Kühlendes Pflaster für die heiße Stadt

Im Sommer ist es deutlich zu spüren: Die Stadt wird zum Backofen. Die enorme Versiegelung, der Mangel an Grünen Infrastrukturen und die Verwendung von wärmespeichernden Materialien führen zu Überwärmung, Hitzeinseln und Tropennächten (Santamouris, 2020). Das komplexe Wirkungsgefüge des Stadt- und Mikroklimas setzt sich aus allen Elementen der Stadt zusammen, den Gebäuden, ihren Dächern und Fassaden, ihrer Orientierung zur Sonne und zum Windfeld, sowie den Oberflächen und Freiräumen.

Das urbane Straßennetz zieht sich feingliedrig durch das Stadtgebiet und bietet Platz für den Verkehr. Diese intensive Nutzung erlaubt nur selten eine vollständige Umwandlung von Straßenräumen in verkehrsfreie Bereiche. Auch wenn sich das Mobilitätsverhalten der Bevölkerung ändert und dadurch Freiräume für Mensch und Natur zurückgewonnen werden können, so wird der Bedarf and Straßen und Plätze beispielsweise für Einsätze, Warenlieferungen, Marktaktivitäten und Veranstaltungen bestehen bleiben.

Heißes Pflaster Stadt

Bedingt durch die Oberflächenbefestigung mit Asphalt heizen sich Straßen durch Sonneneinwirkung besonders auf. In verdichteten Stadtkernen fällt die Energiebilanz zu einem überhöhten Anteil zugunsten der sensiblen Wärme aus, sowohl tagsüber als auch nachts, was den thermischen Komfort verringert und dadurch das Wohlbefinden sowie die Erholungsfähigkeit des Menschen beeinträchtigt (de Quadros & Mizgier, 2023).

Gleichzeitig ist eine deutliche Erwärmung der Lufttemperatur zu verzeichnen. So wurden 2024 für die Innenstadt Wiens über 40 Tropennächte (Nächte in denen die Lufttemperatur nicht unter 20 °C absinkt) dokumentiert (GeoSphere Austria, 2024).

Land unter

Aber nicht nur die Hitze feiert Rekorde, auch die Starkregenereignisse nehmen in Europa dramatisch zu. Diese führen zu fluvialen und pluvialen Hochwässern mit verheerenden Folgen. Ursächlich dafür sind die erhöhten Lufttemperaturen und steigende Erwärmung der Meere aufgrund des Klimawandels (ICCP, 2019). Es wird mehr Wasser verdunstet, und die Luft kann bei zunehmender Temperatur auch mehr Wasser aufnehmen (Zmarsly et al., 2002). Insgesamt führen diese Prozesse zu außergewöhnlich intensiven und anhaltenden Starkregenereignissen, die die auf historischen Daten basierenden statistischen Modelle übersteigen pluviale Hochwässer auch in urbanen Gebieten verursachen. Neben der konkreten Niederschlagsintensität und der Topografie sind es die Oberflächeneigenschaften der Stadt, welche in der Entstehung von pluvialen Hochwässern die zentrale Rolle spielen. Hart verbaute Oberflächen nehmen in der Regel kein Wasser auf, sondern leiten dieses rasch in Richtung Kanalsystem ab. Bei sehr hoher und steigender Versiegelung führt dies zu einer Überforderung der bestehenden Kanalanlagen. Bisher gültige städtische Konzepte und ihre Ausstattung sind überholt und bergen neue Risiken und Gefahren für ihre Bewohnerinnen und Bewohner sowie Besitztümer.

Weg vom alten Denken

Die Problematik der urbanen Überwärmung und pluvialer Hochwässer mit all ihren negativen humanmedizinischen Konsequenzen und volkswirtschaftlichen Schäden wird noch dramatisch zunehmen (Kotz et al., 2024). Die Dringlichkeit der Klimawandelanpassung steigt und erfordert sofortiges Handeln. Die Stadt muss als Konglomerat aus all ihren Elementen verstanden werden, die heute möglicherweise Teil des Problems sind, aber ebenso zu neuen Lösungen beitragen können. Über Jahrzehnte etablierte, vertraute und geschätzte Planungsprozesse müssen vor dem Hintergrund heutiger Herausforderungen kritisch hinterfragt und, wenn nötig, grundlegend neu gedacht werden.

Maßnahmen für Klimaresilienz

Die gute Nachricht lautet: Wir kennen schon viele wirksame Maßnahmen, um die Klimaresilienz der Städte zu erhöhen. Dazu zählen in erster Linie alle Grünen und Blauen Infrastrukturen (Minixhofer & Stangl 2021; Stangl et al., 2022). Was fehlt, ist deren konsequente und prioritäre Berücksichtigung in Planungs- und Transformationsprozessen, insbesondere im Bestand. So ist es nach wie vor möglich, Gebäude ohne Gründach zu bauen oder auch über das Mindestmaß hinaus Oberflächen zu versiegeln. Zum Teil mangelt es jedoch an Technologien und Bauweisen, die alternativ zur Anwendung kommen können.

Dies motivierte ein interdisziplinäres Konsortium – bestehend aus der Universität für Bodenkultur Wien (Institut für Ingenieurbiologie und Landschaftsbau, Institut für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz) und den Unternehmen Gartenhof Küsters GmbH, Küsters Grün.Stadt.Klima (Drittleister), Weissenböck Baustoffwerk GmbH, Raintime GmbH, greenpass GmbH (Drittleister) und Green4Cities GmbH (Konsortialführung) – das neue, multifunktionale Oberflächenbefestigungssystem Coolways zu entwickeln und zu beforschen, welches die Klimaresilienz von urbanen Räumen zukünftig steigern soll.

Coolways

Straßenräume und Plätze beanspruchen einen beträchtlichen Teil des städtischen Raums. Sie werden gemäß technischen Richtlinien und Normen in der Regel mit einer wasser- und luftundurchlässigen sowie einer verdichteten tragfähigen Schicht errichtet, wobei Oberflächenwasser schnell über Straßenabläufe entsorgt wird.

Das Coolways Projekt verfolgte das Ziel, ein System zu entwickeln, welches bei uneingeschränkter Nutzbarkeit eine effektive Kühlleistung bietet und gleichzeitig den natürlichen Wasserkreislauf fördert und zu einem dezentralen Regenwassermanagement beiträgt. Dies gelingt durch folgende Prinzipien:

• Regenwasser, als das wichtigste Kühlmittel der Stadt, soll genutzt und nicht wie üblich über das Kanalsystem entsorgt werden.
• Regenwasser soll über durchlässige Oberflächen langsam versickern.
• Oberflächen sollen Wasser aufnehmen, speichern und wieder abgeben können.

In welchen konkreten Aspekten das Coolways System hier Neuland beschreitet, wird folglich für die einzelnen Komponenten (Stein, Anstaubecken, Steuerung) erläutert.

Der etwas andere Stein

Betonsteine gibt es schon lange. Es sind auch versickerungsfähige Produkte am Markt erhältlich. Jedoch weisen Vergleichstest nur eingeschränkte Kapillarität und Wasserspeicherfähigkeit auf. Der im Projekt Coolways Stein saugt Wasser über die Kapillarwirkung auf und speichert dieses oberflächennah (Abb. 1). Die größte Herausforderung in der Materialentwicklung bestand darin, eine Balance zwischen der kapillaren Wirksamkeit und der Frost-Tau-Widerstandsfähigkeit herzustellen.

Coolways sind "nicht ganz dicht"

Das Coolways System wird unterhalb der Bettungsebene mit geeigneten Materialien abgedichtet, um einen Anstau des Wassers zu ermöglichen. Die Abdichtung wird an den Flächenrändern gewissermaßen zu einem "Anstaubecken" hochgezogen. Regenwasser kann zwar durch den Stein und die Fuge einsickern, jedoch nicht versickern. Es wird gesammelt. Das Coolways System verfügt über einen wartbaren Zu- und Ablauf (Abb. 2). Regenwasser kann somit entweder in einen Speicher eingeleitet, oder aus dem Speicher mit Hilfe von Pumpen in den Anstau zurückgeführt werden. Der Speicher muss über einen Notüberlauf verfügen, der in das Kanalsystem führt. Nach Kenntnis des Konsortiums widerspricht diese Bauweise allen geltenden Vorschriften für Pflasterflächen. Obwohl die Bauweise als dicht zu bezeichnen ist, wird sie umgangssprachlich als "nicht ganz" dicht kritisiert. Wiederholt wird die Frostsicherheit des Systems hinterfragt oder auch potenzielle Keimbildung befürchtet. Mit diesen Fragen hat sich das Konsortium eingehend beschäftigt und dahingehend entsprechende Lösungen entwickelt.

Smart muss man sein

Ein wesentlicher Bestandteil des Coolways Systems ist eine smarte Steuerung. Diese kontrolliert den Betriebszustand vollautomatisch und kann auf Wunsch fernabgefragt werden. Im Normalzustand sind die Anstaubecken leer und die Ablaufventile offen. In diesem Zustand kann das System Niederschlag gut aufnehmen. Erst bei Hitze werden die Anstaubecken mit Wasser aus dem Speicher (z. B. nahe gelegene Zisternen) geflutet. Das Wasser bleibt dabei stets unterhalb der Oberkante der Steine, um offenstehendes Wasser, Moosbildung oder das Ansiedeln von Algen zu vermeiden. Das über das Coolways System verdunstete Wasser wird tagsüber automatisch aus dem unterirdischen Regenwasserspeicher nachgeliefert, um bestmögliche Kühlleistungen zu erzielen. Über Nacht können die Anstaubecken abgelassen werden und der Aufbau abtrocknen. Die konkreten Intervalle von Befüllung und Entleerung werden sensorgesteuert und an die klimatischen Rahmenbedingungen angepasst.

Demoanlagen

Im Rahmen des Forschungsprojekts entstanden auf den Firmengeländen der Projektpartner Weissenböck Baustoffwerk GesmbH in Neunkirchen, Österreich und Gartenhof Küsters GmbH in Neuss, Deutschland zwei Testanlagen mit unterschiedlichen Zielsetzungen. Die Untersuchungen der Demoanlage in Neunkirchen fokussieren sich auf die mikroklimatische Wirkung, den Wasserhaushalt und die Steuerungstechnik, als Basis für die Modellierung der Wirkungen des Coolways Systems mittels Simulationssoftware. Platziert in der Ein- und Ausfahrt des Firmengeländes wurden an der Demoanlage in Neuss Belastungstests durchgeführt. Um einen Vergleich zu konventionellen oder alternativen Pflasterungen zu ermöglichen, wurden an beiden Standorten Referenzflächen angelegt.

Messergebnisse

Am Demostandort Neunkirchen wurden insgesamt vier Testplots [insgesamt ca. 60 m²] errichtet und mit einer umfassenden Sensortechnik ausgestattet, um sowohl klimatische Rahmenbedingungen als auch Materialparameter zu erfassen. Zwei Plots wurden mit Coolways Steinen unterschiedlicher Produktionschargen gepflastert. Die beiden anderen Testplots wurden mit gängigen Referenzpflastersteinen ausgestattet. Alle vier Prüfflächen wurden in das Coolways Anstaubecken verlegt, um die Wirksamkeit des Steins im Vergleich zu den Referenzpflasterungen besser verstehen und einordnen zu können (Abb. 3).

Die Messungen zeigten, dass sich alle Pflasterungen deutlich über die umgebende Lufttemperatur erwärmten. Im Zeitraum von 15 bis 16 Uhr erreichten die Pflasterungen ihre jeweiligen Maximaltemperaturen. Die Referenzpflasterungen zeigten über 36 °C Materialtemperatur. Die Coolways Steine wiesen 33 °C Materialtemperatur als Maximalwerte auf. Über einen Zeitraum von 26 Stunden konnte im Maximum eine um 3,25 °C geringere mittlere Materialtemperatur für die Coolways Steine festgestellt werden.

Neben der Materialtemperatur wurde auch die Verdunstungsleistung beziehungsweise der Wasserverbrauch der Versuchsvarianten sensortechnisch erfasst. Die Coolways Steine verdunsteten an diesem repräsentativen Hitzetag zwischen 11,4 und 11,8 l beziehungsweise 1,425 bis 1,475 l/m². Die Gesamtverdunstung der Referenzpflasterungen beläuft sich auf 7,1 bis 7,8 l und bleibt unter 1 l/m². Daraus ergibt sich ein Unterschied in der Verdunstungsleistung von über 4 l/Tag.

Die Messergebnisse zeigen, dass der Coolways Stein im Vergleich zu den Referenzpflasterungen mehr Wasser verdunstet und kühler bleibt. Das ist auf die optimierte Zusammensetzung des Steines und seine erhöhte Evaporation zurückzuführen.

Am Demostandort Neuss lag der Fokus auf dem Monitoring der Auswirkungen intensiver Belastung und Verschmutzung durch Fahrzeuge. Auch hier wurden insgesamt vier Testplots (zwei Flächen mit Coolways Steinen, zwei Flächen mit Referenzpflastersteinen) im Bereich der Zu- und Ausfahrt eines Betriebes errichtet. Um eine Veränderung in der Versickerungsfähigkeit festzustellen, wurden Beregnungsversuche mittels Tropfinfiltrometer durch das Institut für Unterirdische Infrastruktur GmbH durchgeführt. Insgesamt wurden jeweils zwölf Messpunkte im Abstand von einem Jahr einer Bemessungsregenspende von 270 l/(ha*s) über 60 Minuten ausgesetzt. Im Jahresvergleich wurde für die Coolways Steine eine Abnahme der Infiltrationsleistung durch betriebsbedingte Verschmutzung festgestellt. Trotz intensiver Befahrung erfüllten sie dennoch die technischen Anforderungen.

Zusätzlich zu den Infiltrationsmessungen wurde die Entwicklung und Veränderung der Testplots kontinuierlich mittels Fotografie und Thermografie dokumentiert. Die Oberfläche der Coolways Steine erreichten an einem Hitzetag Temperaturen von 36,6 bis 34,2 °C. Die Referenzpflasterung erwärmt sich auf 40,1 °C und darüber hinaus (Abb. 4). Es ist somit eine Differenz der Oberflächentemperatur von bis zu 6 °C festzustellen. Daraus lässt sich eine reduzierte Wärmeabstrahlung ableiten.

Wirkungsanalyse mittels Simulationen

Auf Basis der Ergebnisse geotechnischer und hydrologischer Laboranalysen sowie den Messungen im Feld wurden die Coolways Steine als Materialien in der Mikroklimasimulationssoftware ENVI-met und der hydrologischen Simulationssoftware SWMM angelegt. Das mikroklimatische Verhalten der Coolways Steine wurde zunächst in Testsimulationen überprüft und mit den Messdaten der Versuchsflächen abgeglichen. Die Eigenschaften der Coolways Steine in der Simulationssoftware wurden sukzessive angepasst, um den Messergebnissen bestmöglich zu entsprechen.

Nach der erfolgreichen Validierung der Wirkungssimulation des Coolways Systems wurden zwei Stadtgebiete ausgewählt, um die Effekte des Coolways Systems in einer realen Anwendungsumgebung auf das Mikroklima und den Wasserhaushalt zu quantifizieren. Hier werden die Ergebnisse für den Hauptplatz der Stadt Schwechat in Österreich vorgestellt.

Der Hauptplatz ist von einer mehrspurigen Straße mit beidseitigen Längsparkstreifen geprägt. Für Fußgängerinnen und Fußgängern wurden weite gepflasterte Gehwege hergestellt. In der virtuellen Anwendung wurden diese Gehwegpflasterungen durch Coolways Steine ersetzt.

Simulierte Wärmeemission

Allein die Ausstattung der Gehbereiche am Hauptplatz Schwechat führt zu einer Reduktion der Wärmeemission. Der Luftkörper wird durch Coolways Steine im Vergleich zur bestehenden Pflasterung um bis zu 0,75 °C abgekühlt (Abb. 5). Die kühlere Luft wird mit der Windströmung in die benachbarten Stadtteile transportiert. Die mittlere Wärmeemission über 24 Stunden sinkt durch die Coolways Steine im Gehwegbereich von -0.009 auf -0.034 °C ab. Die maximale Wärmeemission reduziert sich, ebenso wie die durchschnittliche Lufttemperatur.

Simulierte Wärmespeicherung

Wie eingangs dargelegt, stellt die Wärmespeicherung von Materialien in der Stadt eine wesentliche Ursache für Überhitzung dar. Wie bereits bei den Feldmessungen der Testplots in Neuss und Neunkirchen festgestellt, zeigen die Simulationsergebnisse für die Coolways Steine eine um bis zu 7,5 °C kühlere Oberflächentemperatur. Dies ist auf die Verdunstungskälte zurückzuführen und zeigt sich auch in der im Material gespeicherten Energie deutlich. Diese wird um bis zu 14 Prozent im Vergleich zur Standardpflasterung reduziert.

Simulierte Wasseraufnahme und Speicherung

Das Coolways System speist sich in erster Linie aus Regenwasser, welches in Zisternen oder anderen Speichern vor Ort erfasst wird. Daher wurde auch das Infiltrationsverhalten mittels der Simulationssoftware SWMM untersucht. Für die Analyse wurden vier Regenereignisse mit unterschiedlicher Intensität und Wiederkehrzeit für den bestehenden Standardpflasterstein und die Coolways Steine simuliert. Betrachtet wurden die Infiltration in den Pflasteraufbau, der Oberflächenabfluss sowie die Wasserspeicherung im Pflasteraufbau. Die Speicherung von Oberflächenabfluss in Zisternen etc. wurde nicht analysiert. Die Ergebnisse der Simulation könnten aber für eine fundierte Dimensionierung und Verortung der Speicher herangezogen werden.

Die Simulation bildet nur standardisierte Regenereignisse ab, die aus der Statistik abgeleitet sind. Wie die Simulationsergebnisse zeigen, bleibt die Infiltrationsleistung der Coolways Steine über alle vier Regenereignisse sehr konstant und schwankt zwischen 7,7 und 7,8 l/m². Die Referenzpflasterung nimmt mit steigender Regenintensität mehr Wasser auf und erreicht bis zu 5,9 l/m².

Der Oberflächenabfluss wird von der Regenintensität geprägt. Bei allen Szenarien kommt es zu Oberflächenabfluss, jedoch in unterschiedlicher Intensität. Bei einem simulierten 100-jährlichen Regenereignis fließen vom Coolways System rund 59,1 l/m² in die Zisterne und allenfalls verzögert weiter in den Kanal. Der Referenzpflasteraufbau leitet im Vergleich dazu rund 80,1 l/m² direkt in den Kanal ab. Mit Hilfe des Abflussverhaltens wurde der Abflussbeiwert der beiden Szenarien für den Hauptplatz Schwechat berechnet, welcher 0,69 für den Coolways Stein beträgt. Das Szenario mit dem Coolways Stein reduziert den Abflussbeiwert um 22,5 Prozent im Vergleich zur bestehenden Pflasterung.

Die "coole" Stadt der Zukunft

Unsere Städte sind zweifellos mit zunehmender Überwärmung konfrontiert. Die beste Chance diese zu reduzieren, ist die lokale Verdunstung von Wasser. Die konventionelle rasche Entsorgung von Regenwasser muss einer nachhaltigen und sicheren dezentralen Speicherung dieses natürlichen "Kühlmittels" weichen. Das Wasser kann in Folge durch Grün-Blaue Infrastrukturen vor Ort verdunstet werden und somit wertvolle mikroklimatische Wirkungen entfalten. Das vorgestellte Coolways System erweitert die Möglichkeit der Wasserverdunstung auf Verkehrsflächen und Plätzen. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass das Coolways System einen Beitrag zur Klimawandelanpassung – sowohl gegen Hitze als auch pluviale Hochwasser – leisten kann. Allerdings entspricht diese innovative Bauweise derzeit weder einer geltenden Norm noch einer Richtlinie und ist zudem mit einem höheren Errichtungsaufwand im Vergleich zu herkömmlichen Pflasterflächen verbunden. Wie immer, wird es daher innovative und mutige Entscheidungsträger:innen brauchen, um unsere Städte für Menschen "cooler" zu machen.

Dieses Projekt wird aus Mitteln der Innovationsstiftung für Bildung gefördert und im Rahmen des Programms Innovationslabore für Bildung durchgeführt.

Das Forschungsprojekt EUROSTARS-2 CoD 12: 113727 Coolways - Development of a smart sensor controlled adiabatic cooling and attenuating paving technology wurde im Programm EUROSTARS-2 (Ausschreibung Eurostars-2 CoD 12 2019) gefördert. Wir bedanken uns bei den Fördergeberinnen und -gebern Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR e. V.) und EUROSTARS-EUREKA-Netzwerk.

Literatur

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GeoSphereAustria, Bundesanstalt für Geologie, Geophysik, Klimatologie und Meteorologie (2024): Einer der wärmsten Sommer der Messgeschichte. Online: https://www.zamg.ac.at/cms/de/klima/news/einer-der-waermsten-sommer-der-messgeschichte-1 (20.11.2024)

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Stangl, R., Minixhofer, P., Wultsch, T., Briefer, A., & Scharf, B. (2022). Green-blue infrastructure in the built environment – sustainable and resource-saving designs for urban structures and open spaces. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1078(1). https://doi.org/10.1088/1755-1315/1078/1/012132

Zmarsly, E., Kuttler, W. & Pethe, H. (2002): Meteorologisch-klimatologisches Grundwissen. Eine Einführung mit Übungen, Aufgaben und Lösungen. Ulmer Verlag, Stuttgart, ISBN 3-8252-2281-0.