Μελέτη φαινομένου αστικής θερμικής νησίδας, στη πόλη της Καλαμάτας - επίδραση στην ενεργειακή συμπεριφορά κτιρίων

Abstract

The Urban Heat Island (UHI) is the phenomenon in which the air temperatures of urban areas appear higher than those of suburban and rural areas. The urban heat island is considered to the most well-known result of human intervention in the climate and is caused mainly due to urbanization. The appearance of UHI is directly linked to the thermal comfort conditions in cities and people's health. It affects energy consumption for heating and cooling, affects people's activities and has economic implications. The main objectives of this doctoral thesis are a) the study of the phenomenon of UHI in the coastal city of Kalamata, b) the determination of UHI intensity, c) the study of human thermal "comfort" outdoors in urban, suburban and rural areas, d) the determination of Heating (HDHs) and Cooling Degree Hours (CDHs), as well as e) the effect of UHI on the energy consumption of buildings. For this purpose, a network of 11 recording stations was installed in and around the urban fabric. In addition, 2 more recording stations were placed in two rural areas, inland and near the sea. The recording stations recorded the ambient air temperature as well as the relative humidity, on a ten-minute basis, for two consecutive years, 2019 and 2020. For each location of the recording stations, the percentage of green areas was determined, in a radius of 200 m, by calculating the normalized vegetation index NDVI. For the analysis of the UHI, the months of June, July, August and September for the years 2019 and 2020 were considered and examined a) the average monthly whole day (24 hours per day) air temperatures (Tmean-24h), b) the average monthly daytime (07 :00 to 21:00) air temperatures (Tdaytime), c) the average monthly nighttime (22:00 to 06:00) air temperatures (Tnighttime), d) the average monthly maximum (Tmax-24h) and e) minimum (Tmin-24h) air temperatures. The conclusion reached is that during the months of June to September, the UHI occurs, but the phenomenon is not very strong. The maximum mean hourly observed UHI intensity was calculated to be 6.45°C and 6.69°C in September 2019 and 2020, respectively, between the urban area and the inland rural area. Outdoor thermal comfort conditions were also studied using the Humidex (H) and the Heat Index (HI) bioclimatic thermal comfort indices. Thermal discomfort conditions were observed mainly during daytime and much less at nighttime, with a greater frequency of occurrence, between 3:00 pm and 4:00 pm. The most adverse month appears to be August, where dangerous thermal discomfort conditions occur with the highest frequencies. Using the Design Builder / Energy Plus software, simulations were carried out for a typical three-level building (with a shop on the ground floor and residences on the two above-ground floors), which complies with the requirements of the Energy Performance of Buildings Regulation (K.EN.A.K). It was assumed that the building has been erected at each different location where a recording station has been placed. Τhe energy consumption for heating and cooling were determined from the simulations. Energy needs for heating are ~23% lower in the urban fabric (correspondingly, heating degree hours are reduced by ~24%) compared to the average value of rural areas, while cooling needs are higher by ~8.5% (and by ~22 % the cooling degrees hours). The originality of the doctoral thesis lies in the fact that the phenomenon of UHI was studied, along with the thermal comfort in outdoor space and the energy consumption of the buildings, in a small Mediterranean coastal city, Kalamata. Similar data for this area did not exist until now. The combined analysis and the amount of data presented, such as the analytical characteristics of each area, provide the possibility for further analysis of the UHI phenomenon and the development of UHI mitigation strategies in small coastal Mediterranean cities. This is of particular importance given that the Mediterranean is one of the regions most affected by climate change.

Η Αστική Θερμική Νησίδα (ΑΘΝ) είναι το φαινόμενο εκείνο κατά το οποίο οι θερμοκρασίες αέρα, των αστικών περιοχών, εμφανίζονται να είναι υψηλότερες από τις αντίστοιχες των περιαστικών και αγροτικών περιοχών. Η αστική θερμική νησίδα θεωρείται ως το πιο γνωστό αποτέλεσμα της επέμβασης του ανθρώπου στο κλίμα και οφείλεται κυρίως στην αστικοποίηση. Η εμφάνιση της ΑΘΝ συνδέεται άμεσα με τις συνθήκες θερμικής άνεσης στις πόλεις και με την υγεία των ανθρώπων. Επιδρά στην κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση και ψύξη των κτιρίων, επηρεάζει τις δραστηριότητες των ανθρώπων και επιφέρει οικονομικές επιπτώσεις. Βασικοί σκοποί τις παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι: α) η μελέτη του φαινομένου της ΑΘΝ στην παραλιακή πόλη της Καλαμάτας, β) ο προσδιορισμός της έντασης της ΑΘΝ, γ) η μελέτη της ανθρώπινης θερμικής «άνεσης» σε εξωτερικό χώρο στις αστικές, περιαστικές και αγροτικές περιοχές, δ) ο προσδιορισμός των βαθμοωρών θέρμανσης και ψύξης, καθώς και ε) η επίδραση της ΑΘΝ στις ενεργειακές καταναλώσεις των κτιρίων. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχτηκε ένα δίκτυο 11 μετρητικών σταθμών εντός και πέριξ του αστικού ιστού. Επιπλέον, τοποθετήθηκαν 2 ακόμη μετρητικοί σταθμοί σε δύο αγροτικές περιοχές, στην ενδοχώρα και κοντά στη θάλασσα. Οι μετρητικοί σταθμοί κατέγραφαν την θερμοκρασία αέρα καθώς και την σχετική υγρασία, ανά δεκάλεπτο, για δύο συναπτά έτη, 2019 και 2020. Για κάθε θέση των μετρητικών σταθμών προσδιορίστηκε, σε ακτίνα 200μ, το ποσοστό πρασίνου, υπολογίζοντας τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης NDVI. Για την ανάλυση της ΑΘΝ θεωρήθηκαν οι μήνες Ιούνιος, Ιούλιος, Αύγουστος και Σεπτέμβριος για τα έτη 2019 και 2020 και μελετήθηκαν α) οι μέσες μηνιαίες ολοήμερες (ολόκληρου του 24ωρου) θερμοκρασίες αέρα (Tmean-24h), β) οι μέσες μηνιαίες ημερήσιες (07:00 έως 21:00) θερμοκρασίες αέρα (Tdaytime), γ) οι μέσες μηνιαίες νυκτερινές (22:00 έως 06:00) θερμοκρασίες αέρα (Tnighttime), δ) οι μέσες μηνιαίες μέγιστες (Tmax-24h) και ε) ελάχιστες (Tmin-24h) θερμοκρασίες αέρα. Τα συμπεράσματα που εξήχθησαν είναι ότι κατά τους μήνες Ιούνιο έως και Σεπτέμβριο, αναπτύσσεται ΑΘΝ αλλά το φαινόμενο δεν είναι πολύ έντονο. Η μέγιστη μέση ωριαία παρατηρούμενη Ένταση Αστικής Θερμικής Νησίδας (ΕΑΘΝ) υπολογίστηκε στους 6.45°C και 6.69°C, τον Σεπτέμβριο του 2019 και του 2020, αντίστοιχα, μεταξύ της αστικής περιοχής και της αγροτικής περιοχής στην ενδοχώρα. Μελετήθηκαν επίσης, οι συνθήκες θερμικής άνεσης σε εξωτερικό χώρο χρησιμοποιώντας τον βιοκλιματικό δείκτη θερμικής άνεσης Humidex (H) και τον δείκτη Heat Index (ΗΙ). Συνθήκες θερμικής δυσφορίας παρατηρήθηκαν κυρίως κατά την διάρκεια της ημέρας και πολύ λιγότερο το βράδυ, με μεγαλύτερη συχνότητα εμφάνισης, το διάστημα από 3:00μμ έως και 4:00μμ. Ο δυσμενέστερος μήνας εμφανίζεται να είναι ο Αύγουστος με τις μεγαλύτερες συχνότητες εμφάνισης επικίνδυνων συνθηκών θερμικής δυσφορίας. Με την χρήση του λογισμικού Design Builder / Energy Plus πραγματοποιήθηκαν εξομοιώσεις για ένα τυπικό κτίριο τριών επιπέδων (με κατάστημα στο ισόγειο και κατοικίες στους δύο υπέργειους ορόφους) το οποίο συμμορφώνεται με τις απαιτήσεις του Κανονισμού Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (Κ.ΕΝ.Α.Κ). Θεωρήθηκε ότι το κτίριο έχει ανεγερθεί σε κάθε μία διαφορετική θέση όπου έχει τοποθετηθεί μετρητικός σταθμός. Οι ενεργειακές καταναλώσεις για θέρμανση και ψύξη προσδιορίστηκαν από τις εξομοιώσεις. Οι ενεργειακές ανάγκες για θέρμανση είναι ~23% μειωμένες στον αστικό ιστό (αντίστοιχα, οι βαθμοώρες θέρμανσης είναι μειωμένες κατά ~24%) συγκριτικά με την μέση τιμή των αγροτικών περιοχών ενώ οι ανάγκες σε ψύξη είναι υψηλότερες κατά ~8.5% (και κατά ~22% οι βαθμοώρες ψύξης). Η πρωτοτυπία της διδακτορικής διατριβής έγκειται στο γεγονός ότι το φαινόμενο της ΑΘΝ μελετήθηκε, σε συνδυασμό με την θερμική άνεση σε εξωτερικό χώρο και τις ενεργειακές καταναλώσεις των κτιρίων, σε μία μικρού μεγέθους παραλιακή πόλη της Μεσογείου, την Καλαμάτα. Ανάλογα δεδομένα για την συγκεκριμένη περιοχή δεν υπήρχαν μέχρι τώρα. Η συνδυασμένη ανάλυση και το πλήθος των στοιχείων που παρουσιάζονται, όπως τα αναλυτικά χαρακτηριστικά κάθε περιοχής, δίνουν την δυνατότητα για περαιτέρω ανάλυση του φαινομένου της ΑΘΝ και την ανάπτυξη στρατηγικών περιορισμού της σε μικρές παράκτιες Μεσογειακές πόλεις. Αυτό αποκτά ιδιαίτερη σημασία, δεδομένου ότι η Μεσόγειος ανήκει στις περισσότερο πληττόμενες, από τη κλιματική αλλαγή, περιοχές.