Mikroklimatische Anforderungen an Stadträume

Stadträume gehören zu den klimawandelvulnerablen Raumstrukturen, was zunehmend städtebauliche Anpassungsmaßnahmen notwendig macht. Da jedoch die Flächennutzungen im urbanen Raum meist für lange Zeiträume festgelegt sind, ist eine flexible Reaktion auf die klimatischen Ereignisse nicht ohne Weiteres möglich. Nicht zuletzt deshalb kommt dem Gestaltungselement Wasser eine besondere Bedeutung zu, da es sich sowohl für grundlegende als auch für kurzfristige Klimaanpassungsmaßnahmen eignet.

Markantes Merkmal des Klimawandels ist die Zunahme der Temperatur. So waren die Jahre 2014, 2018, 2019 und 2020 in Deutschland die wärmsten Jahre seit Beginn flächendeckender meteorologischer Aufzeichnungen im Jahr 1881. Die Klimaprojektionen für die nächsten Jahre gehen von einer weiteren Erhöhung der Temperaturen aus, sowohl bei den Jahresdurchschnittstemperaturen als auch bei den für urbane Situationen besonders wichtigen Hitzetagen mit Temperaturen über 30 °C.^I Die Zunahme von Hitzeperioden trifft auf den in Städten ohnehin vorhandenen Wärmeinseleffekt.

Hohe Versiegelungsgrade, große Speichermassen durch die verwendeten Baustoffe, ein geringer Grünanteil und anthropogene Wärmeentwicklungen, zum Beispiel durch die Industrie, bewirken eine Aufheizung, die vor allem im Vergleich zum Umland deutlich wird. So kann die Differenz der Lufttemperaturen in der Innenstadt im Vergleich zur Temperatur im Umland bei Großstädten bis zu 10 K betragen, in mittleren Städten immerhin noch bis zu 5 K.^II

Der Effekt der urbanen Wärmeinseln wirkt dabei bis in die Abendstunden und erste Nachthälfte, wenn die verlangsamte Abkühlung in der Stadt zu deutlich höheren Lufttemperaturbereichen als im sich schnell abkühlenden Umland führt. Dies kann enorme gesundheitliche Belastungen der Stadtbevölkerung bewirken.

Für den Umgang mit dem Klimawandel werden zunehmend gesamtstädtische Klimaanpassungsstrategien erarbeitet, die insbesondere auch die städtebaulichen Belange mit einbeziehen. Dabei zeigen sich verschiedene Problemlagen. Zum einen sind Flächennutzungen meistens auf Jahrzehnte hinaus festgelegt. Eine schnelle und flexible Reaktion auf die klimatischen Herausforderungen ist dadurch erschwert.

Die Anpassungskapazität vieler Städte ist durch den hohen Anteil an Baumassen begrenzt. Erschwerend kommen die unterschiedlichen Eigentumsverhältnisse und damit verbundene divergierende Interessenslagen hinzu. Und auch die Nachverdichtung geht trotz des vielbeschworenen Paradigmas der doppelten Innenverdichtung, meist mit zusätzlicher Versiegelung und Verlust an Grünflächen einher.

Maßnahmen zur Stadtklimaanpassung

Hauptansatzpunkte bei Maßnahmen zur Stadtklimaanpassung sind die Reduktion von Strahlungsgewinnen, die Nutzung vorhandener Luftbewegungen und Verbesserung der Durchlüftung zum Abtransport von Wärme sowie die gezielte Abkühlung von Stadträumen. Neben übergeordneten Maßnahmen auf gesamtstädtischer Ebene ist ein wichtiges Ziel die Verbesserung der Aufenthaltsqualität in konkreten öffentlichen Räumen, die kleinräumige, jedoch unmittelbare Wirkung entfalten können.

Zu den gesamtstädtischen, übergeordneten Maßnahmen zählen Sicherung/Verbesserung/ Neuanlage von Kaltluftschneisen, der Erhalt und die Entwicklung großräumiger Parks oder die Vernetzung von Grünräumen. Während die beiden ersten Maßnahmen eher mittel- und langfristig zu sehen sind, lassen sich Vernetzungen auch quartiers-, stadtteil- oder maßnahmenbezogen und damit vergleichsweise flexibel entwickeln.

Maßnahmen auf der lokalen Ebene sind Verschattung von Verkehrsräumen, Plätzen und Gebäuden, Begrünung von Gebäuden und Freiräumen und die Erhöhung der Oberflächenalbedo durch helle, reflektierende Materialien. Vor allem im Bestand sind diese Maßnahmen jedoch nicht ohne Weiteres realisierbar, zudem wirken sie teilweise erst mittelfristig.

Eine schnelle und wirkungsvolle Methode ist die Entsiegelung. Entsiegelung, insbesondere zusammen mit Begrünung, kann schnell zu einer Erhöhung der Verdunstungsleistungen führen. Die damit verbundene Abkühlung verbessert die Behaglichkeit und thermische Aufenthaltsqualität. Abkühlung und Abmilderung der urbanen Wärmeinseleffekte lässt sich auch durch Gestaltungen mit Wasser erreichen.

An diesen Punkten setzt klimaangepasste Freiraumgestaltung an, die sich mit der konkreten Ausgestaltung von Freiraumelementen auseinandersetzt: mit der Verringerung des Versiegelungsgrades, mit wärmespeichernden oder reflektierenden Eigenschaften von Materialien und der Oberflächenfarbe, mit Schatten durch technische Elemente oder Begrünung, mit der Förderung von Verdunstungskälte durch bewegtes Wasser und Nebel, mit der Verbesserung der Evapotranspirationsleistungen von Stadtgrün oder mit der Verbesserung des Rückhalts und der Wiederverwendung von Oberflächenwasser.

Urbane Klimaanpassung mit Wasser

Die kühlende Wirkung von Wasser im Stadtraum ist schon lange bekannt. Bereits in der arabisch-islamischen Gartenkunst kam Wasserelementen zur Abkühlung eine große Bedeutung zu. Im antiken Rom wurde Wasser gezielt zur Verbesserung des Stadtklimas eingesetzt. Das Wissen um die Bedeutung von Wasser für das Klima der Städte blieb auch in der Neuzeit erhalten. Bekanntestes deutsches Beispiel dürften die Stadtbäche in Freiburg sein, die neben der Versorgung mit Brauchwasser und der Ableitung von Regenwasser auch der Verbesserung der Frischluftsituation in den engen Gassen dienten.^III

In Italien wurde die Errichtung von Brunnen sogar in strategische Stadtentwicklungsprogramme eingebettet. So initiierte Papst Sixtus V. in Rom im 16. Jahrhundert ein "Programm zur Verbesserung der Lebensumstände und der Wasserversorgung ^IV, welches die Anlage neuer Schalenbrunnen und Wasserwände beinhaltete. Viele der bis heute bewunderten, prachtvollen Brunnen Roms entstammen dieser Zeit. Ein historisches Beispiel für stadtklimatische Zielsetzungen gibt es in Karlsruhe. So sollten die im 19. Jahrhundert vor dem Schloss errichteten Schalenbrunnen mit ihrer Wasserbewegung für Luftbefeuchtung sorgen, um die Temperaturen vor der Schlossfassade im Sommer erträglicher zu machen.^V

Wasser trägt dann zur Abkühlung bei, wenn Verdunstungs- oder Spritzwassereffekte erzeugt werden. Diese können über den Erhalt oder die Schaffung beziehungsweise Reaktivierung von offenen und bewegten Wasserflächen als auch über punktuelle Wasserelemente erreicht werden. Vor allem auf der lokalen, kleinräumigen Ebene sind gestaltete Wasserinszenierungen durch Brunnen oder Wasserspielplätze eine gute Möglichkeit, wobei sich Wasserinszenierungen mit deutlichen Wasserbewegungen und großen Wassermengen sowie Anlagen, die in hohem Maße Spritzwasser- und Zerstäubungseffekte aufweisen, eignen. Dazu zählen Wasserläufe mit schnell fließendem Wasser, möglichst rauen Oberflächenstrukturen und zwischengeschalteten Kaskaden, Fontänenfelder, Nebelanlagen, Anlagen mit senkrecht fallendem Wasser wie Schalenbrunnen oder Wasserfälle und Wasserwände.^VI

Besonders hoch ist die Wirkung von Wasser in Kombination mit Vegetation, da hier die Verdunstungswirkung der Pflanzen verstärkend wirkt.^VIIDie Abkühlungswirkung von Wasser zeigt sich auch bei entsiegelten Flächen, da diese in der Lage sind, Wasser zu speichern und danach wieder an die städtische Atmosphäre abzugeben.

Gestaltungen mit Wasser sind oftmals aufwendig. Reaktivierungen oder Freilegungen von verdolten Gewässern gehen in der Regel mit aufwendigen baulichen Eingriffen und grundlegenden Änderungen städtischer Strukturen einher, befinden sich doch die Verdolungen häufig unterhalb von Straßenräumen. Auch Wasserinszenierungen wie Brunnen und Wasserspiele sind baulich aufwendig. Aufwendig ist auch die laufende Unterhaltung. Nicht wenige Kommunen schrecken wegen der hohen Betriebskosten vor der Errichtung solcher Anlagen zurück. Eine gute und vergleichsweise günstige Möglichkeit, vor allem aber schnell umsetzbare Möglichkeit sind temporäre Wasserinszenierungen.

Alle Wasserelemente, egal ob temporär oder dauerhaft, ob architektonisch oder landschaftlich gestaltet, ob Fließgewässer, Teiche, Seen oder Wasserspiele auf Plätzen zeichnen sich auch durch eine hohe sozialräumliche Bedeutung aus. Sie haben eine hohe Anziehungskraft, nicht nur für Kinder. Insbesondere durch das Zusammenspiel von visuellen und haptischen Aneignungsmöglichkeiten, der direkten Abkühlwirkung bei der Nutzung und der impliziten Abkühlung im unmittelbaren Umfeld sowie aufgrund der sozialintegrativen Eigenschaften sind sie deshalb wichtige Elemente für die Stadtklimaanpassung.

In Europa ist die Stadt Wien Vorreiterin beim Thema Stadtklimaanpassung mit Wasser. Wien hat eine besonders hohe Betroffenheit beim Klimawandel und hat deshalb schon frühzeitig konkrete Anpassungsstrategien entwickelt.^VIIIZentraler Baustein bei Maßnahmen sind Wasserelemente. Neben temporären Maßnahmen wie Wasserschläuchen mit Düsen, die wechselnd auf Plätzen installiert werden, gibt es Cool Spots mit Nebelduschen, Trinkbrunnen mit Sprühfunktion und sogenannte Coole Stelen, bei denen ein spezieller Aufsatz auf Hydranten feine Wasserdüsen erzeugt, der für Abkühlung sorgt.

Eine weitere Maßnahme sind die sogenannten Tröpferlbäder, Konstruktionen aus berankten und beschatteten Gerüsten, die mit Nebelelementen kombiniert werden, die sich besonders für stark versiegelte Plätze eignen, in denen nicht oder nur gering in den Untergrund eingegriffen werden darf.

Mikroklimatische Wirkung von Wasserelementen

Der Nachweis der spezifischen Wirkungsweise von Stadtklimaanpassungsmaßnahmen lässt sich über Modellsimulationen erbringen, die detaillierte Aussagen zur stadtklimatischen und bioklimatischen Situation ermöglichen. Wichtiger Parameter ist die physiologisch äquivalente Temperatur (PET), ein Index zur Kennzeichnung des thermischen Komforts. In ihn fließt ein, dass das menschliche Wohlbefinden durch eine subjektive Temperaturwahrnehmung bestimmt wird, in die solare Einstrahlung und Abstrahlung, Wind, Lufttemperatur und Luftfeuchte eingehen. Allerdings sind Modellsimulationen aufwendig.

Eine einfache Abschätzung der Wirkungsweise von Wasserelementen ist über die Messung der Oberflächentemperaturen möglich. Daraus lässt sich die Wirkung der Abkühlung unmittelbar ablesen und die thermische Behaglichkeit von Freiraumstrukturen näherungsweise ableiten. Nachfolgend ist die mikroklimatische Wirkung beispielhaft für verschiedene Wassergestaltungen dargestellt.

Beispiel 1: Theaterplatz Erfurt

Auf dem Theaterplatz in Erfurt befindet sich ein bodenebenes Wasserspiel als Fontänenfeld mit circa 1,50 m hohen Fontänen und einem Wasserfilm. Die Untersuchung an einem vollsonnigen Spätsommertag mit einer Lufttemperatur von 26 °C ergab Oberflächentemperaturen auf den versiegelten Platzflächen von bis zu 32 °C und im Bereich des Wasserelementes von 20 °C.

Beispiel 2 und 3: Marktplatz Kehl

Auf dem Marktplatz in Kehl befindet sich eine baulich ausgeformte, punkförmige Brunnenanlage, bei der aus tellerförmigen Düsen Wasser in der Form einer Pusteblume verspritzt wird. Im Rahmen einer temporären Wasserinszenierung wurde der Brunnen 2021 mit 5 bis zu 5 m hoch spritzenden Fontänen ergänzt. Die Untersuchung an einem vollsonnigen Sommertag bei einer Lufttemperatur von 30 °C zeigte Oberflächentemperaturen auf dem Platzbelag von bis zu 38 °C. Das Wasserelement hatte Oberflächentemperaturen von 22 °C. Deutlich erkennbar ist auch die Wirkung der zusätzlichen Fontänen mit ihren Zerstäubungseffekten.

Im Rahmen einer Sommeraktion wurde auf dem Marktplatz in Kehl 2021 außerdem ein temporäres Wasserspiel mit feinen Düsen über einfache Bewässerungsschläuche realisiert. Die Wasserversorgung erfolgte über einen Hydranten. Die Untersuchung nachmittags an einem vollsonnigen Sommertag bei einer Lufttemperatur 30 °C und Oberflächentemperaturen auf dem Platzbelag von bis zu 38 °C ergab Oberflächentemperaturen im Bereich des Wasserelements von 18 bis 22 °C. Durch die flächige und räumliche Wirkung der bis zu 2 m hohen sehr feinen Düsen und der deutlichen Vernässung des Platzbodens wurde eine deutliche Abkühlungswirkung auf dem ansonsten heißen Platz erreicht.

Die Inszenierung ermöglichte spielerische Aneignungen, die von Kindern wie auch erwachsenen Menschen intensiv in Anspruch genommen wurden. Die temporäre Anlage wurde über den gesamten Sommer bei Lufttemperaturen über 25 °C installiert. Durch die Stadt wurde die Anlage mittags installiert und abends durch die angrenzenden Gastronomen abgebaut.

Im Sommer 2021, der aufgrund der weitgehend eher kühlen und regnerischen Witterung als atypisch für die Klimaveränderung im Handlungsfeld Hitze gesehen werden muss, wurde durch die Verfasserin eine weitere urbane Wasseranlage hinsichtlich der mikroklimatischen Wirkung untersucht. Dort wurden neben dem direkten Abkühlungseffekt auf den Oberflächen die Lufttemperaturen an verschiedenen Stellen innerhalb und außerhalb des Wasserspiels in 1 m Höhe und im Querschnitt über die Höhe gemessen.

Beispiel 4: Marktplatz Karlsruhe

Das Fontänenfeld auf dem Marktplatz in Karlsruhe besteht aus 31 Düsen, die in fünf Gruppen für unterschiedliche Wasserbilder angesteuert werden. Die Höhe der Fontänen beträgt bis zu 2 m. Mit 200 m² nimmt das Wasserspiel auf dem circa 4000 m² großen Platzbereich etwa 5 Prozent der Platzfläche ein. Erkennbar ist, dass es einen Kernbereich des Wasserspiels mit deutlichen Abkühlungseffekten gibt (dunkelblaue Flächen in den Wärmebildaufnahmen) und zusätzlich Übergangsbereiche, in denen der Einfluss der Abkühlung je nach Spritzwassereinflussbereich abnimmt (gelbe und grüne Flächen in den Wärmebildaufnahmen).

Die mikroklimatisch wirksame Fläche des Wasserspiels liegt bei bis zu 400 m² und ist doppelt so groß wie die eigentliche Fläche des Wasserspiels. Das entspricht circa 10 Prozent der Platzfläche. Dabei ist die Abkühlungswirkung unterschiedlich stark. Die Höhenwirkung der Abkühlung reicht bis etwa 2,5 m Höhe.

Vorläufiges Fazit

Die Beispiele zeigen, dass sich je nach Temperatur des bewegten Wassers und Art der Wasserinszenierung eine deutliche Abkühlung der Oberflächen erzielen lässt. Alle Anlagen erbrachten Abkühlungseffekte durch Verdunstung, die entsprechend der spezifischen Spritzwasser- und Zerstäubungseffekte sowie der Größe (Höhe und Radius) unterschiedlich ausfielen, dennoch immer zu einer deutlichen Reduzierung der Lufttemperaturen und zu einer deutlichen Erhöhung des thermischen Komforts im Umfeld der Anlagen führten.

Die untersuchten Beispiele zeigen auch, dass mit Wasserelementen Abkühlung erreicht werden kann, die über die eigentliche Fläche der Anlagen teilweise deutlich hinausgeht. Jedoch ist zu berücksichtigen, dass der Betrieb, vor allem aufgrund der hohen Ansprüche an die Wasserqualität aufwendig und kostenintensiv ist. Hinsichtlich des fortschreitenden Klimawandels sind Wasserelemente mit starken Wasserinszenierungen geeignet und empfehlenswert, öffentliche Räume wirkungsvoll abzukühlen und die Aufenthaltsqualität im Stadtraum zu sichern.

Aufgrund der je nach Konstruktion hohen Investitions- und Betriebskosten empfiehlt sich immer eine genaue Abwägung, ob und unter welchen Bedingungen sich die technisch aufwendigen Wasserspiele wie Fontänenanlagen lohnen und welche Alternativen möglich sind. So sind Fontänenfelder vor allem für belebte beziehungsweise zentrale Stadtplätze mit intensiven Randnutzungen und Aneignungen geeignet. In klassischen Durchgangsräumen wie beispielsweise Bahnhofsplätzen, die nicht selten auch unerwünschte Nutzungen und Aneignungen haben, sollten robuste, verschmutzungsunempfindliche und vandalismussichere Elemente gewählt werden, bei denen die Anforderungen an die Wasserqualität geringer sind und die deshalb meistens kostengünstiger betrieben werden können.

Auch für eher repräsentative Plätze und Vorplätze mit nur zeitweise hohen Nutzungsfrequenzen stellt sich die Frage, ob mit alternativen Elementen bessere Effekte erzielt werden können. Hinsichtlich des fortschreitenden Klimawandels und der Herausforderungen vor allem für die innerstädtischen Räume bilden temporäre Anlagen eine willkommene Alternative. Sie erfordern deutlich geringe Investitionen, was den gegebenenfalls etwas höheren Wasserverbrauch allemal ausgleicht. Notwendig ist lediglich ein Wasseranschluss, der über Hydranten fast überall gegeben ist. Vor allem können sie flexibel und schnell eigesetzt werden. Schließlich ist mit ihnen auch die Möglichkeiten für neues soziales Miteinander verbunden, lassen sich doch temporäre Anlagen beispielsweise nachbarschaftlich im Quartier organisieren.

Literatur

• I Strategie zur Anpassung an den Klimawandel in Baden-Württemberg, Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, Juli 2015.
• II Thomas Nehls: Urbanes Klima und Hitzestress - Möglichkeiten zur Quartiersmodifikation. Institut für Ökologie, Center for Innovation and Science on Building Greening, TU Berlin, abgerufen am 20.10.2021 unter https: //www.wista.de/fileadmin/user_upload/ downloads/ energiestrategie/Konferenz_Klimaschutzziele _2050/Vortrag_Dr_Nehls.pdf.
• III Katrin Korth: Wassergestaltungen auf städtischen Plätzen, Dissertation am KIT, Fakultät für Architektur, 2015, Seite 34.
• IV Marilyn Symmes: Brunnen von der Renaissance bis zur Gegenwart, Stuttgart 1999, Seite 35.
• V Stadt Karlsruhe, Stadtarchiv (Hg.).: Denkmäler. Brunnen und Freiplastiken in Karlsruhe 1715 bis 1945, Kalrsruhe 1987, Seite 275.
• VI Katrin Korth: Stadtklimaanpassung mit urbanen Wassergestaltungen - Wasserelemente als Baustein öffentlicher Stadträume. In: Stadt + Grün, 05/2021.
• VII Hendrik Laue: Klimagerechte Landschaftsarchitektur, Handbuch zum Umgang mit Elementen und Faktoren im Freiraum, Patzer Verlag, Berlin 2019.
• VIII Strategien der Stadt Wien, abgerufen am 20.11.2021 unter https: //www.wien.gv.at/ umwelt/cooleswien/.