De toenemende verstedelijking, de verdichting en de verharding van het grondoppervlak hebben niet alleen gevolgen voor de wateropgave maar leiden in toenemende mate tot verhoging van de temperaturen en tot hittestress in de stad. Dit effect wordt versterkt door de klimaatverandering en de hierdoor veroorzaakte temperatuurstijging. Recente onderzoeken hebben voor de regio Haaglanden en Rotterdam uitgewezen dat het oppervlaktetemperatuurverschil tussen platteland en de sterk verstedelijkte gebieden tot 10°C kan oplopen op warme dagen. [Duyzer et al., 2011]
Hogere temperaturen hebben een hogere sterfte tot gevolg en hebben invloed op de gezondheid, welbevinden en productiviteit van de mens, maar ook op flora en fauna. Hogere temperaturen veroorzaken direct een hoger energiegebruik voor koeling en een hoger waterverbruik voor koeling en bewatering van groengebieden. Hogere temperaturen hebben een directe invloed op de waterkwaliteit. Het blijkt dat stedenbouwkundige oplossingen met meer groen, groene daken, minder verharding en het toepassen van materialen met een hoge albedo (reflectiefactor van een materiaal) tot aanzienlijk lagere temperaturen in de stad kunnen leiden. Daarnaast spelen factoren als sky
view factor (het gedeelte van de hemelkoepel dat zichtbaar is vanaf een bepaald punt) en emissiviteit van oppervlakken (warmte-uitstraling van een oppervlak) een belangrijke rol bij het ontstaan van hittestress. [Duyzer et al., 2011]

Beach at the river Maas in Rotterdam, The Netherlands © Steven Barnhard

Op een hoger schaalniveau is een goede groene verweving van stad en platteland voor stadsventilatie van belang voor luchtuitwisseling tussen ommeland en stad, voor goed bereikbare koelere recreatiegebieden en voor koele langzaam-verkeersroutes.

Wat is hittestress en wat zijn ‘urban heat islands’?

Daar waar stedelijke agglomeraties zich ontwikkelen wordt natuurlijk, open waterdoorlatend en begroeid oppervlak voor een groot deel vervangen door verharding in de vorm van straten, pleinen, parkeerplaatsen en gebouwen. In de praktijk blijken de verharde gebieden in steden tijdens warme zomerse dagen wezenlijk warmer te worden dan het landelijke gebied. Dit fenomeen noemt men een ‘Urban Heat Island’.

Urban heat island © EPA, UHI Basics, 2008

Radiation balance during the night and on a summer day © Krusche et al., 1982

Er wordt onderscheid gemaakt tussen Surface Urban Heat Islands (SHI) en Urban Heat Islands (UHI). De Amerikaanse benoeming van de laatste is helderder: Atmospheric Urban Heat Islands. SHI heeft betrekking op de oppervlaktetempera-turen en UHI op de luchttemperaturen boven het aardoppervlak tot de hoogte van gebouwen en boomtoppen. Uiteraard is er een relatie tussen beide.Oppervlakte- en luchttemperatuur variëren in de loop van de dag sterk boven verschillend ingerichte oppervlakken. [EPA, 2008]

Air and surface temperature during the day and night © Air and surface temperature during the day and night [from: EPA, UHI Basics, 2008

Het koelend effect van groen

In een natuurlijke omgeving met begroeide oppervlakken en bomen zorgen de bomen voor schaduw en lagere oppervlaktetemperaturen en ook voor een lagere luchttemperatuur. Het grotere percentage bebouwing en andere verharde oppervlakken heeft ook een geringere verdamping uit de grond (en door planten) tot gevolg. Verdampingsprocessen hebben een koelend effect op luchttemperatuur en oppervlaktetemperatuur.

City water balance © EPA, UHI Basics, 2008

Natural water balance © Natural water balance [from: EPA, UHI Basics, 2008

Albedo en emissiviteit

De eigenschappen van de oppervlaktematerialen in de stad met betrekking tot het reflecterende vermogen van zonlicht, emissiviteit (emissiviteit bepaalt de hoeveelheid uitgezonden langgolvige straling van het oppervlak en dus daarmee de oppervlaktetemperatuur) en het warmteabsorberend vermogen hebben invloed op de oppervlaktetemperatuur en dus de luchttemperatuur in de stad. Het reflecterende vermogen met betrekking tot zonlicht wordt ook albedo genoemd. Het zichtbare gedeelte van het licht wordt over het algemeen beter gereflecteerd door lichtgekleurde materialen. Maar er zijn ook donkere materialen met speciale pigmenten die juist het infraroodgedeelte van het zonlicht beter reflecteren. Op dit gebied is er nog veel onderzoek en ontwikkeling gaande. Albedo is een waarde tussen 0 en 1 die aangeeft welk aandeel van het zonlicht wordt gereflecteerd.

© EPA, UHI cool Roofs, 2008

Verharding en bouwmaterialen van het stedelijk gebied hebben over het algemeen een lager albedo dan begroeide oppervlakken. De materialen van het stedelijk gebied reflecteren minder en absorberen meer zonlicht wat uiteraard tot hogere oppervlakte- en luchttemperaturen leidt.
De meeste bouwmaterialen met uitzondering van metaal hebben hoge emissiviteitscoëfficiënten. Dit betekent dat deze materialen al bij een geringe opwarming warmte gaan uitstralen. Metalen gaan pas warmte uitstralen bij veel hogere temperaturen; metalen worden, vergeleken met bijvoorbeeld steenachtige materialen, dus tot hogere temperaturen opgewarmd. De emissiviteit wordt bepaald door het oppervlak (of de afwerking) van het materiaal. Een metaal dat gelakt is, heeft de emissiviteitswaarde van de lak. [EPA, 2008]

© Hübler et al., 2007

Warmteabsorptie

De meeste stedelijke bouwmaterialen hebben ook een groter warmteabsorberend vermogen dan een natuurlijke omgeving; dit levert eveneens weer een bijdrage aan de stedelijke opwarming. Over het algemeen absorbeert een stedelijke omgeving dubbel zoveel warmte als het landelijk gebied [EPA, UHI Basics, 2008].

Solar energy intensity varies over wavelengths from about 250 to 2500 nanometers © Solar energy intensity varies over wavelengths from about 250 to 2500 nanometers. [from: EPA, UHI Basics, 2008

Sky view factor en interne reflectie

De stedenbouw en de geometrie van de bebouwing heeft eveneens invloed op de ontwikkeling van Urban Heat Islands. Hoogbouw die dicht op elkaar staat en een soort stedelijke canyons vormt, geeft overdag schaduw maar belemmert ’s nachts de afkoeling. Dit wordt omschreven met het begrip sky view factor. De sky view factor geeft aan welk percentage van de hemelkoepel zichtbaar is van een punt op het oppervlak. Een hoge sky view factor zoals in het open veld maakt reflectie van kortegolf-straling van het zonlicht makkelijk doordat er geen interne reflectie is. De nachtelijke uitstraling van de lange golf straling van de nachtelijke warmteafgifte van gebouwen wordt in een stedelijke canyon door de lage sky view factor belemmerd. [EPA, 2008]

Sky view factor and internal reflection © Sky view factor and internal reflection [from: EPA, UHI Basics, 2008

Antropogene activiteiten

Uiteraard hebben antropogene activiteiten, zoals verkeer, koeling van gebouwen en productieprocessen warmteproductie tot gevolg en hebben hierdoor een zeker aandeel in het Urban Heat Island effect. Dit effect is moeilijk kwantificeerbaar en voor de Nederlandse situatie wordt dit effect als vrij beperkt ingeschat. [Duyzer et al., 2011]

Geografische factoren

De ligging van een stad, bijvoorbeeld in een dal of op een berg of aan een groot wateroppervlak, de overheersende windrichting en hoe de bebouwing hierop georiënteerd is, hebben invloed op de ontwikkeling van de hitte-eilanden.

Extra emissies en energieverbruik ten behoeve van koeling

Zomerse hitteperioden hebben ook invloed op het energieverbruik; de piekbelasting is juist op zomerse dagen extreem. Uiteraard heeft het extra energiegebruik voor koeling ook invloed op de CO2 uitstoot door energiecentrales en andere emissies. In hete zomerse perioden komt het dan ook tot extra smogvorming.

This example of the city New Orleans (USA) shows the graduate increase in the need of energy at the moment the air temperature is above 20°C - 25°C © This example of the city New Orleans (USA) shows the graduate increase in the need of energy at the moment the air temperature is above 20°C - 25°C. [EPA, UHI Basics, 2008]

In Nederland is het nu al zo dat in utiliteitsgebouwen zomers meer energie gebruikt wordt voor koeling dan in de winter voor verwarming. In de woningbouw wordt tegenwoordig ook in toenemende mate energie voor koeling gebruikt.

Temperatuur en smogvorming

Er is ook een directe relatie tussen smogvorming en luchttemperatuur. Warme lucht neemt verontreinigingen en stofdeeltjes mee naar hogere luchtlagen waardoor een smogbel ontstaat. Koelere lucht van buiten de stad wordt opgewarmd aan de stadsrand en dringt niet meer door tot de stadskern. ‘s Nachts kan het warme luchtkussen een inversie veroorzaken, waardoor de stad niet afkoelt en geen menging met schone lucht van buiten de stad plaatsvindt. [Krusche et al., 1982]

The formation of smog during day and night in the city © Krusche et al., 1982

Waterkwaliteit

De stedelijke opwarming heeft ook invloed op de waterkwaliteit. Regenwater dat op hete zomerse dagen van opgewarmde daken en wegen afkomt kan van enkele graden tot wel 17°C warmer worden. Het oppervlaktewater waar het instroomt wordt eveneens warmer. De watertemperatuur heeft invloed op alle processen in het water. De ongewenste algenpopulatie neemt door de opwarming toe en kan leiden tot vissterfte en botulisme.
Botulisme is een vergiftiging veroorzaakt door bacteriën waar vooral vissen en vogels aan kunnen sterven. Bepaalde stoffen kunnen ook een gevaar voor de mens vormen. [EPA, 2008]

Green space in London © [photo by Peter Herring]

Arbeidsproductiviteit

De extra tropische dagen met extreme temperaturen van >30°C nemen toe en kunnen leiden tot een verlaagde arbeidsproductiviteit, meer gezondheidsklachten en meer ongelukken.
Op de site van FNV Bondgenoten, www.arbobondgenoten.nl, wordt het volgende overzicht gegeven en is er ook een hittestress-calculator te vinden.

"Warmtebelasting kan de volgende klachten veroorzaken:

  • Huidaandoeningen zoals jeuk en blaasjesuitslag
  • Hoofdpijn
  • Hittekramp en hitteoedeem
  • Hitte-uitputting
  • Hittesyncope, flauwvallen, hoofdpijn, misselijkheid en diarree
  • Hitteberoerte
  • Verminderde concentratie met meer kans op ongelukken.

Voor bepaalde beroepen houdt dit grote risico’s in denk aan een hoogwerker of een buschauffeur." [FNV, 2011]

Al deze risico’s spelen extra voor meer kwetsbare groepen, zoals mensen die al aan een ziekte zoals hoge bloeddruk, longaandoening of suikerziekte lijden, die herstellen van een ziekte, zwanger zijn, overgewicht hebben, bepaalde geneesmiddelen gebruiken of een gevoelige huid hebben.
De mate van belasting door hitte wordt berekend met de ‘Wet Bulb Globe Temperature’ (WBGT) rekenmethode en heet de WBGT-index. Deze index houdt rekening met de temperatuur, de luchtvochtigheid, de mate van inspanning en de kleding. De WBGT is ontwikkeld door de Amerikaanse marine om hittestress-gerelateerde ongevallen te voorkomen. [U.S. Navy NAVAIR, 2011]
Met de hittestresscalculator die gebaseerd is op deze rekenmethode is voor een warme zomerse dag van 30°C en een relatieve luchtvochtigheid van 60%, zomerkleding en direct zonlicht, nauwelijks wind, ongeacclimatiseerd en zwaar werk de WGBT-index 29,34. Dat betekent dat bijvoorbeeld een bouwvakker volgens deze norm moet stoppen met werken.
Bij een temperatuur van 25°C en voor de rest dezelfde parameters is de index 24,79: daarbij hoort 50% werktijd en 50% pauzetijd [FNV, 2011].
Deze WBGT-index en ook de hittestresscalculator zijn geen officiële instrumenten in Nederland maar geven wel aan wat de implicaties van hitte en werk kunnen zijn [FNV, 2011].
Het WWF (WNF) en het Kieler Institut für Weltwirtschaft hebben een studie uitgevoerd die de effecten van de klimaatverandering op gezondheid en prestatievermogen van mensen in afhankelijkheid van de temperatuur onderzoekt en economisch kwantificeert. Dit wordt gedaan naar het voorbeeld van 16 Duitse steden.
In Duitsland worden per jaar circa 24.500 meer patiënten tengevolge van hittegerelateerde complicaties in ziekenhuizen opgenomen. Omgerekend betekent dat voor Nederland circa 5.000 mensen. Reden hiervoor is de enorme belasting van het hart-longsysteem door hitte. Over het precieze verlies aan arbeidsproductiviteit zijn zeer verschillende studies die een range aangeven van 3% tot 50%. [U.S. Navy NAVAIR, 2011]

Duits onderzoek (WWF/KIW) toont aan dat kantoorpersoneel bij 23°C nog volledig functioneert. Bij 30°C is dit nog slechts voor 70%. Vastgesteld is dat de typesnelheid bij 30°C halveert ten opzichte van de snelheid bij 20°C. Voor lichamelijk werk wordt een prestatieafname van 50% genoemd bij temperaturen boven de 30°C. De percentages worden terecht gerelativeerd in het Duitse onderzoek omdat niet duidelijk is of het hier een reductie op de maximale prestaties van de onderzochte personen gaat en in hoeverre dit prestatieniveau in de dagelijkse werksituatie bereikt dient te worden. [Hübler, 2007]
Er kan echter gesteld worden dat zowel de mentale als fysieke arbeidsproductiviteit dalen bij temperaturen boven de 25°C. Vooral bij fysieke arbeid zijn de in de literatuur genoemde dalingspercentages hoog.
Tijdens de hittegolf van 2003 steeg het ziekteverzuim van 3,4% naar 11,5%. [Drunen et al, 2007]

Gezondheid

In het Nederlands Tijdschrift voor Geneeskunde worden de effecten van opwarming voor de gezondheid benoemd:

Oversterfte

In hitteperioden treden meer sterfgevallen op. Ouderen, mensen met hart- en luchtwegaandoeningen en andere kwetsbare personen kunnen hierdoor getroffen worden. Hiertegenover staat dat in de zachtere winters relatief minder mensen overlijden en het bij een deel van de oversterfte om personen gaat die enkele dagen eerder overlijden. De relatie luchtverontreiniging en zomersmog speelt ook een rol bij de oversterfte. [Maud, 2009]

Allergieën

Door het langere groeiseizoen is de periode waarin allergische personen en mensen met astma ziek zijn langer. Ongeveer 15% tot 20% van de Nederlanders heeft last van pollenallergieën in de groeiperiode en is de periode waarin pollenallergieën optreden tegenwoordig een maand langer.
Ook komen planten uit Zuid-Europa die bekend staan om hun allergene werking meer en meer in Nederland voor. Ook veroorzakers van allergieën zoals de huisstofmijt en processierups komen vaker voor. [Maud, 2009]

Vectorgebonden infectieziekten

Vectorgebonden infectieziekten zoals de ziekte van Lyme die veroorzaakt wordt door een beet van een geïnfecteerde teek komt steeds vaker voor doordat de infectie zich, mede veroorzaakt door de klimaatverandering, geografisch uitbreidt. Ook worden de start en duur van het actieve seizoen uitgebreid. De klimaatverandering tast ook ons ecosysteem aan waardoor er veranderingen optreden die de verspreiding van ziekteoverdragers begunstigt. In Nederland verdrievoudigde het aantal tekenbeten van 1994 tot 2005 en ook het aantal geïnfecteerde mensen verdrievoudigde. Van andere vectorgebonden infectieziekten zijn in Nederland maar zeer beperkte gegevens beschikbaar. [Maud, 2009]

Water- en voedselgebonden infectieziekten

Door de hogere temperaturen zullen water- en voedselgebonden infectieziekten toenemen zoals bijvoorbeeld de blauwalg deze veroorzaakt.
De hogere temperaturen zullen ook invloed hebben op het drinkwaterdistributienet. Zo nemen het aantal meldingen met betrekking tot legionella de laatste jaren toe vooral in de zomermaanden. [Maud, 2009]

Meetresultaten Haaglanden - Rotterdam

In het stadsgewest Rotterdam-Den Haag is door TNO onderzocht wat het verschil in oppervlaktetemperatuur is tussen de stad en het omliggende platteland. Zie onderstaande gereproduceerde kaart [Duyzer, 2011].

Average surface temperature during the day in the research area based on the 15 Landsat images converted to a resolution of 30 m © Duyzer, 2011

Hieruit blijkt dat het in sommige delen van de stad tijdens hitteperioden tot 10°C warmer kan worden dan op het platteland. Vooral de wijken met veel verharding en weinig groen, voornamelijk bedrijventerreinen en hoog verdichte woonwijken met weinig groen, worden het heetst. In het geval van het TNO-onderzoek blijken in Den Haag de Schilderswijk en Transvaal de heetste wijken te zijn en in Rotterdam Nieuw Mathenesse en Spaanse Polder. Het blijkt dat de heetste stadsdelen in de grootste steden liggen, dus dat ook de omvang van een stad van invloed is op het risico van hittestress. Dit is van belang voor de ruimtelijke vormgeving van de toenemende verstedelijking.

“Het blijkt dat de wijkgemiddelde oppervlaktetemperaturen (SHI-effecten) een sterke relatie vertonen met ruimtelijke ordeningsparameters zoals de fractie van het gebied met gras (categorie laag groen), de fractie bos (hoog groen), het bebouwde oppervlak (verhard bebouwd), het verharde niet bebouwde oppervlak zoals straten en pleinen (verhard onbebouwd).
Naast ruimtelijke ordeningsparameters blijken ook fysische parameters zoals de emissiviteit en het albedo van belang. Veel groen leidt net als een hoog albedo tot een relatief lage temperatuur. De fractie laag groen en het gemiddelde albedo van een wijk blijken de parameters waaruit de variatie in de oppervlaktetemperatuur het best kan worden verklaard. Deze ruimtelijk parameters hebben dus de grootste invloed op de temperatuur en waarschijnlijk ook op het thermisch comfort. Daarnaast spelen meer meteorologische parameters zoals wind, vochtigheid zonnestraling en schaduw een belangrijke rol bij het thermisch comfort.”
[Duyzer, 2011]

Koele verharding

In Amerika wordt al tientallen jaren onderzoek gedaan naar hittestress en hittestress-beperkende maatregelen. Zo zijn er ‘koele verhardingsmaterialen’ en ‘koele daken’ ontwikkeld. Daarnaast is er in verschillende steden (zoals bijvoorbeeld in Chicago, New York, Houston, e.a.) veel aandacht voor het behoud en vergroten van groene oppervlakken.

Albedo of conventional asphalt and concrete pavement changing over the years © Albedo of conventional asphalt and concrete pavement changing over the years. [from: EPA, UHI Cool Pavements, 2008]

Conventionele verhardingsmaterialen zoals beton en asfalt reflecteren 5% tot 40% van het zonlicht, zij absorberen dus 60% tot 95%. Deze waarden veranderen trouwens in de loop der jaren door veroudering en vervuiling. Er zijn inmiddels in Amerika verhardingsmaterialen ontwikkeld die in staat zijn om 75% van de zonnestraling te reflecteren. [EPA, UHI Cool Pavements, 2008]
Uit onderzoek blijkt dat de albedo en emissiviteit de grootste invloed hebben op de oppervlaktetemperatuur van materialen.
Doorlatende materialen kunnen door verdamping sneller afkoelen. In droge toestand warmt de oppervlakte van doorlatende materialen sneller op door het geringere warmtetransport door het materiaal. Voordeel is wel dat de nachtelijke uitstraling geringer is doordat er minder warmte geaccumuleerd is. De afweging met betrekking tot de keuze van verhardingsmaterialen zijn complex en er moet nog meer onderzoek verricht worden voor er meer genuanceerde uitspraken gedaan kunnen worden. In Osaka en Tokyo worden proeven gedaan met doorlatende verhardingsmaterialen waarbij met behulp van drainage de ondergrond vochtig wordt gehouden of met sprinklers water op de verharding wordt gebracht. De eerste resultaten van deze proeven zijn veelbelovend [EPA, 2008].

Het thermische gedrag van verhardingsmaterialen is nog van andere factoren afhankelijk die hier slechts kort aangestipt worden. Beton en andere bouwmaterialen hebben vaak de dubbele warmteopslagcapaciteit van natuurlijke materialen zoals droog zand en aarde. Dit betekent dat de nachtelijke uitstraling van beton wezenlijk hoger is dan van natuurlijke materialen en van begroeide vlakken.
In Amerika is de afgelopen jaren onderzoek gedaan naar het thermisch gedrag van verhardingsmaterialen en zijn nieuwe en aangepaste materialen ontwikkeld, zoals doorlatend beton en asfalt en speciale toevoegingen en afwerkingslagen om de albedo en de emissiviteit te verhogen [EPA, UHI Cool Pavements, 2008].
In steden zoals Houston zijn beleids- en uitvoeringsprogramma’s voor de toepassing van koele verhardingsmaterialen ontwikkeld. In Europa wordt nog niet op een zodanige manier naar verhardingsmaterialen gekeken.

De rol van groen

De meest effectieve maatregel met betrekking tot het beperken van oppervlaktetemperaturen is het beperken van het percentage verhard oppervlak. Groene niet verharde oppervlakken hebben naast het beperken van opwarming ook voordelen met betrekking tot de wateropgave en verhogen de potenties met betrekking tot biodiversiteit en leefkwaliteit.
Het beschaduwen van verharde oppervlakken door de aanplant van bomen op parkeerplaatsen en langs verkeerswegen houdt de oppervlaktetemperaturen en gevoelstemperatuur lager.

Energy balance of a leaf © Energy balance of a leaf [image: atelier GROENBLAUW, Marlies van der Linden, from: Krusche et al., 1982]

Bomen en groen

Groen staat nog steeds zwaar onder druk in en om de stad. Nog steeds worden meer bomen gekapt dan geplant en wordt er meer groen bebouwd en verhard dan dat er groen wordt toegevoegd. Dit geldt voor het verdichten van het Groene Hart in Nederland, maar ook voor kleine oasen in de stad. Recent is er een beweging ontstaan voor vergroening van de stad die ook begint door te sijpelen in beleid en planning van sommige steden zoals Rotterdam. Dit vertaalt zich in het aanleggen van groene daken en groene gevels. Maar nog belangrijker dan groene daken en gevels aanleggen is het behouden van het bestaande groen op het maaiveld en het liefst het realiseren van groene corridors en netwerken voor een essentieel effect op het stads- en leefklimaat.

Bomen en groen hebben een verkoelend effect op het stadsklimaat: dat komt doordat minder zonnestraling op het aardoppervlak terecht komt door schaduwvorming en het warmteabsorberend effect door de verdamping van vocht uit de bladeren.
In de zomer bereikt (afhankelijk van de boomsoort) maar 10% tot 30% van het zonlicht de grond in de schaduw van een boom. In verschillende studies in Amerika is dan ook gemeten dat muren die in de schaduw van bomen liggen gemiddeld 20°C minder warm worden. [EPA, 2008]
Evapotranspiratie, het verdampen van water door groen, de grond eronder en er omheen, levert eveneens een bijdrage aan het beperken van hittestress. Dit kan resulteren in een 2°C-5°C lagere luchttemperatuur in de directe omgeving.

Bladerdaken van bomen of pergola’s boven parkeerplekken, pleinen, schoolpleinen en speelplekken helpen de stad koeler te houden.

Standing garden in Anhem, The Netherlands © NEXIT, Poelmans Reesink

Andere positieve effecten

Bomen en ander planten in de stad helpen niet alleen de temperatuur te verlagen maar zorgen er ook voor dat er minder stof en andere verontreinigingen in de lucht zitten, regenwater beter wordt vastgehouden en de leefkwaliteit in het algemeen wordt vergroot. Dit heeft niet in de laatste plaats een waardeverhoging van de woonomgeving tot gevolg.

Literatuur