Hogeschool van Amsterdam

Kenniscentrum Techniek

Stedelijk oppervlaktewater

Hoe verkoelt stedelijk oppervlaktewater de omgeving?

Het water van kleine stedelijke waterelementen zoals vijvers, grachten, singels en sloten verkoelt de stedelijke omgeving alleen als de temperatuur van het wateroppervlak lager is dan die van de lucht erboven. Alleen in dat geval zal de lucht warmte kunnen afstaan aan het koudere water en koelt de lucht af. Omgekeerd, als het wateroppervlak warmer is dan de lucht, wordt er warmte overgedragen van het water naar de lucht en warmt de lucht op. De grootte van het temperatuurverschil tussen wateroppervlak en lucht bepaalt mede hoeveel warmte er overgedragen wordt. Hoe groter dit verschil is, hoe groter het verkoelende of verwarmende effect van het water in principe kan zijn.

Een koeler wateroppervlak is echter niet het enige dat nodig is om de stedelijke omgeving af te koelen. De koelere lucht nabij het wateroppervlak moet ook de omgeving kunnen bereiken op een hoogte en plek waar mensen de koelte daadwerkelijk kunnen voelen, dus op een hoogte van minimaal 1-2 meter. Een merkbaar verkoelend effect voor mensen in de buurt van water vereist daarom dat de lengte van het wateroppervlak waarover de wind blaast (de aanstrijklengte) voldoende groot is (≈200 m of meer) (Foken, 2008; Jacobs et al., 2020).

De grootte van het wateroppervlak en het temperatuurverschil tussen lucht en water zijn dus sterk bepalend voor de mate van verkoeling rond een waterlichaam. Over het algemeen geven alleen voldoende grote waterlichamen een ter plekke merkbaar verkoelend effect op een voor de mens relevante hoogte (1-2 m), mits het temperatuurverschil tussen water en lucht dus voldoende groot is (Jacobs et al., 2020).

Vaak wordt het verkoelend effect van stedelijk oppervlaktewater toegeschreven aan het proces van verdamping. Verdamping vanuit vijvers, grachten, singels en sloten zorgt in werkelijkheid echter niet voor een directe verlaging van de luchttemperatuur in de omgeving. De energie die nodig is voor verdamping wordt namelijk onttrokken uit het water, waardoor verdamping in eerste instantie zorgt voor een verlaging van de watertemperatuur, die vaak maar heel gering is. Of dit uiteindelijk tot een merkbare verkoeling van de lucht leidt, hangt vervolgens af van de eerder genoemde factoren: het temperatuurverschil en de grootte van het wateroppervlak. Wel zorgt verdamping van veel waterlichamen in de stad ervoor dat er minder energie beschikbaar is voor opwarming van bodem, bebouwing en lucht in het stedelijk gebied. Bovendien fungeren grote waterlichamen als een thermische buffer: water in de stad kan grote hoeveelheden zonne-energie opnemen die anders de stedelijke omgeving zouden opwarmen (Gunawardena et al., 2017; Oke, 1987). Veel water in de stad kan daarom via verdamping en deze thermische buffercapaciteit toch een verkoelend effect hebben op de temperatuur in de stad, maar dit effect is verspreid over de stad en over een langere periode. Het is niet merkbaar als een lokale verlaging in de luchttemperatuur in de buurt van een specifieke waterpartij, maar uit zich als een geringe verlaging in de stadsgemiddelde luchttemperatuur.

Hoe groot is het verkoelend effect van stedelijk oppervlaktewater op de luchttemperatuur ter plekke?

Een literatuurstudie van Jacobs et al. (2020) gebaseerd op 20 studies uitgevoerd tussen 2013 en 2019 laat zien dat stedelijk oppervlaktewater een mediaan effect heeft van maar 0,5 °C op de luchttemperatuur. Bij 14 van de 20 studies was het effect kleiner dan 1°C.

Daarnaast onderzochten Jacobs et al. (2020) met behulp van een geavanceerd micrometeorologisch model het verkoelend effect van acht verschillende stedelijke waterlichamen in Nederland (grachten, singels, sloten en een vijver). Ook uit deze resultaten blijkt dat het verkoelend effect van water op 1,5 meter boven het wateroppervlak ‘s middags tijdens een hete zomerdag klein is: gemiddeld 0,4 °C is. In aangrenzende straatdelen was het effect op 1,5 m hoogte gemiddeld slechts 0,2 °C.

Metingen uitgevoerd op zes locaties nabij stedelijke waterlichamen in Amsterdam lieten eveneens een ​​verkoelend effect van minder dan 1 °C op de luchttemperatuur zien (Klok et al., 2019).

De effecten van kleine waterlichamen op de luchttemperatuur in de nabije omgeving zijn in de praktijk dus amper voelbaar en te verwaarlozen (Jacobs et al., 2020, Klok et al., 2019, Klok et al., 2018, Cortesão et al., 2019) .

Grote wateroppervlaktes in of bij de stad kunnen wel een merkbaar effect hebben op de luchttemperatuur, tot wel 4 °C (Völker et al., 2013). Zo kan het koele water van het IJmeer tijdens een hete dag er bijvoorbeeld voor zorgen dat het tot enkele honderden meters landinwaarts in het oosten van Amsterdam een paar graden koeler is (Ronda et al., 2018).

Hoe groot is het effect van stedelijk oppervlaktewater op de gevoelstemperatuur?

Stedelijk oppervlaktewater beïnvloedt naast de luchttemperatuur ook andere aspecten van het microklimaat zoals straling, windsnelheid en luchtvochtigheid. Deze zijn van invloed op de gevoelstemperatuur. Grote stedelijke waterlichamen kunnen bijvoorbeeld door verdamping de luchtvochtigheid van een gebied verhogen, voor kleine wateroppervlakken is dit effect verwaarloosbaar.

Afgelopen jaren is een aantal studies uitgevoerd naar het verkoelend effect op de gevoelstemperatuur van kleine stedelijke waterelementen. Een modelstudie van Jacobs et al. (2020) laat zien dat het water van grachten, singels, sloten en vijvers voor een typische verlaging in de gevoelstemperatuur (PET) van 0,6 °C nabij het water kan zorgen met een maximum van 1,9 °C. Dat is niet veel, aangezien een verandering in de PET van minstens 6 °C nodig is voor een verandering van hittestressklasse. Het verschil tussen een situatie met extreme en gematigde hittestress of tussen lichte en geen hittestress is bijvoorbeeld 6 °C PET (Matzarakis et al., 1999).

Klok et al. (2019) deden metingen aan de gevoelstemperatuur nabij verschillende watervormen in Amsterdam (aan ’t IJ, langs de Amstel, de Reguliersgracht en bij de fontein op het Frederiksplein) en namen gelijktijdig interviews af. Uit de metingen blijkt dat de gevoelstemperatuur nabij deze watervormen tussen -4 tot + 5 °C (PET) verschilt van de gevoelstemperatuur op een referentielocatie zonder water. In sommige gevallen wordt bij stedelijk water dus ook een hogere gevoelstemperatuur gemeten. De interviews laten zien dat de thermische beleving van de ondervraagde respondenten in de buurt van water niet significant verschilt van de thermische beleving op locaties waar geen water is. Het verkoelend effect van stedelijk oppervlaktewater op de gevoelstemperatuur is dus variabel en bovendien meestal gering.

Uit bovenstaande studies blijkt bovendien dat de gevoelstemperatuur nabij stedelijk oppervlaktewater vooral wordt bepaald door de stedelijke inrichting rond het water. Schaduw van bomen of andere groenstructuren langs grachten en rond vijvers zorgen er vaak in belangrijke mate voor dat de gevoelstemperatuur nabij het water lager is (Cortesão et al., 2019). De omgeving rond het water levert dus een belangrijke bijdrage aan een koele stedelijke omgeving. Ontwerpers zouden daar in hun ontwerp expliciet aandacht aan kunnen geven door het verkoelend effect van een stedelijke wateromgeving als geheel te bezien in plaats van alleen te focussen op het verkoelend effect van het water zelf (Jacobs et al., 2020). Dit betekent dat stedelijk water ontworpen moet worden in combinatie met schaduw, groenelementen, fonteinen en ventilatiestrategieën rond stedelijk water (Cortesão et al., 2019). Daarnaast biedt water natuurlijk meer verkoeling wanneer je erin kunt zwemmen, spelen of onderdompelen, denk aan waterspeelplaatsen, zwemwater, fonteinen, bedriegertjes en vernevelingsinstallaties.

Wat is het effect van stedelijk oppervlaktewater ‘s nachts?

Water heeft een grote warmtecapaciteit. Dit betekent dat er veel energie nodig is om water op te warmen en dat het lang kan duren voordat een waterlichaam is opgewarmd. Omgekeerd duurt het ook lang voordat de energie die opgenomen is weer aan de omgeving is afgestaan. Als gevolg hiervan zijn vijvers, grachten, meren en rivieren overdag vaak koeler dan de lucht en ’s nachts warmer, met name in het tweede deel van de zomer en in de vroege herfst. Doordat de temperatuur van het water ’s avonds en ‘s nachts relatief hoog blijft, kan stedelijk water op die momenten in principe voor een opwarmend effect zorgen (Steeneveld et al., 2014; Ronda et al., 2018). Een dergelijk effect is lokaal echter niet te verwachten van kleine waterelementen in de stad. Voor kleine waterlichamen zoals vijvers, singels en grachten is gevonden dat zowel het verkoelend effect overdag als het verwarmend effect 's nachts in de praktijk verwaarloosbaar is (≤ 0,6 °C) (Jacobs et al., 2020). Grote wateroppervlakken kunnen echter wel een opwarmend effect hebben. Een modelanalyse voor een meer met een watertemperatuur van 20 °C in een stedelijk gebied waar de luchttemperatuur ’s nachts daalt naar waarden beneden 15 °C is, toont aan dat de luchttemperatuur dicht bij het meer 's nachts wel 3,5 °C hoger kan zijn dan in eenzelfde situatie zonder het meer (Theeuwes et al., 2013).

Wat is het verschil tussen stilstaand en stromend water?

Stromend water zorgt ervoor dat de door het water geabsorbeerde warmte stroomafwaarts kan worden getransporteerd en op een andere locatie kan worden afgegeven (Hathway & Sharples, 2012). Ook kan stroming ervoor zorgen dat water aangevoerd wordt uit een ander gebied waar het kouder is, bijvoorbeeld een bergriviertje dat gevoed wordt door zeer koud smeltwater. Beken met koel stromend water komen in Nederland echter niet op grote schaal voor.

Op de schaal van Nederland en indien voeding van de waterstroom door koude of warme bronnen verwaarloosbaar is, leidt stroming van water op zichzelf nauwelijks tot een andere gemiddelde watertemperatuur ten opzichte van stilstaand water. Dat komt omdat open water overal aan ongeveer hetzelfde weer bloot staat. Stroming bevordert wel menging en die kan de energie die door een waterlichaam wordt opgenomen ook over een groter volume verspreiden. Het effect is een vergroting van de thermische buffercapaciteit. Hierdoor kan het wateroppervlak van stromend water met name overdag een lagere temperatuur hebben dan stilstaand water. In hoeverre dit effect in de stedelijke omgeving merkbare verkoeling oplevert hangt mede af van de grootte van het wateroppervlak (aanstrijklengte) en eigenschappen van de atmosfeer. We herhalen graag dat over het algemeen alleen voldoende grote waterlichamen (≈200 m of meer) een merkbaar verkoelend effect kunnen geven op leefhoogte op straat (1-2 m) (Jacobs et al., 2020).

Wat is het verkoelend effect van een fontein?

Fonteinen zorgen voor verkoeling door verdamping. Omdat veel kleine waterdruppeltjes relatief gezien een veel groter contactoppervlak met de lucht hebben dan één vlak wateroppervlak, gebeurt de verdamping op veel grotere schaal en beter vermengd met de lucht. Hoe kleiner de druppeltjes, hoe meer verdamping en hoe efficiënter de afkoeling van de lucht.

Modelstudies voor het Nederlandse klimaat laten zien dat verdampende druppeltjes van niet al te grote fonteinen lokaal een verkoelend effect kunnen hebben op de luchttemperatuur op een hoogte van 1,5 m in de orde van 1 °C of minder (Jacobs et al., 2020). Voor de gevoelstemperatuur kan dit lokale effect ongeveer 3 °C (PET) zijn. Voor warmere klimaten is gevonden dat fonteinen de luchttemperatuur en de gevoelstemperatuur tot 5 °C kunnen verlagen (Xue et al., 2015; Gómez et al., 2013). De reikwijdte van het effect hangt af van windsnelheid en -richting. Het verkoelende effect van fonteinen is logischerwijs groter aan de lijzijde (Xue et al., 2015).

In de praktijk kunnen vooral heel grote fonteinen ook voor verkoeling zorgen door in hun buurt een verkoelende luchtstroom op gang te brengen, doordat het spuitende water de lucht eromheen als het ware mee trekt.

Wat is het verkoelend effect van vernevelingsinstallaties?

Verneveling van water is een effectieve maatregel voor verkoeling (Montazeri et al., 2017). Vernevelingsinstallaties kunnen op twee manieren voor verkoeling zorgen. Ten eerste zorgen de vele kleine waterdruppeltjes ervoor dat het contactoppervlak met de lucht veel groter is dan één vlak wateroppervlak. Verdamping gebeurt hierdoor op veel grotere schaal en beter vermengd met de lucht. Daarnaast verkoelt de waternevel ook direct de huid doordat de waterdruppeltjes de huid van mensen bevochtigen en daaraan warmte onttrekken (Farnham et al., 2015). Verneveling van water is vooral effectief in combinatie met een ventilator (Farnham et al., 2015), omdat wind de warmte-uitwisseling tussen de natte huid en de omgeving, en dus de afkoeling versnelt. Een in Japan uitgevoerd experiment waarbij een vernevelingsinstallatie werd gecombineerd met een ventilator toonde aan dat hiermee de temperatuur van de huid binnen 10 seconden met 1 tot 3 °C kan dalen. Waternevel heeft het voordeel dat het zichtbaar is. Als zodanig is het gemakkelijk voor mensen om ervoor te kiezen of zij door nevel afgekoeld willen worden. Degenen die dat niet willen, kunnen de nevel eenvoudig vermijden (Farnham et al., 2015).

Hoe effectief is het nat maken van straten?

In Japan is het nat maken van straten en pleinen een 17e-eeuwse traditie, genaamd Uchimizu. Deze techniek pakt hittestress op twee manieren aan. Ten eerste verlaagt het de oppervlaktetemperatuur van de straat en daarmee de gemiddelde stralingstemperatuur waaraan het menselijk lichaam wordt blootgesteld. Ten tweede verlaagt het nat maken van straten de werkelijke luchttemperatuur (Solcerova et al., 2018). In Nederland uitgevoerde experimenten rapporteren een daling tot 2 °C van de luchttemperatuur op 2 m hoogte als gevolg van het besprenkelen van het straatoppervlak (Slingerland, 2012; Solcerova et al., 2018). De oppervlaktetemperatuur van een straat kan hiermee worden verlaagd tot 13 °C (Hendel et al., 2014). Het bevochtigen van het wegdek verlaagt ook de albedo. Als gevolg hiervan wordt minder zonnestraling gereflecteerd op voetgangers, wat de gevoelstemperatuur verlaagt (Hendel et al., 2014). De verdamping van het water kan de luchtvochtigheid verhogen en daarmee een negatief effect hebben op de gevoelstemperatuur, maar dit effect is verwaarloosbaar voor het Nederlandse klimaat (Solcerova et al., 2018).

Het effect van het nat maken van straten kan enkele uren aanhouden, maar vereist wel dat de straat regelmatig nat gehouden wordt (Handel et al., 2014). Een manier om het verkoelende effect te verlengen is door gebruik te maken van doorlatende en watervasthoudende bestrating (Santamouris, 2013). Doordat dit type bestrating water gemakkelijker kan opnemen en vasthouden, kan het oppervlak voor een langere tijd water verdampen en voor verkoeling zorgen.

Hoe kan water ingezet worden als inrichtingsmaatregel om de omgeving te verkoelen?

Uit bovenstaande antwoorden blijkt dus dat kleine stedelijke watervormen, zoals grachten, singels en vijvers, over het algemeen geen effectieve maatregelen zijn voor het creëren van lokaal merkbare koelte in de stad. Tijdens hete dagen zorgt het water van deze watervormen niet voor een verlaging van de lucht- of gevoelstemperatuur die merkbaar is op straat, ook niet als het water stroomt. Water biedt meer verkoeling wanneer je erin kunt zwemmen, spelen of onderdompelen. Mede daardoor leveren waterspeelplaatsen, zwemwater, fonteinen, bedriegertjes, vernevelingsinstallaties wel verkoeling. Desondanks geven stedelijke waterelementen vaak wel de gelegenheid om groene, schaduwrijke of windrijke plekken te creëren waar de gevoelstemperatuur lager is en die dus wel degelijk verkoeling brengen (Jacobs et al., 2020; Cortesão, et al. 2019). Langs singels en vijvers kan bijvoorbeeld schaduw gecreëerd worden en kunnen bankjes worden plaatsen om daar het verkoelend effect te vergroten.

Ten slotte zorgt veel wateroppervlak in de stad net als veel vegetatie voor meer verdamping, waardoor er minder energie beschikbaar zal zijn om stedelijke materialen en bodem op te warmen. Op groter schaalniveau en langere termijn zorgt dit ervoor dat de luchttemperatuur in de stad enigszins gereduceerd wordt.

Literatuur

  • Cortesão, J., Lenzholzer, S., Klok, L., Jacobs, C., & Kluck, J. (2018). Cooling urban water environments: design prototypes for design professionals. Plea 2018 Hong Kong, Smart and Healthy within the 2-degree limit.
  • Cortesão, J., Lenzholzer, S., Klok, L., Jacobs, C. M. J., & Kluck, J. (2019). Cooling Urban Water Environments: Design Prototypes for Design Professionals. In E. Ng, S. Fong, & C. Ren (Eds.), PLEA 2018: Smart and Healthy Within the Two-Degree Limit: Proceedings of the 34th International Conference on Passive and Low Energy Architecture, Dec 10-12, 2018, Hong Kong, China (Vol. 2, pp. 520-525). PLEA.

  • Farnham, C., Emura, K., & Mizuno, T. (2015). Evaluation of cooling effects: outdoor water mist fan. Building Research & Information, 43(3):334-345.

  • De la Flor, F.S., & Domíngues, S.A. (2004). Modelling microclimate in urban environments and assessing its influence on the performance of surrounding buildings. Energy and Buildings, 36:403-413.

  • Gómez, F., Cueva, A.P., Valcuende, M., & Matzarakis, A. (2013). Research on ecological design to enhance comfort in open spaces of a city (Valencia, Spain). Utility of the physiological equivalent temperature (PET). Ecological Engineering, 57:27-39.

  • Gunawardena, K.R., Wells, M.J., & Kershaw, T. (2017). Utilising green and bluespace to mitigate urban heat island intensity. Science of the Total Environment, 584-585:1040-1055.

  • Hathway, E.A., & Sharples, S. (2012). The interaction of rivers and urban form in mitigating the Urban Heat Island effect: A UK case study. Building and Environment, 58:14-22.

  • Hendel, M., Colombert, M., Diab, Y., & Royon, L. (2014). Improving a pavement-watering method on the basis of pavement surface temperature measurements. Urban Clim. 10 Pt 1, 189-200.

  • Jacobs, C., Klok, L., Bruse, M., Cortesão, J., Lenzholzer, S., & Kluck, J. (2020). Are urban water bodies really cooling? Urban Climate. 32:100607.

  • Karasawa, A., Toriiminami, K., Ezumi, N., & Kamaya, K. (2006). Evaluation of performance of water-retentive concrete block pavements. 8th International Conference on Concrete Block Paving, November 6-8, San Francisco, California, USA.

  • Klok, L., Jacobs, C., & Kluck, J. (2018). Onderzoek toont aan dat het vaak zwaar tegenvalt – Hoe verkoelend is water nu echt? Klimaatadaptatie, pp. 14-15.

  • Klok, L., Rood, N., Kluck, J., & Kleerekoper, L. (2019). Assessment of thermally comfortable urban spaces in Amsterdam during hot summer days. International Journal of Biometeorology, 63:129-141.

  • Matzarakis, A., Mayer, H. & Iziomon, M.G. (1999). Applications of a universal thermal index: physiological equivalent temperature. International journal of biometeorology, 43(2), 76-84.

  • Montazeri, H., Toparlar, Y., Blocken, B., & Hensen, J.L.M. (2017). Simulating the cooling effects of water spray systems in urban landscapes: A computational fluid dynamics study in Rotterdam, the Netherlands. Landscape and Urban Planning, 159:85-100.

  • Oke, T.R. (1987). Boundary Layer Climates. Routledge, New York.

  • Saaroni, H., & Ziv, B. (2003). The impact of a small lake on heat stress in a Mediterranean urban park: the case of Tel Aviv, Israel. Int J Biometeorol, 47, 156-165.

  • Santamouris, M. (2013). Using cool pavements as a mitigation strategy to fight urba heat island – A review of the actual developments. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 26:224-240.

  • Slingerland, J. (2012) Mitigation of the Urban Heat Island Effect by Using Water And Vegetation. Master’s Thesis, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands.

  • Solcerova, A., van Emmerik, T., Hilgersom, K., van de Ven, F., & van de Giesen, N. (2018). Uchimizu: A cool(ing) tradition to locally decrease air temperature. Water, 10, 741.

  • Steeneveld, G.J., Koopmans, S., Heusinkveld, B.G., & Theeuwes, N.E. (2014). Refreshing the role of open water surfaces on mitigating the maximum urban heat island effect. Landscape and Urban Planning, 121:92-96.

  • Theeuwes, N.E., Solcerová, A., & Steeneveld, G.J. (2013). Modeling the influence of open water surfaces on the summertime temperature and thermal comfort in the city. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 118:8881-8896.

  • Völker, S., Baumeister, H., Claßen, T., Hornberg, C., & Kistemann, T. (2013). Evidence for the temperature-mitigating capacity of urban blue space – A health geographic perspective. Erdkunde, 67:355-371.

  • Xue, F., Li, X., Ma, J., & Zhang, Z. (2015). Modeling the influence of fountain on urban microclimate. Build Simul, 8(3):285-295.

  • Yamagata, H., Nasu, M., Yoshizawa, M., Miyamoto, A., & Minamiyama, M. (2008). Heat island mitigation using water retentive pavement sprinkled with reclaimed wastewater. Water Science & Technology, 57(5):763-771.

Gepubliceerd door  Urban Technology 29 april 2020