestet und dafür Platanen und Linden in Töpfe gepflanzt. Zwar gibt es durch diese Bäume einen kleinen Kühleffekt. Doch der ist wegen des schwachen Wachstums im Topf gering, berichtet Rötzer.

Für die Städteplaner kann der Forscher Topfbäume also nicht empfehlen. Stattdessen sei es sinnvoll, in Stadtparks mit Grasflächen zu investieren. „Der Kühleffekt eines kleinen Parks trägt etwa 50 Meter über seine Grenze hinaus“, stellt Rötzer fest. Viele kleine Parks, deren kühle Auslaufzonen sich überlappen, seien daher besser als eine große Grünanlage.

Kanäle, Teiche und Wassergräben hingegen leisten keinen großen Beitrag zu Kühlung städtischer Hitzeinseln. Das haben niederländische und deutsche Umweltwissenschaftler belegt, die deren Verdunstungseffekt in einem 3D-Mikrowettersimulator simulierteen.

Ein besseres Maß für die Hitzelast

Dieselbe Software nutzt auch Ariane Middel. Die Klimainformatikerin der Arizona State University wohnt in der heißesten Stadt der USA: in Phoenix. Schon im Juni wird es dort bis zu 45 Grad Celsius heiß. Ihre Klimamodelle füttert sie mit Temperaturdaten, die sie in der Umgebung von Phoenix sowie in anderen US-Städten sammelt. Middel interessiert sich aber weniger für die Luft als vielmehr für die Strahlungstemperatur, die aus allen Richtungen auf die Menschen einwirkt, unter Fachleuten kurz als MRT (Mean Radiant Temperature) bezeichnet.

„Wenn in Phoenix die Luft tagsüber 45 Grad Celsius heiß wird, können dabei 75 Grad Celsius und mehr an Strahlungstemperatur auf den menschlichen Körper einwirken“, sagt Middel. Die MRT sei das realistischere Maß, um die Behaglichkeit zu messen. Mit einem handelsüblichen Thermometer geht das allerdings nicht. Deshalb hat die Forscherin „MaRTy“ gebaut, einen mit Sensoren vollgepackten Handkarren. Auf einem Metallgestänge hat Middel darin nicht nur Sensoren für Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit montiert, sondern auch Strahlungsmessgeräte. Die zeichnen elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge auf, die aus allen Richtungen eintrifft.

In der unmittelbar an Phoenix grenzenden Stadt Tempe rollte die Forscherin MaRTy durch verschiedene Bereiche, darunter den Campus ihrer Universität. Den höchsten MRT-Wert fand sie in einer Straßenschlucht zwischen zwei Universitätsgebäuden, wo die Luft nicht abströmen konnte. Dort wirkten an einem heißen Junitag mehr als 76 Grad Celsius auf den menschlichen Körper ein. Weil die Feldarbeit bei Lufttemperaturen von bis zu 48 Grad Celsius beschwerlich ist, planen Middel und ihr Team ihre Exkursionen vorab per Google Maps.

Die Wirkung von Schattenspendern

Das tat Ariane Middel auch für eine Schattenstudie, bei der sie mit dem Forschungskarren an 159 Standorten in Tempe maß, wie gut Schattenspender wie Bäume, Sonnensegel und Photovoltaikmodule ihre Umgebung kühlen. Die Lufttemperatur war an allen Orten bis auf wenige Grad ähnlich hoch. MaRTy maß aber Unterschiede bei der MRT von bis zu 50 Grad. Dieser Unterschied zeigte sich besonders gut unter Bäumen. Die Luft zwischen Baumkrone und Boden war nur um einige Grad kühler als direkt daneben in der prallen Sonne. Doch die Strahlungstemperatur war unter dem Baum um 33 Grad niedriger.

Die Studie zeigt auch, dass Bäume die wärmende Wirkung der Hitzeinseln nachts sogar etwas verstärken. Weil die Hitze schlecht durch dichte Baumkronen aufsteigen kann, bleibt es nach Sonnenuntergang unter den Bäumen um etwa drei Grad wärmer. „Die besten Schattenspender sind nicht Bäume, sondern Gebäude“, stellt Middel fest. Im Schatten von Tempes Hochhäusern war die Strahlungstemperatur um bis zu 50 Grad niedriger als anderswo. Aus den Studien der Klimainformatikerin leitet die Stadtverwaltung von Tempe nun Maßnahmen wie den Ausbau reflektierender Straßen und das Pflanzen von mehr Bäumen ab.

Um zu verstehen, wie sich die Menschen auf Hitzeinseln verhalten, errichtet Middel gerade ein Netzwerk intelligenter Sensoren, die auf Laternenmasten im Stadtpark von Tempe gepfropft werden sollen. Sie verwenden vereinfachte Sensoren, die nicht ganz so rasch wie MaRTy auf jede vorbeiziehende Wolke reagieren, dafür aber wesentlich billiger sind und den Park engmaschig überwachen. In den „MaRTiny“ genannten Kisten sind neben den Temperatur- und Strahlungssensoren auch Minicomputer und Kameras verbaut. Sie zeichnen die Bewegungen der Parkbesucher anonymisiert auf, und eine Software verknüpft die Bewegungs- mit den Hitzedaten. Dadurch will die Stadt verstehen, bei welchen Temperaturen ihre Bewohner den Park aufsuchen.

Ein 3D-Modell der Stadt

Die ganzen 1.300 Quadratkilometer Fläche von Phoenix mit einem Handkarren abzufahren, geht natürlich nicht. Deshalb arbeitet Ariane Middel auch mit einem 3D-Modell der Stadt, das zuvor von Flugzeugen und Drohnen per Laserscanner erfasst wurde. Daraus erstellt sie einen „digitalen Zwilling“ der Stadt, in den Daten wie Sonnenstand, Schattenwurf und die verschiedenen Oberflächentypen der Gebäude und Straßen einfließen. Mit einer Auflösung von nur einem Meter lässt sich dann simulieren, in welchen Vierteln die Hitzeinseln am stärksten strahlen. „Leider haben vor allem die Bürgersteige kaum Schatten“, bedauert Middel. „Gerade dort würde er am dringendsten benötigt. An diesen Punkten will die Stadt jetzt 1.800 Bäume pflanzen.

Schattenspendende Bäume gibt es in Singapur bereits genug. Der Stadtstaat arbeitet schon seit vielen Jahren daran, die Behaglichkeit für seine Bewohner zu verbessern. Die Temperaturen hier sind zwar moderater, doch gepaart mit der hohen Luftfeuchtigkeit für viele Bewohner schwer zu ertragen. Deshalb kommen in etwa 80 Prozent der Gebäude Klimaanlagen zum Einsatz, die durch das Auspumpen heißer, feuchter Luft den Hitzeinseleffekt weiter verstärken. Die Klimageräte schlucken fast 20 Prozent der in Singapur verbrauchten Energie. Der elektrische Strom dafür stammt aus Turbinen, die von teurem, importiertem Erdgas angetrieben werden.

Auch deshalb hat Singapur das Projekt „Cooling Singapore“ ins Leben gerufen, für das namhafte Universitäten wie die ETH Zürich und die Cambridge University eigene Forschungszentren in dem asiatischen Stadtstaat aufgebaut haben. Hier forschen Wissenschaftler aus aller Welt daran, Singapur zu kühlen und künftige Bauten so zu planen, dass sie angenehm kühl sind, ohne dabei den Stromverbrauch und den CO2-Fußabdruck weiter in die Höhe zu treiben. Zu den vielen dafür genutzten Maßnahmen gehört der Ausbau von Fernkältenetzen.

Fernkälte für das Luxushotel

Ein solches Netz ist bereits seit Jahren im Marina Bay Sands-Hotel in Betrieb, von dessen Aussichtsplattform in 200 Metern Höhe man gut die Marina-Bucht überblicken kann. Die klimatisierte Luft stammt aus unterirdischen Kältemaschinen, die kaltes Wasser durch ein Rohrleitungssystem nach oben pumpen. Dort gelangt es zuerst in Wärmetauscher und wird dann über Kondensatoren, Boden- und Deckenkühlungen in die 2.200 Gästezimmer geleitet.

Das Wasser in dem geschlossenen Rohrkreislauf erwärmt sich dabei auf zwölf Grad Celsius. Nach dem Kühlen der Räume wird das warme Kühlwasser zurück in die unterirdischen Kältemaschinen der Anlage gepumpt. Dort verläuft das Rohr durch zwei große Metallzylinder, in denen seine Temperatur wieder gesenkt wird. In dem ersten Zylinder herrscht Unterdruck. Dort versprühen Düsen eine fein zerstäubte Salzlösung und Süßwasser. Wegen des Unterdrucks verdampft dieses Wasser bereits bei niedrigen Temperaturen und wird vom Salzwasser absorbiert. Dieser Prozess benötigt Wärme, die dem Rohr mit dem aus den Gebäuden zurückgeführten, erwärmten Kühlwasser entzogen wird.

Das Wasser im Rohr kühlt sich dabei auf sechs Grad Celsius ab und wird danach wieder in die Gebäude gepumpt. Doch die Salzlösung ist jetzt wegen der Aufnahme des Sprühwassers zu stark verdünnt. Ihre Kühlfähigkeit hat sie damit verbraucht. Deshalb pumpt die Kältemaschine die Salzlösung in den zweiten Zylinder und erhitzt sie dort. Ein Teil des Wassers verdampft, und der Salzgehalt steigt. Die dafür nötige Wärme ist „recycelt“: Sie stammt aus einer Müllverbrennungsanlage, wodurch sich bis zu 70 Prozent der Energiekosten sparen lassen. Nach dem Dampfbad läuft die frische Salzlösung zurück in den ersten Zylinder, um das Kühlwasserrohr neu zu kühlen.

Neue Netze sollen bald entstehen

Das unterirdische Rohrsystem des derzeit weltgrößten Fernkältenetzes versorgt neben dem Marina Bay Sands-Hotel noch 22 weitere Gebäude. Bis 2025 soll das Netz auf 28 Gebäude ausgeweitet werden, und es entstehen neue Fernkältenetze in der Stadt. Damit die Städteplaner wissen, wo sie diese am besten bauen können und welche Kältemaschinen sie dabei einsetzen sollten, arbeitet der Energieingenieur Mathias Niffeler vom Singapore-ETH Centre an einem digitalen Zwilling von Singapur. „Echte Daten der Gebäude zu bekommen, ist schwierig, weil sie in Privatbesitz sind“, sagt er. „Daher treffen wir Annahmen zu Fensterflächen, Isolation und Stockwerkhöhe der Gebäude und füttern das Modell damit.“

In das Klimamodell fließen auch Daten zur Verkehrsdichte und zur Windströmung zwischen den Gebäuden ein. Damit simuliert Niffeler den Kältebedarf einzelner Häuser und ganzer Stadtviertel. Am Ende kommt für die Stadtplaner eine einfach zu bedienende Software heraus, die eine Empfehlung gibt, ob es sich überhaupt lohnt, ein bestimmtes Viertel mit Fernkälte zu versorgen. Ist ein Gebäude zu weit vom Fernkältewerk entfernt, kann die Antwort mitunter „Nein“ lauten.

Empfehlungen per Software

Niffelers Software empfiehlt je nach Kältebedarf gleich die beste Kältemaschine für den Bedarf dazu. In der Vergangenheit seien Fernkältewerke wie jenes an der Marina-Bucht eher willkürlich platziert worden, sagt der aus der Schweiz stammende Forscher. Seine Software soll es den Städteplanern einfach machen, künftig wissenschaftsbasiert den besten Standort für Fernkältezentralen auszuwählen. Bequem ist, dass das Programm gleich eine Auswahl von mehreren Technologien vorschlägt. So können die Städteplaner selbst entscheiden, ob sie lieber eine Stromspar- oder eine Hochleistungskältemaschine einbauen wollen. Bis zum Sommer 2024 wird das Projekt „Cooling Singapore“ abgeschlossen sein. Niffelers Wunsch ist, dass die Software dann entweder von einem Startup-Unternehmen weitergeführt oder zu Open Source wird – also ihr Programmcode für jedermann zugänglich und bearbeitbar ist.

Allerdings: Einfach kopieren und mit den Daten einer anderen Stadt füttern lassen sich die digitalen Stadtmodelle nicht. Parameter wie Sonneneinstrahlung, Windströmungen und Stadtdesign unterscheiden sich zu stark. Ein Kopieren der Modelle ist auch gar nicht notwendig, denn die Hitzeinseln jeder Stadt haben unterschiedliche Ursachen, die maßgeschneiderte Lösungen benötigen. Doch Vorbildcharakter haben die Projekte aus Madrid, Phoenix und Singapur. Denn beim aktuellen Erwärmungstrend werden bald auch Städte von dem Wissen profitieren können, in denen die Sommernächte heute noch recht kühl sind.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…