34 Tijdschrift Milieu - Dossier - september 2015

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?

Jochem Klompmaker, Gert-Jan Steeneveld en Ronald Groen

Jochem Klompmaker en Ronald Groen (070-3700703, ronald.groen@witte-veenbos.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.

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 tempera-tuur in steden in vergelijking met het omliggende platte-land. De UHI varieert boven-dien 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 wijkparame-ters 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 is1,2. 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 (gebouw-hoogte, straatbreedte, groenpercentage, etc.) op de gezondheidsrisico’s tijdens warme perioden1. Het doel hiervan is een stan-daardrekenmethode te ontwikkelen om de besluitvorming en afwegingen in de ruim-telijke ordening ten aanzien van stedelijke hitte te ondersteunen.

Stedelijk hitte-eiland effect

De stralingsbalans (Qnetto) is de som van de inkomende zonnestraling en de uitgezonden warmtestraling. Tijdens een hittegolf is de inkomende straling hoog. Door het lage

1 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 consis-tente advisering ten aanzien van de stedelijke hitte-problematiek. De methode kan zowel in de context van het screenen van bestaande stadswijken als in de beoordeling en optimalisatie van inrichtingsal-ternatieven in een toekomstige situatie worden toegepast. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de auteurs.

weerkaatsingvermogen (albedo) van een stad wordt veel inkomende straling geab-sorbeerd (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 (Qnetto) wordt er ook warmte toegevoegd door menselijk handelen (bijv. verkeer): antro-pogene warmte (AH). Deze totale toege-voegde 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 voel-bare 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

a

a

9677_VVM-Milieu2015-5.indd 34 27-08-15 10:18

35Tijdschrift Milieu - Dossier - september 2015

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 plat-teland (10%). ‘s Avonds en ‘s nachts wordt de opgeslagen warmte weer afgegeven, waar-door 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 plat-teland: het UHI. Wijkparameters die invloed hebben op de warmteopslag, de antropo-gene, 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 oppervlak-tetemperaturen (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 gezondheids-effecten zijn oppervlaktetemperaturen niet zo betrouwbaar. Uit wetenschappe-

lijk onderzoek blijkt dat juist de omge-vingstemperatuur 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 geselec-teerd op basis van het zgn. Local Climate Zone (LCZ) classificatiesysteem van Stewart & Oke (2012)2 (zie afbeelding 2). Per wijk-type 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

variaties in deze parameters. Hiermee is kwantitatief inzicht verkregen in de gevoe-ligheid en is een basis gecreëerd voor de ‘snelle’ rekenmethode om de effecten te bepalen van maatregelen die deze parame-ters 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. Open middenbouw: brede straten en hoge gebouwen (3 tot 9 verdiepingen);

4. Open laagbouw: brede straten en lage gebouwen (1 tot 3 verdiepingen);

5. Rijtjeshuizen.

Resultaten

Uit de modellering blijkt dat de tempera-tuurverschillen op leefniveau tussen de wijktypen overdag (tussen 9.00 en 18.00 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 anderen2. 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 tempe-ratuurverschillen 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 hitte-gerelateerde sterfte. Naast de verhoogde mortaliteit zijn er ook andere zeer uiteen-lopende gezondheidseffecten (ziekte, slape-loosheid etc.) die kunnen optreden naar aanleiding van hoge temperaturen. Dit totaal aan hittegerelateerde gezondheids-effecten wordt in het UCAM-project onder de term hittestress geschaard. Daarbij is aangenomen dat in omstandigheden met een hogere sterfte de overige effecten nave-

Qnetto + AH = H + LE + G Q = netto straling AH = antropogene warmte H = voelbare warmte LE = latent warmte G = warmte opslag

Voelbare warmte

Antropogene warmte

Latente warmte

Warmte opslag

Kortgolvige straling

Langgolvige straling

Figuur 1: De verschillende stralings- en energietermen overdag in een stad1

9677_VVM-Milieu2015-5.indd 35 27-08-15 10:18

36 Tijdschrift Milieu - Dossier - september 2015

nant hoger zullen zijn. Om de hittestress veroorzaakt door het UHI te kwantificeren, wordt dus op basis van de uurlijkse tempe-ratuur de etmaalgemiddelde UHI berekend.

Invloed stedelijke omgeving op UHI

De fysieke wijkeigenschappen beïnvloeden verschillende componenten in de stralings- en energiebalans en daarmee het UHI. Dit betekent dat alle aanpassingen aan wijkei-genschappen, door ontwikkelingen en maatregelen, in meer of mindere mate effect hebben op het UHI.

Een wijk met veel gebouwen, zoals het wijktype ‘Compacte middenbouw’, slaat meer warmte op en ‘vangt’ relatief veel uitgaande langgolvige straling waar-door het UHI van de wijk hoog is. De UHI-verschil len tussen de wijktypen worden deels veroorzaakt door de verhou-ding tussen straatbreedte (W) en gebouw-hoogte (H). Wijken met brede straten en lage gebouwen (zoals ‘Open laagbouw’) 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 zonnestra-ling in de straten, waardoor het UHI laag blijft5. De invloed van wijkparameters op het temperatuur verloop is onderl ing erg verschillend en vertoont vaak een niet-lineair verband bij variërende parameter-waarden. Om de avond- en nachttempera-tuur verder en sneller te laten dalen, en dus een lager etmaalgemiddelde UHI te reali-seren, moeten maatregelen erop gericht zijn om minder warmte in de wijk vast te houden en/of toe te voegen.

Het percentage groen is de parameter met de grootste invloed op het UHI (afbeelding 3a). Hiermee bevestigen deze simulaties eerdere metingen door Steeneveld en anderen1 en modelresultaten in Theeuwes en anderen2. Het percentage groen verhoogt de latente warmte van een wijk waardoor de voelbare warmte afneemt. Daarnaast is de warmte-opslag van groen lager dan van grijs waar-door er ’s avonds en ’s nachts minder warmte wordt afgegeven aan de omgeving en de temperatuur sneller en verder daalt. Het

22

24

26

28

30

32

Tem

pera

tuur

( °C)

Compact middenbouw

Compact laagbouw

Open middenbouw

Open laagbouw

Rijtjeshuizen

16

18

20

22

1:00 5:00 9:00 13:00 17:00 21:00 1:00 5:00 9:00 13:00 17:00 21:00

Tem

pera

tuur

(

Tijd (uur)

Rijtjeshuizen

rurale temperatuur

Figuur 2: Gemodelleerd temperatuurverloop (op 2 meter hoogte) per wijktype

24.5

25.0

25.5

26.0

26.5

27.0

27.5

28.0

28.5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

tem

pera

tuur

(°C)

percentage groen (%)

Compacte middenbouw

Compact laagbouw

Open middenbouw

Open laagbouw

Rijtjeshuizen

24.5

25.0

25.5

26.0

26.5

27.0

27.5

28.0

28.5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

tem

pera

tuur

(°C)

weerkaatsingsvermogen dak (%)

Compact middenbouw

Compact laagbouw

Open middenbouw

Open laagbouw

Rijtjeshuizen

Figuur 3a

Figuur 3b

9677_VVM-Milieu2015-5.indd 36 27-08-15 10:18

37Tijdschrift Milieu - Dossier - september 2015

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%), elektri-citeitsverbruik (32%), gasverbruik (22%) en menselijke metabolisme (7%)1. Doordat de warmtebronnen lokaal echter sterk kunnen variëren, is het een relatief onze-kere bronterm. Het hoogintensief gebruik van airconditioning kan lokaal aanleiding geven tot een aanzienlijke extra uitstoot van antropogene warmte3.

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 (Open laagbouw) bijna 1°C verschil, etmaalgemiddeld. Het effect van weerkaatsingsvermogen en antropo-gene warmte is echter voor beide wijktypen vergelijkbaar.

Naast de invloed van een aanpassing aan een enkele wijkparameter is het ook moge-lijk 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 1.000

geavanceerde temperatuursimulaties uitge-voerd, met verschillende effectrelaties als uitkomst. Voor een praktisch hanteerbare effectberekening zijn al deze relaties samen-gevoegd in een tool. Hiermee is een stan-daardrekenmethode ontwikkeld die snel en op een laagdrempelige manier het UHI van een wijk kan bepalen en ook de effectiviteit van maatregelen doorrekent.

Om te beoordelen hoe groot de rol is van de verschillende factoren in een wijk op het UHI wordt in de rekenmethode de rela-tieve 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 ‘Open laagbouw’ wordt in beide gevallen sterk bepaald door de verhou-ding 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 weersomstandig-heden, zoals hittegolven. Maar dat gaat in de

Compact middenbouwverhouding grijs-groen

dakalbedo

wegalbedo

muuralbedo

antropogene warmte

Open laagbouwverhouding grijs-groen

dakalbedo

wegalbedo

muuralbedo

antropogene warmte

26.0

26.5

27.0

27.5

28.0

28.5te

mpe

ratu

ur (°

C)

Compact middenbouw

Compact laagbouw

Open Middenbouw

Open laagbouw

24.5

25.0

25.5

0 10 20 30 40 50 60

antropogene warmte (W/m2)

Open laagbouw

Rijtjeshuizen

Figuur 3 a, b en c: Etmaalgemiddelde temperatuur bij de verschillende gesimuleerde groen-percentages, weerkaatsingsvermogen van daken en antropogene warmte in de verschillende wijktypen

Figuur 4: De oorzaken van het UHI in de referentie-instellingen van de wijken ‘Compacte middenbouw’ en ‘Open laagbouw’

Figuur 3c

9677_VVM-Milieu2015-5.indd 37 27-08-15 10:18

38 Tijdschrift Milieu - Dossier - september 2015

praktijk niet eenvoudig, gegeven het feit dat de meeste aanpassingen (maatregelen) een investering vergen die niet wordt terugver-diend door de investeerder.

Er moet een heldere basis zijn voor de afweging om maatregelen toe te passen. Dat begint met een objectieve, eendui-dige, betrouwbare en liefst niet te kostbare methode om vast te stellen of de situatie (nu of in de toekomst) zorgelijk is, welke maat-regelen effectief zijn en hoeveel maatre-gelen nodig zijn. De beschreven standaard-rekenmethode voor hitte biedt daarin een oplossing omdat deze relatief eenvoudig het UHI kwantificeert in een specifieke wijk. Daarnaast geeft de methode informatie over de effectiviteit van adaptieve maatregelen om het UHI te verminderen en in welke mate deze moeten worden toegepast.

Referenties1. Steeneveld, G. J., S. Koopmans, B. G.

Heusinkveld, L. W. A. van Hove, and A. A. M. Holtslag (2011), Quantifying urban heat island effects and human comfort for cities of variable size and urban morphology in the Netherlands, J. Geophys. Res., 116, D20129, doi:10.1029/2011JD015988

2. Heusinkveld, B. G., G. J. Steeneveld, L. W. A. van Hove, C. M. J. Jacobs, and A. A. M. Holtslag (2014), Spatial varia-bility of the Rotterdam urban heat island as infl uenced by urban land use, J. Geophys. Res. Atmos., 119, 677–692, doi:10.1002/2012JD019399

3. Bewerkte afbeelding uit: Environmental Protection Agency (2008) Reducing Urban Heat Islands - Compendium of Strategies; Urban Heat island basics. United States Environmental Protection Agency

4. Stewart, I. D., & Oke, T. R. (2012). Local climate zones for urban temperature studies. Bulletin of the American Meteorological Society, 93(12), 1879-1900.

5. Theeuwes, N. E., Steeneveld, G. J., Ronda, R. J., Heusinkveld, B. G., Van Hove, L. W. A., & Holtslag, A. A. M. (2014). Seasonal dependence of the urban heat island on the street canyon aspect ratio. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 140(684), 2197-2210.

6. Koopmans, S., Theeuwes, N. E., Steeneveld, G. J. and Holtslag, A. A. M. (2015), Modelling the infl uence of urba-nization on the 20th century tempera-ture record of weather station De Bilt (The Netherlands). Int. J. Climatol.. doi: 10.1002/joc.4087

7. Salamanca, F., M. Georgescu, A. Mahalov, M. Moustaoui, and M. Wang (2014), Anthropogenic heating of the urban environment due to air condi-tioning, J. Geophys. Res. Atmos., 119, doi:10.1002/2013JD021225.

Het wijktype ‘Compacte middenbouw’ slaat meer warmte op en ‘vangt’ relatief veel uitgaande langgolvige straling

9677_VVM-Milieu2015-5.indd 38 27-08-15 10:18