Computational parametric assessment of microclimatic heat mitigation measures in the urban domain

Abstract

Die zunehmende sommerliche Überhitzung in Städten ist ein Indikator für das unangenehme städtische Mikroklima, dem Fußgänger im Sommer ausgesetzt sind und das auch den Kühlbedarf von Gebäuden erhöht. In dieser Arbeit wird die Effizienz verschiedener städtischer Strategien zur Eindämmung der Hitze während der Sommermonate in einem Untersuchungsgebiet untersucht, das aus vier großen Straßenschluchten besteht. Die wichtigste Maßnahme war die Erneuerung der versiegelten Asphaltflächen von Parkplätzen an den Straßenrändern durch unversiegelte Materialien. Ein weiterer Schritt war die Untersuchung der Auswirkungen der an den Außenfassaden der Gebäude vorgenommenen Änderungen auf das Mikroklima. In der Fallstudie machten die Parkplätze 8,5 % der simulierten Gesamtfläche aus. Die fünf angewandten Strategien, mit denen die asphaltierten Parkplätze und die Außenfassaden ersetzt wurden, sind: Rasengittersteine aus Beton, Vordächer zur Beschattung der Parkplätze mit Bepflanzung auf den Rasengittersteinen aus Beton, Fassaden mit hoher Albedo, grüne Fassaden an den massiven Außenhüllen der Gebäude und Bäume. Die Leistungsindikatoren der Studie sind Temperatur (°C), relative Luftfeuchtigkeit (%), Windgeschwindigkeit (m/s) und universeller thermischer Klimaindex (UTCI). Die Simulation wurde mit der Software ENVI-met durchgeführt, die die CFD-Methode verwendet, um die Ergebnisse für die genannten Indikatoren zu ermitteln, wobei jedoch der Faktor Regenwassertransport nicht berücksichtigt wird. Die Simulation für die fünf angewandten Strategien wurde für drei Fälle durchgeführt, zwei davon mit senkrechten Windrichtungen und der dritte mit einem symmetrischen Standortlayout, um die Rolle des Standortlayouts auf die Luftbewegung und ihre Auswirkungen auf die Mikroklimaindikatoren zu untersuchen. Bei den Temperaturergebnissen während der Tageshöchsttemperatur um 14.00 Uhr wurde der bemerkenswerte Temperaturrückgang durch begrünte Überdachungen und Bäume festgestellt. Bei den Ergebnissen für die Luftfeuchtigkeit um 14 Uhr wurde bei allen Strategien ein Anstieg des Verhältnisses der relativen Luftfeuchtigkeit aufgrund der angedeuteten Vegetation festgestellt. Die höchsten Werte für die relative Luftfeuchtigkeit wurden in den Szenarien mit Bäumen erreicht. Was die Windgeschwindigkeit betrifft, so haben nur grüne Baumkronen und Bäume eine bemerkenswerte Abnahme der Windgeschwindigkeit gezeigt. Der universelle thermische Klimaindex UTCI wird zur Bewertung des thermischen Komforts im Freien verwendet. Der bestehende Standort, das Beton-Gras-Gitter, die grünen Fassaden, die Fassaden mit hoher Albedo und die grünen Vordächer haben einen UTCI von über 32, was einer starken Hitzestresszone entspricht. Das Szenario "Bäume" hat einen durchschnittlichen UTCI = 30,6, was in der moderaten Hitzestresszone liegt. Zur besseren Bewertung der Szenarien, bei denen die Gebäudefassaden verändert werden (grüne Fassaden und Fassaden mit hoher Albedo), wurde die Außenoberflächentemperatur einer einzelnen Zelle in der Mitte der Fassade eines Gebäudes am Standort berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Strategien zwar einen bemerkenswerten Einfluss auf die Oberflächentemperatur und die Innentemperatur haben, aber nur einen minimalen Einfluss auf die Außentemperaturen haben. Die detaillierten Ergebnisse für jeden einzelnen Canyon zeigten, dass die Geometrie des Geländes in Bezug auf die Anordnung des Geländes, die Straßenbreite und die Gebäudehöhen in bestimmten Fällen einen größeren Einfluss auf das Mikroklima haben können als die angewandten Strategien im begrenzten Bereich von Parkplätzen oder den Außenfassaden. Zukünftige Forschungen sollten sich darauf konzentrieren, die Leistung der angewandten Strategien in anderen städtischen Gebieten mit unterschiedlichen Grundrissen und geometrischen Merkmalen zu vergleichen und den Regenwassertransport im Gelände zu berücksichtigen.

Increasing summer overheating in cities is an indicator of the uncomfortable urban microclimate that pedestrians are subjected to during summer, which also increases the cooling demands of buildings. The thesis investigates the efficiency of different urban strategies for mitigating heat during summer period in a study area composed of four main urban canyons. The main measurement was to update the sealed asphalt surfaces of parking lots on the sides of the streets with unsealed materials. An additional step was exploring the impact of the changes applied to the external buildings ́ facades on the microclimate. In the case study, the parking lots formed 8.5% from the overall simulated area. The five applied strategies replacing the asphalt parking lots and the external facades are: concrete grass grid tiling, canopies to shade the parking lots with vegetation on the top added to the concrete grass tiling, high albedo buildings ́ blocks, green facades on the solid exterior buildings ́ walls and trees. The performance indicators of the study are temperature (°C), relative humidity (%), wind speed (m/s) and universal thermal climate index (UTCI). The simulation ran using ENVI-met software which uses CFD method to solve the results for the mentioned indicators, however it does not take rainwater transportation factor into account. The simulation for the five applied strategies ran for three versions, two of them with perpendicular wind directions and the third has a symmetrical site layout, in order to investigate the role of site layout on the air movement and its impact on microclimate indicators. In the temperature results during the peak temperature during day at 2pm, the notable decrease in temperature was recorded by vegetated canopies and trees. In humidity results at 2 pm, all strategies have recorded an increase in the relative humidity ratio due to the implied vegetation. The highest relative humidity values were reached in the trees ́ scenarios. In wind-speed results, only green canopies and trees have showed a remarkable decrease in the wind speed. The universal thermal climate index UTCI is used to evaluate the outdoor thermal comfort. The existing site, concrete-grass grid, green facades, high albedo facades and green canopies have UTCI higher than 32, which is a strong heat stress zone. Trees ́ scenario has an average UTCI = 30.6, which lie in the moderate heat stress zone. For a better evaluation of the scenarios where building facades are changed (green facades and high albedo facades), the outside surface temperature of a single cell in the middle of a façade of a building in the site was calculated. The results concluded that although both strategies have a remarkable impact on the surface temperature and the indoor temperature subsequently, they have a minimum effect on the outdoor temperatures. The detailed results for every single canyon showed that the site geometry regarding site layout, street width and building heights can have in certain cases a higher influence on the microclimate than the applied strategies in the limited area of parking lots or the exterior facades. Future research should focus on comparing the performance of applied strategies in other urban areas with different layouts and geometrical characteristics and taking rainwater transportation in site into account.