Die Stadt von morgen ist Grün

Städte waren und sind Treiber für Wachstum und Innovation. In Städten manifestiert sich die ökonomische, ökologische und soziale Stabilität von Gesellschaften. Die Weiter- und Neuentwicklung von Städten ist eine der zentralen Zukunftsaufgaben.

In weniger als 30 Jahren werden mehr als zwei Drittel aller Menschen in Städten leben. Die daraus resultierenden Herausforderungen sind immens. In der Urbanisierungsdiskussion stand lange Zeit die Digitalisierung, die smarte Stadt, im Vordergrund. Nun rückt jedoch zunehmend das Wohlbefinden und die Lebensqualität der Menschen, welche in den Städten leben, ins Zentrum der Aufmerksamkeit. Beide Aspekte resultieren aus einer ganzen Kette von Faktoren wie individuellem Wohlstand, Beschäftigung, urbaner Mobilität, jedoch auch sehr physischen, städtebaulichen Merkmalen wie Flächen für Erholung, beispielsweise in Form von Grünflächen. Städte wie Singapur zeigen eindrucksvoll, wie eine konsequente Fokussierung auf grüne Infrastruktur und damit einhergehende Aufenthaltsqualität zum Alleinstellungsmerkmal werden können und die Konkurrenz der Städte um die talentiertesten Menschen begünstigen. Gleichzeitig verdeutlicht die mediale Aufmerksamkeit auf belastete Luft in Innenstädten und den damit einhergehenden Verlust von Lebensqualität in vielen deutschen Innenstädten den Bedarf einer Weiterentwicklung unserer gebauten Umwelt. Hierbei spielen die vielen, größtenteils ungenutz­ten horizontalen und vertikalen Flächen unserer Städte, quasi die gesamte Oberfläche, eine große Bedeutung. Ein „Update“ dieser Flächen, eine sprichwörtliche Aktivierung zu Gunsten besserer Luft, Temperatur, Akustik und Aufenthaltsqualität in der Folge, ist eine zentrale Aufgabe für die nachhaltige Entwicklung der Stadt von morgen.

Grünräume und begrünte Gebäudehüllen wirken sich nicht nur positiv auf die Gesundheit, das Wohlbefinden und die Stressreduktion aus. Sie haben auch einen messbaren Einfluss auf das städtische Mikroklima und den Energieverbrauch von Gebäuden, der höhere Anfangsinvestitionen in die Architek-tur und Stadtgestaltung rechtfertigen könnte. 

Das international tätige Planungs- und Beratungsbüro Arup hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Vorteile grüner Gebäudehüllen näher zu untersuchen. Im Rahmen eines weltweiten Forschungsprojekts sollten die Möglichkeiten und Auswirkungen von begrünten Gebäudehüllen messbar und die resultierenden Vorteile quantifizierbar und damit monetär erfassbar werden. Mithilfe digitaler Simulationen konnten 15 ArupSpezialisten aus aller Welt die Wirkung begrünter Fassaden auf den lokalen Lärmpegel, die Luftverschmutzung und die Wärmeentwicklung in Städten quantifizieren.

Dabei wurden die Auswirkungen in den fünf Weltmetropolen Berlin, Hong Kong, Melbourne, London und Los Angeles betrachtet. Die Morphologie der einzelnen Städte sowie ihr geographischer und klimatischer Kontext haben einen starken Einfluss auf die jeweilige Lärm-, Schadstoff- und Hitzebelastung. Dennoch ist es dem internationalen Forschungsteam gelungen, einen positiven Beitrag grüner Gebäudehüllen zum jeweiligen Stadtklima nachzuweisen.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Urbane Ökophysiologie an der Humboldt-Universität Berlin und dessen Leiter Prof. Christian Ulrichs wurden Messdaten zur Wirkung von Pflanzen gewonnen und in komplexe Strömungssimulationen eingespeist. So konnten potentielle Vorteile von begrünten Gebäudehüllen in den fünf untersuchten Städten mittels dreidimensionaler Modelle ausgewertet werden. Dabei ging es vor allem darum, den Einfluss der Stadtmorphologie, insbesondere des Höhen- und Breitenverhältnisses typischer Straßenräume, auf das Stadtklima und ihre Wechselwirkung mit Gebäudebegrünungen zu untersuchen.

Weniger Feinstaub, weniger Lärm und ein reduzierter städtischer Wärmeinsel-Effekt

Begrünte Gebäudehüllen haben das Potential, die lokale Feinstaubkonzentration im Straßenraum um 10 bis 20 % zu verringern. Sie können zudem − bei Verwendung von Substrat − den Lärmpegel aus dem Verkehr und anderen Quellen um bis zu 10 dB(A) dämpfen.

Die Wirkung begrünter Fassaden auf den städtischen Wärmeinsel-Effekt ist in Straßenzügen mit einem Höhen-/Breitenverhältnis von mehr als 2 am größten. Solche Straßenräume sind vor allem in hoch verdichteten Stadtzentren wie Hong Kong oder Melbourne anzutreffen.

Dort ergaben die Simulationen signifikante lokale Verringerungen der Spitzentemperaturen um bis zu 10 °C. Zu den wichtigsten Erkenntnissen zählt jedoch, dass das Gebäudegrün keine Dekoration ist, sondern eine notwendige grüne Infrastruktur. Ganz gleich, wo sie entsteht und wieviel Fläche sie umfasst, sie ruft stets positive Reaktionen bei den Menschen hervor, weil sie als ästhetische Bereicherung und als Verbesserung der Lebensqualität wahrgenommen wird. Sie wirkt stressmindernd auf die Gesellschaft.

Geringere Luftverschmutzung

Die Politik versucht, den Schadstoffausstoß − wie beispielsweise vom Autoverkehr − vor allem dort zu reduzieren, wo er entsteht. Diese Maßnahmen konnten die Schadstoffkonzentration in großen Stadtgebieten bisher nicht unter die von der Weltgesundheitsorganisation und nationalen Normen definierten Grenzwerte zurückdrängen. Deshalb müssen weitere Maßnahmen getroffen werden (Kurzfilm zu einem Beispiel aus Aachen).

Mithilfe von Strömungssimulationen hat Arup untersucht, wie die Straßenräume und Gebäudetypologien in den fünf untersuchten Städten die Luftströmung auf Straßenniveau und an begrünten Gebäudehüllen beeinflussen. Für alle Strömungssimulationen wurde ein Westwind mit 4 m/s Geschwindigkeit angenommen, der einen vereinfachten Straßenquerschnitt durchströmt. Anhand dessen war es möglich, die Wirksamkeit einer Fassadenbegrünung als Feinstaubfilter am jeweiligen Standort vorauszusagen. Diese meteorologischen Einflüsse sowie die Größe und Form der Staubpartikel sind vor allem kontextabhängig. Die Planer können jedoch die zu verwendenden Pflanzenarten und ihre jeweilige Anordnung im Straßenraum beeinflussen.

Mit Blick auf die Schadstoffbelastung ist gerade auch die Dichte des Blattbewuchses von Interesse. Sie wird mit dem sogenannten Blattflächenindex (BFI) gemessen. Die optimale Anordnung der Begrünung variiert je nach Schadstoffquelle und vorherrschender Windrichtung. In Straßen mit hoher Verkehrsbelastung sind eine niedrige Vegetation im Straßenraum sowie eine Fassadenbegrünung am unteren Teil der windabgewandten Fassaden empfehlenswert. Sie reinigt die von den Fahrzeugen aufsteigende Luft, bevor sie in die angrenzenden Gebäude einströmt. Dadurch kann die örtliche Schadstoffkonzentration um 10 bis 20 % gesenkt werden. Be-zogen auf die Gesamtstadt ist dieser Effekt deutlich geringer, weil die luftreinigende Wirkung der Pflanzen auf den unmittelbaren Straßenraum beschränkt ist. Dennoch sind begrünte Gebäudehüllen ein gutes Mittel, um die Luftqualität an ausgewählten Standorten zu verbessern.

Weniger Lärmbelastung

Die Straßenräume sind meist von harten Oberflächen aus Beton, Ziegeln, Asphalt und Glas begrenzt. Diese reflektieren den Schall und steigern so den Lärmpegel auf der Straße. Fassadenbegrünungen können zwar keine direkten Schallimmissionen verhindern, sie verringern jedoch die Reflexion der Schallwellen und ihre Umlenkung um Straßenecken herum deutlich. Das gilt sowohl für den Hintergrundlärm, der in einer Stadt herrscht, sowie für Lärmemissionen aus einzelnen Quellen innerhalb des Straßenraums, wie Motorrädern, Sirenen und Baufahrzeugen. Auch das Substrat, auf dem die Gebäudebegrünung wächst, hilft, den Straßenlärm zu dämpfen.

Um die Schallminderung durch Grünfassaden in den unterschiedlichen Städten abzuschätzen, wurden zwei unterschiedliche Simulationen durchgeführt. Die erste untersuchte die akustischen Auswirkungen einzelner städtebaulicher Aspekte, die zweite fokussierte sich auf ihre kombinierte Wirkung für typische Straßenräume in den fünf Städten. Dabei wurden jeweils Varianten mit und ohne Fassadenbegrünung miteinander ver-glichen. Zu den untersuchten städtebaulichen Einflussgrößen gehörten die Gebäude- und Blocktiefe, die Gebäudelänge und -höhe sowie die Straßenbreite. Punktuelle Lärmquellen, beispielsweise von einzelnen Fahrzeugen, wurden ebenso betrachtet wie lineare Quellen, die bei einem kontinuierlichen Verkehrsstrom auftreten.

Das Ergebnis: Grünfassaden können den Schallpegel aus dem Verkehr und anderen Quellen um bis zu 10 dB(A) senken. Die Wirkung tritt weniger in unmittelbarer Nähe der Quelle auf, sondern steigt mit zunehmender Entfernung zur Schallquelle an, solange, bis der Umgebungslärm zu dominieren beginnt. Tendenziell ist der Effekt der Begrünung in der Nacht am größten, wenn einzelne Schallquellen über den Hintergrundlärm dominieren.

Begrünte Gebäudehüllen können − neben der messbaren Schallminderung − auch zu einem psychologischen Ruheempfinden führen. Eine Umfrage unter 105 Anwohnern einer vielbefahrenen Straße im Belgischen Gent ergab, dass Bewohner ohne Ausblick ins Grüne fünfmal häufiger über Lärm klagten als solche, die vom Fenster aus einen Blick auf Pflanzen hatten. Laboruntersuchun-gen belegen, dass die Farbe Grün die Lärmempfindung gegenüber anderen Farben reduziert.

Reduzierter städtischer Wärmeinsel-Effekt

Als städtische Wärmeinseln werden Gebiete bezeichnet, deren Temperaturen deutlich höher sind als in den umliegenden Vororten und im Umland. Versiegelte Oberflächen und dichte Gebäudemassen gelten als Hauptverursacher dieses Effekts. Die Umweltschutz-behörde der Vereinigten Staaten schätzt, dass urbane Gebiete mit mehr als 1 Mio. Einwohnern tagsüber 1 bis 3 °C wärmer und abends sogar bis zu 12 °C wärmer als ihr Umland sein können. Für die Zukunft prognostiziert der New Yorker Klimaschutzrat sogar eine beschleunigte Erwärmung: Bis 2050 sollen die Durchschnittstemperaturen um weitere 2,3 bis 3,2 °C steigen. Es steht zu befürchten, dass die Häufigkeit von Hitzewellen sich bis dahin verdreifachen wird.

Die Natur ist das beste und anerkannteste Mittel, die Auswirkungen städtischer Wärmeinseln zu reduzieren. Pflanzen absorbieren die Sonnenenergie, spenden Schatten und liefern über ihre Blätter Verdunstungskälte. Die Luft- und Oberflächentemperaturen im Stadtraum werden dadurch gesenkt und die Luftqualität wird verbessert.

Anhand von Strömungssimulationen hat Arup den klimatischen Einfluss begrünter Gebäudehüllen auf einzelne Gebäude sowie auf das Stadtklima als Ganzes bestimmt und die so gewonnenen Ergebnisse mit Werten aus der Literatur verglichen. Um die Vergleichbarkeit herzustellen, ermittelten die Experten die Auswirkungen auf ein einzelnes Gebäude. Dafür modellierten sie jeweils ein typisches Bürogebäude im städtischen Umfeld der fünf untersuchten Städte. Für die simulierten Gebäude wurde in allen fünf Fällen der gleiche technische und bauliche Standard verwendet. Er orientiert sich an den gesetzlichen Vorgaben für Bürogebäude in Kalifornien.

Die Simulationen belegen, dass das Entstehen von städtischen Wärmeinseln und der kühlende Effekt begrünter Fassaden von vielen städtebaulichen und klimatischen Einflüssen abhängen: Begrünte Fassaden entfernen rund 50 % der Sonneneinstrahlung aus dem Straßenraum und erhöhen so den Komfort für die Fußgänger.

Am größten ist ihre Wirkung in sehr dicht bebauten Stadtzentren, wie Hong Kong, Melbourne oder Madrid, mit einem Höhen-/Breitenverhältnis des Straßenraums von über 2. Dort sagen die Simulationen bis zu 10 °C geringere Tageshöchstwerte bei der Lufttemperatur voraus. Sie mildern vor allem Belas-tungsspitzen durch städtische Wärmeinseln, etwa bei starken Hitzewellen. Über das ganze Jahr betrachtet ist ihre Wirkung deutlich geringer.

In relativ gut durchgrünten Städten wie Berlin haben begrünte Fassaden eine deutlich geringere Wirkung als in Städten mit hoher Dichte und vielen versiegelten Oberflächen wie London, Madrid und Hong Kong.

Auch Städte mit breiten Straßen und niedriger Bebauung wie Los Angeles würden von mehr Grün im Straßenraum profitieren, da sich dort sonst ein Großteil der solaren Wärmegewinne staut. Für den Energieverbrauch einzelner Gebäude sind begrünte Fassaden da am vorteilhaftesten, wo die Bebauungsdichte niedrig ist, wo also die Höhe/Breite des Straßenraums kleiner als 1 ist und häufig die Sonne scheint.

So zeigte sich bei einem niedrigen Bürogebäude in Los Angeles eine Verbrauchssenkung um 8 %, während es bei dichter bebauten europäischen oder asiatischen Städ-

ten nur 2 bis 3 % waren.

Studien anderer Autoren haben aufgezeigt, dass sich der Energieverbrauch in Gebäuden mit begrünten Fassaden um 20 bis 50 % senken lässt. Die Simulationen von Arup können diese Zahlen nicht bestätigen. In den meisten Fällen lassen sich für ein durchschnittliches Bürogebäude Einsparungen von 2 bis 8 % erwarten.

Die größten Verursacher externer Wärmeeinträge in modernen Gebäuden sind die Fenster. Für diese war in den Simulationen keine Verschattung durch eine Fassadenbegrünung angenommen worden. Insgesamt dominieren in Bürogebäuden mit zeitgemäßem Baustandard die inneren Wärmeeinträge aus Personen und IT-Ausstattung.

Hohes Potential für die Zukunft

Parkanlagen, Straßenbäume, Gärten und andere Grünflächen erbringen schon heute erhebliche Ökosystemdienstleistungen für die Städte. Wenn Städte und ihre Bewohner künftig durch Verdichtung, Klimawandel und unkontrolliertes Wachstum zusätzlich unter Stress geraten, werden diese nicht mehr ausreichen. Gebäude haben ein enormes, bisher ungenutztes Potential, Städte nicht nur lebenswerter, sondern auch krisenbeständiger zu machen.

Erfolgreiche Beispiele, wie das von Sin-gapur, zeigen, dass die grüne Infrastruktur einer Stadt bei einem begrenzten Flächen-angebot und einer schnell wachsenden Bevölkerung wesentlich ist, um hoch qualifizierte Arbeitskräfte an sich zu binden. In seiner „Sustainable Growth Strategy“ strebt der Stadtstaat bis zum Jahr 2030 0,8 ha Grünflächen pro 1 000 Einwohner sowie eine Gesamtfläche aller Grünfassaden und Dachgärten in Hochhäusern von 50 ha an.

Gebäudebegrünungen und die derzeit verfügbaren Begrünungsysteme sind hoch innovativ und technisch komplex. Wegen ihrer hohen Kosten und ihres hohen Wartungsaufwands kommen sie nur auf sehr begrenzten Flächen zum Einsatz. Um einen nachhaltigen Nutzen zu bringen, dürfen nicht nur Neubauten begrünt werden. Es ist sehr wichtig, dass auch der Gebäudebestand mit Gebäudebegrünung ertüchtigt wird.

Arup arbeitet mit mehreren Herstellern daran, die Komplexität der Begrünungssys-teme deutlich zu reduzieren. Es sollen dadurch nicht nur die Anschaffungskosten, sondern auch der Wartungsaufwand spürbar sinken. Die Pflanzenauswahl muss sich stärker an den klimatischen und geographischen Gegebenheiten des Standorts orientieren und die Systeme sollten ein Maximum gestalterischer Flexibilität aufweisen, sodass Architekten und Fassadenplaner sie an die Gegebenheiten des jeweiligen Projekts anpassen können.