Welke adaptieve maatregelen verminderen hittestress?

Transcriptie

1 Het Milieu Dossier accepteert artikelen die de voortgang in beleid, onderzoek en maatschappelijke respons documenteren. Bijdragen worden beoordeeld door een redactieteam. Welke adaptieve maatregelen verminderen hittestress? Door de klimaatverandering en toenemende verstedelijking groeit de aandacht voor het stedelijk hitte-eiland effect (Urban Heat Island, UHI). Verschillende factoren zijn van invloed op de hogere temperatuur in steden in vergelijking met het omliggende platteland. De UHI varieert bovendien per wijk en zelfs per uur. In het project Urban Climate Assessment & Management is een standaardrekenmethode voor hitte ontwikkeld. Daarbij zijn de gevoeligheden van het UHI voor diverse wijkparameters modelmatig vastgelegd. Met de rekenmethode kan voor elk wijktype worden bekeken hoe groot het UHI is en welke adaptieve maatregelen hierop van invloed zijn. Inleiding Hitte is schadelijk voor de menselijke gezondheid. Door de bebouwing is het in een stad warmer dan op het omliggende platteland. Stadsbewoners worden dus blootgesteld aan hogere temperaturen. Met het oog op de klimaatverandering en urbanisatie zal hitte in de toekomst een steeds groter wordende bedreiging voor de volksgezondheid vormen. Er is veel onderzoek uitgevoerd naar de oorzaken van het UHI en de eventueel te nemen maatregelen. Studies hebben aangetoond dat het stedelijk hitte-eiland effect in Nederlandse steden substantieel is 1,2. Om inzicht te krijgen in het UHI en de gezondheidsrisico s van het UHI heeft een consortium, bestaande uit Witteveen+Bos, de Meteorologie en luchtkwaliteitgroep van Wageningen Universiteit (WUR-MAQ) en het KNMI, onderzoek gedaan naar de invloed van wijkparameters (gebouwhoogte, straatbreedte, groenpercentage, etc.) op de gezondheidsrisico s tijdens warme a perioden 1. Het doel hiervan is een standaardrekenmethode te ontwikkelen om de besluitvorming en afwegingen in de ruimtelijke ordening ten aanzien van stedelijke hitte te ondersteunen. Stedelijk hitte-eiland effect De stralingsbalans (Q netto ) is de som van de inkomende zonnestraling en de uitgezonden warmtestraling. Tijdens een hittegolf is de inkomende straling hoog. Door het lage a1 Het onderzoek vond plaats in het Urban Climate Assessment & Management (UCAM) project. UCAM is een methode om besluitvorming en afwegingen in de ruimtelijke ordening te ondersteunen door te voorzien in een informatiebehoefte en een consistente advisering ten aanzien van de stedelijke hitteproblematiek. De methode kan zowel in de context van het screenen van bestaande stadswijken als in de beoordeling en optimalisatie van inrichtingsalternatieven in een toekomstige situatie worden toegepast. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de auteurs. Jochem Klompmaker, Gert-Jan Steeneveld en Ronald Groen Jochem Klompmaker en Ronald Groen ( , ronald.groen@witteveenbos.com) zijn adviseur Klimaat, Lucht en Gezondheid bij Witteveen+Bos; laatstgenoemde is projectleider Urban Climate Assessment & Management. Gert-Jan Steeneveld is verbonden aan de Vakgroep Meteorologie en Luchtkwaliteit, Wageningen Universiteit. weerkaatsingvermogen (albedo) van een stad wordt veel inkomende straling geabsorbeerd (warmteopslag). Daarnaast zorgt de gebouwde omgeving dat de uitgaande warmtestraling niet snel wordt uitgestraald naar de atmosfeer, maar gevangen blijft in de straat. De energiebalans beschrijft hoe deze energie wordt verdeeld. Naast de straling (Q netto ) wordt er ook warmte toegevoegd door menselijk handelen (bijv. verkeer): antropogene warmte (AH). Deze totale toegevoegde energie aan de linkerkant van de balans wordt aan de andere kant van de balans verdeeld over de voelbare warmte (H), latente warmte (LE) en de warmteopslag in gebouwen en in de bodem (G). De voelbare warmte is de warmte die een stijging in temperatuur veroorzaakt. Warmte die gebruikt voor de verdamping van water is de latente warmte. De balans tussen deze termen verschilt in stedelijke gebieden sterk ten opzichte van 34

2 Q netto + AH = H + LE + G Q = netto straling AH = antropogene warmte H = voelbare warmte LE = latent warmte G = warmte opslag Voelbare warmte Antropogene warmte Warmte opslag Kortgolvige straling Langgolvige straling Figuur 1: De verschillende stralings- en energietermen overdag in een stad 1 Latente warmte variaties in deze parameters. Hiermee is kwantitatief inzicht verkregen in de gevoeligheid en is een basis gecreëerd voor de snelle rekenmethode om de effecten te bepalen van maatregelen die deze parameters beïnvloeden. In het onderzoek zijn vijf typen wijken onderzocht: 1. Compacte middenbouw: dichtbebouwd gebied, nauwe straten en hoge gebouwen (3 tot 9 verdiepingen); 2. Compacte laagbouw: dichtbebouwd gebied, nauwe straten en lage gebouwen (1 tot 3 verdiepingen; 3. : brede straten en hoge gebouwen (3 tot 9 verdiepingen); 4. : brede straten en lage gebouwen (1 tot 3 verdiepingen); 5.. een rurale omgeving. Zo is er in een stad, vanwege alle menselijke activiteiten, meer antropogene warmte dan in rurale gebieden. Bovendien is de warmte-opslagcapaciteit relatief groot in een stad (ongeveer 50% van de netto straling) ten opzichte van het platteland (10%). s Avonds en s nachts wordt de opgeslagen warmte weer afgegeven, waardoor de temperatuur minder snel en minder ver daalt dan op het platteland. Verder is er een beperkte hoeveelheid groen in de stad waardoor de potentiële latente warmte lager is in vergelijking met rurale gebieden. Al deze factoren leiden er toe dat de voelbare warmte in een stad hoger is dan op het platteland: het UHI. Wijkparameters die invloed hebben op de warmteopslag, de antropogene, voelbare of latente warmte dragen dus bij aan het UHI van een wijk. Temperatuur-modelsimulaties Een manier om hitte in steden in beeld te brengen is door middel van hittekaarten. Deze zijn vaak gebaseerd op oppervlaktetemperaturen (surface-uhi), waardoor verschillen sterk worden uitvergroot en geen rekening wordt gehouden met de sterke menging van de lucht als gevolg van turbulentie. Om uitspraken te kunnen doen over de hitte-gerelateerde gezondheidseffecten zijn oppervlaktetemperaturen niet zo betrouwbaar. Uit wetenschappelijk onderzoek blijkt dat juist de omgevingstemperatuur een goede indicator is voor gezondheidseffecten (verhoogde sterfte). Het UHI is dus van belang om te onderzoeken. Het UHI is een complex verschijnsel. Hierdoor is het in de praktijk lastig om de invloed van de verschillende fysieke eigenschappen van een wijk op het UHI te bepalen. Dit is de aanleiding geweest om binnen het UCAM-project een eenvoudiger toepasbare rekenmethode te ontwikkelen. Door de WUR-MAQ is een geavanceerde modelstudie uitgevoerd naar de invloed van verschillende bebouwingstypes op de (uurlijkse) temperatuur op leefniveau. Vijf veelvoorkomende wijktypes zijn geselecteerd op basis van het zgn. Local Climate Zone (LCZ) classificatiesysteem van Stewart & Oke (2012) 2 (zie afbeelding 2). Per wijktype zijn representatieve waarden van de volgende parameters bepaald: Weerkaatsingsvermogen (dak, gevel, weg); Geleidingscoëfficiënt (dak, gevel, weg); Emissiviteit (dak, gevel, weg); Groenfactor (percentage groen oppervlak); Waterfactor (percentage blauw oppervlak); Antropogene warmte. Daarnaast is voor iedere LCZ onderzocht hoe de temperatuur wordt beïnvloed door Resultaten Uit de modellering blijkt dat de temperatuurverschillen op leefniveau tussen de wijktypen overdag (tussen 9.00 en uur) erg klein zijn (zie afbeelding 2). Dit is het gevolg van de turbulente menging die plaatsvindt binnen het onderste deel van de atmosferische grenslaag. Het lage UHI overdag wordt bevestigd in waarnemingen door Heusinkveld en anderen 2. De grootste verschillen treden s avonds en s nachts op. De verklaring daarvoor is dat de opgeslagen warmte in de bebouwing wordt afgegeven, die verschillend uitpakt voor de wijktypen. De maximale onderlinge uurlijkse temperatuurverschillen voor de onderzochte (doorsnee) wijktypen bedragen circa 6 C. De maximale (uurlijkse) UHI bedraagt circa 8 C. Uit de verschillende onderzoeken naar de effecten van warme periodes op de gezondheid blijkt dat de etmaalgemiddelde temperatuur de beste indicator is voor hittegerelateerde sterfte. Naast de verhoogde mortaliteit zijn er ook andere zeer uiteenlopende gezondheidseffecten (ziekte, slapeloosheid etc.) die kunnen optreden naar aanleiding van hoge temperaturen. Dit totaal aan hittegerelateerde gezondheidseffecten wordt in het UCAM-project onder de term hittestress geschaard. Daarbij is aangenomen dat in omstandigheden met een hogere sterfte de overige effecten nave- 35

3 Temperatuur ( C) :00 5:00 9:00 13:00 17:00 21:00 1:00 5:00 9:00 13:00 17:00 21:00 Tijd (uur) rurale temperatuur nant hoger zullen zijn. Om de hittestress veroorzaakt door het UHI te kwantificeren, wordt dus op basis van de uurlijkse temperatuur de etmaalgemiddelde UHI berekend. Invloed stedelijke omgeving op UHI De fysieke wijkeigenschappen beïnvloeden verschillende componenten in de stralingsen energiebalans en daarmee het UHI. Dit betekent dat alle aanpassingen aan wijkeigenschappen, door ontwikkelingen en maatregelen, in meer of mindere mate effect hebben op het UHI. Figuur 2: Gemodelleerd temperatuurverloop (op 2 meter hoogte) per wijktype Figuur 3a percentage groen (%) 28.5 Compacte middenbouw Open laag bouw Een wijk met veel gebouwen, zoals het wijktype Compacte middenbouw, slaat meer warmte op en vangt relatief veel uitgaande langgolvige straling waardoor het UHI van de wijk hoog is. De UHI-verschillen tussen de wijktypen worden deels veroorzaakt door de verhouding tussen straatbreedte (W) en gebouwhoogte (H). Wijken met brede straten en lage gebouwen (zoals ) hebben een kleine UHI. Echter vanaf een H/W-verhouding van vier (hoge gebouwen en zeer nauwe straten, zoals in veel Zuid- Europese steden) valt er weinig zonnestraling in de straten, waardoor het UHI laag blijft 5. De invloed van wijkparameters op het temperatuurverloop is onderling erg verschillend en vertoont vaak een nietlineair verband bij variërende parameterwaarden. Om de avond- en nachttemperatuur verder en sneller te laten dalen, en dus een lager etmaalgemiddelde UHI te realiseren, moeten maatregelen erop gericht zijn om minder warmte in de wijk vast te houden en/of toe te voegen Figuur 3b weerkaatsingsvermogen dak (%) Compac t laagbouw Rijtjes huiz en Het percentage groen is de parameter met de grootste invloed op het UHI (afbeelding 3a). Hiermee bevestigen deze simulaties eerdere metingen door Steeneveld en anderen 1 en modelresultaten in Theeuwes en anderen 2. Het percentage groen verhoogt de latente warmte van een wijk waardoor de voelbare warmte afneemt. Daarnaast is de warmteopslag van groen lager dan van grijs waardoor er s avonds en s nachts minder warmte wordt afgegeven aan de omgeving en de temperatuur sneller en verder daalt. Het 36

4 28.5 geavanceerde temperatuursimulaties uitge- voerd, met verschillende effectrelaties als Open Middenbouw uitkomst. Voor een praktisch hanteerbare effectberekening zijn al deze relaties samengevoegd in een tool. Hiermee is een standaardrekenmethode ontwikkeld die snel en op een laagdrempelige manier het UHI van een wijk kan bepalen en ook de effectiviteit van maatregelen doorrekent Figuur 3c antropogene warmte (W/m2) Figuur 3 a, b en c: Etmaalgemiddelde temperatuur bij de verschillende gesimuleerde groenpercentages, weerkaatsingsvermogen van daken en antropogene warmte in de verschillende wijktypen verhogen van het weerkaatsingsvermogen van daken in een wijk (afbeelding 3b) kan ook bijdragen aan het verminderen van het UHI. Een wit dak weerkaatst meer zonlicht dan een rood of zwart dak. Hierdoor wordt er minder warmte opgeslagen en dus ook afgegeven. Naast de gebouwde omgeving is de door de mens geproduceerde (antropogene) warmte van invloed op de hoogte van het UHI (afbeelding 3c). In de zomer wordt de totale antropogene warmte grotendeels bepaald door verkeer (circa 38%), elektriciteitsverbruik (32%), gasverbruik (22%) en menselijke metabolisme (7%) 1. Doordat de warmtebronnen lokaal echter sterk kunnen variëren, is het een relatief onzekere bronterm. Het hoogintensief gebruik van airconditioning kan lokaal aanleiding geven tot een aanzienlijke extra uitstoot van antropogene warmte 3. Uit de figuren is duidelijk af te leiden dat het effect van een parameter op de temperatuur per wijktype sterk kan verschillen. Voor de groenpercentages tot 50% zit tussen een wijk met brede straten en hoge gebouwen (Open middenbouw) en een wijk met brede straten en lage gebouwen () bijna 1 C verschil, etmaalgemiddeld. Het effect van weerkaatsingsvermogen en antropogene warmte is echter voor beide wijktypen vergelijkbaar. Naast de invloed van een aanpassing aan een enkele wijkparameter is het ook mogelijk om het effect van een combinatie van maatregelen te bepalen, bijvoorbeeld het verhogen van het percentage groen en het wit schilderen van daken (verhogen weerkaatsingsvermogen). 6. Standaardrekenmethode hitte Er zijn in het UCAM-project circa Om te beoordelen hoe groot de rol is van de verschillende factoren in een wijk op het UHI wordt in de rekenmethode de relatieve bijdrage van de wijkeigenschappen berekend (zie figuur 4). Hieruit wordt snel duidelijk welke factoren de grootste invloed hebben op het UHI en welke factoren dus gericht kunnen worden aangepakt, met andere woorden welke maatregelen het meest effectief zijn. Het UHI van het wijktype Compacte middenbouw en wordt in beide gevallen sterk bepaald door de verhouding tussen grijs (gebouwen) en groen (vegetatie). In beide wijken zal het plaatsen van extra groen dus effectief zijn. In Open laagbouw zijn het weerkaatsingsvermogen van daken en wegen sterker van invloed dan in Compacte middenbouw. De effectiviteit van adaptieve maatregelen verschilt dus per wijktype. Toepassing in praktijk Hitte in steden is belangrijk wanneer we willen zorgdragen voor een prettig en veilig woon- en leefklimaat, nu en in de toekomst. Steden kunnen beter weerbaar worden gemaakt tegen extreme weersomstandigheden, zoals hittegolven. Maar dat gaat in de verhouding grijs-groen verhouding grijs-groen dakalbedo dakalbedo wegalbedo wegalbedo muuralbedo muuralbedo antropogene warmte antropogene warmte Figuur 4: De oorzaken van het UHI in de referentie-instellingen van de wijken Compacte middenbouw en 37

5 praktijk niet eenvoudig, gegeven het feit dat de meeste aanpassingen (maatregelen) een Referenties investering vergen die niet wordt terugver Theeuwes, N. E., Steeneveld, G. J., Steeneveld, G. J., S. Koopmans, B. G. Ronda, R. J., Heusinkveld, B. G., Van Heusinkveld, L. W. A. van Hove, and Hove, L. W. A., & Holtslag, A. A. M. A. A. M. Holtslag (2011), Quantifying (2014). Seasonal dependence of the Er moet een heldere basis zijn voor de urban heat island effects and human urban heat island on the street canyon afweging om maatregelen toe te passen. comfort for cities of variable size and aspect ratio. Quarterly Journal of the Dat begint met een objectieve, eendui- urban morphology in the Netherlands, Royal Meteorological Society, 140(684), dige, betrouwbare en liefst niet te kostbare J. Geophys. Res., 116, D20129, diend door de investeerder. methode om vast te stellen of de situatie (nu of in de toekomst) zorgelijk is, welke maat- doi: /2011jd Koopmans, S., Theeuwes, N. E., 2. Heusinkveld, B. G., G. J. Steeneveld, L. Steeneveld, G. J. and Holtslag, A. A. M. regelen effectief zijn en hoeveel maatre- W. A. van Hove, C. M. J. Jacobs, and A. (2015), Modelling the influence of urba- gelen nodig zijn. De beschreven standaard- A. M. Holtslag (2014), Spatial varia- nization on the 20th century tempera- rekenmethode voor hitte biedt daarin een bility of the Rotterdam urban heat ture record of weather station De Bilt oplossing omdat deze relatief eenvoudig het island as influenced by urban land use, (The Netherlands). Int. J. Climatol.. doi: UHI kwantificeert in een specifieke wijk. J. Geophys. Res. Atmos., 119, , Daarnaast geeft de methode informatie over doi: /2012jd de effectiviteit van adaptieve maatregelen 3. Bewerkte afbeelding uit: /joc Salamanca, F., M. Georgescu, A. Mahalov, M. Moustaoui, and M. Wang om het UHI te verminderen en in welke Environmental Protection Agency (2014), Anthropogenic heating of the mate deze moeten worden toegepast. (2008) Reducing Urban Heat Islands urban environment due to air condi- - Compendium of Strategies; Urban tioning, J. Geophys. Res. Atmos., 119, Heat island basics. United States doi: /2013jd Environmental Protection Agency 4. Stewart, I. D., & Oke, T. R. (2012). Local climate zones for urban temperature studies. Bulletin of the American Het wijktype Compacte middenbouw slaat meer warmte op en vangt relatief veel uitgaande langgolvige straling 38 Meteorological Society, 93(12), _VVM-Milieu indd :18