Αστική θερμική νησίδα και η επίδρασή της στις ενεργειακές καταναλώσεις των κτιρίων

Abstract

The Urban Heat Island is an atmospheric phenomenon that occurs in urban and semi-urban environments where, due to the dense construction of buildings, heat is trapped, resulting in an increase in air temperature in urban areas compared to the surrounding rural areas. The study of the phenomenon of the Urban Heat Island and in general, the urban climate, is particularly important because, due to the phenomenon of urbanization which is showing a dramatic increase (it is estimated that until 2030 more than 60% of the world population will be live in cities ) affects millions of people every day. The purpose of this thesis is:•to present the phenomenon of the Urban Heat Island in the basin of Attica, within the building boundary layer (BCL), for the summer months of 1996, 1997 and 1998 using a total of 27 autographic meteorological stations, οn an hourly air temperature basis, related to the CORINE land use categories. •to study the air and surface temperature regime of 9 urban canyons with different geometric characteristics over different places of the city of Athens, for the summer season of 1997 in order to present in detail the generative causes of the phenomenon. •to examine the effect of the undisturbed wind intensity over the basin on the urban heat island phenomenon and •finally, to highlight the effect of the phenomenon on the cooling energy requirements of a building, which is one of the most important and immediately understandable effects. In this context, the average monthly intensity of the heat island phenomenon in the city of Athens, was determined at 6.3°C and 5.4°C during the day and night time respectively, with the highest values being found in the urban areas, characterized as a continuous urban fabric according to the Corine categorization of land uses, while the spatial mapping of the phenomenon, highlighted for the first time, the extension of it, towards the western and southern suburbs of the city of Athens. The study of the temperature regime inside the urban canyons showed the direct dependence of the air temperature on the surface temperatures, when it is measured close to them, while the air temperature in the middle of the road, during the day time is generally lower about 1.5 o C than that recorded above the urban canyon and systematically higher(up to 2°C), during the night period. These differences, as well as the intensity of the phenomenon directly depends on the wind. intensity. The intensity of the urban heat island shows an inverse correlation with low wind speed, while for intensities above 5 to 7 m/s there is a minimization of the phenomenon. Finally, the effect of the urban heat island is catalytic in the cooling energy. The phenomenon affects both the degree of efficiency of the air conditioning units (COP), the effect of which can vary by up to 14%, and the required latent cooling energy (kWh/m2). where the obtained in the basis of the “Standard Meteorological Year” was 15% to 50% less than that calculated over various areas of Western Athens

Η Αστική Θερμική Νησίδα είναι ένα ατμοσφαιρικό φαινόμενο, που εμφανίζεται στο αστικό και ημιαστικό περιβάλλον, όπου λόγω της πυκνής δόμησης των κτηρίων, η θερμότητα εγκλωβίζεται, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα σε σχέση με τις αγροτικές περιοχές γύρω από αυτή. Η μελέτη του φαινομένου της Αστικής Θερμικής Νησίδας και εν γένει του αστικού κλίματος είναι ιδιαίτερα σημαντική διότι, λόγω του φαινομένου της αστικοποίησης που παρουσιάζει μία δραματική έξαρση (υπολογίζεται ότι μέχρι το 2030 πάνω από το 60% του παγκόσμιου πληθυσμού να ζει στις πόλεις), επηρεάζει καθημερινά την ζωή εκατομμυρίων ανθρώπων. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι, να παρουσιάσει το φαινόμενο της Αστικής Θερμικής Νησίδας στο λεκανοπέδιο της Αττικής, εντός του κτιριακού οριακού στρώματος (BCL), για τους θερινούς μήνες του 1996,1997 και 1998 χρησιμοποιώντας συνολικά 27 αυτογραφικούς σταθμούς με ωριαίο βήμα καταγραφής της θερμοκρασίας του αέρα, σε σχέση με την κατά CORINE κατηγοριοποίηση των χρήσεων γης, να μελετήσει το θερμοκρασιακό καθεστώς 9 αστικών χαραδρών με διαφορετικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά σε διάφορες περιοχές του λεκανοπεδίου για την θερινή περίοδο του 1997, ώστε να παρουσιαστούν αναλυτικά οι γενεσιουργίες αιτίες του φαινομένου να εξετάσει την επίδραση της έντασης του αδιατάρακτου ανέμου πάνω από το λεκανοπέδιο στο φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας και τέλος να αναδείξει την επίδραση του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας στις ενεργειακές απαιτήσεις δροσισμού ενός κτηρίου, η οποία αποτελεί μία από τις σημαντικότερες και άμεσα κατανοητές επιδράσεις του φαινομένου. Στο πλαίσιο αυτό εξετάσθηκε η μέση μηνιαία ένταση του φαινομένου στην πόλη των Αθηνών, η οποία προσδιορίστηκε στους 6.3 ο C και 5.4 ο C κατά την ημερήσια και νυχτερινή περίοδο αντίστοιχα, με τις μεγαλύτερες τιμές να εντοπίζονται στις αστικές περιοχές που χαρακτηρίζονται ως συνεχής αστικός ιστός σύμφωνα με την κατά Corine κατηγοριοποίηση των χρήσεων γης, ενώ η χωρική αποτύπωση του φαινομένου ανέδειξε για πρώτη φορά την επέκταση του φαινομένου προς τα δυτικά και νότια προάστια της πόλης των Αθηνών. Η μελέτη εξ άλλου του θερμοκρασιακού καθεστώτος εντός των αστικών χαραδρών έδειξε την άμεση εξάρτηση της θερμοκρασίας του αέρα από τις επιφανειακές θερμοκρασίες, όταν αυτή μετριέται κοντά σε αυτές, ενώ η θερμοκρασία του αέρα στο μέσο της οδού, κατά την διάρκεια της ημέρας, είναι γενικά χαμηλότερη ως και 1,5 o C από αυτή που καταγράφεται πάνω από την αστική χαράδρα και συστηματικά υψηλότερη, ως και 2 ο C, κατά την νυχτερινή περίοδο. Οι διαφορές αυτές, όσο και το μέγεθος του φαινομένου, εξαρτώνται άμεσα από την ένταση του ανέμου. Η ένταση της αστικής θερμικής νησίδας παρουσιάζει αντισυσχέτιση με την ένταση του ανέμου, ενώ για εντάσεις πάνω από τα 5 ως 7 m/s το φαινόμενο ελαχιστοποιείται ή σταθεροποιείται. Τέλος, η επίδραση του φαινομένου είναι καταλυτική, στην απαιτούμενη από τα κτήρια ενέργεια δροσισμού. Το φαινόμενο επιδρά τόσο στον βαθμό απόδοσης των κλιματιστικών μονάδων, με διαφοροποίηση που μπορεί να φτάσει στο 14% μεταξύ των εξεταζόμενων σταθμών, όσο και στη απαιτούμενη αισθητή ψυκτική ενέργεια. Αυτή που προέκυψε με βάση το «Τυπικό Μετεωρολογικό Έτος», ήταν μικρότερη κατά 15 ως και 50% από αυτή που υπολογίζεται στις διάφορες περιοχές της Δυτικής Αθήνας.