Wie wirken sich Oberflächen auf den Wärmehaushalt aus?

Die Energiebilanz im Stadtraum wird im Wesentlichen durch die kurzwellige Einstrahlung der Sonne und die langwellige Abstrahlung von Wärme bestimmt. Ausschlaggebend sind Unterschiede im Gegensatz zur unbebauten, unversiegelten Fläche hinsichtlich des Reflexionsverhaltens, der Wärmeleitfähigkeit, der Wärmekapazität sowie des Wasserretentionsvermögens der Oberflächenmaterialien.

Bei einfallender Sonnenstrahlung auf eine Oberfläche wird diese in Abhängigkeit des Materials reflektiert, gestreut und zum Teil von der Oberfläche absorbiert. Der prozentuale Anteil der reflektierten Strahlung von der einfallenden Sonnenstrahlung wird als Albedo bezeichnet. Diese ist abhängig von der Farbe und der Oberflächenbeschaffenheit. Ein schwarzer Körper absorbiert unabhängig vom Spektralbereich die eingehende Strahlung zu 100 Prozent und hat folglich eine Albedo von 0 Prozent. Je heller ein Körper ist, umso mehr Strahlung wird reflektiert. Neuschnee hat beispielsweise ein sehr hohes Reflexionsvermögen: bis zu 95 Prozent der einfallenden Strahlung wird reflektiert. Bei Asphalt liegt dieser Wert zwischen 5 und 20 Prozent.

Zwischen Gebäuden kann es außerdem zu Mehrfachreflexion kommen. Der nicht-reflektierte Teil der Strahlung wird vom Körper absorbiert, also aufgenommen, und dort in Wärme umgewandelt. Wie gut Wärme durch einen Stoff geleitet und dort gespeichert werden kann, ist stark materialabhängig.

Die Baukörper wirken folglich als großer Wärmespeicher, der im Stadtraum bis zu 40 Prozent mehr Wärme speichern kann als das Umland (Böttner, R., Fischer, R., & Kuhr, D., 2012, Abgrenzung und Intensität der urbanen Hitzeinsel und der Überwärmungsgebiete). Besonders bei austauscharmen Wetterlagen können sich Baukörper stark aufheizen. Dies ist stark abhängig vom verwendeten Material, der verwendeten Farbe, aber auch der Ausrichtung des Gebäudes und der Gebäudekubatur. Die tagsüber gespeicherte Wärme wird nach Sonnenuntergang nur allmählich wieder an die Umgebung abgegeben. Sie trägt maßgeblich zur Ausbildung der Wärmeinsel bei. Die nächtliche Abstrahlung der Wärme von versiegelten Oberflächen und Gebäuden ist durch die Einengung des Horizonts in Straßenschluchten zusätzlich vermindert.

Um genauer zu erfassen, wie stark sich Oberflächen erwärmen und abkühlen können, wurden im Sommer 2021 die Oberflächentemperaturen an verschiedenen Standorten im Stadtgebiet mit Unterstützung einer Drohnenbefliegung erfasst. Diese war mit einer optischen und einer Thermalkamera ausgestattet. Die Oberflächentemperaturen wurden zu Sonnenhöchststand um (14 Uhr) und nach Sonnenuntergang (um 21 Uhr) registriert. Am Beispiel des Marie-Curie-Gymnasiums ist zu sehen, wie sich die versiegelten und unversiegelten Oberflächen unterschiedlich stark aufheizen. Die Abbildung zeigt den Zustand in der Zeit um 14 Uhr an einem windschwachen, wolkenarmen und heißen Sommertag.