Experimental study on the effects of building envelope vegetation on air exchange, external flow and surface pressure

Abstract

Urban vegetation, including grasslands, green roofs, green walls, and street trees, is increasingly used as an eco-sustainable design strategy to mitigate urban heat island (UHI), improve air quality, and reduce building energy consumption. Vegetation mechanisms include transpiration, radiation trapping, shading, pollutant deposition, and aerodynamic effects. These mechanisms are interrelated, influencing thermal conditions, air quality, and air ventilation efficiency. In recent years, urban planners and architects have shown growing interest in adopting green walls and green roofs in building infrastructure as a passive measure for both summer and winter. Green coverage can reduce surface and outdoor air temperatures through shading and transpiration or act as thermal insulation, reducing heat loss from buildings. However, the implanted vegetation can also alter wind flow conditions around the building, affecting the natural ventilation potential of the building geometry and, consequently, the well-being of its residents and employees. The most crucial factors in the aerodynamic impact of urban vegetation are its position, properties, and geometric characteristics, but it remains an open question how urban green infrastructure affects the indoor air quality of a building. The thesis aims to establish an experimental dataset to assess the impact of implanted vegetation on indoor air exchange in a real building within an urban environment. The goal is to better understand how the position and properties of urban vegetation affect the indoor air quality of an isolated building under adverse environmental conditions such as apnoea, and to eventually extend this knowledge into guidelines for effective mitigation strategies for any urban vegetation configuration. To reach the final conclusions and findings, various reduced-scale wind tunnel measurements were conducted as part of the experimental approaches. The suburban/urban environmental conditions are represented in the wind tunnel by simulating atmospheric boundary layers (ABL) through the appropriate installation of spires, roughness elements, and trip (passive methods) on the wind tunnel floor. The vegetation was modeled in reduced-scale studies using artificial materials such as porous foam. Measurement and calculation of six key factors were performed : i) the pressure loss coefficients, λ; ii) the similarity law between the model and full-scale; iii) the leaf area density (LAD); iv) the porosity measurements, ε; v) the thickness, T and vi) the product of pressure loss coefficients with thickness, λ·T. Comparison with natural vegetation data confirmed the successful simulation of vegetation at model scale. Additional measurements of the drag coefficient of natural trees in the wind tunnel, combined with their leaf area density calculations, enabled estimation of the pressure loss coefficients for natural trees and comparison with those for porous foams. This comparative study demonstrates the distinction in flow regime behavior and establishes a threshold based on the permeability values of the vegetation. Moreover, both environmental conditions and vegetation were included in reduced-scale wind tunnel experiments featuring a model building. In particular, an unsheltered cubic building with two openings on its side walls, fully covered either by vegetation on its windward façade or on the rooftop was investigated, in two different atmospheric boundary layer wind tunnels, at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and the National Technical University of Athens (NTUA). At KIT, pressure (static pressure taps) and velocity (2D point-wise laser doppler velocimetry, LDV) measurements were taken around and at the building openings, along with tracer gas concentration measurements inside the building. At NTUA, velocity measurements were performed using particle image velocimetry (2D Mono PIV and 3D Stereo PIV) at the same measurement locations as at KIT. The scope was to achieve a deeper understanding of the effect of vegetation (position and properties) on the outer flow (pressure and velocity fields) and how this impact is related to the indoor air quality of a full-scale building. The thesis also includes a comparative study of a common experimental setup to assess experimental measurement techniques (LDV, PIV) and facilities (KIT, NTUA).

Η αστική βλάστηση, στην οποία συγκαταλέγονται οι κάθετοι πράσινοι τοίχοι, τα πράσινα δώματα καθώς και το σύνολο των δέντρων/θάμνων που συναντάται σε πάρκα και δρόμους, χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο ως μια οικολογικά βιώσιμη στρατηγική σχεδιασμού για τον μετριασμό της αστικής θερμικής νησίδας (ΑΘΝ), τη βελτίωση της ποιότητας του αέρα και τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας των κτηρίων. Οι μηχανισμοί βλάστησης περιλαμβάνουν τη διαπνοή, την παγίδευση ακτινοβολίας, τη σκίαση, την εναπόθεση ρύπων και την αεροδυναμική συμπεριφορά της. Αυτοί οι μηχανισμοί είναι αλληλένδετοι, επηρεάζοντας τις θερμικές συνθήκες, την ποιότητα του αέρα και την αποτελεσματικότητα του αερισμού. Τα τελευταία χρόνια, οι πολεοδόμοι και οι αρχιτέκτονες έχουν δείξει αυξανόμενο ενδιαφέρον για την υιοθέτηση πράσινων τοίχων και πράσινων στεγών στις κτηριακές υποδομές ως ένα παθητικό μέτρο τόσο για το καλοκαίρι όσο και για τον χειμώνα. Η ύπαρξη πρασίνου στις εξωτερικές πλευρές των κτηρίων μπορεί να μειώσει τις θερμοκρασίες της επιφάνειας και του εξωτερικού αέρα μέσω της σκίασης και της διαπνοής ή να λειτουργήσει ως θερμομόνωση, μειώνοντας τις απώλειες θερμότητας από τα κτίρια. Ωστόσο, η φυτεμένη βλάστηση μπορεί επίσης να μεταβάλει τις συνθήκες ροής του ανέμου γύρω από το κτήριο, επηρεάζοντας το δυναμικό του φυσικού αερισμού του κτηρίου και, κατά συνέπεια, την ευημερία των κατοίκων και των εργαζομένων του. Οι πιο κρίσιμοι παράγοντες της αεροδυναμικής συμπεριφοράς της αστικής βλάστησης είναι : η θέση, οι ιδιότητες και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της, ωστόσο παραμένει ακόμα ανοιχτό το ερώτημα το πώς η αστική πράσινη υποδομή επηρεάζει την ποιότητα του εσωτερικού αέρα ενός κτηρίου. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στη δημιουργία μιας πειραματικής βάσης δεδομένων για την αξιολόγηση της επίδρασης της φυτεμένης βλάστησης στην εναλλαγή αέρα εσωτερικού χώρου, σε ένα πραγματικό κτήριο εντός αστικού περιβάλλοντος. Στόχος είναι η καλύτερη κατανόηση στο κατά πόσο η θέση και οι ιδιότητες της αστικής βλάστησης επηρεάζουν την ποιότητα του εσωτερικού αέρα ενός απομονωμένου κτηρίου υπό δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες όπως η άπνοια, με απώτερο σκοπό να συμπεριληφθεί αυτή η γνώση σε πρακτικές για αποτελεσματικές στρατηγικές μετριασμού για οποιοδήποτε σενάριο αστικής βλάστησης. Για την εξαγωγή των τελικών συμπερασμάτων και ευρημάτων, πραγματοποιήθηκαν διαφόρων τύπου μετρήσεις σε αεροσήραγγα (μετρήσεις μειωμένης κλίμακας), ως κομμάτι των πειραματικών προσεγγίσεων. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες των αστικών/περιαστικών περιοχών προσομοιώνονται στην αεροσήραγγα μέσω του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος (ΑΟΣ), κάνοντας χρήση κατάλληλης εγκατάστασης οβελίσκων, φράκτη και στοιχείων τραχύτητας (παθητικές μέθοδοι) στο δάπεδο της αεροσήραγγας. Η βλάστηση μοντελοποιήθηκε υπό μειωμένη κλίμακα, χρησιμοποιώντας τεχνητά υλικά όπως πορώδεις αφρούς πολυουρεθάνης. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις και υπολογισμοί έξι κύριων παραγόντων για τον χαρακτηρισμό των αεροδυναμικών ιδιοτήτων της : i) ο συντελεστής πτώσης πίεσης, λ, ii) η δυναμική ομοιότητα μεταξύ μειωμένης και πλήρους κλίμακας, iii) η πυκνότητα φυλλικής επιφάνειας, iv) οι μετρήσεις πορώδους, ε, v) το πάχος, T και vi) το γινόμενο του συντελεστή πτώσης πίεσης με το πάχος, λ·T. Η σύγκριση με δεδομένα φυσικής βλάστησης επιβεβαίωσε την επιτυχή προσομοίωση της βλάστησης υπό μειωμένη κλίμακα. Πρόσθετες μετρήσεις του συντελεστή οπισθέλκουσας και πυκνότητας φυλλικής επιφάνειας φυσικών δέντρων, επέτρεψαν την εκτίμηση των συντελεστών πτώσης πίεσης για τα φυσικά δέντρα και τη σύγκριση με εκείνων των αφρών πορώδους. Η συγκριτική μελέτη αποδεικνύει το διαφορετικό χαρακτήρα της ροής (προσπερνά ή διαπερνά) ως προς τη βλάστηση με βάση τις τιμές διαπερατότητας της βλάστηση, καθορίζοντας ένα όριο με βάση αυτές. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες και η μοντελοποίηση της βλάστησης συμπεριλήφθηκαν σε πειράματα αεροσήραγγας για κτηριακό μοντέλο. Συγκεκριμένα, ένα κυβικό κτήριο με δύο κάθετα ανοίγματα στις πλευρικές του επιφάνειες, πλήρως καλυμμένο με βλάστηση είτε στην προσήνεμη πρόσοψή του είτε στην οροφή, διερευνήθηκε, σε δύο διαφορετικές αεροσήραγγες, στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Καρλσρούης (KIT) και στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ). Στο KIT, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις πίεσης (απολήψεις στατικής πίεσης) και ταχύτητας (2D-2C, laser doppler velocimetry, LDV) εκατέρωθεν του κτηρίου και επί των ανοιγμάτων του, σε συνδυασμό με μετρήσεις συγκέντρωσης (tracer gas concentration) εντός του κτηριακού μοντέλου. Στο ΕΜΠ, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ταχύτητας μέσω Particle Image Velocimetry (2D Mono PIV και 3D Stereo PIV) στις ίδιες θέσεις μέτρησης όπως και στο KIT. Σκοπός ήταν η επίτευξη βαθύτερης κατανόησης της επίδρασης της βλάστησης (θέση και ιδιότητες) στο πεδίο της εξωτερικής ροής (πεδία πίεσης και ταχύτητας) και πως αυτή η επίδραση σχετίζεται με την ποιότητα εσωτερικού αέρα εντός του κτηρίου. Η διατριβή περιλαμβάνει επίσης τη συγκριτική μελέτη μιας κοινής πειραματικής διάταξης για την αξιολόγηση τεχνικών πειραματικής μέτρησης (LDV, PIV) και εγκαταστάσεων (KIT, ΕΜΠ).