Mikroklimatische Wirkungen von Kletterpflanzen

Weltweite Verstädterung und die Auswirkungen des Klimawandels haben das Bewusstsein für die Vorteile grüner Infrastrukturen in den Städten geschärft. Durch den städtischen Wärmeinseleffekt sind Stadtbewohner immer häufiger sommerlichen Hitzetagen ausgesetzt (max. Lufttemperatur über 30 °C), was zu Hitzestress und gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen kann. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, müssen Klimaanpassungsstrategien für urbane Räume entwickelt werden.

Zur Kühlung von Stadträumen eignen sich ganz besonders Bäume mit ihrer Schattenwirkung und Transpirationskühlung, doch gibt es für sie in den immer weiter verdichteten Städten kaum noch Platz. Nun versucht man über begrünte Dächer und Fassaden einen kühlungswirksamen Ersatzraum mit geringem Flächenanspruch zu finden. Je nach Gebäudehöhe kann die Fassadenfläche die überbaubare Bodenfläche weit übersteigen. In vielen Orten wird sogar über eine Aufnahme verpflichtender Fassadenbegrünung in Freiflächengestaltungssatzungen diskutiert. Doch welche Ökosystemleistungen können Kletterpflanzen überhaupt leisten? Neben der Notwendigkeit, Städte mit Hilfe grüner Infrastrukturen zu kühlen ist es ebenso wichtig, Arten und Sorten zu finden, die unter den schwierigen Wuchsbedingungen gut gedeihen können. Nur eine vitale Vegetation kann entsprechend hohe Ökosystemleistungen erbringen.

Zielsetzung und Aufbau des Forschungsversuchs an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf

Der an die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (HSWT) vergebene Forschungsauftrag ist ein Baustein, um diese Forschungs- und Wissenslücken zu schließen. Hintergrund ist die Planung des 16 Stockwerke hohen (51 m), grünen Hochhauses "Arabella 26", ein Projekt der Arabella26 Liegenschaftsverwaltung GmbH & Co KG, Rottach-Egern. Es wird im Münchner Arabella-Park gebaut und die Fassaden großflächig mit gebäudegebundenen Kletterpflanzenmodulen grünt (s. Abb. 3).

Aufgrund der Brandschutzverordnung dürfen bei dieser Gebäudehöhe Kletterpflanzen nicht über eine Etage hinauswachsen. Sie müssen durch auskragende Stahlbetondecken und eine entsprechende Pflege sicher voneinander getrennt werden.

Zielsetzung des Feldversuches an der HSWT war die Erarbeitung von klimatisch besonders wirksamen Kletterpflanzenkombinationen und Empfehlungen zur Optimierung der Bewirtschaftung und Pflege der grünen Wände. Hierzu wurden alle wesentlichen vegetationstechnischen Grundlagen ermittelt und vom Substrat bis zur Bewässerung, Düngung, Pflanzenauswahl und Pflegekonzept für die künftige Fassadenbegrünung geprüft. Zudem wurden die klimawirksamen Ökosystemleistungen der Fassadenbegrünung in Ihrer Verschattungs- beziehungsweise Evapotranspirationsleistung gemessen sowie die Vitalität, phänologische Entwicklung und das Wachstum verschiedener Arten und Sorten dokumentiert.

Im Frühjahr 2019 erfolgte im Versuchsgarten Landschaftsarchitektur am Weihenstephaner Nordhang eine möglichst exakte technische Nachbildung einer Etage des geplanten Hochhauses. Die Fassade wurde durch eine feste Holzwand nachgestellt. Der Forschungsversuch besteht aus insgesamt 46 überdachten Pflanztrögen (s. Abb. 1), die sich über alle Expositionen erstrecken. Sie simulieren die umlaufend vorgesehenen Pflanztröge am geplanten Hochhaus. Zwischen Pflanztrögen und Fassade ist ein Pflege- und Versorgungsgang vorgesehen, um eine dauerhafte Pflege zu gewährleisten. Die Planung des grünen Hochhauses erfolgte von Aika Schluchtmann (Schluchtmann Architekten, München) unter Beratung durch Stefan Brandhorst (Firma Vertiko). Der Versuchsaufbau und die anschließende Erhebung von Messdaten ist als Hochschulteam durchgeführt worden: Prof. Dr. Swantje Duthweiler (Leitung, Pflanzenauswahl und Forschung Ökosystemleistungen), Dr. Michael Beck (Bewässerungsplanung), Prof. Dr. Elke Meinken und Dr. Dieter Lohr (Pflanzenernährung, Düngeplanung), Dipl.-Ing. Andreas Lechner (technischer Aufbau), Dr. Laura Stratopoulos und M. Eng. Patrizia Eben (Forschung Ökosystemleistungen, Aufnahme und Auswertung aller Messdaten).

Das Projekt umfasst ein kontinuierliches Monitoring des Wasserverbrauchs und gibt damit Rückschlüsse auf die Transpirationskraft der unterschiedlichen Kletterpflanzenarten zu den verschiedenen Himmelsrichtungen. Jeder Pflanztrog wurde auf jeweils vier Wägezellen angebracht, wodurch die Wägedaten eines jeden einzelnen Troges inklusive Rankgitter, Substrat und Bepflanzung gemessen werden. Die Ermittlung der Evapotranspiration erfolgt gravimetrisch auf Grundlage der Wägedaten. Zudem messen volumetrische Feuchtesensoren in jedem Pflanzkübel den volumetrischen Bodenwassergehalt. Die Sensoren sind an das Bewässerungssystem gekoppelt, sodass je nach Bodenfeuchte eine bedarfsgerechte und automatische Bewässerung erfolgen kann. Die Substrate werden jährlich beprobt und basierend auf den Analyseergebnissen entsprechende Düngemaßnahmen durchgeführt.

Zur Ermittlung der Kühleffekte durch die Fassadenbegrünung wurden außerdem Sensoren zur Messung von Temperatur und Luftfeuchte vor und hinter den Rankgittern einiger Arten angebracht (s. Abb. 2).

Bei der Auswahl der Pflanzenarten wurden nur Gerüstkletterpflanzen berücksichtigt und mussten diese vergleichsweise schwachwüchsig sein. Wie bereits oben erwähnt, durfte die Geschosshöhe nicht von den Pflanzen überschritten werden, um Brandüberschläge in darüber- oder darunterliegende Stockwerke zu vermeiden. So blieben bekannte Kletterpflanzen, wie etwa der Chinesische Blauregen (Wisteria sinensis), für den Versuchsaufbau ausgeschlossen, ebenso Arten mit großen Früchten, die eine potenzielle Gefährdung von Passanten werden könnten.

Pflanzenentwicklung

Ab Juni 2019 wurden die ersten Tröge bepflanzt. Seither konnten sich die Kletterpflanzen gut etablieren und einige Arten identifiziert werden, die mit den Standortbedingungen gut zurechtkamen. Im Gegensatz dazu entwickelten sich manche Arten nur sehr spärlich und fielen häufig aus. Hierzu zählten zum Beispiel Akebia trifoliata oder Schisandra chinensis. Tabelle 1 gibt eine Übersicht zu den im Versuch eingesetzten Arten beziehungsweise Sorten und bewertet deren Wuchserfolg an den jeweiligen Expositionen. Dazu wurden Anmerkungen und Besonderheiten ergänzt, die im Versuch ausgeprägt waren (teilweise zeigten sich immergrüne Arten im Arabella26-Versuch nicht immergrün etc.). In manchen Situationen konnten unterschiedliche Entwicklungen je Ausrichtung der Pflanztröge beobachtet werden.

Wasserverbrauch der Kletter-pflanzen am Arabella-Versuch

Der Begriff der Evapotranspiration fasst die Evaporation von Boden- oder Wasseroberflächen, die Interzeptionsverdunstung und die Transpiration der Pflanzen zusammen. Trotz eines direkten Zusammenhangs zur Kühlleistung (Rahman et al. 2017) wurden bisher nur in sehr wenigen Studien die Transpirationsraten von Pflanzenarten ermittelt. In einer Studie in Maryland, USA, wurde der Wasserverbrauch verschiedener Weinarten von Juni bis August analysiert und ein Mittelwert von 1,3 Liter je Tag pro Quadratmeter Fassade berechnet (Tilley et al. 2012).

Im Arabella26-Versuch wurde im Verlauf eines gesamten Jahres ein durchschnittlicher Wasserverbrauch von 1,4 Liter je Pflanztrog und Tag ermittelt. Interessanterweise waren der Wasserverbrauch und die damit verbundene Kühlungswirkung im Sommer nicht nur an Südfassaden, sondern auch an Ostfassaden am intensivsten (Abb. 4). Die deutlich geringsten Wassermengen benötigt man an der Nordfassade.

Die Menge des Wasserverbrauchs wird hauptsächlich von der Temperatur und der Globalstrahlung beeinflusst, was die Schwankungen je nach Jahreszeit beziehungsweise Exposition erklärt. Auch die Anordnung der Pflanztröge wirkte sich auf den Wasserverbrauch aus, der bei den am Rand platzierten Kübeln deutlich höher ausfiel, als bei geschützt oder zentral stehenden Gefäßen.

Kühlleistung von Fassadenbegrünung durch Schattierung

Zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass begrünte Wände im direkten Vergleich zu nicht begrünten gebäudetechnisch deutlich kühlen. In der klimatisch mit dem Standort München vergleichbaren Region Maryland/USA (kaltgemäßigtes Klima) wurde für die drei Sommermonate Juni, Juli und August an heißen Tagen eine Kühlungswirkung von bis zu 14 Grad Celsius gemessen (Tilley et al. 2012). In einem weiteren Forschungsprojekt wurde bei einem Bewuchs mit Efeu (Hedera helix) tagsüber vor und hinter der Grünwand ein Kühleffekt um 7,3 Grad Celsius festgestellt (Cameron et al. 2014).

Die Fassadenbegrünung bildet eine isolierende Schicht und reduziert den Energieaufwand, der zur Kühlung und Heizung des Gebäudes aufgebracht werden muss. Ein Kühleffekt der Fassadenbegrünung durch Verschattung und Evapotranspiration konnte auch im Arabella26-Versuch nachgewiesen werden. Beim Vergleich der Temperaturen vor und hinter der Begrünung verzeichneten die äußeren Sensoren tagsüber auf der Südseite im Juni und Juli 2021 durchschnittlich über 2 Grad Celsius höhere Temperaturen als die jeweiligen Sensoren zwischen Fassade und Begrünung. Ebenso wie bei der Auswertung des Wasserverbrauchs konnten auch beim Kühleffekt Unterschiede zwischen den Expositionen beobachtet werden: Südseitig zeigte sich die größte Kühlwirkung (Abb. 5). Temperatur, Einstrahlung und Ausrichtung der Fassadenbegrünung beeinflussten die Kühlwirkung maßgeblich.

Fazit und Ausblick

Für die Städte der Zukunft bedarf es einer nachhaltigen, bedarfsgerechten Konzeption und Entwicklung neuer Lösungen. Dafür müssen die physikalischen Grundlagen der Ökosystemleistungen grüner Infrastrukturen und vor allem die art- und sortenspezifischen Leistungspotenziale noch besser verstanden und untersucht werden. Die Forschungen zum grünen Hochhaus Arabella26 konnte hier eine Grundlage schaffen. Durch die große Vielfalt an getesteten Arten und Sorten konnten zahlreiche Kletterpflanzen identifiziert werden, die sich für eine Verwendung zur Fassadenbegrünung auch im gemäßigten Klima eignen. Im Gegensatz zu den meisten bisherigen Studien wurden im Feldversuch ganzjährig und über einen längeren Zeitraum Messdaten erhoben und die Entwicklung der Pflanzen dokumentiert.

Der Arabella26-Feldversuch hat gezeigt, dass zusätzlich zu den positiven mikroklimatischen Wirkungen eine ansprechende Fassade gestaltet werden kann, das urbane Umfeld dadurch ästhetisch aufgewertet und die Aufenthaltsqualität verbessert werden kann. Der größte Effekt der Oberflächenabkühlung lässt sich auf die Verschattung durch Kletterpflanzen zurückführen, ein weiterer Teil auf ihre Transpirationskühlung. Dennoch kann ein Feldversuch nicht die Bedingungen eines realen, fassadenbegrünten Hochhauses darstellen - abweichende Dimensionen, ländliches Umfeld, ebenerdige Versuchsaufbauten und fehlende interne Nutzung können die Realität nur eingeschränkt abbilden. Weiterer Forschungsbedarf besteht unter anderem in den Auswirkungen von Wind in den höheren Etagen auf die Vitalität der Pflanzen und die mikroklimatischen Effekte. Zudem wäre es wichtig, auch die tierökologischen Aspekte verschiedener Kletterpflanzenarten näher zu untersuchen. Bei einer bodengebundenen Fassadenbegrünung könnte man die Bewässerungsanlage mit allen Zusatzkosten sparen, ist sie für eine fassadengebundene Begrünung in Kübeln aber unverzichtbar.

Interessanterweise haben Untersuchungen an der TU München ergeben, dass schon in 2 Meter Entfernung von der begrünten Fassade kaum noch Kühlungswirkungen messbar sind (Zölch et al. 2016). Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt auch eine in Berlin durchgeführte Studie (Hoelscher et al. 2016). So muss man feststellen, dass die klimatisch positive Wirkung einer Fassadenbegrünung vor allem für die Verbesserung der Energiebilanz des Gebäudes wichtig ist und im Sommer deutlich die Wärmeentwicklung in den Innenräumen reduziert. In Zeiten energetischer Sparmaßnahmen werden Aspekte wie diese immer bedeutsamer. Zudem verhindert Fassadenbegrünung das Aufheizen der Baumaterialien, was die Materiallebensdauer erhöht. Das macht Mut zu neuen Experimenten.

Literatur

Cameron, R.W.F., Taylor, J.E., Emmett, M.R. (2014): What's 'cool' in the world of green façades? How plant choice influences the cooling properties of green walls. Building and Environment. 73, 198-207.

Heusinger, J., Weber, S. (2015): Comparative microclimate and dewfall measurements at an urban green roof versus bitumen roof. Building and Environment. 92, 713-723.

Hoelscher, M.T., Nehls, T., Jänicke, B., Wessolek, G. (2016): Quantifying cooling effects of façade greening: Shading, transpiration and insulation. Energy and Buildings. 114, 283-290.

Rahman, M.A., Moser A., Rötzer, T., Pauleit, S. (2017b): Within canopy temperature differences and cooling ability of Tilia cordata trees grown in urban conditions. Building and Environment. 114, 118-228.

Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin (Hrsg.), Projektpartner: TU Berlin/Institut für Architektur; Humboldt-Universität zu Berlin/Institut für Physik; Hochschule Neubrandenburg/Fachgebiet Landschaftsökologie/Vegetationskunde: Institut für Physik in Berlin-Adlershof. Stadtökologisches Modellvorhaben (um 2005).

Tilley, D., Price, J., Matt, S., Marrow, B. (2012): Vegetated Walls: Thermal and Growth Properties of Structured Green Facades. Final Report to Green Roofs for Healthy Cities - Green Walls Group.

Zölch, T., Maderspacher, J., Wamsler, C., Pauleit, S. (2016): Using green infrastructure for urban climate-proofing: an evaluation of heat mitigation measures at the micro-scale. Urban Forestry and Urban Greening. 20, 305-316.