Large-Scale shading impact on outdoor thermal comfort and overheating in dense areas

Abstract

In der Zeit der Anpassung an den Klimawandel und der Zunahme des städtischen Hitzeinsel-Effekts (UHI) wächst in den europäischen Ländern und auf internationaler Ebene das Bewusstsein für die Verbesserung des thermischen Komforts im Freien (OTC) im städtischen Kontext. Die Verbesserungsmaßnahmen umfassen in der Regel die Schaffung von mehr Erholungsgrünflächen, die Ausweitung der Vegetation und das Anlegen von Gewässern, um die Temperatur zu senken, insbesondere bei hohen Temperaturen an Sommertagen. In dicht besiedelten städtischen Gebieten sind diese Möglichkeiten und Verfahren jedoch aufgrund des Mangels an freien Flächen unzureichend. Daher ist es wichtig, einen neuen Ansatz zu präsentieren und kreativere und praktischere Alternativen wie großflächige Beschattungsstrukturen und Kühlmaßnahmen zu entwickeln. Diese Forschungsarbeit untersucht das Potenzial verschiedener künstlicher städtischer Aufbauten zur Verbesserung des thermischen Komforts im Freien und zur Abschwächung städtischer Hitzeinseln. Durch die Bewertung der Einflussparameter, insbesondere der Lufttemperatur (Tair), der mittleren Strahlungstemperatur (MRT), des universellen Temperatur-Klima-Index (UTCI) sowie der Indizes Predicted Mean Vote (PMV) und The Percentage of Dissatisfaction (PPD), wird eine Abschätzung der OTC für ein hochverdichtetes Stadtgebiet im Zentrum von Wien vorgenommen. Außerdem wurden die Herausforderungen solcher Strukturen, die Möglichkeit der Umsetzung und die Machbarkeitsstudien durchgeführt. In dieser Masterarbeit wurden acht verschiedene Beschattungsdesigns untersucht und mit dem aktuellen Stand verglichen, um den Unterschied und die Auswirkungen dieser Beschattungselemente auf den thermischen Komfort im Freien und die städtische Wärmeinsel zu ermitteln. Die Simulation wurde mit Grasshopper, Honeybee und Ladybug Plug-ins durchgeführt. Für die Nachbearbeitung, Datenanalyse, Visualisierung und Berechnung von Indizes und Diagrammen für den thermischen Komfort wurde RStudio verwendet. Die Untersuchung ergab, dass großflächige Beschattungselemente die Lufttemperatur, MRT, UTCI, PMV und PPD reduzieren. Dieser Einfluss verbessert die OTC und reduziert die UHI, was wiederum die Vitalität der Außenbereiche verbessert, den Marktwert der städtischen Gebiete erhöht und den Energieverbrauch in den Innenräumen reduziert.

In the time of adaption to climate change and the increase in urban heat island (UHI) effect, there is an increase in the awareness across the European nations and international settings to improve outdoor thermal comfort (OTC) within the urban context. The improvement actions typically comprise creating more recreational greenery areas, expanding vegetation, and adding water bodies to decrease the temperature, particularly in the high summer-days temperatures. However, in dense urban areas, these ways and procedures are inadequate due to the lack of vacant space. Therefore, it is vital to present a new approach and develop more creative and practical alternatives such as large-scale shading structures and cooling measures. This research investigates the potential of various artificial urban superstructures to improve outdoor thermal comfort and mitigate urban heat islands. By evaluating the influencing parameters, particularly air temperature (Tair), mean radiant temperature (MRT), universal temperature climate index (UTCI), The Predicted Mean Vote (PMV) and The Percentage of Dissatisfaction (PPD) indices to estimate OTC for a highly dense urban area located in the city center of Vienna. Furthermore, the challenges of such structures, the possibility of implementation, and the feasibility studies have been carried out. In this master thesis, eight different shading designs have been scrutinized and then compared to the current state to detect the difference and the impact these shading elements can contribute on outdoor thermal comfort and urban heat island. The simulation has been conducted by Grasshopper, Honeybee, and Ladybug plug-ins. For post-production, data analysis, visualization, and computing thermal comfort indices and charts, RStudio has been used. The research found that large-scale shading elements reduced air temperature, MRT, UTCI, PMV and PPD. That influence enhances the OTC and reduces the UHI, and consecutively improves the outdoor common areas’ vitality, increasing urban areas’ market value and reducing indoor energy consumption.