Περιβαλλοντική διερεύνηση παραγόντων συνθηκών άνεσης και μικροκλίματος σε ελεύθερους αστικούς χώρους

Abstract

The present study aims, through research and field measurements in open urban spaces, to draw conclusions regarding the factors that affect the urban microclimate, to study the behavior and effect of coating materials to the urban microclimate, and the application of bioclimatic design and certain interventions, aiming to upgrade the urban environment and consequently, the thermal comfort conditions. More specifically, the study attempts to benchmark the effect of design parameters of outdoor urban spaces to the microclimate and the comfort conditions, by taking into account each parameter of the microclimate, doing a comparative analysis between them, and drawing conclusions, for five different outdoor urban spaces and in all four seasons. Taking into account the analysis of the design parameters and the effects of design interventions to the microclimate, it focuses on thermal indices expressing the conditions of thermal comfort of pedestrians outdoors.It is clear that in real field conditions, the complete isolation of one factor for comparative results on its contribution to the energy balance, is extremely difficult. This is mainly because of the complexity of the climate conditions that affect the heat transfer process, the specific uneven characteristics of the built environment, and the practical difficulties for taking exact measurements. To reduce these difficulties and therefore for the results of the analysis to be more comparable, the spaces selected for the field survey were selected to be approximately in the same area within the urban web, with as similar characteristics as possible in terms of orientation and relief, while the differences focus on the coating materials, the quality and quantity of green, and the use of space. The survey was conducted in five open spaces in the city of Kastoria, south oriented, which had the same relief, but varied in the coating materials, and therefore the measurement results were comparable. As part of the survey, a series of field measurements of environmental parameters took place. Specifically measured were the air temperatures, surface temperatures, blackball and wet bulb temperatures, the relative humidity, wind speed and solar radiation, incident and reflected. Measurements were made in all four seasons of the year and in particular the periods: summer 12-17/07/2012, autumn 20-25/10/2012, winter 22-28/12/2012 and spring 16-21/04/2013. The aim was to draw conclusions about the impact of materials in the forming of temperatures: surface, air, ball and wet bulb, and the forming of the surface temperature, relative to the incident and reflected radiation. It should be noted that the field measurements in open spaces, were made with portable instruments and not by automatically recording machines which, as known, operate without the direct control of the researcher, thus ensuring direct control of the results and thoroughness of the measurements.In order to better estimate the thermal comfort conditions in the outdoor areas studied, questionnaires were distributed, which asked users of the open spaces to reply during the summer and winter, to questions about the perceived by them thermal environment, to determine the degree of thermal comfort and to suggest ways to improve comfort conditions in those spaces . The questionnaires were processed and the results are presented in charts, to draw conclusions about the comfort level of the users in the specific space.Then, the change of microclimatic characteristics of the study sites was investigated, namely the surface temperature of the materials, the air temperature, blackball temperature, and wet-bulb temperature of the incident radiation and reflected radiation. The data between the comfort conditions of open spaces and the study of the coating materials was compared, and the variations of microclimatic factors were confirmed. There was also a comparative analysis of the measurements of all parameters for each study area and for all measurement periods. From the comparative study conclusions were reached as to the change of microclimatic factors and the forming of microclimatic conditions over the different coating materials, of the same study area and also between the different study areas.Moreover, simulation models were used to study the thermal comfort in the measurement areas, using data from the measurements for all four periods of measurements. The results of the calculations by the simulation model RayMan were organized into charts and tables, which reflect the values of thermal comfort indices Tmrt, PMV, PET & SET, in each open space and over the coating materials, during one day of measurements in each period, and conclusions were reached by analyzing the values of the thermal comfort indices in the five open spaces and the comparison between the coating materials.As a result, the survey was completed with the combination of the data from the field measurements, the questionnaires and the simulation models. Subsequently, experimental interventions with changes in the coating materials in the subject areas are proposed, through simulations, and the results of the analysis of the effect of these on the microclimate and the thermal conditions in the open spaces are described. In particular, with the use of software, these interventions were simulated; tree planting was increased and the hard floors were replaced with perforated materials and grass, in order to investigate the effect of design parameters of the open spaces, to the thermal comfort indices.In conclusion, it is shown that the replacement of hard materials with perforated materials or grass, greatly improves the thermal comfort conditions, while it appears that the planting of large trees, deciduous with rich top, significantly improves the thermal comfort conditions during the day. The survey results show clearly with numerical data the temperature variation in the open spaces, and over different coating materials, the diversification of thermal conditions in these areas, by linking them with thermal indices during the day, at different time periods. Also noted and documented with field measurement data and the results of simulations, is the negative effect of highly reflective surfaces of the open spaces in thermal comfort conditions, mainly during the effect of solar radiation.

Η παρούσα μελέτη έχει στόχο, μέσα από έρευνα και επιτόπιες μετρήσεις σε υπαίθριους αστικούς χώρους, την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τους παράγοντες που επηρεάζουν και διαμορφώνουν το αστικό μικροκλίμα, τη διερεύνηση συμπεριφοράς και επίδρασης των δομικών υλικών στο μικροκλίμα της περιοχής, την εφαρμογή βιοκλιματικών αρχών στον περιβαλλοντικό βιοκλιματικό σχεδιασμό / αναπλάσεις, καθώς και την εφαρμογή παρεμβάσεων, με στόχο τη βελτίωση του αστικού περιβάλλοντος, και κατά συνέπεια των συνθηκών θερμικής άνεσης. Ειδικότερα, η διατριβή επιχειρεί τη συγκριτική αξιολόγηση της επίδρασης των παραμέτρων σχεδιασμού των υπαίθριων αστικών χώρων στο μικροκλίμα και τις συνθήκες άνεσης, με την εξέταση της κάθε παραμέτρου του μικροκλίματος, τη συγκριτική ανάλυση μεταξύ τους, την εξαγωγή συμπερασμάτων, για πέντε διαφορετικούς υπαίθριους αστικούς χώρους και στις τέσσερις εποχές του έτους. Αφού έλαβε υπόψη, την ανάλυση των παραμέτρων σχεδιασμού, καθώς και τις επιδράσεις των παρεμβάσεων σχεδιασμού στο μικροκλίμα, επικεντρώθηκε στους θερμικούς δείκτες που εκφράζουν τις συνθήκες θερμικής άνεσης των πεζών σε υπαίθριους χώρους. Γίνεται περιγραφή των πέντε υπαίθριων αστικών χώρων της πόλης Καστοριάς, οι οποίοι επιλέχθηκαν για να μελετηθούν, αναλύονται τα κριτήρια επιλογής τους, γίνεται περιγραφή της υφιστάμενης κατάστασης αυτών, όπως η μορφολογία των χώρων, τα υλικά επίστρωσής τους, καθώς και μελέτη των συνθηκών ηλιασμού - σκιασμού των υπαίθριων χώρων.Στην έρευνα πεδίου έγιναν επιτόπου μετρήσεις, στους πέντε υπαίθριους χώρους της πόλης, των περιβαλλοντικών παραμέτρων: θερμοκρασίες αέρα, επιφανειών, σφαίρας υγρού βολβού, σχετική υγρασία, ταχύτητα ανέμου και ηλιακή ακτινοβολία. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων παρουσιάζονται σε γραφήματα, με στόχο της εξαγωγή συγκρίσιμων αποτελεσμάτων, σχετικά με τη θερμοκρασία επιφάνειας των υλικών, τη θερμοκρασία αέρα, θερμοκρασία σφαίρας, θερμοκρασία υγρού βολβού, την προσπίπτουσα ακτινοβολία και την ανακλώμενη ακτινοβολία. Οι μετρήσεις έγιναν και στις τέσσερις εποχές του έτους και ειδικότερα τις περιόδους, καλοκαίρι 12-17/07/2012, φθινόπωρο 20-25/10/2012, χειμώνα 22-28/12/2012 και άνοιξη 16-21/04/2013. Στόχος ήταν η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση των υλικών στη διαμόρφωση των θερμοκρασιών: επιφάνειας, αέρα, σφαίρας και υγρού βολβού, καθώς και στην διαμόρφωση της θερμοκρασίας επιφάνειας, σε σχέση με την προσπίπτουσα και την ανακλώμενη ακτινοβολία.Περιγράφονται τα μοντέλα – λογισμικά που χρησιμοποιήθηκαν για τις προσομοιώσεις, σύμφωνα με τα οποία, έγινε απεικόνιση της άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας, με δεδομένα τα μετεωρολογικά αρχεία 20 ετών, σύμφωνα με τα στοιχεία από το αεροδρόμιο της Καστοριάς και της Ε.Σ.Υ.Ε., ενώ έγινε και απεικόνιση των τιμών της επιφανειακής θερμοκρασίας από τις επιτόπου μετρήσεις, στους εξεταζόμενους χώρους, σε όλες τις περιόδους των μετρήσεων. Στόχος ήταν η εκτίμηση της επίδρασης της ακτινοβολίας και των υλικών επίστρωσης των υπαίθριων χώρων, στις συνθήκες άνεσης των χρηστών. Ακόμα, έγινε μελέτη της θερμικής άνεσης στους χώρους μετρήσεων, με κλιματολογικά δεδομένα, καθώς και με τα δεδομένα από τις μετρήσεις και για τις τέσσερις περιόδους των μετρήσεων, με τη χρήση λογισμικών. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών με το πρόγραμμα RayMan οργανώθηκαν σε διαγράμματα και σε πίνακες, τα οποία απεικονίζουν τις τιμές των δεικτών θερμικής άνεσης Tmrt, PMV,PET& SET, σε κάθε εξεταζόμενο υπαίθριο χώρο, καθώς και πάνω από τα υλικά επίστρωσης, κατά τη διάρκεια μιας ημέρας μετρήσεων σε κάθε περίοδο μετρήσεων. Τέλος, εξάγονται συμπεράσματα από την ανάλυση των τιμών των δεικτών θερμικής άνεσης στους πέντε υπαίθριους χώρους και μεταξύ των υλικών επίστρωσης των χώρων. Περιγράφονται οι παρεμβάσεις στους εξεταζόμενους χώρους, μέσω προσομοιώσεων και τα αποτελέσματα της ανάλυσης της επίδρασης αυτών στο μικροκλίμα και στις θερμικές συνθήκες στους υπαίθριους χώρους. Ειδικότερα, με την χρήση των λογισμικών γίνεται προσομοίωση παρεμβάσεων στους εξεταζόμενους χώρους, όπου γίνεται αύξηση των δενδοφυτεύσεων, αντικατάσταση των σκληρών δαπέδων με κυβόλιθους τοποθετημένους σε φυσικό έδαφος με τέτοιο τρόπο, ώστε στους αρμούς που δημιουργούνται μεταξύ τους να αναπτύσσεται φυσική βλάστηση και με γρασίδι, με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων σχεδιασμού των υπαίθριων χώρων, στους δείκτες θερμικής άνεσης.Τέλος, περιλαμβάνει το σύνολο των συμπερασμάτων, για όλους τους εξεταζόμενους χώρους και στις τέσσερις εποχές των μετρήσεων, που προκύπτουν από την επεξεργασία των ερωτηματολογίων, την επεξεργασία όλων των στοιχείων του μικροκλίματος για τα οποία έγιναν μετρήσεις, σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις των παρεμβάσεων στους χώρους και την επίδρασή τους στη θερμική άνεση, με βάση τους θερμικούς δείκτες.