Hittestress beperken met koelere bestrating

Tekst: dr. ir. Lisette Klok, Hogeschool van Amsterdam en ing. Frank de Groot

Bestrating met een hogere albedo (grotere reflectie) kan bij grootschalige toepassing de luchttemperatuur iets verlagen. Maar de gevoelstemperatuur neemt juist toe, doordat de straling gereflecteerd wordt op mensen en/of oppervlaktes van gebouwen of voertuigen. Foto: Ingenieursbureau Amsterdam.

Bekende verkoelende maatregelen in de inrichting van de openbare ruimte in stedelijk gebied zijn meer groen en blauw. Vooral bomen kunnen extra schaduw geven. Maar kan de keuze van de juiste bestratingsmaterialen ook van invloed zijn? Denk aan verhardingsmaterialen met een lichte kleur of waterdoorlatende bestrating. Welke materiaaleigenschappen zorgen voor een koeler oppervlak en hoe groot is het effect? Om deze veel gehoorde praktijkvragen te beantwoorden, is er een literatuuronderzoek uitgevoerd. De resultaten hiervan staan beschreven in de online EfFact-checker van de Hogeschool van Amsterdam .

Welke invloed heeft bestrating?

Bestrating en verharding beïnvloeden het klimaat van de bebouwde omgeving doordat hun oppervlaktetemperatuur overdag vaak hoger is dan die van natuurlijke materialen. De hoge temperaturen van bestratingsmaterialen verhogen de luchttemperatuur, maar ook de gevoelstemperatuur. Hoe sterk de lucht opwarmt, hangt af van de oppervlaktetemperatuur van de bestrating, het temperatuurverschil tussen de bestrating en de lucht, hoe hard het waait en de opbouw van de atmosfeer. Hoe warm de bestrating zelf wordt, hangt weer af van het weer (zoals straling, wind, luchttemperatuur, luchtvochtigheid), de thermodynamische materiaaleigenschappen van de bestrating en de warmteoverdrachtsprocessen die de oppervlaktetemperatuur bepalen.
De uiteindelijke oppervlaktetemperatuur wordt bepaald door de warmteoverdrachtsprocessen die in Figuur 1 worden getoond. Deze processen vormen samen de energiebalans van een verhard oppervlak: inkomende en gereflecteerde zonnestraling (kortgolvige straling), inkomende en uitgaande langgolvige straling, convectie (warmte-uitwisseling tussen oppervlak en atmosfeer), verdamping of condensatie aan het oppervlak (latente warmte) en de warmuitwisseling met neerslag, verkeer en de ondergrond (conductie).

Figuur 1: Schematische weergave van de energiebalans van verharding. Bron: Chen et al. (2019).

Materiaaleigenschappen

De thermodynamische materiaaleigenschappen die van invloed zijn op de energiebalans en de uiteindelijke oppervlaktetemperatuur zijn het absorptievermogen, de albedo (weerkaatsingsvermogen), de emissiviteit, het warmtegeleidingsvermogen, de dichtheid en de specifieke warmtecapaciteit.

Albedo

De albedo wordt beschouwd als de belangrijkste factor die de oppervlaktetemperatuur kan beïnvloeden. Het verhogen van de albedo van bestrating verhoogt de hoeveelheid zonnestraling die gereflecteerd wordt en verlaagt de absorptie van zonnestraling. Dit resulteert in een lagere oppervlaktetemperatuur. Een hoog albedo kan echter negatief uitpakken voor de gevoelstemperatuur. De straling kan gereflecteerd worden op mensen of oppervlaktes van gebouwen of voertuigen.

Tabel 1. Albedo van veelgebruikte materialen (Taleghani & Berardi, 2018; Li et al., 2013b; Santamouris, 2015).

Emissiviteit

De emissiviteit van een materiaal bepaalt hoe effectief een materiaal warmte kan uitstralen en hangt af van de microstructuur en de temperatuur van het oppervlak. Hoe hoger de emissiviteitswaarde, hoe sneller het materiaal warmte kan verliezen en hoe koeler het zal zijn. Overdag bepaalt vooral de albedo de temperatuur van de bestrating. ‘s Nachts, wanneer er geen zonnestraling is, wordt de emissiviteit de dominante factor. De meest traditionele bestratingen zijn samengesteld uit materialen met een hoge emissiviteit (0,80-0,95). Eigenlijk is er dus weinig ruimte om met de emissiviteitswaarde de verkoelende eigenschappen van een bestratingsmateriaal te verbeteren.

Thermische geleidbaarheid

De thermische geleidbaarheid bepaalt verder de hoeveelheid warmte die wordt geleid van warme naar koude plekken in en onder de bestratingsconstructie. De thermische geleidbaarheid neemt over het algemeen toe met de dichtheid van het materiaal. Een toename van de thermische geleidbaarheid verlaagt overdag de oppervlaktetemperatuur van de bestrating, omdat er meer warmte van het bestratingsoppervlak naar de diepere lagen wordt afgevoerd. ’s Nachts vindt een tegenovergestelde warmtetransport plaats. Verhardingen met een hoge thermische geleidbaarheid kunnen ook meer warmte opslaan.

Warmtecapaciteit

De specifieke warmtecapaciteit van een materiaal is tot slot het vermogen om warmte te absorberen of af te geven bij een bepaalde temperatuurschommeling. Deze wordt gedefinieerd als de energie die nodig is om de temperatuur van een eenheidsmassa met één graad te verhogen. Verharding met een hoge specifieke warmtecapaciteit heeft meer energie nodig om op te warmen en heeft hierdoor overdag vaak een lagere oppervlaktetemperatuur dan verharding met een lage warmtecapaciteit. ’s Nachts treedt een tegenovergesteld effect op.

Soorten bestratingsmaterialen

Er zijn grofweg vier verschillende soorten koele bestratingsmaterialen:

• reflecterende bestratingsmaterialen;
• verdampende bestratingsmaterialen;
• materialen die van invloed zijn op de warmteopslag;
• materialen die warmte kunnen onttrekken.

Reflecterende bestratingsmaterialen

Reflecterende bestratingsmaterialen hebben een hogere albedo, waardoor meer zonlicht wordt gereflecteerd en bestrating minder opwarmt. Over het algemeen wordt de albedo bepaald door de kleur en ruwheid van het bestratingsmateriaal. Donkere en ruwe oppervlakken reflecteren over het algemeen minder zonnestraling dan gladde, lichtgekleurde en vlakke oppervlakken. De gereflecteerde straling hangt ook af van de golflengte waarin het materiaal reflecteert.
De albedo van bestrating verandert daarnaast met de tijd. Als asfalt wordt blootgesteld aan verkeer, wordt door slijtage het asfalt grijzer en neemt de albedo toe (zie Tabel 1). Voor beton gebeurt het tegenovergestelde: na verloop van tijd heeft beton de neiging om donkerder te worden en een lagere albedo te vertonen.
Of een lagere oppervlaktetemperatuur uiteindelijk een merkbaar verkoelend effect heeft op de omgeving, hangt af van de grootte van het temperatuurverschil tussen het oppervlak en de lucht en de grootte van het oppervlak waarover de wind blaast. Daarom wordt geadviseerd om bestrating met een hoog albedo alleen te gebruiken voor bredere straten, als de hoogte-breedte verhouding kleiner is dan 1 (h / w ≤ 1,0). Op veel grotere schaal, als een hele stad bestraat wordt met materiaal met een hogere albedo (0,35 in plaats van 0,1), kan de luchttemperatuur met ongeveer 0,6 °C verlaagd worden.

Waterdoorlatende bestrating

Waterdoorlatende bestrating bestaat veelal uit doorlatende verharding, met of zonder vegetatie. Voorbeelden zijn doorlatend beton, doorlatend asfalt, grasbetontegels of kunststof straatstenen. De energie die nodig is voor verdamping van vocht wordt onttrokken aan het oppervlak, waardoor de oppervlaktetemperatuur lager blijft. Bij doorlatende verharding dat begroeid is, zorgen zowel verdamping als transpiratie van vegetatie voor extra verdampingskoeling. Begroeide doorlatende verharding wordt meestal gebruikt op locaties met weinig wegverkeer, zoals in steegjes en voor parkeerplaatsen.

Voorbeeld van een open bestrating, die ruimte biedt voor gras. Greenbrick van Struyk Verwo Infra.

Alleen als er vocht aanwezig is in bestrating of in de onderliggende bodem kan verdampingskoeling de oppervlaktetemperatuur verlagen. Als het een lange tijd niet heeft geregend, zal er nabij het bestratingsoppervlak steeds minder water beschikbaar zijn voor verdamping, waardoor het verkoelend effect in de loop van de tijd aanzienlijk afneemt. Materialen met een kleine poriegrootte verdampen over het algemeen meer water en over een langere periode.
Het poreuze karakter van doorlatende verharding heeft als gevolg dat het veelal een lagere albedo heeft dan conventionele verharding. Hierdoor wordt meer zonnestraling geabsorbeerd en neemt de oppervlaktetemperatuur toe. Onder droge omstandigheden kan de oppervlaktetemperatuur van doorlatende verhardingen zelfs hoger zijn dan die van ondoorlatende verharding.
Over het precieze effect van doorlatende bestrating op de lucht- of gevoelstemperatuur is nog niet veel bekend. Metingen aan doorlatende verharding in Californië op het warmste moment van de dag laten zien dat doorlatende verharding onder natte omstandigheden 15 tot 35 °C koeler is dan ondoorlatende verharding.

Voorbeeld van waterdoorlatende halfverharding Nobre Cál, afkomstig uit natuurlijk kalkgesteente.

Materialen met verbeterde warmteopslag

Verhoging van de thermische geleidbaarheid of het verlagen van de warmtecapaciteit zorgen ervoor dat minder warmte wordt opgeslagen en bestrating minder opwarmt. Dit is het geval bij bestratingsmaterialen die geïmpregneerd zijn met PCM (phase change materials) en bij sterk geleidende verhardingen. PCM zijn stoffen die smelten en stollen bij een bepaalde temperatuur. Verhardingen die geïmpregneerd zijn met PCM hebben een grotere warmtecapaciteit en kunnen meer energie opslaan. Overdag wordt de energie gebruikt om het PCM te smelten en ‘s nachts stolt het PCM en geeft het materiaal de opgeslagen warmte vrij. Bestratingsmaterialen met PCM kunnen overdag tot 8 °C koeler zijn. Een nadeel van PCM is dat de opgeslagen warmte ‘s nachts vrijkomt, waardoor dit materiaal ‘s nachts hogere temperaturen heeft.
Sterk geleidende verhardingen bevatten materialen, zoals koolstofvezels en grafiet, waardoor de thermische geleidbaarheid toeneemt. Hierdoor wordt de snelheid waarmee warmte van het wegdek naar de bodem wordt getransporteerd (of omgekeerd) verhoogd. Als gevolg hiervan hebben goed geleidende verhardingen overdag een lagere oppervlaktetemperatuur, maar ‘s nachts een hogere temperatuur, vergelijkbaar met PCM-geïmpregneerde verhardingen. Een verandering in de thermische geleidbaarheid van asfalt van 1 W/mK zorgt voor een verandering van ongeveer 3 °C aan het asfaltoppervlak.

Foto: Gemeente Arnhem.

Materialen die warmte kunnen onttrekken

Bestrating kan ook zo worden ontworpen dat warmte wordt onttrokken en benut. De warmte kan onttrokken worden via thermo-elektrische generatoren, fotovoltaïsche zonnepanelen, of worden gewonnen door een warmtewisselaarsysteem. Zo kan de warmte bijvoorbeeld worden gebruikt voor de productie van warm tapwater of voor verwarming van gebouwen. Een dergelijk systeem kan ook voor minder nadelige weersinvloeden op de bestrating zorgen. In de zomer treedt er minder hitteschade op en in de winter kunnen wegen hiermee sneeuw- en vorstvrij gehouden worden. Ondanks de voordelen van deze bestrating, kunnen de constructie en het onderhoud ervan duur zijn. Bovendien kan dit soort verharding veelal niet worden blootgesteld aan intensief verkeer en zware belastingen van voertuigen, tenzij specifieke technieken worden gebruikt om de structuur van het wegdek te versterken.

Foto: MBI.

Uiteindelijke effecten

Als door bepaalde materiaaleigenschappen de oppervlaktetemperatuur minder hoog oploopt overdag, dan zal er minder warmte-uitwisseling zijn tussen oppervlak en atmosfeer. Dit is echter niet het enige dat nodig is voor een merkbaar effect op de omgevingstemperatuur. De koelere lucht nabij het oppervlak moet ook de omgeving kunnen bereiken op een hoogte en plek waar mensen de koelte daadwerkelijk kunnen voelen (een hoogte van 1-2 meter). Dit vereist dat ook de lengte van het oppervlak waarover de wind blaast (de aanstrijklengte) voldoende groot is, waardoor een koele luchtlaag opgebouwd kan worden die merkbaar is op leefhoogte. Als vuistregel zou een oppervlak met een doorsnede van 200 meter of meer een merkbaar thermische effect kunnen creëren op leefhoogte.
Over het algemeen wijzen de studies waarnaar wordt gerefereerd in de EfFact checker uit, dat een koel oppervlak de luchttemperatuur op leefhoogte met maximaal 1 tot 2 °C te kan reduceren. Het effect op de gevoelstemperatuur kan zowel positief als negatief uitpakken. Bestrating met een hogere albedo heeft vanwege de extra stralingsreflectie een negatief effect op de gevoelstemperatuur, waardoor deze met 5 °C kan toenemen.
Kortom, als je een straat koel in wil richten, dan kun je beter inzetten op schaduw, want het effect van koele bestratingsmaterialen is gering. Maar als de kans zich voordoet, dan is het natuurlijk beter te kiezen voor ‘koele’ bestratingsmaterialen. Een bijkomend voordeel van bestrating met een hoge albedo (lichtere kleur) is dan ook dat het de zichtbaarheid van voetgangers ‘s nachts verbetert, waardoor er minder kunstlicht nodig is. Ook kan de levensduur van verharding met mogelijk een factor 10 verlengd worden doordat bestrating minder heet wordt.