Quartiere als grüne Infrastruktur für Energie und Klima

Die fortschreitende Überwärmung in Mitteleuropa und die mit dem Klimawandel einhergehende Notwendigkeit eines nachhaltigen Wassermanagements, erfordern technische Lösungen zur Kühlung von Luft, Straßen, Plätzen und anderen Flächen, von Gewässern sowie Innenräumen. Klimaanlagen sind eine Option für die Gebäudekühlung, haben jedoch Nachteile, denn sie tragen zur Erwärmung des urbanen Mikroklimas bei. Im Außenbereich umfassen technische und naturbasierte Maßnahmen im Rahmen integrierter Quartierskonzepte etwa Verschattung, gezielte Begrünung, das Pflanzen zusätzlicher Stadtbäume und Tiny Forests sowie die Umsetzung von Schwammstadtprinzipien einschließlich Pflege und Neuanlage von Wasserflächen. Damit kann gezielt auf die Belastungen reagiert werden. Gesundheit, Lebensqualität und Teilhabe der Bevölkerung werden so zu integralen Zielen energetischer Sanierung.

Saisonale Begrünung ermöglicht zudem nicht nur kurzfristig Verschattung und Verdunstungskühlung, sondern lässt sich auch stofflich verwerten. Sie kann als Kohlenstoffsenke dienen oder zur Energieproduktion eingesetzt werden.

Eine durch Flächenaktivierung, Wärmepumpen und Luftkühler ergänzte grüne Infrastruktur stärkt effektiv Gesundheit, Lebensqualität, Klimaschutz und Teilhabe im Quartier, gerade in dicht bebauten urbanen Räumen.

Ausgangslage und Problemstellung

Der Klimawandel führt in Deutschland zunehmend zu extremen Hitzewellen, die sich als tödliche Naturereignisse erwiesen haben. Ein Temperaturanstieg um nur 1 °C erhöht die Sterblichkeit signifikant. Besonders gefährlich sind mehrtägige Hitzeperioden ohne nächtliche Abkühlung. Langanhaltende Rekordtemperaturen wie in den Sommern 2003 (9.355 Todesopfer) oder 2022 (8.173 Todesopfer) verdeutlichen die Dringlichkeit des Handelns.

Neben gesundheitlichen Risiken entstehen soziale Ungleichheiten: Wer Zugang zu Grünflächen, Klimaanlagen und Schatten hat, ist deutlich weniger betroffen als Menschen, die in dicht bebauten Quartieren leben oder körperliche Arbeit im Freien verrichten.

Mit Blick auf Anpassungsmaßnahmen an Klimafolgen und insbesondere den Hitzeschutz hat der Gesetzgeber mit dem Klimaanpassungsgesetz (KAnG) bereits seit Juli 2024 verbindliche Grundlagen geschaffen. Angesichts vielfältiger Probleme ist die isolierte Betrachtung einzelner, nachfolgend aufgeführter Problembereiche jedoch nicht zielführend, da sie derart eng miteinander verflochten sind, dass jede Änderung in einem Bereich dieses Systems Auswirkungen auf alle anderen Bereiche hat:

• Klimawandel (Nutzung erneuerbarer Energien)
• Luftverschmutzung
• Starkregenereignisse
• Ästhetik und Lebensraumgestaltung
• (Wohn-)Nebenkosten
• Polarisierung der Gesellschaft durch das Gefühl, abgehängt zu sein, sowie Ohnmachtsgefühle
• Grundwasserneubildung
• urbane Wärmeinseleffekte (Boden, Grundwasser und Mikroklima).

Das kann einerseits dazu führen, dass sich Ziele gegenseitig behindern. Andererseits können sich aber auch Synergien ergeben, die eine Zielerreichung erleichtern. Im Folgenden sollen Hitzeschutzmaßnahmen im Zusammenhang bewertet werden.

Maßnahmen zur Hitzeentlastung

Wird Solareinstrahlung von Oberflächen reflektiert statt absorbiert, kann sie nicht in Wärme umgewandelt werden. Eine der effektivsten und preiswertesten Methoden zum Hitzeschutz ist daher die Herstellung reflektierender Oberflächen. Nicht umsonst sind in den südlichen Klimazonen Gebäude, insbesondere deren Dächer, vielfach in Weiß gehalten. So genannte „Cool Roofs“ etwa senken Temperaturen um bis zu 2 °C.

Auch bei Straßenflächen führt Aufhellung zu mehr Reflexion der Solareinstrahlung und verbessert so das Mikroklima. Die am Tag in versiegelten Flächen gespeicherte Wärme wird nachts abgestrahlt und heizt die umgebenden Gebäude auf. Schon ein heller Asphalt reduziert die Oberflächentemperaturen um bis zu 8 °C.

Straßen als Wärmekollekor: Pro m² Asphaltfläche und Jahr können bis zu 300 kWh thermische Energie anfallen. Hier: Thermoaktive Power-Road vor einem Schwimmbad in Frankreich. Bild: Power-Road by Eurovia

Verschattung ist elementar zur Schaffung erträglicher Aufenthaltsbedingungen sowohl im Außenbereich als auch in Innenräumen. Im Außenbereich sind etwa Verschattungselemente wie Sonnensegel, Markisen usw. vorteilhaft, die idealerweise nur temporär eingesetzt werden: Tagsüber begrenzen sie die Einstrahlung, nachts ist eine Wärmeabstrahlung in den Nachthimmel möglich.

Saisonale Begrünung statt langfristiger Baumaufzucht mit schneller Kühlwirkung dient als sofortige Kohlenstoffsenke und Schattenspender z. B. für Spielplätze. Dies ermöglicht auch Bürgerengagement. Das VERD° Pflanzensegel aus Flachs wird im Frühjahr bepflanzt und im November gerefft. Bild: OMC°C

Eine ausreichende Wasserversorgung vorausgesetzt, erzielen Bäume durch Reflexion und Absorption in Kombination mit Verdunstung eine gefühlte Temperatursenkung von 15 bis 20 K. Da sie jedoch die nächtliche Wärmabstrahlung behindern, hat die Kühlung im Quartier Grenzen. Dennoch bieten sie zahlreiche weitere Vorteile: Die Aufenthaltsqualität steigt durch ihre ästhetische Wirkung, sie reduzieren den Anteil von Ozon, Stickoxiden, Kohlenmonoxid, Feinstaub und Sulfur in der Luft und das Laub wirkt als Schallschutzbarriere. Zudem bieten sie Lebensräume für die urbane Fauna.

Ähnliche Vorteile haben auch bodennahe Begrünungsmaßnahmen wie Fassadenbegrünungen und so genannte „Tiny Forests“ – gemischte Intensivbepflanzungen auf kleinstem Raum – die die Biodiversität und CO₂-Absorption bis zu 30× effizienter steigern als Monokulturen.

Solche lokalen Maßnahmen, zu denen auch mit Vegetation versehene „Stadtmöbel“ gehören, erfordern Pflege und Bewässerung, eignen sich aber durch ihre unmittelbare Sichtbarkeit und Pflegeerfolge auch zur Beteiligung der Stadtgesellschaft (z. B. durch Baumpatenschaften, Baumscheibenpflege, …) und insofern zur Steigerung der Selbstwirksamkeit der Bürgerinnen und Bürger.

Kosten und Nutzen, Vor- und Nachteile von Dachbegrünungen

Dachbegrünungen haben oft allenfalls eine begrenzte Kühlwirkung (0,3 bis 1 °C) oder sind sogar nachteilig. Anders als „cool roofs“, können sie die Abkühlung behindern und bei Trockenheit sogar wärmend wirken. Besonders kritisch sind hier extensiv begrünte Dächer ohne Bewässerung. Ohne Wasser gibt es keine Verdunstung, die Vegetation stirbt teilweise ab. Das Substrat wirkt dann wie dunkler Boden, der Wärme absorbiert und speichert. Die Oberflächentemperaturen steigen ähnlich wie bei Bitumen und die Kühlwirkung kippt komplett. Während rein extensive Gründächer nur geringen Pflegeaufwand erfordern, ist er bei ihrer Kombination mit Sonnenkollektoren oder Photovoltaik sogar höher als bei intensiven Gründächern, da sich unter den Solaranlagen Vegetation ansiedelt und ausbreitet und dann schwer zu beseitigen ist. Das Substrat der Dachbegrünung nimmt zudem nicht genug Wasser auf, um die Pufferung von Starkregenereignissen zu unterstützen. Vorteilhafter sind deshalb „blaue Dächer“ statt Retentionsdächer mit Substrat.

Gründach versus „Blaues Dach“ mit PV(T)-Überdeckung Bild: eZeit Analytics

Bei einer Kosten-Nutzen-Abwägung müssen außerdem der finanzielle Mehraufwand bei Investition, Pflege und Rückbau/Entsorgung sowie die Revisionsmöglichkeiten („Leckagesuche“) bedacht werden. In Anbetracht der bereits heute sozial bedenklichen Mietnebenkosten ist hier erhöhte Sensibilität erforderlich.

Bewertet werden muss auch der Einsatz grauer Energie bzw. die Ökobilanz, etwa, welcher energetische und klimapolitische Nutzen dem Aufwand gegenübersteht und wieviel nicht recyclingfähiger Mischmüll beim Rückbau entsteht. Eine Ausnahme ergibt sich für Dachbegrünungen allenfalls bei begehbaren Dächern, wenn sie der Erhöhung der Aufenthaltsqualität dienen.

Nicht nur nützlich: Verdunstungskühlung

Verdunstungskühlung ist lokal sehr wirksam gegen Hitze. Städte speichern Wärme („urbaner Hitzeinseleffekt“), da zu viele Flächen mit Asphalt und Beton versiegelt sind und es zu wenig Vegetation gibt. Entsiegelung, mehr Vegetation und die Anlage von Wasserflächen verbessern das Mikroklima. Vernebler können bis zu 8 K Temperaturreduktion bewirken. Nachteilig ist neben dem Wasserverbrauch allerdings die Erhöhung der Luftfeuchtigkeit, die zu Schwüle führen kann und die Anreicherung der Luft mit Wasserdampf.

Erhöht sich die Verdunstung aus Oberflächen, Gewässern und Vegetation in großräumigen Stadtgebieten jedoch signifikant, entsteht lokale Instabilität: Warme, feuchte Luft steigt leichter auf, reduziert Wärmeabstrahlung in den Himmel, es können sich Konvergenzzonen bilden, die Gewitterzellen anziehen oder verstärken. Resultat sind intensivere Niederschläge bei Starkregenereignissen, oft am Stadtrand oder in der Stadt selbst.

Gebäude- und Quartierskühlung zusammen denken

Insbesondere vulnerable Gruppen benötigen erträgliche Raumtemperaturen. So ist etwa in Krankenhäusern ein positiver Effekt von Raumkühlung auf die Heilung nachgewiesen. Die Gebäudekühlung mit Klimaanlagen heizt allerdings die Umgebung um den Betrag der entzogenen Wärme auf, zusätzlich wird die elektrische Antriebsenergie der Kältemaschine in Wärme umgewandelt.

Des Weiteren ist eine Nachrüstung im Bestand nicht überall möglich, oft stehen Schallschutzanforderungen und mangelnde Tragfähigkeit der Gebäude im Weg.

Für die Wärmeableitung aus Gebäuden und dem Quartier müssen deshalb andere Lösungen gefunden werden. Ein integrierter Hitzeschutz durch Wärmeentzug aus dem Quartier, das heißt, nicht nur aus Gebäuden, sondern auch aus der Umgebungsluft und aktivierten Oberflächen wie Straßen, Freiflächen oder Oberflächengewässern, erfordert eine Wärmesenke, die die überschüssige Wärme aufnehmen kann.

Wärmeabfuhr mit Kühlpergola Bild: eZeit Analytics

Der Wärmeüberschuss im Sommer kann prinzipiell als Wärmeabstrahlung in den (Nacht-)himmel („radiation cooling“) abgegeben werden, ohne die Stadtatmosphäre aufzuheizen. Je nach Bewölkung ist dies aber nicht immer möglich. Eine leistungsfähige und weit verlässliche kalkulierbare Alternative ist die Langzeitspeicherung der Wärme für kühlere Zeiten. Aufgrund der dazu notwendigen Größenordnungen kommen dafür oberflächennahe Geothermie in Form von Erdsonden- oder Aquiferspeichern sowie Eisspeicher in Frage. Die in diesen Senken gespeicherte Wärme kann in der kalten Jahreszeit als Quelle für Wärmepumpen dienen. Die unterirdische Wärmespeicherung ist damit sowohl der Schlüssel zum Hitzeschutz als auch zur Dekarbonisierung der Gebäudewärmeversorgung im verdichteten Bestand.

Saisonale geothermische Wärmespeicherung - Bild: eZeit Analytics

Die Anbindung der Gebäude und Quartierskühlung erfolgt über unisolierte kalte Netze, so genannte 5GDHC-Netze („fifth generation district heating and cooling“), die maschenförmig sukzessiv ausgebaut werden können und den Anrainern ermöglichen, Wärme und Kälte zu beziehen oder einzuspeisen und als Prosumer ebenso wie Konsumenten zu aktiven Teilhabern der Wärmeversorgung zu werden. Weitere positive Resultate sind eine verbesserte Akzeptanz durch Partizipation und Mobilisierung privaten Kapitals.

Fazit

Hitzeschutz ist eine Querschnittsaufgabe, die integrierte Strategien erfordert. Einzelmaßnahmen reichen nicht aus; notwendig ist ein Mix aus Stadtplanung, technischen Lösungen und ökologischen Ansätzen. Ziel ist die Reduktion von Gesundheitsrisiken, die Verbesserung der Lebensqualität, mehr Bürgerbeteiligung, Klima- und Umweltschutz sowie die Anpassung an den Klimawandel. Saisonale Wärmespeicherung und kalte Wärmenetze sind dabei der Schlüssel für Hitzeschutz und Dekarbonisierung.