De Microklimaat Ontwerptool

Voor het eerst is in een onderzoek (onder) in laboratoriumomgeving gekeken naar de directe bijdrage van specifieke bouwmaterialen en stedelijke vegetatie aan de vorming van hitte-eilanden. In het onderzoek is gekeken naar het thermisch gedrag en de energiebalans van tegenwoordig veel gebruikte bouwmaterialen voor gevels en bestrating. Daarbij is vegetatie meegenomen en onder dezelfde voorwaarden onderzocht als de reguliere bouwmaterialen.

Het tweede onderzoek
In het onderzoek Vergelijkende analyse van thermisch gedrag van gewone stedelijke bouwmaterialen en vegetatie en gevolgen voor het Urban Heat Island-effect (UHI) zijn door metingen de oppervlaktetemperatuur, het albedo en de warmtestraling bepaald. Op basis van de metingen werd de omzetting van de opgenomen energie door de verschillende materialen en vegetatie in Qh (voelbare convectiewarmte), Qr (uitgaande langgolvige straling) en QE (latente warmte door evapo-transpiratie) berekend. De lagere oppervlaktetemperaturen ontwikkeld door de vegetatie (bv. 37,3°C vergeleken met 58,8°C voor bitumen) resulteert in lagere temperatuurgradiënten tussen het oppervlak en de omringende lucht. Naast transpiratie draagt de lagere gradiënt ook bij aan een lagere luchttemperatuur geproduceerd rond vegetatie in vergelijking met de luchttemperatuur geproduceerd rond gewone bouwmaterialen.

In deze studie zijn de verschillen gemeten tussen de verdeling van Qh-Qr en de Qr voor typische bouwmaterialen en vegetatietypen. Terwijl traditionele, droge, stedelijke bouwmaterialen het grootste deel van de geabsorbeerde energie omzetten in voelbare warmte (tussen 92% en 99%) en thermische langgolvige straling (tussen 1% en 7%), draagt vegetatie een aanzienlijk deel over aan latente warmte (tussen 27% en 50%). Hoewel het relatief hoge albedo van sommige bouwmaterialen hun UHI-potentieel vermindert, is het de vegetatie die over het algemeen de beste prestatie laat zien in het UHI-mitigatiepotentieel, aangezien de totale productie van voelbare warmte (Qh) uit de totale binnenkomende stralingsenergie aanzienlijk lager is (tussen 47 en 67%) dan dat van de onderzochte bouwmaterialen (tussen 63 en 91%).

Men moet zich echter realiseren dat een belangrijke vereiste voor planten om substantiële hoeveelheden latente warmte te produceren een continue is, alsook voldoende watertoevoer. Watervoorzieningssystemen moeten dus worden geïntegreerd in groene ontwerpen van steden om effectieve UHI-mitigatie te garanderen, vooral tijdens langdurige hittegolfperioden. 

Betekenis van de onderzoeksresultaten voor ontwerpers

De resultaten tonen aan dat de oppervlakte van traditionele bouwmaterialen zoals bitumen, beton, baksteen, HPL of hout sterk opwarmt. Doordat de oppervlaktetemperatuur hoger wordt dan de omringende luchttemperatuur, wordt de warmte door convectie aan deze omringende lucht afgegeven. Uitzondering is de vegetatie die wordt gekoeld door water: deze warmt veel minder op en de oppervlaktetemperatuur blijft veelal onder de luchttemperatuur. Daardoor kunnen planten warmte uit de lucht halen voor transpiratie en het produceren van latente warmte. Latente warmte is de energie ingesloten in de waterdamp die vervolgens stijgt naar de atmosfeer, waar het bij het treffen van een koelere laag condenseert. Het water valt terug op het aardoppervlak in de vorm van regen en de energie vertrekt richting de ruimte. Latente warmte is de enige energievorm, gegenereerd door de inkomende zonnestraling, die verwijderd kan worden uit de stedelijke omgeving. Alle andere energiestromen blijven in de oppervlaktematerialen en dragen bij aan de opwarming van de omringende lucht.

Bouwmaterialen, vegetatie en de verdeling van energiestromen

De verdeling van de diverse energiestromen per materiaal vormt de bepalende factor voor het ontstaan van een hitte-eiland. De energiestromen komen tot stand door de interactie tussen de inkomende kortgolvige zonnestraling en de eigenschappen van het materiaal, zoals reflectiviteit, absorptiecapaciteit, specifieke warmte en massa. Een deel van de binnenkomende energie wordt gereflecteerd en het resterende deel wordt geabsorbeerd. Door de geabsorbeerde warmte wordt ook het oppervlakte warmer.

De mate van opwarming hangt af van het materiaal. Asfalt of bitumen kan 60°C en soms 77°C of meer worden. Oude, vervulde betonoppervlaktes kunnen ook 60°C tot 70°C worden, terwijl nieuw lichtkleurig beton temperaturen tussen de 55°C tot 60°C kunnen bereiken. Houten oppervlaktes bereiken soms ook een hoge temperatuur rond de 55°C, wat verrassend hoog is voor een niet steenachtig materiaal. Deze temperaturen staan in sterk contrast met die van vegetatie: in geval van goede bewatering blijven deze tussen de 25°C en 35°C. Daarbij is bewatering het essentiële koelmiddel. De planten werken als waterpompen en zonder water warmen zij ook sterk op, soms boven de 50°C.

Een minder bekend feit is dat stedelijke omgevingen behalve kortgolvige zonnestraling ook te maken hebben met thermische straling vanuit de ruimte naar de aarde en vice versa. Deze straling draagt niet bij het hitte-eilandeffect, maar wel aan een verhoogde gevoelstemperatuur. De langgolvige thermische straling verwarmt namelijk de lucht niet, maar wel de objecten die worden geraakt, zo ook het menselijke lichaam. In een reeds warme omgeving, door een hoge luchttemperatuur, kan de bijkomende langgolvige straling juist het doorslaggevende warmtegevoel toevoegen, waardoor verlies van comfort en gezondheidsklachten kunnen optreden. Langgolvige straling is ook gerelateerd aan de massa van de materialen. Bouwmaterialen met een grote soortelijke massa dragen dan ook in significante mate bij aan een verzwaring van de hittestress. 

Stedelijke configuratie

Er zijn twee categorieën configuratie-elementen die een belangrijke rol spelen in de vorming van stedelijke hitte-eilanden: straten en pleinen. Straten doordat de energiestromen in de straatconfiguratie vaak zowat ‘gevangen genomen’ worden (zie figuur 1). Pleinen omdat door de langgolvige straling vanaf de steenachtige bestrating de ervaring van hitte wordt vergroot.

Straten kunnen omschreven worden als de stedelijke ruimte gedefinieerd door een straatoppervlakte, twee gevels en een open vlak naar de ruimte boven de daken. De mate waarin de binnenkomende zonnewarmte in de straatoppervlakten wordt gevangen, is afhankelijk van de verhoudingen tussen deze elementen. Over het algemeen presenteren de meeste straatdoorsnedes een a/b=1 verhouding. Dat wil zeggen dat de breedte (a) van de straat min of meer egaal is met de hoogte (b). 

Het is uiterst interessant voor het ontwerp wat er in een straat met voornamelijk steenachtige materialen gebeurt: de binnenkomende zonnestraling wordt door het eerste getroffen oppervlakte (meestal een gevel) deels geabsorbeerd en deels gereflecteerd (Mills et al., 2021). De specifieke reflectiehoeveelheden zijn afhankelijk van het materiaal. Lichtkleurige materialen reflecteren meer dan dat ze absorberen. Echter in een straat met een a/b=1 raakt de gereflecteerde straling het straatoppervlakte, waar die ook deels wordt geabsorbeerd en deels gereflecteerd. De straatoppervlakte is veelal asfalt (meestal donker grijs) waardoor weinig energie nog verder wordt gereflecteerd. Zelfs als het verder wordt gereflecteerd, raakt het opnieuw een andere gevel en herhaalt alles zich. Een bijeffect van dit proces is dat de oppervlakten waarop de reflecties vallen nog meer opwarmen. Daarmee wordt aan de reeds warme structuur nog meer warmte toegevoegd, waardoor nog meer convectie ontstaat en dus voelbare warmte wordt geproduceerd. 

Uiteraard is de verwarming van de gevel en de straatoppervlaktes afhankelijk van de positie van de zon en de oriëntatie van de straat. Straten die noord-zuid georiënteerd zijn, warmen meer op dan straten die west-oost georiënteerd zijn (Nunez et al., 1976). 

Ontwerpconsequenties

Het onderzoek heeft duidelijk gemaakt dat de hoeveelheid bouwmaterialenoppervlaktes ten opzichte van de vegetatieoppervlaktes aan bepaalde verhoudingen dient te voldoen om extreme verhitting en dus hitte-eilanden te voorkomen. Om de verhoudingen te bepalen, dienen de energiestromen (met andere woorden: de energiebalans van de oppervlaktematerialen) bekend te zijn. Rekenend met de inkomende zonnestraling als toevoer en de diverse energiestromen als afvoer kunnen de gewenste verhoudingen worden berekend zodat voldoende latente warmte wordt geproduceerd en afgevoerd.

Het is een interessante vraag hoe de gewenste verhouding vastgesteld kan worden. Een methode om deze verhouding in grote lijnen te bepalen, is de ratio van Bowen. Deze stelt dat als de verhouding tussen de hoeveelheid voelbare warmte en latente warmte lager uitvalt dan 1, men spreekt van warmtereductie. Als het hoger is dan 1, dan heeft men te maken met opwarming. De hoeveelheid voelbare en latente warmte op een locatie kan exact bepaald worden zoals in bovenstaand onderzoek gedaan is als de oppervlaktes van de diverse materialen en vegetatie bekend zijn.

Aan de hand van de berekende warme gevel of straatoppervlaktes kunnen de positie, hoeveelheid en type beplanting gericht ontworpen worden om een ratio van onder de 1 te bereiken. De beplanting in de straat of op het plein dienen daar geplant te worden waar de hoogste opwarming te verwachten is. Omdat watertoevoer voor het in leven houden van en functioneren als airconditioner van de vegetatie onvoorwaardelijk is, moet watermanagement onderdeel uit maken van het klimaatontwerp.

Klimaatadaptieve ontwerpen dienen in eerste instantie een klimaattoets te hebben waarin alle oppervlaktematerialen op hun bijdrage aan het hitte-eilandeffect worden getoetst, zodat zo nodig het ontwerp kan worden aangepast. Dat kan met de Microklimaat Ontwerptool voor het kwantificeren van het thermisch gedrag van bouwmaterialen en stadsvegetatie, al tijdens het ontwerpproces. De reflectieoppervlakten kunnen met een BIM-ontwerpprogramma nu al snel in kaart worden gebracht. Ook zullen in de toekomst klimaatgerelateerde materiaaleigenschappen (nodig voor het toepassen van de Microklimaat Ontwerptool) onderdeel uit kunnen maken van de informatie die wordt geleverd door BIM, waardoor het klimaatontwerp geïntegreerd kan worden in het architectonisch ontwerp.

Met dank aan Tom Bergevoet (architect bij temp.architecture.urbanism) en Maike van Stiphout (landschapsarchitect bij DS landschapsarchitecten en docent aan de Academie van Bouwkunst) voor het lezen en becommentariëren van dit artikel. 

Dit artikel verscheen eerder in de Innovatiecatalogus 2023, die op 2 januari 2023 verscheen. Je kunt de editie nabestellen. Een exemplaar kost € 35,- exclusief verzendkosten. Mail naar administratie@acquirepublishing.nl met jouw NAW-gegevens en (indien noodzakelijk) een opdrachtnummer.

Gegarandeerd alle edities van Stedebouw & Architectuur per jaar ontvangen, inclusief de Innovatiecatalogus? Neem dan een abonnement.