Urbane Hitzeminderung - die Relevanz von Wasser

Die Zukunft der Siedlungsentwässerung steht von verschiedenen Seiten unter Druck. Auf der einen Seite konzentriert die Innenentwicklung immer mehr Menschen auf versiegelten Flächen, die sich bei Sonneneinstrahlung stark aufheizen. Auf der anderen Seite sind es genau diese versiegelten Oberflächen, die den naturnahen Wasserhaushalt beeinflussen und bei Starkregen den Oberflächenabfluss begünstigen. Versiegelung ist damit zugleich ein Entwässerungs- und ein Hitzeproblem, und beide Herausforderungen treffen die wachsenden Schweizer Städte mit voller Wucht.

Die Zahlen sind eindeutig: Europa erwärmt sich rund doppelt so schnell wie der globale Durchschnitt und liegt heute etwa 2,5 °C über dem vorindustriellen Niveau [1]. In der Schweiz wurden allein für das Jahr 2023 rund 542 Todesfälle auf Hitze zurückgeführt [2]. Die neuen Klimaszenarien CH2025 bestätigen den Trend: mehr Hitzetage und Tropennächte, trockenere Sommer und intensivere Starkniederschläge [3]. Hitzebelastung ist damit nicht mehr ein Problem der fernen Zukunft, sondern eine Frage der laufenden Planung.

Hier liegt eine oft übersehene Chance: Regenwasser, das heute meist so schnell wie möglich abgeleitet wird, ist bei gezieltem Rückhalt ein wirksames passives Kühlmittel der Stadt. Genau darauf beruht das Schwammstadt-Prinzip: Niederschlag wird vor Ort gespeichert und durch Verdunstung oder Versickerung wieder dem lokalen Wasserkreislauf zugeführt. Aus einer Belastung wird so eine Ressource. Dass blau-grüne Infrastrukturen (BGI) eine  beträchtliche Wirkung für die Hitzeminderung haben können, zeigt die Literatur klar: Ihre dominanten Kühlmechanismen sind vor allem die Verdunstung und die Reduktion der in urbanen Oberflächen gespeicherten Wärme durch Beschattung [4].

Das vom Schweizerischen Nationalfonds geförderte Projekt «Heat-Down» der Eawag und der ETH Zürich hat diese Verbindung von Wasser und  itzeminderung systematisch untersucht. Der Ansatz verknüpft zwei sich ergänzende Stränge: einerseits die Weiterentwicklung schneller, praxistauglicher Modelle zur mikroklimatischen Simulation, andererseits die Integration eines breiten Spektrums an Hitzeminderungsmassnahmen. Letzteres reicht von baulicher Begrünung über operatives Benetzen mit Wasser bis hin zur Frage einer gerechten räumlichen Verteilung der Kühlung (s. dazu auch Fig. 1).

Schnelle Klimamodelle als Planungsgrundlage

Bevor knapper städtischer Boden einer Klimamassnahme zugewiesen wird, sollte bekannt sein, was wo wirkt. Hochaufgelöste Modelle wie ENVI-met [10] oder CFD-Ansätze [11] liefern zwar physikalisch detaillierte Resultate, sind aber für ganze Städte rechenintensiv und datenhungrig. Dies reduziert deren Anwendbarkeit, wenn es darum geht, zahlreiche Planungsszenarien durchzuspielen. Genau diese Lücke adressiert das im Projekt weiterentwickelte Modell TARGET (The Air-temperature Response to Green/blue-infrastructure Evaluation Tool) [12]. TARGET kommt mit wenigen Eingangsdaten aus: dem Anteil der Bodenbedeckung, der Gebäudegeometrie und meteorologischen Standarddaten. Es bildet die Stadt rasterbasiert mit einer Auflösung von 30 × 30 m und in feiner zeitlicher Schrittweite ab. In Zürich wurde das Modell mithilfe zweier hochaufgelösten Netze privater Wetterstationen validiert. Das Resultat zeigt, dass TARGET die innerstädtischen Temperaturunterschiede gut reproduziert (r = 0,95; mittlerer Fehler rund 2,2 °C) [13, 14]. Eine ensitivitätsanalyse zeigte, dass die Geometrie des Strassenraums (das Verhältnis von Gebäudehöhe zu Strassenbreite) und die thermischen Eigenschaften  von Betonoberflächen die innerstädtische Hitze am stärksten prägen. Darüber hinaus lassen sich die modellierten Temperaturen mit Fussgängerfrequenzdaten verknüpfen. Damit werden nicht nur die heissesten Orte sichtbar, sondern auch jene mit der höchsten menschlichen Exposition, was die betroffenen Menschen in den Mittelpunkt der Planung rückt [14].

Um das Modell für die Praxis einfach verfügbar zu machen, wurde TARGET als frei verfügbares Plugin in das Open-Source-Werkzeug UMEP (Urban Multi-scale Environmental Predictor – s. Box «Danksagung und Software») für die GIS-Plattform QGIS integriert und kann ohne Programmierkenntnisse genutzt werden [15]. Der Arbeitsablauf führt von der Datenaufbereitung über die Simulation und die Kartierung der Hitze-Hotspots bis zum direkten Vergleich von Szenarien.

Eine Fallstudie für Zürich illustriert das Potenzial. Eine gezielte Begrünung, kombiniert mit Bewässerung, reduzierte die Ausdehnung der Hitze-Hotspots um rund zwei Drittel [15] (Fig. 2). Allerdings blieben dicht bebaute, hohe Quartiere heiss, weil sich dort die Bodenbedeckung kaum verändern lässt. Dieser Limitierung kann durch eine operative Kühlung begegnet werden, die im Kapitel «Die operative Kühlung: Benetzen von Oberflächen» beschrieben wird.
Die Recheneffizienz hat aber auch einen Preis: TARGET vernachlässigt die horizontale Luftvermischung (Advektion), und die getesteten Eingriffe sind idealisiert. Die berechneten Kühlwirkungen sind daher als obere Richtwerte zu verstehen.

Strukturelle Kühlung: Bäume

Bäume sind der wirksamste infrastrukturelle Hebel für die Kühlung, da sie Schatten spenden und gleichzeitig Wasser über ihre Blätter verdunsten. Zwei Faktoren werden bei diesen Kühlleistungen regelmässig unterschätzt: die Wasserverfügbarkeit und die Zeit.

Wasser

Multiskalige Simulationen mit empirischer Validierung zeigen, dass die Verdunstungskühlung mindestens ebenso wirksam ist wie die Beschattung, sofern der Boden feucht ist [16]. Hält eine Bewässerung den Boden auf Feldkapazität und ist genügend Kronendach vorhanden, lässt sich in locker bebauten Gebieten an durchschnittlichen Sommertagen ein Zustand «ohne Hitzestress» erreichen. In einer offenen, niedrig bebauten Zone (typischerweise in der Literatur als lokale Klimazone LCZ 6 bezeichnet [9]) genügen dafür rund sechs Bäume. In einer offenen, mittelbebauten Zone (LCZ 5) sind es etwa 26 oder mehr, und zwar jeweils nur, wenn aktiv bewässert wird [16].

In den dichtesten (kompaktesten) Zonen (LCZ 2) liess sich dieser Zustand «ohne Hitzestress» dagegen kaum erreichen. An einem extremen Hitzetag reichten selbst maximale Kronenbedeckung und volle Bewässerung nicht aus, um den Hitzestress vollständig aufzuheben; immerhin liess sich die Belastung von «sehr starkem» auf «starken» Hitzestress senken. Bemerkenswert ist, dass die Verdunstung einen grösseren Beitrag zum thermischen Komfort leisten kann als bislang angenommen, allerdings nur, solange die Bodenfeuchte über einem kritischen Schwellenwert bleibt [16]. Die Bodenfeuchte ist somit der begrenzende Faktor und muss explizit mitgeplant werden.

Zeit

Mittels Satellitendaten wird quantifiziert, wie lange eine Begrünung braucht, um eine stabile Kühlleistung zu erbringen; das Projekt führt dafür den Begriff Cooling Establishment Time ein [7]. Bäume und Kletterpflanzen benötigen rund sieben bis zehn Jahre, Rasen- oder bewässerte Systeme nur ein bis drei Jahre. Bewässerung beschleunigt sowohl die Etablierung als auch die Kühlung. Siehe dazu auch Figur 3. 

Anders gesagt: Die heute gepflanzte Kühlung kommt erst in einem Jahrzehnt voll zum Tragen. Diese Erkenntnis ist ein zentraler Punkt, wenn akute Hitze rasch gemindert werden soll. Genau hier setzt ein Argument für die operative Kühlung an: Schnell etablierte, bewässerte Systeme können die Zeit überbrücken, bis gepflanzte Bäume ihre volle Wirkung entfalten.

In der Schweiz hat dieser Befund konkrete Relevanz: Strassenbäume im dicht bebauten Raum werden oft nur 20 bis 25 Jahre alt. Ein möglichst optimales Baumwachstum zu ermöglichen, ist deshalb sehr relevant: So empfiehlt die Stadt Bern in ihrem Ansatz «Schwammstadt für Bäume» möglichst rund 36 m³ durchwurzelbaren Raum samt gespeichertem Wasser pro Baum, während heute vielerorts nur ein Bruchteil davon zur Verfügung steht [17]. 

Zwei Einschränkungen bleiben: Die simulierten Baumgruppen sind günstige Idealfälle, und die Kühlung wirkt vor allem direkt unter dem Kronendach, kaum im weiteren Umfeld. Die in Figur 3 und Tabelle 1 gelisteten Werte sind deshalb als Potenziale zu verstehen.

Operative Kühlung: Benetzen von Oberflächen

Dort, wo keine Begrünung möglich ist, z. B. in engen Strassenschluchten oder auf Flächen ohne Pflanzraum, kann das Benetzen von Belägen Verdunstungskühlung auf Abruf liefern. Das aktive Benetzen ist zudem eine alte Sommertradition, bereits über Jahrhunderte als «Uchimizu» in Japan praktiziert.

Versuche und Modellierungen zeigen, dass sich durch das Befeuchten versiegelter Oberflächen die Oberflächentemperatur um bis zu 15 °C und die Lufttemperatur um bis zu 2 °C senken lassen [18].
Wie viel, wann und wie oft benetzt werden soll, hat das Projekt mithilfe einer multikriteriellen Optimierung untersucht. Das Verfahren ermittelt diejenigen Strategien, die Kühlwirkung und Wasserverbrauch optimal ausbalancieren, und deckt dabei 48 Kombinationen aus sechs globalen Klimatypen und acht lokalen Klimazonen ab.

Drei Befunde sind für die Praxis besonders relevant [13]. Erstens schöpfen moderate Wassermengen von rund 2 bis 5 mm pro Tag den grössten Teil der erreichbaren Kühlung aus; darüber nimmt der Zusatznutzen rasch ab. Zweitens sind Zeitpunkt und Häufigkeit wichtiger als die schiere Menge: häufiges, gut getaktetes Benetzen mit wenig Wasser ist wirksamer als seltene, intensive Gaben. Drittens setzt das Hintergrundklima das Ausmass der möglichen Kühlung (heisstrockene Bedingungen bieten das grösste Potenzial) fest, während die Geometrie des Strassenraums den optimalen Zeitpunkt bestimmt.

Dabei stellt sich die Frage nach dem Wasserverbrauch: Eine grossflächige Anwendung entspricht je nach bewässerter Fläche grob 30 bis 200 Litern pro Person und Tag [13]. Das sind substanzielle Mengen, die oftmals auch mit Trockenperioden zusammenfallen, wie z. B. im Hitzesommer 2026. Trinkwasser kommt deshalb nur in besonderen Fällen (z. B. gut ausgebaute Seewasserversorgung) infrage. Ob sich solche Massnahmen umsetzen lassen, hängt von den verfügbaren Wasserquellen ab. Ideal dafür ist gespeichertes Regenwasser, etwa aus einem Rückhaltebecken oder Teich. Hier greift das Schwammstadt-Prinzip direkt in der Praxis: Der gespeicherte Regen wird an Hitzetagen gezielt zur Kühlung genutzt.
In der Schweiz werden solche Massnahmen bereits getestet. Die Stadt Zürich hat ihre Hitzeminderung fachplanerisch verankert [19] und erprobt unter anderem Sprüh- und Belagsbenetzungsanwendungen im öffentlichen Raum. «Heat-Down» liefert dazu die quantitative Grundlage: das «Wieviel, Wann und Wieoft».

Damit wird die zentrale Botschaft des Projekts greifbar: Strukturelle Begrünung und operatives Benetzen sind keine Alternativen, sondern ergänzen sich. Wo Platz und Zeit für Bäume fehlen, springt das Benetzen ein; wo Bäume wachsen können, sichert gespeichertes Wasser ihre Kühlwirkung (Fig. 4).