Investigation of the effect of vegetation and green infrastructures on outdoor bioclimatology

Abstract

Ο σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής είναι να μελετηθεί ποσοτικά και ποιοτικά η θερμική πρόσληψη και η αντίστοιχη θερμική καταπόνηση στον άνθρωπο σε αστικούς υπαίθριους χώρους με εφαρμογή στο περιβάλλον των σχολικών κτιρίων και να γίνουν προτάσεις επανασχεδιασμού κυρίως με τη χρήση στοιχείων φύτευσης, ώστε να βελτιωθεί η βιοκλιματολογία αυτών των υπαίθριων χώρων. Οι σχολικές αυλές διαφόρων εκπαιδευτικών βαθμίδων είναι σημαντικού ενδιαφέροντος υπαίθριοι χώροι, καθώς τα παιδιά σχολικής ηλικίας περνούν μεγάλο μέρος του χρόνου τους στη διάρκεια της σχολικής μέρας. Στις πυκνοκατοικημένες πόλεις της Ελλάδας, οι σχολικές αυλές συνήθως περιβάλλονται από πυκνά και ψηλά κτίρια, τα δάπεδα σχεδιάζονται χρησιμοποιώντας υλικά με πολύ μεγάλη θερμοχωρητικότητα όπως άσφαλτο, τσιμέντο, τούβλα και πλάκες, συστήματα σκίασης συνήθως δεν υπάρχουν, τα στοιχεία φύτευσης είναι περιορισμένα και συνήθως κατανέμονται περιμετρικά καθώς η έκταση της αυλής καταλαμβάνεται αποκλειστικά από γήπεδα άθλησης, με αποτέλεσμα την έντονη θερμική καταπόνηση των παιδιών από τον Απρίλιο έως και το Νοέμβριο ιδιαίτερα σε ζεστά ή Μεσογειακά κλίματα.Από τους βασικούς στόχους λοιπόν της παρούσας εργασίας ήταν: 1) να διερευνήσει το βιοφυσικό περιβάλλον που δημιουργείται από την υπάρχουσα κατασκευή των σχολικών αυλών, 2) ν’ αναζητήσει μεθόδους που θα βελτιώνουν το μικρόκλιμα των σχολικών αυλών χρησιμοποιώντας κυρίως στοιχεία πρασίνου πάνω και γύρω από τα σχολικά κτίρια, 3) να προτείνει τρόπους επανασχεδιασμού των σχολικών αυλών ώστε να βελτιωθεί η θερμική πρόσληψη και οι συνθήκες θερμικής καταπόνησης στον άνθρωπο. Η ποσοτικοποίηση της θερμικής άνεσης στον άνθρωπο έγινε με θερμοφυσιολογικούς δείκτες σημαντικότερος από τους οποίους είναι ο ΡΕΤ (Physiologically Equivalent Temperature). Για τον υπολογισμό του δείκτη ΡΕΤ, μετρούνται η θερμοκρασία αέρα, η σχετική υγρασία αέρα, η ταχύτητα αέρα και υπολογίζεται η μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας (Mean Radiant Temperature, Tmrt) η οποία καθορίζεται από τις πυκνότητες ροών μικρού και μεγάλου μήκους ακτινοβολίας από το τρισδιάστατο περιβάλλον του ανθρώπου, δηλαδή από την κάθετη προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, την ανακλώμενη από το έδαφος ακτινοβολία, και την οριζόντια περιμετρική ακτινοβολία. Στο 1ο μέρος της εργασίας μελετήθηκε ποιοτικά και ποσοτικά η ανθρώπινη θερμική πρόσληψη και οι αντίστοιχες συνθήκες θερμικής καταπόνησης σε 6 σχολικές αυλές και τον περιβάλλοντα χώρο ενός πανεπιστημιακού κτιρίου της πόλης του Βόλου με διαφορετική χωροταξική διάταξη, προσανατολισμό, έκταση, πλήθος και είδος κατασκευών, υλικών εδαφοκάλυψης και έκτασης φυτεύσεων, αριθμό και είδος δέντρων και διάταξης φύτευσης. Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εκτίμησης των συνθηκών θερμικής άνεσης σε δύο σχολικές μονάδες στο Βόλο, του 1-2ου Δημοτικού σχολείου Νέας Ιωνίας και του 23ου Δημοτικού σχολείου Βόλου. Οι μετρήσεις έγιναν κατά τη διάρκεια ηλιόλουστων ημερών από τον Απρίλιο έως τον Οκτώβριο γύρω από το ηλιακό μεσημέρι στο πλατό της ηλιακής ακτινοβολίας, ώστε οι μετεωρολογικές συνθήκες στο παραπάνω διάστημα να μπορούν να θεωρηθούν σταθερές . Μετρήθηκαν οι μετεωρολογικοί παράγοντες (ταχύτητα αέρα, θερμοκρασία αέρα, σχετική υγρασία αέρα και ηλιακή ακτινοβολία), σε χαρακτηριστικά σημεία της αυλής, εκτιμήθηκε η θερμική πρόσληψη με τον υπολογισμό της μέσης θερμοκρασίας ακτινοβολίας και η θερμική καταπόνηση με τον υπολογισμό του θερμοφυσιολογικού δείκτη ΡΕΤ (oC) και εφαρμόστηκε ανάλυση ομαδοποίησης η οποία αποκάλυψε σημεία μικροκλιματικά ομοιογενή. Τα αποτελέσματα της χωρικής κατανομής των παραμέτρων παρουσιάστηκαν σε αντίστοιχους χάρτες.Η ανάλυση των δεδομένων των παρατηρήσεων έδειξε ότι η άμεση προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ήταν ο καθοριστικός παράγοντας που επηρέασε τη θερμική πρόσληψη και τις συνθήκες θερμικής καταπόνησης στα δύο σχολεία.Όσο περισσότερο εκτεθειμένη ήταν μια περιοχή στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία τόσο πιο έντονη ήταν η θερμική καταπόνηση. Η απευθείας έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία είχε ως αποτέλεσμα την υψηλή πρόσληψη θερμότητας από τον ήλιο άρα και αυξημένες τιμές της μέσης θερμοκρασίας ακτινοβολίας. Στα σημεία αυτά, η θερμική αίσθηση φτάνει στα όρια της ακραίας θερμικής καταπόνησης της κλίμακας του ΡΕΤ. Στα σημεία που ήταν εκτεθειμένα στον ήλιο πάνω από επιφάνειες με υλικά με υψηλή ανακλαστικότητα, η θερμική καταπόνηση αυξάνονταν ακόμη περισσότερο λόγω του υψηλού ποσοστού ανακλώμενης από το έδαφος ακτινοβολίας που αύξανε το θερμικό φορτίο και τη μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας. Τέλος, η ομάδα των σημείων που ήταν εκτεθειμένα στον ήλιο αλλά σε θέσεις με υψηλή ταχύτητα ανέμου εμφάνιζαν μια μείωση 3.7 έως 5οC της κλίμακας ΡΕΤ για κάθε αύξηση 1m/s στην ταχύτητα του ανέμου. Αντίθετα, η θερμική αίσθηση ήταν σαφώς καλύτερη σε περιοχές που σκιάζονταν, λόγω της σημαντικής μείωσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Έτσι τα δέντρα, εκτός από την αισθητική τους αξία, προσφέρουν σημαντικά μικροκλιματικά πλεονεκτήματα. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι τα δέντρα επιτυγχάνουν μείωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που φτάνει έως 94% ανάλογα με την αύξηση της πυκνότητα της κόμης, την αύξηση του μεγέθους της κόμης, τη μείωση της απόστασης κομής-εδάφους, τη συνδυασμένη σκίαση διαφορετικών υποορόφων φυλλώματος και την34αυξημένη πυκνότητα φύτευσης σε σειρά. Η σημαντική μείωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας κάτω από τα δέντρα είχε ως αποτέλεσμα τη σημαντική βελτίωση της θερμικής αίσθησης, με τη μείωση της μέσης θερμοκρασίας ακτινοβολίας να φτάνει μέχρι και -56%, ενώ οι μέσες τιμές ΡΕΤ να φτάνουν μέχρι και -37%. Ταυτόχρονα το φάσμα της βλαπτικής UV που φτάνει στο επίπεδο των πεζών μειώθηκε μέχρι και 92%. Στο 2ο μέρος, μελετήθηκε η επίδραση στις συνθήκες μικροκλίματος και στις συνθήκες θερμικής άνεσης αρχιτεκτονικών παρεμβάσεων στο κέλυφος του κτιρίου που περιλαμβάνουν στοιχεία βλάστησης. Στόχος ήταν να αξιολογηθούν οι παράμετροι των δομών που θα μπορούσαν να μετριάσουν τις συνθήκες θερμικής καταπόνησης κοντά στο περιβάλλον του κτιρίου. Η υδροπονική πέργκολα και ο κάθετος υδροπονικός τοίχος, πού είναι τα κύρια σημεία ενδιαφέροντος σε αυτό το δεύτερο μέρος, έχουν το πλεονέκτημα σε σύγκριση με τα συμβατικά συστήματα σκίασης, ότι χρησιμοποιούν σχεδόν μηδενικό χώρο στο έδαφος, ενώ συνεισφέρουν στην αύξηση του πράσινου, εισάγουν την ιδέα της φύτευσης εκτός φυσικού χώματος, και δίνουν στον αρχιτέκτονα τοπίου ένα πεδίο δημιουργικότητας στο σχεδιασμό καθώς διαφορετικές κατασκευαστικές λύσεις μπορούν να συντεθούν ώστε να δημιουργηθεί το τελικό αποτέλεσμα. Για την εκτίμηση της επίδρασης στο μικροκλίμα της υδροπονικής πέργκολας και του υδροπονικού πράσινου τοίχου, εγκαταστάθηκαν αντίστοιχες κατασκευές πραγματικής κλίμακας στην πανεπιστημιούπολη του Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού ιδρύματος Ηπείρου στο Κοστακιοι της Άρτας. Ένας αριθμός από παραμέτρους καταγράφονταν συνεχώς στο αίθριο, στον πράσινο τοίχο και εξωτερικά του αίθριου που χρησιμοποιήθηκαν ως μετεωρολογικά δεδομένα αναφοράς. Στη συνέχεια τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων αριθμητικής προσομοίωσης της πρόσφατης έκδοσης του μικροκλιματικού μοντέλου ENVI-met, ένα σύστημα προσομοίωσης του μικροκλίματος που βασίζεται στην υπολογιστική ρευστοδυναμική (Computational Fluid Dynamics (CFD) και στις αρχές της θερμοδυναμικής. Τα αποτελέσματα έδειξαν πολύ καλή συμφωνία μεταξύ μετρημένων και προσομοιωμένων τιμών. Στη συνέχεια, το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη των επιδράσεων διαφορετικών σεναρίων σχεδιασμού αντίστοιχων κατασκευών στη θερμοκρασία αέρα (Tair), τη σχετική υγρασία αέρα (RH) και τη μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας (Tmrt). Τα εξαγόμενα αυτών των παραμέτρων χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισόδου στο μοντέλο RayMan pro (V 2.1) για την εκτίμηση του θερμοφυσιολογικού δείκτη (PET). Τα σενάρια σχεδιασμού περιλάμβαναν διαφορετικά ποσοστά κάλυψης του αίθριου με φυτεμένη πέργκολα, ή διαφορετικά ύψη πράσινων τοίχων και φυτών διαφορετικής πυκνότητας φυλλώματος. Από τη μελέτη των διαφορετικών σεναρίων σχεδιασμού στο αίθριο στη διάρκεια της ημέρας, διαπιστώθηκε σημαντική επίδραση της φυτεμένης πέργκολας στη θερμική πρόσληψη όταν το αίθριο εκτίθεται σε πλήρη ηλιασμό. Οι προσομοιωμένες τιμές της Tmrt στο κέντρο του αίθριου έδειξαν ότι στην περίπτωση του άδειου αίθριου η Tmrt εμφάνισε υψηλές τιμές (περίπου 60 ° C) μεταξύ 9:00 και 14:00, εξαιτίας της επίδρασης της ηλιακής ακτινοβολίας που έφτασε στο κέντρο του αίθριού, ενώ το υπόλοιπο της ημέρας τα περιβάλλοντα κτίρια σκίαζαν το κέντρο του αίθριου. Σε σύγκριση με την περίπτωση που δεν υπάρχει πέργκολα στο αίθριο, καλύπτοντας το 100% της επιφάνειας του αίθριου με φυτεμένη πέργκολα οι τιμές Tmrt και ΡΕΤ μειώθηκαν κατά το θερμότερο μέρος της ημέρας κατά 29,4 ° C και 17,9 ° C αντίστοιχα. Καλύπτοντας τους περιβάλλοντες τοίχους στο εσωτερικό του αίθριου με πράσινο τοίχο δεν υπήρξε σημαντική επίδραση στο μικροκλίμα στο αίθριο σε σύγκριση με την περίπτωση με άδειους τοίχους. Όταν 50% της έκτασης του αίθριου καλύπτονταν με φυτεμένη πέργκολα και οι περιβάλλοντες τοίχοι καλύπτονταν με πράσινο τοίχο ύψους 2μ η μέση μείωση του ΡΕΤ ήταν μεγαλύτερη. Η χωρική κατανομή της Tmrt σε διάφορα χρονικά διαστήματα στη διάρκεια της ημέρας και οι απόλυτες διαφορές στις τιμές της Tmrt σε σύγκριση με το άδειο αίθριο, έδειξαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των δύο περιπτώσεων για όλες τις χρονικές περιόδους μελέτης. Οι μέσες απόλυτες διαφορές των τιμών της Tmrt που παρατηρήθηκαν στην περιοχή του αίθριου που σκιάζονταν από την πέργκολα γύρω στις 12:00 ήταν 20.9 ° C, ενώ η μείωση της Tmrt στην έκταση του αίθριου είχε περιοδικό χαρακτήρα ακολουθώντας την κίνηση του ηλίου και εποχικό χαρακτήρα ανάλογα με το ύψος του ήλιου στη διάρκεια του χρόνου. Ο πράσινος τοίχος εκτεθειμένος σε νότιο προσανατολισμό, δε φαίνεται να επηρεάζει τη θερμική πρόσληψη μπροστά από τον πράσινο τοίχο. Επίσης η Tmrt και ο ΡΕΤ ήταν μόνο ελαφρά μειωμένοι εξαιτίας του φυτεμένου τοίχου. Η χωρική ανάλυση μπροστά από τον άδειο τοίχο και τον πράσινο τοίχο έδειξε ότι σε απόσταση μεγαλύτερη από 1 μέτρο από τον πράσινο τοίχο, οι διαφορές στην παρατηρούμενη Tmrt εξαλείφονταν.Παρότι οι τιμές της θερμοκρασίας του αέρα δεν επηρεάστηκαν σημαντικά από την παρουσία του πράσινου τοίχου, η πιο σημαντική επίδραση του πράσινου τοίχου ήταν η μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας πίσω από τον πράσινο τοίχο, που οδήγησε σε αντίστοιχη μείωση της Tmrt. Πίσω από τον τοίχο η Tmrt ήταν μειωμένη κατά περίπου 31 °C στη διάρκεια όλης της περιόδου έκθεσης στον ήλιο. Αυτή η μείωση οδήγησε σε σημαντική μείωση (περίπου 8 °C) στη θερμοκρασία επιφάνειας του κτιρίου πίσω από τον πράσινο τοίχο και ακολούθως στη μείωση του φορτίου ενέργειας του κτιρίου. Τέλος, στο 3ο Μέρος, έγινε μελέτη της επίδρασης στο μικροκλίμα και στις συνθήκες ανθρώπινης θερμικής άνεσης, του βιοκλιματικού ανασχεδιασμού του τοπίου σχολικής αυλής που περιελάβανε κυρίως τη φύτευση δέντρων και πράσινων διαμορφώσεων με τη βοήθεια προσομοιώσεων με το μοντέλο προσομοίωσης μικροκλίματος ENVImet (V4.0). Αρχικά έγινε αξιολόγηση της πρόσφατης έκδοσης του μοντέλου προσομοίωσης μικροκλίματος ENVImet (V4.0), χρησιμοποιώντας πειραματικές μετρήσεις και μετά την επιτυχή αξιολόγηση του, το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για να εκτιμήσει διαφορετικές προτάσεις σχεδιασμού με στόχο τη βελτίωση των συνθηκών θερμικής άνεσης, συγκρίνοντας με την αρχική κατάσταση.Η προσομοίωση της υφιστάμενης κατάστασης της αυλής έδειξε ότι οι τιμές του θερμοφυσιολογικού δείκτη ΡΕΤ (oC), ήταν μέσα στο εύρος της θερμικής αίσθησης της ακραίας θερμικής καταπόνησης (> 41 °C) από νωρίς το πρωί, ενώ το μεσημέρι το 80,5% της σχολικής αυλής ήταν εντός του εύρους της παραπάνω κατηγορίας. Με την εφαρμογή της πρότασης επανασχεδιασμού, το 69,9% της έκτασης της έκτασης της σχολικής αυλής, βελτιώθηκε κατά δύο ή τρεις τάξεις της κλίμακας ΡΕΤ, συμβάλλοντας στη βελτίωση του μικροκλίματος στο 82% της συνολικής έκτασης της αυλής. Η κόμη των δένδρων μείωσε την άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία περισσότερο από 90%, μείωσε τη μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας (Tmrt) και τον δείκτη ΡΕΤ έως τους 31 ° C και 19 ° C αντίστοιχα και τις επιφανειακές θερμοκρασίες εδάφους στο υγρό γρασίδι και σε σκληρές επιφάνειες άνω των 20 ° C και 14 ° C αντίστοιχα. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι ο υπάρχων σχεδιασμός των αστικών σχολικών αυλών, δημιουργεί συνθήκες έντονης θερμικής ρύπανσης, μιας κατάστασης που θα γίνει ακόμη πιο έντονη στο κοντινό μέλλον εξαιτίας της υπερθέρμανσης των πόλεων, και της εξελισσόμενης κλιματικής αλλαγής. Η αίσθηση από την παρούσα μελέτη παραμένει ότι ο ανοιχτός σχεδιασμός τέτοιων χώρων, προάγει την θερμική ρύπανση, ενώ η παρουσία κυρίως δέντρων σκιάς, παρέχει θερμικά πλεονεκτήματα. Έτσι, η ενσωμάτωση ενός αποτελεσματικού βιοκλιματικού σχεδιασμού στις σχολικές αυλές που να βασίζεται στις τοπικές κλιματικές συνθήκες, μπορεί να μειώσει τις εκθέσεις κι έτσι να προστατέψει τα παιδιά από τις άμεσες αλλά και τις αθροιστικές συνέπειες των διαφόρων περιβαλλοντικών επιβαρύνσεων. Τέλος, προσπάθεια της παρούσας μελέτης ήταν να αξιολογήσει το μικροκλιματικό μοντελο ENVI-met με την προοπτική να χρησιμοποιηθεί η αριθμητική προσομοίωση ως μια υποσχόμενη προοπτική για την εξαγωγή ακριβών αποτελεσμάτων για την έγκαιρη ανίχνευση των διαφορετικών σχεδιαστικών οραμάτων των αρχιτεκτόνων τοπίου στο μικροκλίμα και στην ανθρώπινη θερμική άνεση και να χρησιμοποιούν τα αποτελέσματα στο σχεδιασμό υπαίθριων χώρων με τα καλύτερα δυνατά βιοκλιματικά αποτελέσματα. Τέλος το μοντέλο ENVI-met (V4.x), εμπλουτισμένο με νέα χαρακτηριστικά, μπορεί να παρέχει αξιόπιστες προβλέψεις των παραμέτρων που επηρεάζουν το μικροκλίμα κα τη θερμική πρόσληψη, σε ένα πολύπλοκο αστικό περιβάλλον, με την προϋπόθεση ότι παρέχονται ακριβείς μετεωρολογικές μετρήσεις κοντά στο χώρο μελέτης και λεπτομερείς ρυθμίσεις του μοντέλου.