Efecto de las cubiertas ajardinadas sobre el microclima urbano de verano
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Abstract
El cambio climĂĄtico y sus efectos requieren con urgencia el desarrollo de estrategias capaces no solo de mitigar pero tambiĂ©n permitir la adaptaciĂłn de los sistemas afectados por este fenĂłmeno a los cambios que estĂĄn provocando a nivel mundial. Olas de calor mĂĄs largas y frecuentes, inundaciones, y graves sequĂas aumentan la vulnerabilidad de la poblaciĂłn, especialmente en asentamientos urbanos. Este fenĂłmeno y sus soluciones potenciales han sido ampliamente estudiados en las Ășltimas dĂ©cadas desde diferentes perspectivas y escalas que analizan desde el fenĂłmeno regional de isla de calor al aumento de la intensidad energĂ©tica necesaria en los edificios para mantener las condiciones de confort en los escenarios de calentamiento que se predicen. Su comprensiĂłn requiere el entendimiento de este fenĂłmeno y un profundo anĂĄlisis de las estrategias que pueden corregirlo y adaptarse a Ă©l. En la bĂșsqueda de soluciones a este problema, las estrategias que incorporan sistemas naturales tales como las cubiertas ajardinadas, las fachadas vegetadas y bosques urbanos, se presentan como opciones de diseño capaces de proporcionan mĂșltiples servicios al ecosistema urbano y de regular y hacer frente a los efectos del cambio climĂĄtico. Entre los servicios que aportan estos sistemas naturales se incluyen la gestiĂłn de agua de tormentas, el control del efecto isla de calor, la mejora de la calidad del aire y del agua, el aumento de la diversidad, y como consecuencia de todo lo anterior, la reducciĂłn de la huella ecolĂłgica de las ciudades. En la Ășltima dĂ©cada, se han desarrollado mĂșltiples estudios para evaluar y cuantificar los servicios al ecosistema proporcionados por las infraestructuras verdes, y especĂficamente las cubiertas ajardinadas, sin embargo, determinados servicios como la capacidad de la regulaciĂłn del microclima urbano no ha sido apenas estudiados. La mayor parte de la literatura en este campo la componen estudios relacionados con la capacidad de las cubiertas ajardinadas de reducir el efecto de la isla de calor, en una escala local, o acerca de la reducciĂłn de la demanda energĂ©tica de refrigeraciĂłn debida a la instalaciĂłn de cubiertas ajardinadas en la escala de edificio. La escala intermedia entre estos dos ĂĄmbitos, la calle, desde su ĂĄmbito habitable cercano al suelo hasta el lĂmite superior del cañón urbano que configura, no han sido objeto detallado de estudio por lo que es esta escala el objeto de esta tesis doctoral. Esta investigaciĂłn tiene como objeto contribuir en este campo y aportar un mayor entendimiento a travĂ©s de la cuantificaciĂłn del impacto de las cubiertas ajardinadas sobre la temperatura y humedad en el cañón urbano en la escala de calle y con un especial foco en el nivel peatonal. El primer paso de esta investigaciĂłn ha sido la definiciĂłn del objeto de estudio a travĂ©s del anĂĄlisis y revisiĂłn de trabajos tanto teĂłricos como empĂricos que investigan los efectos de cubiertas ajardinadas en el entorno construido, entendidas como una herramienta para la adaptaciĂłn y mitigaciĂłn del impacto del cambio climĂĄtico en las ciudades. La literatura analizada, revela el gran potencial de los sistemas vegetales como herramientas para el diseño pasivo puesto que no solo son capaces de mejorar las condiciones climĂĄticas y microclimaticas en las ciudades reduciendo su demanda energĂ©tica, sino tambiĂ©n la necesidad de mayor anĂĄlisis en la escala de calle donde confluyen el clima, las superficies urbanas y materiales y vegetaciĂłn. Este anĂĄlisis requiere una metodologĂa donde se integren la respuesta tĂ©rmica de edificios, las variaciones en los patrones de viento y radiaciĂłn, y la interacciĂłn con la vegetaciĂłn, por lo que un anĂĄlisis cuantitativo puede ayudar a definir las estrategias mĂĄs efectivas para lograr espacios urbanos mĂĄs habitables. En este contexto, el objetivo principal de esta investigaciĂłn ha sido la evaluaciĂłn cuantitativa del impacto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano a escala de barrio en condiciones de verano en los climas mediterrĂĄneos continentales. Para el logro de este objetivo, se ha seguido un proceso que persigue identificar los modelos y herramientas de cĂĄlculo capaces de capturar el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima, identificar los parĂĄmetros que potencian o limitan este efecto, y cuantificar las variaciones que microclima creado en el cañón urbano produce en el consumo de energĂa de los edificios que rodean Ă©ste espacio. La hipĂłtesis principal detrĂĄs de esta investigaciĂłn y donde los objetivos anteriores se basan es el siguiente: "una cubierta ajardinada instalada en edificios de mediana altura favorece el establecimiento de microclimas a nivel peatonal y reduce las temperaturas en el entorno urbano donde se encuentraâ. Con el fin de verificar la hipĂłtesis anterior y alcanzar los objetivos propuestos se ha seguido la siguiente metodologĂa: âą definiciĂłn del alcance y limitaciones del anĂĄlisis âą SelecciĂłn de las herramientas y modelos de anĂĄlisis âą anĂĄlisis teĂłrico de los parĂĄmetros que afectan el efecto de las cubiertas ajardinadas âą anĂĄlisis experimental; âą modelizaciĂłn energĂ©tica âą conclusiones y futuras lĂneas de trabajo Dada la complejidad de los fenĂłmenos que intervienen en la generaciĂłn de unas determinadas condiciones microclimĂĄticas, se ha limitado el objeto de este estudio a las variables de temperatura y humedad, y sĂłlo se han tenido en cuenta los componentes biĂłticos y abiĂłticos del sistema, que incluyen la morfologĂa, caracterĂsticas superficiales del entorno estudiado, asĂ como los elementos vegetales. Los componentes antrĂłpicos no se han incluido en este anĂĄlisis. La bĂșsqueda de herramientas adecuadas para cumplir con los objetivos de este anĂĄlisis ha concluido en la selecciĂłn de ENVI-met v4 como el software mĂĄs adecuado para esta investigaciĂłn por su capacidad para representar los complejos fenĂłmenos que caracterizan el microclima en cañones urbanos, en una escala temporal diaria y con unas escala local de vecindario. Esta herramienta supera el desafĂo que plantean los requisitos informĂĄticos de un cĂĄlculo completo basado en elementos finitos realizados a travĂ©s de herramientas de dinĂĄmica de fluidos computacional (CFD) que requieren una capacidad de cĂĄlculo computacional y tiempo privativos y en una escala dimensional y temporal limitada a esta capacidad computacional lo que no responde a los objetivos de esta investigaciĂłn. ENVI-met 4 se basa es un modelo tridimensional del micro clima diseñado para simular las interacciones superficie-planta-aire en entornos urbanos. Basado en las ecuaciones fundamentales del equilibrio que representan, la conservaciĂłn de masa, energĂa y momento. ENVI-met es un software predictivo, y como primer paso ha requerido la definiciĂłn de las condiciones iniciales de contorno que se utilizan como punto de partida por el software para generar su propio perfil de temperatura y humedad diaria basada en la localizaciĂłn de la construcciĂłn, geometrĂa, vegetaciĂłn y las superficies de caracterĂsticas fĂsicas del entorno. La geometrĂa de base utilizada para este primer anĂĄlisis se ha basado en una estructura tĂpica en cuanto al trazado urbano situada en Madrid que se ha simulado con una cubierta tradicional y una cubierta ajardinada en sus edificios. La estructura urbana seleccionada para este anĂĄlisis comparativo es una red ortogonal con las calles principales orientadas este-oeste. El edificio tĂpico que compone el vecindario se ha definido como âbusiness as usualâ (BAU) y se ha definido con una cubierta de baldosa de hormigĂłn estĂĄndar, con un albedo 0.3, paredes con albedo 0.2 (construcciĂłn de muro de ladrillo tĂpico) y cerramientos adiabĂĄticos para evitar las posibles interferencias causadas por el intercambio tĂ©rmico con el ambiente interior del edificio en los resultados del anĂĄlisis. Para el caso de la cubierta ajardinada, se mantiene la misma geometrĂa y caracterĂsticas del edificio con excepciĂłn de la cobertura superficial de la azotea. Las baldosas de hormigĂłn se han modificado con una cubierta ajardinada extensiva cubierta con plantas xerĂłfilas, tĂpicas en el clima de Madrid y caracterizado por su Ăndice de densidad foliar, el âleaf area densityâ (LAD), que es la superficie total de superficie de hojas por unidad de volumen (m2/m3). El anĂĄlisis se centra en los cañones urbanos entendidos como el espacio de calle comprendido entre los lĂmites geomĂ©tricos de la calle, verticales y horizontales, y el nivel superior de la cota urbana nivel de cubiertas. Los escenarios analizados se basan en la variaciĂłn de la los principales parĂĄmetros que segĂșn la literatura analizada condicionan las variaciones microclimĂĄticas en el ĂĄmbito urbano afectado por la vegetaciĂłn, la velocidad del viento y el LAD de la azotea. Los resultados han sido registrados bajo condiciones de exposiciĂłn solar diferentes. Las simulaciones fueron realizadas por los patrones de viento tĂpico de verano, que para Madrid se caracterizan por vientos de componente suroeste que van desde 3 a 0 m/s. las simulaciones fueron realizadas para unas condiciones climĂĄticas de referencia de 3, 2, 1 y 0 m/s a nivel superior del cañón urbano, como condiciĂłn de contorno para el anĂĄlisis. Los resultados calculados a 1,4 metros por encima del nivel del suelo, en el espacio habitado, mostraron que el efecto de la cubierta ajardinada era menor en condiciones de contorno con velocidades de viento mĂĄs altas aunque en ningĂșn caso el efecto de la cubierta verde sobre la temperatura del aire superĂł reducciones de temperatura de aire superiores a 1 Âș C. La humedad relativa no presentĂł variaciones significativas al comparar los diferentes escenarios. Las simulaciones realizadas para vientos con velocidad baja, entre 0 y 1 m/s mostraron que por debajo de 0.5 m/s la turbulencia del modelo aumentĂł drĂĄsticamente y se convirtiĂł en el modelo inestable e incapaz de producir resultados fiables. Esto es debido al modelo de turbulencia en el software que no es vĂĄlido para velocidades de viento bajas, lo que limita la capacidad de ENVI-met 4 para realizar simulaciones en estas condiciones de viento y es una de las principales conclusiones de este anĂĄlisis en cuanto a la herramienta de simulaciĂłn. TambiĂ©n se comprobĂł el efecto de las densidades de la densidad de hoja (LAD) de los componentes vegetales en el modelo en la capa de aire inmediatamente superior a la cubierta, a 0,5 m sobre este nivel. Se compararon tres alternativas de densidad de hoja con la cubierta de baldosa de hormigĂłn: el techo verde con LAD 0.3 (hierba tĂpica o sedum), LAD 1.5 (plantas mixtas tĂpicas) y LAD 2.5 (masa del ĂĄrbol). Los resultados mostraron diferencias de temperatura muy relevante entre las diferentes alternativas de LAD analizadas. Los resultados muestran variaciones de temperatura que oscilan entre 3 y 5 Âș C al comparar el estĂĄndar de la azotea concreta con albedo 0, 3 con el techo con vegetaciĂłn y vegetaciĂłn densa, mostrando la importancia del LAD en la cuantificaciĂłn de los efectos de las cubiertas vegetales en microclima circundante, lo que coincide con los datos reportados en la literatura existente y con los estudios empĂricos analizados. Los resultados de los anĂĄlisis teĂłricos han llegado a las siguientes conclusiones iniciales relacionadas con la herramienta de simulaciĂłn y los resultados del modelo: En relaciĂłn con la herramienta ENVI-met, se han observado limitaciones para el anĂĄlisis. En primer lugar, la estructura rĂgida de la geometrĂa, las bases de datos y el tamaño de la cuadrĂcula, limitan la escala y resoluciĂłn de los anĂĄlisis no permitiendo el desarrollo de grandes zonas urbanas. Por otro lado la estructura de ENVI-met permite el desarrollo de este tipo de simulaciĂłn tan complejo dentro de tiempos razonables de cĂĄlculo y requerimientos computacionales convencionales. Otra limitaciĂłn es el modelo de turbulencia del software, que no modela correctamente velocidades de viento bajas (entre 0 y 1 m/s), por debajo de 0,5 m/s el modelo da errores y no es estable, los resultados a estas velocidades no son fiables porque las turbulencias generadas por el modelo hacen imposible la extracciĂłn de patrones claros de viento y temperatura que permitan la comparaciĂłn entre los escenarios de cubierta de hormigĂłn y ajardinada. AdemĂĄs de las limitaciones anteriores, las bases de datos y parĂĄmetros de entrada en la versiĂłn pĂșblica del software estĂĄn limitados y la complejidad de generar nuevos sistemas adaptĂĄndolos al edificio o modelo urbano que se quiera reproducir no es factible salvo en la versiĂłn profesional del software. Aparte de las limitaciones anteriores, los patrones de viento y perfiles de temperatura generados por ENVI-met concuerdan con anĂĄlisis previos en los que se identificaban patrones de variaciĂłn de viento y temperaturas en cañones urbanos con patrones de viento, relaciĂłn de aspecto y dimensiones similares a los analizados en esta investigaciĂłn. Por lo tanto, el software ha demostrado una buena capacidad para reproducir los patrones de viento en los cañones de la calle y capturar el efecto de enfriamiento producido por la cubierta verde en el cañón. En relaciĂłn con el modelo, el resultado revela la influencia del viento, la radiaciĂłn y el LAD en la temperatura del aire en cañones urbanos con relaciĂłn de aspecto comprendida entre 0,5 y 1. Siendo el efecto de la cubierta verde mĂĄs notable en cañones urbanos sombreados con relaciĂłn de aspecto 1 y velocidades de viento en el nivel de âcanopyâ (por encima de la cubierta) de 1 m/s. En ningĂșn caso las reducciones en la temperatura del aire excedieron 1 Âș C, y las variaciones en la humedad relativa no excedieron 1% entre los escenarios estudiados. Una vez que se han identificado los parĂĄmetros relevantes, que fueron principalmente la velocidad del viento y el LAD, se realizĂł un anĂĄlisis experimental para comprobar los resultados obtenidos por el modelo. Para Ă©ste propĂłsito se identificĂł una cubierta ajardinada de grandes dimensiones capaz de representar la escala urbana que es el objeto del estudio. El edificio usado para este fin fue el parking de la terminal 4 del aeropuerto internacional de Madrid. Aunque esto no es un ĂĄrea urbana estĂĄndar, la escala y la configuraciĂłn del espacio alrededor del edificio fueron considerados aceptables para el anĂĄlisis por su similitud con el contexto urbano objeto de estudio. El edificio tiene 800 x 200 m, y una altura 15 m. EstĂĄ rodeado de vĂas de acceso pavimentadas con aceras conformando un cañón urbano limitado por el edificio del parking, la calle y el edificio de la terminal T4. El aparcamiento estĂĄ cerrado con fachadas que configuran un espacio urbano de tipo cañón, con una relaciĂłn de aspecto menor que 0,5. Esta geometrĂa presenta patrones de viento y velocidad dentro del cañón que difieren ligeramente de los generados en el estudio teĂłrico y se acercan mĂĄs a los valores a nivel de canopo sobre la cubierta del edificio, pero que no han afectado a la tendencia general de los resultados obtenidos. El edificio cuenta con la cubierta ajardinada mĂĄs grande en Europa, 12 Ha cubiertas por con una mezcla de hierbas y sedum y con un valor estimado de LAD de 1,5. Los edificios estĂĄn rodeados por ĂĄreas plantadas en las aceras y ĂĄrboles de sombra en las fachadas del edificio principal. El efecto de la cubierta ajardinada se evaluĂł mediante el control de temperaturas y humedad relativa en el cañón en un dĂa tĂpico de verano. La selecciĂłn del dĂa se hizo teniendo en cuenta las predicciones meteorolĂłgicas para que fuesen lo mĂĄs semejantes a las condiciones Ăłptimas para capturar el efecto de la cubierta vegetal sobre el microclima urbano identificadas en el modelo teĂłrico. El 09 de julio de 2014 fue seleccionado para la campaña de mediciĂłn porque las predicciones mostraban 1 m/s velocidad del viento y cielos despejados, condiciones muy similares a las condiciones climĂĄticas bajo las que el efecto de la cubierta ajardinada era mĂĄs notorio en el modelo teĂłrico. Las mediciones se registraron cada hora entre las 9:00 y las 19:00 en 09 de julio de 2014. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron en 5 niveles diferentes, a 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 y 16 m por encima del suelo y a 0,5 m de distancia de la fachada del edificio. Las mediciones fueron tomadas en tres escenarios diferentes, con exposiciĂłn soleada, exposiciĂłn la sombra y exposiciĂłn influenciada por los ĂĄrboles cercanos y suelo hĂșmedo. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron con un equipo TESTO 410-2 con una resoluciĂłn de 0,1 ÂșC para temperatura, 0,1 m/s en la velocidad del viento y el 0,1% de humedad relativa. Se registraron las temperaturas de la superficie de los edificios circundantes para evaluar su efecto sobre los registros usando una cĂĄmara infrarroja FLIR E4, con resoluciĂłn de temperatura 0,15ÂșC. Distancia mĂnima a la superficie de 0,5 m y rango de las mediciones de TÂȘ de - 20 Âș C y 250 Âș C. Los perfiles de temperatura extraĂdos de la mediciĂłn in situ mostraron la influencia de la exposiciĂłn solar en las variaciones de temperatura a lo largo del dĂa, asĂ como la influencia del calor irradiado por las superficies que habĂan sido expuestas a la radiaciĂłn solar asĂ como la influencia de las ĂĄreas de jardĂn alrededor del edificio. DespuĂ©s de que las medidas fueran tomadas, se llevaron a cabo las siguientes simulaciones para evaluar el impacto de la cubierta ajardinada en el microclima: a. estĂĄndar de la azotea: edificio T4 asumiendo un techo de tejas de hormigĂłn con albedo 0.3. b. b. cubierta vegetal : T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con valor bajo del LAD (0.5)-techo de sedum simple. c. c. cubierta vegetal: T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con alta joven valor 1.5-mezcla de plantas d. d. cubierta ajardinada mĂĄs vegetaciĂłn nivel calle: el edificio T4 con LAD 1.5, incluyendo los ĂĄrboles existentes a nivel de calle. Este escenario representa las condiciones actuales del edificio medido. El viento de referencia a nivel de cubierta se fijĂł en 1 m/s, coincidente con el registro de velocidad de viento en ese nivel durante la campaña de mediciĂłn. Esta velocidad del viento se mantuvo constante durante toda la campaña. Bajo las condiciones anteriores, los resultados de los modelos muestran un efecto moderado de azoteas verdes en el microclima circundante que van desde 1 Âș a 2 Âș C, pero una contribuciĂłn mayor cuando se combina con vegetaciĂłn a nivel peatonal. En este caso las reducciones de temperatura alcanzan hasta 4 ÂșC. La humedad relativa sin embargo, no presenta apenas variaciĂłn entre los escenarios con y sin cubierta ajardinada. Las temperaturas medidas in situ se compararon con resultados del modelo, mostrando una gran similitud en los perfiles definidos en ambos casos. Esto demuestra la buena capacidad de ENVI-met para reproducir el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima y por tanto para el fin de esta investigaciĂłn. Las diferencias mĂĄs grandes se registraron en las ĂĄreas cercanas a las zonas superiores de las fachadas que estaban mĂĄs expuestas a la radiaciĂłn del sol y tambiĂ©n el nivel del suelo, por la influencia de los pavimentos. Estas diferencias se pudieron causar por las caracterĂsticas de los cerramientos en el modelo que estaban limitados por los datos disponibles en la base de datos de software, y que se diferencian con los del edificio real. Una observaciĂłn importante derivada de este estudio es la contribuciĂłn del suelo hĂșmedo en el efecto de la cubierta ajardinada en la temperatura del aire. En el escenario de la cubierta ajardinada con los arboles existentes a pie de calle, el efecto del suelo hĂșmedo contribuye a aumentar las reducciones de temperatura hasta 4.5ÂșC, potenciando el efecto combinado de la cubierta ajardinada y la vegetaciĂłn a pie de calle. Se realizĂł un anĂĄlisis final despuĂ©s de extraer el perfil horario de temperaturas en el cañón urbano influenciado por el efecto de las cubiertas ajardinadas y los ĂĄrboles. Con esos perfiles modificados de temperatura y humedad se desarrollĂł un modelo energĂ©tico en el edificio asumiendo un edificio cerrado y climatizado, con uso de oficinas, una temperatura de consigna de acuerdo al RITE de 26 ÂșC, y con los sistemas por defecto que establece el software para el cĂĄlculo de la demanda energĂ©tica y que responden a ASHRAE 90.1. El software seleccionado para la simulaciĂłn fue Design Builder, por su capacidad para generar simulaciones horarias y por ser una de las herramientas de simulaciĂłn energĂ©tica mĂĄs reconocidas en el mercado. Los perfiles modificados de temperatura y humedad se insertaron en el año climĂĄtico tipo y se condujo la simulaciĂłn horaria para el dĂa definido, el 9 de Julio. Para la simulaciĂłn se dejaron por defecto los valores de conductancia tĂ©rmica de los cerramientos y la eficiencia de los equipos de acuerdo a los valores que fija el estĂĄndar ASHRAE para la zona climĂĄtica de Madrid, que es la 4. El resultado mostraba reducciones en el consumo de un dĂa pico de hasta un 14% de reducciĂłn en las horas punta. La principal conclusiĂłn de Ă©ste estudio es la confirmaciĂłn del potencial de las cubiertas ajardinadas como una estrategia para reducir la temperatura del aire y consumo de energĂa en los edificios, aunque este efecto puede ser limitado por la influencia de los vientos, la radiaciĂłn y la especie seleccionada para el ajardinamiento, en especial de su LAD. AsĂ mismo, en combinaciĂłn con los bosques urbanos su efecto se potencia e incluso mĂĄs si hay pavimentos hĂșmedos o suelos porosos incluidos en la morfologĂa del cañón urbano, convirtiĂ©ndose en una estrategia potencial para adaptar los ecosistemas urbanos el efecto aumento de temperatura derivado del cambio climĂĄtico. En cuanto a la herramienta, ENVI-met se considera una buena opciĂłn para Ă©ste tipo de anĂĄlisis dada su capacidad para reproducir de un modo muy cercano a la realidad el efecto de las cubiertas. Aparte de ser una herramienta validada en estudios anteriores, en el caso experimental se ha comprobado por medio de la comparaciĂłn de las mediciones con los resultados del modelo. A su vez, los resultados y patrones de vientos generados en los cañones urbanos coinciden con otros estudios similares, concluyendo por tanto que es un software adecuado para el objeto de esta tesis doctoral. Como lĂneas de investigaciĂłn futura, serĂa necesario entender el efecto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano en diferentes zonas climĂĄticas, asĂ como un mayor estudio de otras variables que no se han observado en este anĂĄlisis, como la temperatura media radiante y los indicadores de confort. AsĂ mismo, la evaluaciĂłn de otros parĂĄmetros que afectan el microclima urbano tales como variables geomĂ©tricas y propiedades superficiales deberĂa ser analizada en profundidad para tener un resultado que cubra todas las variables que afectan el microclima en el cañón urbano. ABSTRACT Climate Change is posing an urgency in the development of strategies able not only to mitigate but also adapt to the effects that this global problem is evidencing around the world. Heat waves, flooding and severe draughts increase the vulnerability of population, and this is especially critical in urban settlements. This has been extensively studied over the past decades, addressed from different perspectives and ranging from the regional heat island analysis to the building scale. Its understanding requires physical and dimensional analysis of this broad phenomenon and a deep analysis of the factors and the strategies which can offset it. In the search of solutions to this problem, green infrastructure elements such as green roofs, walls and urban forests arise as strategies able provide multiple regulating ecosystem services to the urban environment able to cope with climate change effects. This includes storm water management, heat island effect control, and improvement of air and water quality. Over the last decade, multiple studies have been developed to evaluate and quantify the ecosystem services provided by green roofs, however, specific regulating services addressing urban microclimate and their impact on the urban dwellers have not been widely quantified. This research tries to contribute to fill this gap and analyzes the effects of green roofs and urban forests on urban microclimate at pedestrian level, quantifying its potential for regulating ambient temperature in hot season in Mediterranean âcontinental climates. The study is divided into a sequence of analysis where the critical factors affecting the performance of the green roof system on the microclimate are identified and the effects of the green roof is tested in a real case study. The first step has been the definition of the object of study, through the analysis and review of theoretical and empirical papers that investigate the effects of covers landscaped in the built environment, in the context of its use as a tool for adaptation and mitigation of the impact of climate change on cities and urban development. This literature review, reveals the great potential of the plant systems as a tool for passive design capable of improving the climatic and microclimatic conditions in the cities, as well as its positive impact on the energy performance of buildings, but also the need for further analysis at the street scale where climate, urban surfaces and materials, and vegetation converge. This analysis requires a methodology where the thermal buildings response, the variations in the patterns of wind and the interaction of the vegetation are integrated, so a quantitative analysis can help to define the most effective strategies to achieve liveable urban spaces and collaterally, , the improvement of the surrounding buildings energy performance. In this specific scale research is needed and should be customized to every climate, urban condition and nature based strategy. In this context, the main objective for this research was the quantitative assessment of the Green roof impact on the urban microclimate at a neighbourhood scale in summer conditions in Mediterranean- continental climates. For the achievement of this main objective, the following secondary objectives have been set: âą Identify the numerical models and calculation tools able to capture the effect of the roof garden on the microclimate. âą Identify the enhancing or limiting parameter affecting this effect. âą Quantification of the impact of the microclimate created on the energy consumption of buildings surrounding the street canyon analysed. The main hypothesis behind this research and where the above objectives are funded on is as follows: "An extensive roof installed in medium height buildings favours the establishment of microclimates at the pedestrian level and reduces the temperatures in the urban environment where they are located." For the purpose of verifying the above hypothesis and achieving the proposed objectives the following methodology has been followed: - Definition of hypothesis and objectives - Definition of the scope and limitations - Theoretical analysis of parameters affecting gren roof performance - Experimental analysis; - Energy modelling analyisis - Conclusions and future lines of work The search for suitable tools and models for meeting the objectives of this analysis has led to ENVI-met v4 as the most suitable software for this research. ENVI met is a three-dimensional micro-climate model designed to simulate the surface-plant-air interactions in urban environments. Based in the fundamental equations representing, mass, energy and momentum conservation, the software has the capacity of representing the complex phenomena characterizing the microclimate in urban canyons, overcoming the challenge posed by the computing requirements of a full calculus based on finite elements done via traditional computational fluid dynamics tools. Once the analysis tool has been defined, a first set of analysis has been developed to identify the main parameters affecting the green roof influence on the microclimate. In this analysis, two different scenarios are compared. A neighborhood with standard concrete tile roof and the same configuration substituting the concrete tile by an extensive green roof. Once the scenarios have been modeled, different iterations have been run to identify the influence of different wind patterns, solar exposure and roof vegetation type on the microclimate, since those are the most relevant variables affecting urban microclimates. These analysis have been run to check the conditions under which the effects of green roofs get significance. Since ENVI-met V4 is a predictive software, the first step has been the definition of the initial weather conditions which are then used as starting point by the software, which generates its own daily temperature and humidity profile based on the location of the building, geometry, vegetation and the surfaces physical characteristics. The base geometry used for this first analysis has been based on a typical urban layout structure located in Madrid, an orthogonal net with the main streets oriented East-West to ease the analysis of solar radiation in the different points of the model. This layout represents a typical urban neighborhood, with street canyons keeping an aspect ratio between 0.5 and 1 and high sky view factor to ensure correct sun access to the streets and buildings and work with typical wind flow patterns. Finally, the roof vegetation has been defined in terms of foliage density known as Leaf Area Density (LAD) and defined as the total one-sided leaf area per unit of layer volume. This index is the most relevant vegetation characteristic for the purpose of calculating the effect of vegetation on wind and solar radiation as well as the energy consumed during its metabolic processes. The building as usual (BAU) configuring the urban layout has been defined with standard concrete tile roofs, considering 0.3 albedo. Walls have been set with albedo 0.2 (typical brick wall construction) and adiabatic to avoid interference caused by thermal interchanges with the building indoor environment. For the proposed case, the same geometry and building characteristics have been kept. The only change is the roof surface coverage. The gravel on the roof has been changed with an extensive green roof covered with drought tolerant plants, typical in Madrid climate, and characterized by their LAD. The different scenarios analysed are based in the variation of the wind speed and the LAD of the roof. The results have been recorded under different sun exposure conditions. Simulations were run for the typical summer wind patterns, that for Madrid are characterized by South-west winds ranging from 3 to 0 m/s. Simulations were run for 3, 2, 1 and 0 m/s at urban canopy level. Results taken at 1.4 m above the ground showed that the green roof effect was lower with higher wind speeds and in any case the effect of the green roof on the air temperatures exceeded air temperature reductions higher than 1ÂșC. Relative humidity presented no variations when comparing the different scenarios. For the analysis at 0m/s, ENVI-met generated error and no results were obtained. Different simulations showed that under 0.5 m/s turbulence increased dramatically and the model became unstable and unable to produce reliable results. This is due to the turbulence model embedded in the software which is not valid for low wind speeds (below 1 m/s). The effect of the different foliage densities was also tested in the model. Three different alternatives were compared against the concrete roof: green roof with LAD 0.3 ( typical grass or sedum), 1.5 (typical mixed plants) and 2.5 (tree mass). The results showed very relevant temperature differences between the different LAD alternatives analyzed. Results show temperature variations ranging between 3 and 5 ÂșC when comparing the standard concrete roof with albedo 0, 3 with the vegetated roof and vegetated mass, showing the relevance of the LAD on the effects of green roofs on microclimate. This matches the data reported in existing literature and empirical studies and confirms the relevance of the LAD in the roof effect on the surrounding microclimate. The results of the theoretical analysis have reached the following initial conclusions related to both, the simulation tool and the model results: âą In relation to the tool ENVI-met, some limitations for the analysis have been observed. In first place, the rigid structure of the geometry, the data bases and the grid size, limit the scale and resolution of the analysis not allowing the development of large urban areas. On the other hand the ENVI-met structure enables the development of this type of complex simulation within reasonable times and computational requirements for the purpose of this analysis. Additionally, the model is unable to run simulations at wind speeds lower than 0.5 m/s, and even at this speed, the results are not reliable because the turbulences generated by the model that made impossible to extract clear temperature differences between the concrete and green roof scenarios. Besides the above limitations, the wind patterns and temperature profiles generated by ENVImet are in agreement with previous analysis identifying wind patterns in urban canyons with similar characteristics and aspect ratio. Therefore the software has shown a good capacity for reproducing the wind effects in the street canyons and seems to capture the cooling effect produced by the green roof. âą In relation to the model, the results reveals the influence of wind, radiation and LAD on air temperature in urban canyons with aspect ratio comprised between 0.5 and 1. Being the effect of the green roof more noticeable in shaded urban canyons with aspect ratio 1 and wind speeds of 1 m/s. In no case the reductions in air temperature exceeded 1ÂșC. Once the relevant parameters have been identified, mainly wind speed and LAD, an experimental analysis was conducted to test the results obtained by the model. For this purpose a large green roof was identified, able to represent the urban scale which is the object of the studio. The building identified for this purpose was the terminal 4, parking building of the international Madrid Airport. Even though this is not a standard urban area, the scale and configuration of the space around the building were deemed as acceptable for the analysis. The building is an 800x200 m, 15 m height parking building, surrounded by access paved paths and the terminal building. The parking is enclosed with facades that configure an urban canyon-like space, although the aspect ratio is lower than 0.5 and the wind patterns might differ from the theoretical model run. The building features the largest green roof in Europe, a 12 Ha extensive green roof populated with a mix of herbs and sedum with a LAD of 1.5. The buildings are surrounded by planted areas at the sidewalk and trees shading the main building facades. Green roof performance was evaluated by monitoring temperatures and relative humidity in the canyon in a typical summer day. The day selection was done taking into account meteorological predictions so the weather conditions on the measurement day were as close as possible as the optimal conditions identified in terms of green roof effects on the urban canyon. July 9th 2014 was selected for the measurement campaign because the predictions showed 1 m/s wind speed and sunny sky, which were very similar to the weather conditions where the effect of the green roof was most noticeable in the theory model. Measurements were registered hourly from 9:00am to 19:00 on July 9th 2014. Temperature, relative humidity and wind speed were recorded at 5 different levels, at 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 and 16 m above ground and at 0.5 m distance from the building façade. Measurements were taken in three different scenarios, sunny exposure, shaded exposure, and shaded exposure influenced by nearby trees and moist soil. Temperature, relative humidity and wind speed were registered using a TESTO 410-2 anemometer, with 0.1ÂșC resolution for temperature, 0.1 m/s resolution for wind speed and 0.1 % for relative humidity. Surface temperatures were registered using an infrared camera FLIR E4, with temperature resolution 0.15ÂșC. Minimal distance to surface of 0.5 m and TÂȘ measurements range from -20ÂșC and 250ÂșC. The temperature profiles measured on the site showed the influence of solar exposure on the temperature variations along the day, as well as the influence of the heat irradiated by the building surfaces which had been exposed to the sun radiation and those influenced by the moist soft areas around the building. After the measurements were taken, the following simulations were conducted to evaluate the impact of the green roof on the microclimate: a. Standard roof: T4 building assuming a concrete tile roof with albedo 0.3. b. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with low LAD value (0.5)-Simple Sedum roof. c. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with high LAD value 1.5- Lucerne and grasses d. Green roof plus street level vegetation: T4 Building, LAD 1.5 (Lucerne), including the existing trees at street level. This scenario represents the current conditions of the building. The urban canopy wind was set as 1 m/s, the wind speed register at that level during the measurement campaign. This wind speed remained constant over the whole campaign. Under the above conditions, the results of the models show a moderate effect of green roofs on the surrounding microclimate ranging from 1ÂșC to 2ÂșC, but a larger contribution when combining it with vegetation at pedestrian level, where 4ÂșC temperature reductions are reached. Relative humidity remained constant. Measured temperatures and relative humidity were compared to model results, showing a close match in the profiles defined in both cases and the good capacity of ENVI met to capture the impact of the green roof in this analysis. The largest differences were registered in the areas close to the top areas of the facades which were more exposed to sun radiation and also near to the soil level. These differences might be caused by differences between the materials properties included in the model (which were limited by the data available in the software database) and those in the real building. An important observation derived from this study is the contribution of moist soil to the green roof effect on air temperatures. In the green roof scenario with surrounding trees, the effect of the moist soil contributes to raise the temperature reductions at 4.5ÂșC. A final analysis was conducted after extracting the hourly temperature profile in the street canyon influenced by the effect of green roofs and trees. An energy model was run on the building assuming it was a conventional enclosed building. Energy demand reductions were registered in the building reaching up to 14% reductions at the peak hour. The main conclusion of this study is the potential of the green roofs as a strategy for reducing air temperatures and energy consumption in the buildings, although this effect can be limited by the influence of high speed winds. This effect can be enhanced its combination with urban forests and even more if soft moist pavements are included in the urban canyon morphology, becoming a potential strategy for adapting urban ecosystems to the increasing temperature effect derived from climate change.
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E.T.S. Arquitectura (UPM)
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2015
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Arquitectura
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https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/openAccess
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