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Quantification of cooling effects and water demand of urban facade greenings
Hölscher, Marie-Therese
Higher air temperatures in cities lead to increased heat stress for the urban population, especially during the night in hot summer periods. Facade greening is often discussed as a promising mitigation strategy as it can be applied on building surfaces where the heat stress is mainly caused. It reduces the stored energy in the building mass through shading and transpirative cooling and additionally influences the heat distribution within the street canyon.
In previous studies, it was hardly differentiated between shading and transpiration effects because no studies are available on transpiration rates and water demand of climbing plants. This thesis quantifies water demand and cooling effects of facade greenings for the building and the urban street canyon. Therefore, methods for the quantification of transpiration rates are extended and adjusted to urban facade greening settings.
Several experiments were conducted in summer on three building facades in the city centre of Berlin, Germany. Transpiration rates (xylem sap flow, lysimeter) were determined for three typical facade greening species: Parthenocissus tricuspidata, Hedera helix and Fallopia baldschuanica. Furthermore, surface temperatures of greened walls, bare walls and plant leaves as well as different meteorological parameters were measured. Finally, facade greenings were evaluated concerning their hazard reduction potential and compared with other countermeasures.
Only minor cooling effects were detectable for the urban street canyon. In contrast, the effect for the building was clearly measurable: surface temperatures of the exterior and the interior building walls were decreased by up to 15.5 K and 1.7 K, respectively. A risk analysis shows that already a mean Tair reduction of 0.8 K can reduce the number of heat-related deaths. Thus, facade greening has up to medium potential to reduce indoor heat-stress hazards and is generally more effective to cool buildings than other vegetation, such as parks, street trees or green roofs.
Provided cooling effects on hot summer days mainly depended on shading, while only a lower proportion was due to transpiration. Nevertheless, facade greening must be sufficiently irrigated with up to 3.0 L d-1 m-2 per wall area in order to realise its maximum cooling performance.
Höhere Lufttemperaturen in Städten führen insbesondere nachts während heißer Sommerperioden zu verstärktem Hitzestress für die urbane Bevölkerung. Fassaden-begrünung wird oft als eine vielversprechende Minderungsstrategie diskutiert, da sie an Gebäudeoberflächen angebracht werden kann, wo der Hitzestress hauptsächlich entsteht. Sie reduziert die gespeicherte Energie in den Gebäudemassen durch Beschattung senkrechter Oberflächen sowie Verdunstungskühlung und beeinflusst zudem die Wärmeverteilung in der Straßenschlucht.
In vergangenen Untersuchungen wurde kaum zwischen Beschattungswirkung und Transpirationskühlung differenziert, weil es bisher kaum Aussagen zur Transpiration von Fassadengrün und damit zur benötigten Wassermenge gibt. In der vorliegenden Arbeit werden Wasserbedarf und Kühlungseffekte von Fassadenbegrünungen für das Gebäude und die urbane Straßenschlucht quantifiziert. In diesem Rahmen werden auch Methoden für die Quantifizierung von Transpirationsraten (Xylemsaftfluss, Lysimeter) auf die Situation urbaner Fassadenbegrünungen erweitert und angepasst.
Eine Vielzahl von Experimenten wurde im Sommer an drei verschiedenen Gebäudefassaden in der Innenstadt von Berlin durchgeführt. Dabei wurden Transpirationsraten von drei typischen Kletterpflanzen für Gebäudebegrünungen bestimmt: Parthenocissus tricuspidata, Hedera helix und Fallopia baldschuanica. Außerdem wurden Oberflächentemperaturen von begrünten Fassaden, unbegrünten Fassaden und Pflanzenblättern sowie verschiedene meteorologische Parameter gemessen. Letztendlich wurden Fassadenbegrünungen mit anderen Gegenmaßnahmen verglichen und bewertet.
Der Kühlungseffekt für die Straßenschlucht war nur geringfügig nachweisbar. Im Gegensatz dazu war der Effekt für das Gebäude klar zu quantifizieren: Die Oberflächentemperaturen der begrünten Außen- und Innenwand waren um bis zu 15.5 K bzw. 1.7 K reduziert. Die Ergebnisse einer Risikoanalyse zeigen, dass bereits eine durchschnittliche Senkung der Lufttemperatur um 0.8 K die Anzahl von Hitzetoten reduzieren kann. Fassadenbegrünung hat daher ein bis zu mittleres Potential die Hitzestressgefahr im Innenraum zu mildern und ist generell effektiver für die Gebäudekühlung als andere urbane Vegetationsformen wie Parks, Straßenbäume oder Dachbegrünungen.
Die Kühlungseffekte an heißen Sommertagen beruhten hauptsächlich auf der Beschattungswirkung, während ein geringerer Anteil auf die Transpirationskühlung zurückzuführen war. Nichtsdestotrotz müssen die Kletterpflanzen ausreichend bewässert werden, um die Kühlleistung voll auszuschöpfen. Bis zu 3.0 Liter pro m² Wandfläche und Tag und sind nötig.
