Temperatuur regulatie & stedelijk hitte eilanden

Slide 1
Temperatuurregulatie & stedelijke hitte eilanden

Om onze steden leefbaar te houden is belangrijk om gebouwen klimaatrobuust te maken. EcoCities onderzocht of groendaken en -gevels een invloed hebben hierop in Vlaanderen. Maak kennis met onze onderzoekers, lees meer over onze resultaten en ontdek de visie van andere experten.

Maak kennis met onze onderzoekers

Kyra Koch & Elisabeth Schuermans

Onderzoekers van het ‘Laboratory of Environmental and Urban Ecology’ (EUREC-A) binnen de onderzoeksgroep ‘Environmental Ecology & Microbiology’ (ENdEMIC) van de UAntwerpen onder leiding van Prof. dr. ir. Roeland Samson.

Edwige Noirfalize

Burgerlijk ingenieur en hoofd van het labo ‘Isolatie en Dichtingsmaterialen’ binnen het ‘Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf’ (WTCB)

Nicolas Heijmans

Hoofdprojectleider aan het labo ‘Energiekarakterestieken’ van het WTCB

We lieten ook enkele andere experten aan het woord

Zij lieten elk hun licht schijnen op het concept groendaken en -gevels vanuit een landschapsarchitecturaal, ecologisch en stedelijk standpunt gekaderd rond biodiversiteit. Dezelfde vragen, verschillende visies!

Jonas Lembrechts

Postdoctoraal onderzoeker bij de Research Group Plants and Ecosystems (PLECO) aan de universiteit van Antwerpen.

Lees meer →

Dirk Lauwaert

Onderzoeker bij het Urban Climate team in het Vlaams Instituut voor Technologisch Onderzoek (VITO)

Lees meer →

Jim Parker

Doctor at the Leeds Sustainability Institute in the School of Built Environment, Engineering and Computing.

Lees meer →

Wat is een hitte-eiland?

Een stedelijke hitte-eiland (urban heat island, UHI) is het fenomeen waarbij een bebouwd gebied aanzienlijk warmer is dan de omliggende landelijke omgeving omwille van menselijke activiteiten en verschillen in landbedekking en -gebruik. Het temperatuurverschil tussen beide gebieden is meestal groter ’s nachts dan overdag en is vooral waarneembaar op windstille momenten zowel in de winter als in de zomer.

Hoe werkt een hitte-eiland?

Het UHI-effect is ‘s nachts groter dan overdag, omdat overdag de oppervlaktes in stedelijke gebieden sneller opwarmen dan die in landelijke gebieden. De hoge warmtecapaciteiten van de stedelijke oppervlaktes fungeren overdag als grote warmte-reservoirs; beton houdt immers 2000 keer meer warmte vast dan hetzelfde volume lucht. Hierdoor worden er convectiewinden gegenereerd (vermenging met de atmosfeer) waardoor overdag het temperatuurverschil binnen het UHI minimaal of onbestaande is. ’s Avonds vindt het omgekeerde fenomeen plaats, dan zullen er geen convectiewinden ontstaan omdat de zon niet meer schijnt, waardoor de immobiele luchtlaag aan de stedelijke oppervlaktes opwarmt wat resulteert in warmere nachtelijke luchttemperaturen. Ook seizoenaal kan het UHI-effect verschillen, afhankelijk van de regio.

De verschillende omstandigheden tussen landelijke gebieden en het hitte-eiland-effect in stedelijke gebieden

Welke mechanismen veroorzaken een hitte-eiland?

Het UHI-effect wordt veroorzaakt door meerdere factoren:

Albedo effect: de meeste materialen die gebruikt worden in stedelijke omgevingen zoals beton, donkere dakbedekking en asfalt absorberen veel zonlicht, warmen snel op en zijn vaak goede warmtegeleiders. Dit beïnvloedt de balans in de hoeveelheid energie die een gebied ontvangt van de zon en weer uitstraalt. Met andere woorden, het ‘thermisch budget’ van een stedelijke omgeving verschilt van dat van een landelijke omgeving, waarbij meer warmte geabsorbeerd wordt in de stedelijke omgeving.

Lage evapotranspiratie: planten transpireren en de bodem evaporeert water naar de atmosfeer. Tijdens dit proces wordt er warmte uit de omgeving opgenomen, wat uiteindelijk zorgt voor een algemene verkoeling. Door het gebrek aan (bodem)water en vegetatie ligt de evopotranspiratie in stedelijk gebied vele malen lager dan in landelijk gebied.

schematisch overzicht evapotranspiratie. Bron: A. Ebrahimian et al 2019

Urban Canyon effect: grote, hoge gebouwen hebben dankzij hun geometrische vormen veel verschillende oppervlaktes waar zonlicht op kan gereflecteerd of geabsorbeerd worden. Dit draagt vanzelfsprekend bij tot een opwarming van de stedelijke omgeving. Verharde en versteende gebieden hebben over het algemeen hogere oppervlaktetemperaturen dan waterdoorlatende, natuurlijk oppervlakken. Een straat met aan beide kanten hoge gebouwen is te vergelijken met een canyon waar de lucht gemakkelijk blijft hangen.

Restwarmte afkomstig van auto’s, airco’s, industrie en andere bronnen draagt ook bij aan het UHI-effect.

De langste reeksen klimatologische waarnemingen in België zijn die voor de regio Brussel. In de periode 2000-2009 werd er een gemiddeld nachtelijke UHI-effect vastgesteld van 3,15°C. Resultaten van modelering suggereren dat er geen stijging wordt verwacht in de toekomst. Er werd wel gewaarschuwd voor het versterkende effect dat het UHI heeft op het risico op hitte dagen.  Het ‘Oog voor het klimaat’ rapport van het KMI laat zien dat de impact van de klimaatverandering op het stadsklimaat van Brussel het grootst zal zijn tijdens hittegolven. Gelet op het feit dat het stedelijk hitte-eiland-effect toeneemt tijdens een hittegolf zal de stedelijke bevolking meer en meer blootgesteld worden aan dit effect gezien klimaatmodellen voorspellen dat er in de toekomst meer hittegolven zullen zijn. Een ruimtelijke karakterisatie van het hitterisico in Brussel voor 2040 en 2090 toonde aan dat een duurzamer stedelijk planningsscenario – waarin de huidige open ruimte behouden blijft, bestaande bebouwde gebieden worden verdicht en geconcentreerd rond belangrijke mobiliteitsnetwerken en waarin groene en blauwe corridors worden geïmplementeerd – verkoeling kan brengen in de delen van de stad die het meest hittegevoelig zijn.

Om hittegolven beter in kaart te brengen worden er in de rest van Vlaanderen sinds enkele jaren metingen gedaan in Brugge, Gent, Brussel, Antwerpen, Lier en Hasselt en is er telkens ook een meetpunt in meer landelijk gebied buiten de stad als referentie.

Welk effecten heeft het hitte eiland op de samenleving?

Behalve de invloed op de lokale volksgezondheid zijn er meerdere sectoren die impact ondervinden van het UHI-effect, o.a. luchtkwaliteit (Sarrat et al., 2006), energie, residentieel watergebruik en (tekortschietende) infrastructuur. Maar de meest belangrijke sector is de lokale volksgezondheid. 

Gezondheidseffecten

Door de opwarming van de atmosfeer, de groei van de menselijke populatie, en de verplaatsing van de populatie van landelijke naar stedelijke gebieden wordt de aandacht voor klimaatsgerelateerde gezondheidseffecten alsmaar belangrijker. Om effectieve maatregelen te kunnen nemen is het noodzakelijk om een duidelijk inzicht te krijgen in alle factoren die de hitterisico’s beïnvloeden zodat efficiënte adaptatie- en mitigatiemaatregelen genomen kunnen worden.

Één van de gevolgen van de klimaatverandering is een verhoging van de hitte-gerelateerde overlijdens bij baby’s, kinderen tot 4 jaar, mensen ouder dan 65 jaar, mensen met overgewicht, zieken en mensen die bepaalde medicatie moeten nemen. Zij zijn het meest gevoelig voor hitte-gerelateerde gezondheidsproblemen. De effecten van blootstelling kunnen rechtstreeks verband houden met hitte (hitteberoerte, hittemoeheid, vroeggeboortes en uitdroging, of hittestress) of kunnen het gevolg zijn van een verergering van reeds bestaande ademhalings- en hart- en vaatziekten, elektrolietstoornissen en nierproblemen.

België heeft een hitte- en ozonpiekplan dat gebundeld werd in het ‘Vlaams Warmteactieplan’ en de campagne ‘Warme dagen’.
In het algemeen blijkt dat steden een verhoogd hittesterftecijfer vertonen in vergelijking met omliggende (landelijke) gebieden. Dit werd al voor verschillende (groot)steden wetenschappelijk bevestigd. In de zomermaanden stijgt in Londen het sterftecijfer vanaf 20,5°C met 5% per graad Celsius, in Milaan bedraagt de stijging zelfs 5,5% per graad Celcius (vanaf 23,4°C). Ook België kent oversterfte tijdens warme zomermaanden (zie grafiek). De figuur laat duidelijk zien dat de zomers van 2003, 2006 en 2010 de grootste oversterfte lieten optekenen: telkens meer dan 6% of meer dan 2 000 extra sterfgevallen. Ook konden er pieken in het dagelijkse verloop van geregistreerde sterfte gelinkt worden aan een hoge ozonconcentraties en temperaturen.

het verloop van het aantal hittegolfdagen in een jaar en het gewicht van de hittegolven (= mate waarin de temperatuur boven de 25 °C uitkomt), samen met de oversterfte die in België wordt geregistreerd tijdens de zomermaanden. Bron: https://www.milieurapport.be/milieuthemas/klimaatverandering/gevolgen-klimaatverandering/slachtoffers-bij-hittegolven

Wat is de invloed van stedelijke vegetatie hierop?

Het integreren van groene, natuurlijke gebieden in ruimtelijke plannen is van groot belang omdat vegetatie de capaciteit heeft om temperaturen te milderen. Een studie in het Mexicaanse Querétaro (Colunga et al 2015) toonde aan dat een toename van 50% aan stedelijke boomkruinen het UHI met 2C° kon verlagen in de warmste periode. Een studie in Melbourne (Chen et al 2014) kon een toename in vegetatiedekking rechtstreeks relateren aan een daling van het hitte-gerelateerde sterftecijfer. Mogelijke verklaringen hiervoor zijn onder andere meer beweging, een betere maatschappelijke cohesie, een verhoogde mentale gezondheid en een beter algemeen welbevinden.

Een recente studie in Londen (Murage et al 2020) hield niet enkel rekening met effecten van natuurlijke en constructie-gerelateerde omgevingsindicatoren maar ook met socio-economische indicatoren tot op het postcode niveau. Door dit op deze schaal te bestuderen werd het duidelijk dat er ook variatie is in hitte-effecten binnen het hitte-eiland van een grote stad als Londen. De resultaten tonen een de graduele stijging in temperatuur wanneer de vegetatiegraad daalt en het aandeel lage inkomens, werklozen en sociale woningen toeneemt omdat ‘arme’ buurten vaak minder groen zijn.

De gezondheidsvoordelen van stedelijke vegetatie bevestigen het belang om woningnoden op te lossen op een manier dat urbane vegetatie en biodiversiteit een centrale rol spelen. Stedelijk groen zorgt ook voor milieugerelateerde voordelen zoals reductie van luchtvervuiling, geluidsoverlast, overstromingsrisico’s en verkoeling.

In stadskernen waar het creëren van meer groene open ruimte  vaak moeilijk is kunnen groeninfrastructuren zoals groendaken en groengevels een belangrijke bijdrage leveren om bovenvermelde milieufactoren en -risico’s te beperken.

Hoe kunnen groendaken en -gevels hierin een rol spelen?

Vlaamse data gegenereerd d.m.v. metingen op Vlaamse groendaken en -gevels door (ENdEMIC) deze kennis wordt verder aangereikt door een literatuurstudie uit te voeren (WTCB)

Vlaamse groendaken (ENdEMIC)
Literatuurstudie (WTCB)

Vlaamse groendaken

Groene elementen zijn in grote aantallen nodig om het hitte-eiland-effect tegen te werken. Dit doen ze door het albedo-effect tegen te gaan. De warmtestraling van de zon komt niet in contact met betonnen oppervlakte van een gebouw, hetgeen de opwarming van deze structuren vermindert. Planten verlagen ook de omgevingstemperatuur door transpiratie en evaporatie. Recent verscheen een review paper over het hitte-eiland-effect en het effect dat groenmuren hierop hebben.
(Koch, K., Yssebaert, T., Denys, S., & Samson, R. (2020). Urban heat stress mitigation potential of green walls: A review. Elsevier. doi:10.1016/j.ufug.2020.126843)

Universiteit Antwerpen doet, in samenwerking met EcoCities, een onderzoek naar het effect van groengevels op de temperatuur van de gevel zelf en in de nabije omgeving van de groengevel. In de proefopstelling die zich bevindt op Campus Groenenborger (zie figuur 1), wordt de temperatuur gemeten zowel aan het oppervlak van de groengevel, als tussen de bladeren en achter de groengevel. De groengevel bestaat uit 2 verschillende systemen: een grondgebonden systeem waarbij de planten in de aarde voor de gevel worden gepland waarbij ze met klimhulp omhoog groeien tegen de gevel (figuur 2) en een Living Wall Systeem (LWS) waarbij er tegen de gevel een hiervoor speciaal ontwikkeld doek wordt bevestigd met zakjes gevuld met teelaarde of een ander substraat waarin de planten worden gepland (figuur 1). Beide systemen worden bestudeerd en vergeleken naar hun koelingseffect. Omdat het koelingseffect kan beïnvloed worden door verschillende factoren zijn er nog extra meteorologische sensoren opgesteld om ook de invloed van wind, zonnestraling en relatieve luchtvochtigheid te kunnen onderzoeken.

Figuur 1: Living wall systeem gevestigd op campus Groenenborger. De soorten zijn, van links naar rechts: Bergenia cordifolia, Campanlua carpatica en Heuchera micrantha. Boven de groengevel staan zonnestralingssensoren.
Figuur 2: Grondgebonden groengevel gevestigd op campus Groenenborger. De soorten zijn, van links naar rechts: Hydrangea anomala petiolares, Trachelospermum jasminoides en Hedera hibernica. Links van de hagen staat een windmeter.

De reeds verzamelde data tonen aan dat de groenmuren wel degelijk een koelend effect hebben (figuur 3). In de wintermaanden heeft de groengevel een eerder isolerend effect, hetgeen sterk te zien in de vriesweek van februari. Eens de zonnestraling toeneemt en de luchttemperaturen stijgen, wordt het koelingseffect van de groengevel duidelijker. Dit is goed te zien in de maanden mei en juni (figuur 3).

Figuur 3: Bovenstaande grafiek geeft de algemene luchttemperatuur weer in relatie met de temperatuur van de groengevel. Op deze manier wordt er visueel voorgesteld hoe een groengevel de omgevingstemperatuur mitigeert. De oranje lijn (voor) geeft de gemiddelde luchttemperatuur weer, opgemeten 5m voor de groengevel. De blauwe lijn geeft de gemiddelde delta T temperatuur. De delta T temperatuur geeft de gemiddelde temperatuur gemeten op de groengevel – de gemiddelde temperatuur gemeten 5m voor de groengevel.

De spouw (de ruimte tussen de groengevel en de buitenmuur van het gebouw) heeft een isolerend effect naar het gebouw toe. Zo kan er gezien worden dat de omgevingstemperatuur in de spouw van een living wall systeem vaak veel lager ligt dan de omgevingstemperatuur van de referentiemuur of van de grondgebonden groengevel. De temperatuur van de spouw van een grondgebonden groengevel loopt gelijkmatig met deze van de referentiemuur (figuur 4).

Figuur 4: Bovenstaande grafiek geeft een beeld van de verschillende omgevingstemperaturen gemeten in de spouw van de proefopstelling (groengevel, grondgebonden systeem en referentie muur). De gele en grijze lijn geven beide de luchttemperatuur in de spouw weer van een herhaling van de groengevel. Respectievelijk links en de rechts. De oranje lijn geeft de luchttemperatuur in de spouw van de haag weer. De blauwe lijn geeft de temperatuur van de referentie muur weer.
Figuur 5: Een groendak in Antwerpen

Vanaf september zal droogtestress worden toegepast op een van de LWS systemen. Wanneer een plant te weinig water krijgt en droogtestress ondervindt zal de plant minder gaan transpireren door zijn huidmondjes (stomata) te sluiten en alzo de hoeveelheid water binnen de plant zo veel mogelijk proberen bij te houden. Zoals eerder vermeld is de voornaamste reden van verkoeling door de groengevel opstelling de schaduwwerking van de planten op de muur en de transpiratie van de planten.

Figuur 6: Opstelling van het onderzoek naar de luchttemperatuur boven groendaken.

Door transpiratie verhoogt de relatieve luchtvochtigheid wat een koelend effect geeft aan de lucht. Uit het droogtestress onderzoek kan afgeleid worden hoe groot de transpiratie van planten bijdraagt aan het mitigeren van de lokale temperaturen.

Universiteit Antwerpen onderzoekt tevens het effect van groendaken op lokale temperaturen. Er worden 12 daken in Antwerpen, Hasselt en Gent onderzocht waarbij de luchttemperatuur en relatieve luchtvochtigheid boven deze groendaken intensief opgevolgd wordt (zie figuur 5 en 6).

Literatuurstudie: Wat is het effect van groendaken en -gevels op thermisch comfort, energieconsumptie en oververhittingsrisico’s van een gebouw

Binnen EcoCities wordt er ook een literatuurstudie uitgevoerd over de thermische effecten van groendaken. Hierover werden er in de jaren 2000 bepaalde metingen uitgevoerd op de proefdaken van het Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf (WTCB). Ondertussen bestaan er ook veel andere studies van over de hele wereld, waarbij thermische metingen en simulaties uitgevoerd werden. Op basis hiervan wordt er een ‘state of the art’ opgesteld, onder andere om input te bezorgen voor het werkpakket over economische valorisatie. Hiervoor wordt er meestal gefocust op regio’s met gelijkaardige klimaten als de onze.

De effecten zijn van verschillende types, met onder andere:

  • Een vermindering van de temperatuurextremen ter hoogte van het afdichtingsmembraan (bv. roofing of EPDM): extreme temperaturen kunnen in aanwezigheid van groendaken tot 40-50°C dalen in de zomer en tot 5 à 10°C stijgen in de winter. De vermindering van de temperatuurschommelingen kunnen een positief effect uitoefenen op zijn duurzaamheid.

  • Een verhoging van de thermische weerstand: verschillende studies geven waarden voor de thermische geleidbaarheid/weerstand van samenstellende materialen van substraten (grond, zand, lava, …), rekening houdend met het feite dat ze soms vochtig zijn; de bijdrage is uiteraard vrij laag als men ze vergelijkt met de huidige isolatieniveaus, maar kan toch het equivalent zijn van 1 à 2 cm PU-isolatie.

  • Een vermindering van de warmtetransmissie (t.t.z. winst in zomer en verlies in winter) is ook vastgesteld. Het is meestal in de zomer dat het effect meetbaar is (30-90%, t.o.v. 10-50% in de winter). Deze cijfers betreffen echter meestal niet-geïsoleerde daken, wat vandaag een uitzondering is.

  • Een vermindering van het energieverbruik (voor koeling in de zomer en verwarming in de winter); het effect is veel belangrijker in de zomer dan in de winter, maar er is een grote spreiding van de waarden, die ook afhangen van andere factoren zoals het isolatieniveau (van het dak maar ook van het gebouw) en van het gebouwtype

  • Een verhoging van het ‘albedo’-effect (afname van de zonne-absorptie door de aanwezigheid van substraat en planten), waar er in onderzoeksprojecten vastgesteld wordt dat de transmissie van de zonnestraling naar de onderliggende lagen slechts 20-30% bedraagt.

  • Een vermindering van de temperatuurextremen in de binnenomgeving; studies tonen aan dat de binnentemperatuur in de zomer met 1 à 2°C kan dalen dankzij een groendak. Het betreft uiteraard meestal de laatste verdieping; het effect op het hele gebouw is meer beperkt, en opnieuw vrij beperkt in vergelijking met het effect van de huidige isolatiewaarden.

  • Op grotere schaal, een vermindering van het hitte-eilandeffect, waar metingen en simulaties temperatuurdalingen tonen bovenop en/of in de omgeving van een groendak of zelfs op stadsniveau. Experimentele studies geven cijfers zoals temperatuurdalingen van 0-3°C / 1,5-2°C / tot 2°C / … met toevoeging van vegetatie en/of groene daken; de impact is het grootst voor warme en droge klimaten, terwijl deze beperkter is voor onze klimaten.

Hou onze resultaten pagina zeker in de gaten om op de hoogte te blijven van onze wetenschappelijke publicaties en rapporten

Terug naar boven

Attributions of used icons:“book open” icon made by Martin, PH from The Noun Project, “Hot” icon made by Adrien Coquet, FR from The Noun Project