Questa figura mostra cosa succede al flusso di calore con e senza alberi vicino a una casa. Le immagini a sinistra mostrano una casa senza un albero accanto, e il conseguente flusso di calore. Le immagini a destra mostrano la casa con un albero accanto, e come l'albero influenza il flusso di calore verso e lontano dalla casa. Credito:Boshun Gao.
I ricercatori della Iowa State University hanno sviluppato un modello per testare come l'ombreggiatura e il flusso d'aria possono migliorare le temperature interne durante il caldo soffocante delle estati del Midwest.
Nuova ricerca di Città Sostenibili, un gruppo di ricerca guidato da Ulrike Passe, professore associato di architettura, mostra gli effetti dell'ombreggiamento degli alberi e dell'evapotraspirazione sulle temperature degli edifici durante il caldo estremo nel Midwest. Città Sostenibili è un progetto del Center for Building Energy Research, che è diretto da Passe.
Il team di ricerca di Passe ha recentemente presentato il proprio lavoro al Comfort at the Extremes 2019 Conference a Dubai. La squadra include Passe; Janette Thompson, Morrill Professor di ecologia e gestione delle risorse naturali; Baskar Ganapathysubramanian, professore di ingegneria meccanica; Boshun Gao, dottorato di ricerca studente in ingegneria meccanica; e Breanna Marmur, dottorato di ricerca studente in ecologia e gestione delle risorse naturali.
Si prevede che il Midwest vedrà più alta umidità e giorni con punto di rugiada elevato nei prossimi decenni. Dal 2036 al 2065, si prevede che un anno su 10 avrà un "evento di caldo estremo, " definito come un periodo di cinque giorni che è 13 gradi più caldo di un periodo precedente comparabile, secondo il National Climate Assessment.
Effetti del caldo estremo sulle popolazioni vulnerabili
I quartieri a basso reddito sono colpiti in modo sproporzionato da eventi di caldo estremo, poiché molte case non dispongono di sistemi di climatizzazione centralizzata a causa dell'età dell'edificio o del costo dell'elettricità. Nella contea di Polk, fino al 50 percento delle case a basso reddito non ha l'aria condizionata centralizzata.
Così l'anno scorso, il team delle città sostenibili ha collaborato con la città di Des Moines e il dipartimento della salute della contea di Polk per condurre ricerche sull'uso energetico degli edifici e su come sono influenzati dall'ambiente circostante. La città e la contea vogliono saperne di più per aiutare le popolazioni più vulnerabili di Des Moines, come il quartiere di Capitol East che è stato studiato.
Riscaldare un edificio è più facile poiché stai aggiungendo energia. Raffreddare un edificio con aria condizionata centralizzata è più complesso, espellere il calore dall'edificio, che a sua volta aumenta la temperatura circostante.
Un ulteriore problema in Iowa è l'elevata umidità, che aumenta notevolmente la percezione di disagio in estate. Un maggiore movimento d'aria in un edificio può aiutare questo disagio raffreddando il corpo di una persona. ventilazione naturale, in confronto, richiede l'ombreggiamento per consentire all'aria più fresca di muoversi attraverso un edificio senza l'uso di sistemi meccanici.
"La mia ricerca è iniziata con strategie di progettazione passiva per consentire agli architetti di prevedere meglio le prestazioni degli edifici durante la progettazione, " Passe ha detto. "Predire le prestazioni esatte degli edifici progettati con ventilazione naturale è difficile da calcolare matematicamente. Perché non possiamo prevedere meglio come l'aria si muove all'interno e all'esterno degli edifici? Ci sono secoli di buoni esempi, ma sono stati progettati in modo intuitivo. E abbiamo dato via quella conoscenza a causa dell'aria forzata".
Come funziona il modello
Primo, il gruppo di ricerca dell'ISU ha inventariato il 1, 142 alberi e 340 edifici nel loro quartiere di studio. I dati dell'albero includevano le dimensioni, Posizione, specie e forma della chioma. Questi dati sono stati integrati in un modello computazionale 3D sviluppato dal team di Città sostenibili per simulare gli effetti degli alberi sul consumo energetico di un edificio. Il modello si basa sul lavoro del Sustainable Design Lab del MIT guidato da Christoph Reinhart, professore di architettura.
Mentre i modelli energetici comuni mostrano gli edifici come oggetti autonomi, il nuovo modello del team ISU Sustainable Cities non mostra solo l'input energetico degli edifici vicini, ma anche l'impatto dell'ambiente circostante, come gli alberi.
Ovviamente, l'ombra degli alberi aiuta a rinfrescare. Ma questo team ha aggiunto qualcosa di nuovo alla ricerca, studiando sia l'ombreggiatura degli alberi che il raffreddamento evapotraspirazione:quando i raggi solari colpiscono la chioma di un albero, l'acqua evapora dalle foglie, raffreddandoli e riducendo la temperatura dell'aria circostante. Questi effetti possono ridurre il consumo energetico di un edificio vicino e migliorare il comfort interno ed esterno per il raffreddamento in estate.
"Una domanda chiave è, possiamo sfruttare gli alberi e il paesaggio per compensare il fabbisogno energetico degli edifici e produrre condizioni vivibili usando poca o nessuna energia?", ha detto Ganapathysubramanian.
Con un nuovo modello e capacità di "meshing" (un processo messo a punto da Gao per simulare perfettamente la relazione tra gli alberi, edifici, temperatura dell'aria e movimento dell'aria), i ricercatori dello stato dell'Iowa possono ora vedere come alberi di varie altezze e distanze dagli edifici influenzano la temperatura del muro esterno e il flusso d'aria circostante.
"Stiamo sviluppando modelli basati sui dati e modelli di fluidodinamica computazionale basati sulla fisica per vedere se un edificio può funzionare con flussi d'aria naturali, o se necessita di aria condizionata, " Passe ha detto. "Questi modelli sono necessari in eventi di caldo estremo quando si spegne la corrente".
I primi risultati mostrano che un diverso paesaggio può migliorare il controllo della temperatura negli edifici durante il caldo estremo, poiché gli alberi forniscono ombra, blocco delle radiazioni e raffreddamento evapotraspirazione. Più un albero è vicino a una casa, l'impatto maggiore che ha sulla riduzione della temperatura e sulla deviazione della luce solare diretta. Il team ha scoperto che un albero più grande vicino a una casa riduce la temperatura superficiale dell'edificio fino al 20%. Questa ricerca ha implicazioni per un migliore posizionamento delle finestre su pareti e tetti durante la progettazione di case per consentire un migliore flusso d'aria e ventilazione naturale.
La ricerca futura mira a migliorare i sistemi di allarme durante gli eventi di caldo estremo. Quest'estate, I membri del team Città sostenibili Michael Dorneich, professore associato di ingegneria dei sistemi industriali e manifatturieri; e il suo dottorato di ricerca alunno, Jacklin Stonewall, stanno lavorando a un prototipo di app mobile in cui gli utenti possono inserire informazioni sulla loro casa (temperatura, eccetera.). Il crowdsourcing di queste informazioni potrebbe aiutare i funzionari sanitari a migliorare i sistemi di allarme e indirizzare i messaggi relativi al caldo ai quartieri particolarmente vulnerabili.
"È risaputo che i quartieri a rischio di risorse sono fortemente influenzati da eventi meteorologici estremi, calore particolarmente estremo, "Ha detto Thompson. "Gli anziani e le persone con meno risorse sono i più vulnerabili al caldo estremo e anche i più riluttanti a utilizzare i servizi comunitari come i trasporti pubblici e i centri di raffreddamento.
"Ciò che ci motiva davvero è trovare modi meno costosi per rendere il mondo un posto migliore per le persone particolarmente vulnerabili".
