Wärmebilanz in der Stadt

Wärmebilanz in der Stadt

Wir haben oft den Eindruck, dass es im Stadtkern wärmer ist, als in den Vororten, sich die Straßen im Sommer mehr aufheizen und der Schnee im Winter eher schmilzt. Wie wird eine Stadt erwärmt? Welche Rolle spielt die Struktur der Bebauung, z.B. die Häuserschluchten?

Die Strahlungsbilanz und die Wärmebilanz sind eng miteinander verwandt. Zunächst erreicht die kürzerwellige Strahlung der Sonne (das sichtbare Licht und das UV Licht) die Erdoberfläche. Ein Teil dieser Energie wird von der Oberfläche absorbiert, diese erwärmt sich und die Energie wird als langwellige Strahlung (Wärmestrahlung) wieder an die Atmosphäre abgegeben. Die Luft wird daher gar nicht so sehr von der Sonne erwärmt, sondern vor allem durch die Wärmestrahlung der Erde.

Natürliche Oberfläche

Unter der Wärmebilanz einer natürlichen Oberfläche, z.B. einer Wiese, verstehen wir den Unterschied zwischen der Energie, die eingeht und der Energie, die wieder verloren geht. Die Austauschprozesse können wir in die folgende Formel fassen:

Q + H + E + G = 0

wobei:
Q - netto Strahlung aller Wellenlängen (siehe auch Text 'Strahlung' in dieser Einheit)
H - turbulente fühlbare Wärme (engl.: sensible heat), die bei einer Temperaturänderung in der Luft oder durch den Erdboden ausgetauscht wird
E - turbulente latente Wärme. Latente Wärme ist solche, die bei einem Phasenübergang aufgenommen oder freigesetzt wird, d.h. in der Atmosphäre bei der Verdunstung oder Kondensation von Wasser. Die Verdunstung ist mit einem Verbrauch an Energie verbunden, die Kondensation mit einer Freisetzung.
G - Wärmetransport beim Übergang in den Boden

Wärmeausgleich

1. Wärme, die in nichtstädtischer Umgebung in die Atmosphäre entlassen wird
Grafik: Sebastian Wypych

Wir sprechen von 'turbulenter' Wärme, da die Wärme sich über turbulente Luftbewegung, d.h. zufällige und ständige Strömungen überträgt, die lokal zusätzlich zur Hauptströmung der Luft auftreten.

Nehmen wir die Beträge von Q, H, E und G an (d.h. Werte ohne Vorzeichen), so können wir über die Vorzeichen in der Gleichung die Richtung der Wärmeübertragung angeben. Diese unterscheidet sich am Tag und in der Nacht:

Während des Tages: Die Luft ist kälter als der Boden, da sie sich langsamer erwärmt. Der Wärmefluss (Q) ist bemüht, diese Differenz auszugleichen. Er ist vom Boden zur Luft hin gerichtet (positives Vorzeichen von Q, die Luft verzeichnet eine Wärmezunahme).

Q - H - E - G = 0

Während der Nacht: Wenn die Sonne nicht scheint, erfolgt kein Energietransport von der Erdoberfläche. Die in der Luft gespeicherte Wärme wird an den Erdboden abgegeben (Q hat ein negatives Vorzeichen). In der Regel kühlt sich der Boden während der Nacht stärker ab als die Luft, da die Auskühlung der Luft langsamer erfolgt.

- Q + H + E + G = 0

Momente des Sonnenauf- und untergangs

2. Sonnenaufgang und Sonnenuntergang markieren die Zeitpunkte, zu denen sich der Wärmefluss umzukehren beginnt.
Quelle: www.freefoto.com

Städtische Oberfläche

Die Wärmebilanz im Stadtgebiet ist auf Grund der dichten Bebauung komplexer. Hier muss ein Ausdruck für die Wärmespeicherung Qp eingeführt werden. Diese Größe beinhaltet den Wärmeaustausch durch Wärmefluss in den Boden, die Straßen und die Wände der Häuser:

Q + Qp + H + E + Qf = 0

Ein weiterer Term Qf steht für die vom Menschen verursachte Wärme, die ihren Ursprung in Verbrennungsprozessen (Heizung, Verkehr) oder aus Elektrizität erzeugter Wärme hat..

Wir berücksichtigen hier nicht den Einfluss der Luftmassen, die zur Stadt hingetragen und wieder aus ihr herausgetragen werden und natürlich auch Wärme beinhalten. Das Berücksichtigen der Advektion, wie das Heranführen von Luftmassen verschiedener Wärme und Feuchte im Fachbegriff genannt wird, würde die Gleichung noch weiter verkomplizieren. Stattdessen nehmen wir hier eine ruhige Atmosphäre und relativ einheitliche Landschaftsgestalt an.

Wärmetransport in der Stadt

3. Wärme, die von einer Stadt in die Atmosphäre entlassen wird
Bild: Sebastian Wypych

Zusätzliche Wärme

Die meisten Materialien, die in der Bebauung einer Stadt verwandt werden, zeichnen sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Dies bedeutet, dass die Wärme relativ schnell von der Oberfläche aus durch das Material treten kann. Die Speicherung der Wärme im Baumaterial führt dazu, dass sich die Stadt während der Nacht langsamer abkühlt. Weiterhin zeigen die Materialien eine hohe Wärmeaufnahme. D.h. ihr Vermögen, die Temperatur auf Grund eines gegebenen Wärmedurchflusses zu verändern, ist hoch. Große Fabriken, wie z.B. Stahlwerke, emittieren selbst eine riesige Menge an Wärme, die aus den Produktionsprozessen herrührt. Ein solches Werk kann im Durchschnitt einer Stadt viermal mehr Energie zuführen, als die einfallende Sonnenstrahlung. Im Jahreszyklus ändert sich die Intensität der vom Menschen erzeugten Wärme in gleicher Weise wie die Intensität der städtischen Wärmeinsel. In kalten Klimaten kann im Winter die Beheizung der Wohngebäude und Arbeitsplätze mehr zum Energiehaushalt der Stadt beisteuern, als die Sonnenstrahlung. In heißen Klimaten hingegen führt die Nutzung von Klimaanlagen immer mehr dazu, dass die ohnehin schon heiße Luft noch heißer wird.

thermische Leitfähigkeit

4. Thermische Leitfähigkeit verschiedener Materialien
Grafik: Anita Bokwa

Straßenschluchten

Straßenschlucht

natürliche Schluchten

5. Die Straßenschluchten einer Stadt (links) gleichen in mancher Hinsicht natürlichen Schluchten (oben)
Foto links: Sebastian Wypych
Bild oben: CorelDRAW

Ein weiteres wichtiges Element in der Stadtstruktur sind die Straßenschluchten. Im Englischen spricht man von 'urban canyons'. Wir kennen sicher alle die typischen Stadtstraßen, die zu beiden Seiten von durchgehenden Reihen hoher Häuser flankiert werden. Dazwischen liegt die Straße, vergleichbar einem Fluss, der sich sein Bett in Gestein gegraben hat. Wie viel Sonnenstrahlung einen solchen Canyon erreicht, hängt von der Ausrichtung (Himmelsrichtung) der Straßenschlucht ab und der Höhe der Gebäude. Auch sind die Gebäudebeschaffenheiten und Oberflächen von Bedeutung, einerseits wegen ihrer Wärmeaufnahmefähigkeit, zum anderen wegen ihrer Albedo. Sonnenstrahlung kann eingefangen werden, wenn die Strahlung zwischen den Gebäuden mehrfach reflektiert wird. Etwa 60% aller Strahlung wird als fühlbare Wärme frei, 30% bleibt in den Hauswänden und Straßen gespeichert. Nur ein kleiner Anteil von etwa 10% wird für Verdunstung aufgewandt, da die Oberflächen in der Stadt im Gegensatz zur Vegetation kaum Wasser speichern. Solche Zahlen variieren natürlich von Stadt zu Stadt, da die Bebauung und Anteile von Grünflächen nie gleich sind.

Verwandte Seiten:

Die Grundlagen zur Stadt als Ort, der Wärmeansammlung erklärt:
Klima in Städten - Basis - Einheit 2 - Städtische Wärmeinsel

About this page:

Authors: Sebastian Wypych, Anita Bokwa - Jagiellonian University - Cracow / Poland
Supporter: Anna Gorol
1. Scientific reviewer: Prof. Barbara Obrebska-Starkel - Jagiellonian University - Cracow / Poland - 2003-06-20
2. Scientific reviewer: Dr. Marek Nowosad - Maria Curie-Sklodowska University - Lublin / Poland - 2003-06-16
3. Scientific reviewer: Rachel Spronken-Smith - University of Canterbury - Christchurch / New Zealand - 2003-10-29
Übersetzung 2005 und letzte Überarbeitung 2007-09-11: Elmar Uherek - Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz

Zuletzt geändert: Donnerstag, 26. Dezember 2019, 16:04