Ανάπτυξη μεθοδολογίας και εφαρμογές για την αξιολόγηση των βιοκλιματικών συνθηκών υπαίθριων χώρων με διαφορετική διαμόρφωση

Abstract

The methodology deals with human thermal comfort and human thermal stress. The major aim of this methodology is the investigation and quantification of thermal comfort conditions as they configured in open spaces under different meteorological conditions. In order to reach those aims, a new meteorological conditions approach based on Global Radiation, Sun Duration and Wind Speed parameters was applied. Also two sets of new parameters were applied to focus on human thermal stress. The first includes Accumulative Thermal Stress (ATS), Diurnal Thermal Stress (DTS) and Nocturnal Thermal Stress (NTS) when the second one includes Relative Accumulative Thermal Stress (RATS), Relative Diurnal Thermal Stress (RDTS) and Relative Nocturnal Thermal Stress (RNTS). This methodology was applied at seven selected open spaces located in the campus of the Agricultural University of Athens, Greece. The application lasted more than 3 years and almost 11.000.000 measurements were carried out. In order to evaluate human thermal comfort and stress Physiological Equivalent Temperature (PET) index was used. The major PET calculations were made using RayMan Pro software. Seven different types of open spaces were selected for methodology application: a) reference space, b) building atrium, c) green atrium, d) garden, e) arboretum, f) park and g) ornamental green. The results indicate the strong influence of open spaces configuration and various meteorological conditions on human thermal comfort and stress. For example, the most beneficial open space was the Building Atrium at winter (44.1 RDTS units, class 4) when the same place was under the most stressful conditions at summer season (-45.4 RDTS units, class 4). Additionally, geometrical design and dominant material at each open space indicates strong influence on thermal conditions. So, Green Atrium forms low thermal stress conditions at summer (99.2 RDTS units, class 1) when at Building Atrium RDTS parameter measure -44.2 units at the same meteorological class. The application results indicate high sensitivity on human thermal comfort and stress conditions. The applied methodology is suitable for an integrated investigation of bioclimatic conditions under various meteorological conditions as a consequence of open space configuration. Finally, the results of the study may provide useful information and quantitave data for planning and constructing urban structures and their surrounding environment.

Οι βιοκλιματικές συνθήκες και ειδικά αυτές που σχετίζονται με τη θερμική άνεση του ανθρώπου είναι πλέον μια καίρια συνιστώσα της ποιότητας ζωής γιατί επιδρούν άμεσα στην υγεία, στην οικονομία και στην ευημερία των πολιτών. Αυτές διαμορφώνονται από πολλούς παράγοντες, μετεωρολογικούς και περιβαλλοντικούς. Όμως ακόμα και οι μετεωρολογικοί παράγοντες είναι υπό ορισμένη κλίμακα επηρεαζόμενοι από το περιβάλλον του ανθρώπου και τη διαμόρφωση του. Οι υπαίθριοι χώροι είναι θέσεις όπου ο άνθρωπος περνά πολύ μεγάλο μέρος του χρόνου του. Επιπρόσθετα στους χώρους αυτούς δεν είναι δυνατό να παρέμβει ο άνθρωπος δραστικά για να διαμορφώσει το μικροκλίμα τους όπως γίνεται σε εσωτερικούς χώρους με την τεχνητή θέρμανση και ψύξη. Άρα ο μόνος τρόπος για να επιτευχθεί ικανοποιητική θερμική αίσθηση για τον άνθρωπο στους χώρους αυτούς, είναι η σωστή σχεδίαση και υλοποίησή τους όπου αυτό είναι δυνατό. Για το λόγο αυτό απαιτείται λεπτομερής κατανόηση της βιοκλιματικής λειτουργίας και των παραγόντων που συμβάλουν σε αυτή. Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής αναπτύχθηκε μεθοδολογία η οποία περιγράφει και αξιολογεί τις βιοκλιματικές συνθήκες χώρων με διαφορετική διαμόρφωση. Έγινε κατηγοριοποίηση των μετεωρολογικών συνθηκών (κατάστασης ουρανού και ταχύτητας ανέμου) και εκτίμηση της ταχύτητας του ανέμου σε κάθε μελετώμενο υπαίθριο χώρο. Ορίστηκαν επίσης αιτιολογημένοι κανόνες βάσει των οποίων πρέπει να γίνεται λήψη των μετρήσεων και αναπτύχτηκε μια σειρά παραμέτρων με τις οποίες γίνεται αξιολόγηση της επιφερόμενης θερμικής επιβάρυνσης του ανθρώπου κατά την παραμονή του στους υπαίθριους αυτούς χώρους. Η εφαρμογή και αξιολόγηση της μεθοδολογίας έγινε σε 7 επιλεγμένες διαμορφώσεις υπαίθριων χώρων του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών από τις οποίες λαμβάνονταν μετεωρολογικά δεδομένα για 3 έτη. Το πλήθος των πρωτογενών μετρήσεων ξεπέρασε τον αριθμό των 11,000,000 και από τα 7 σημεία μέτρησης. Με τη χρήση του λογισμικού ENVI-met έγινε εκτίμηση της ταχύτητας ανέμου όπως προέβλεπε η μεθοδολογία και ακολούθησε ο υπολογισμός του δείκτη Physiological Equivalent Temperature (PET) με το μοντέλο-λογισμικό RayMan Pro. Με την εφαρμογή νέων παραμέτρων θερμικής επιβάρυνσης (ΑΘΕ, ΗμΘΕ και ΝυΘΕ) και σχετικής θερμικής επιβάρυνσης (ΣχΑΘΕ, ΣχΗμΘΕ και ΣχΝυΘΕ) διερευνήθηκε λεπτομερώς η συμπεριφορά της κάθε διαμόρφωσης χώρου όσον αφορά στη θερμική αίσθηση του ανθρώπου. Από τη λεπτομερή εφαρμογή και αξιολόγηση της μεθοδολογίας διαπιστώθηκε ότι η διαμορφούμενη θερμική αίσθηση του ανθρώπου και η συνεπακόλουθη θερμική επιβάρυνση ως αποτέλεσμα της διαμόρφωσης του υπαίθριου χώρου, εξαρτάται από την εποχή του έτους και τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες. Έτσι, για παράδειγμα το κτηριακό αίθριο που μελετήθηκε, ενώ ήταν η βέλτιστη διαμόρφωση για την παραμονή του ανθρώπου κατά το χειμώνα, (44.1 μονάδες ΣχΗμΘΕ, κλάση 4) ήταν η λιγότερο αποδοτική κατά το καλοκαίρι (-45.4 μονάδες ΣχΗμΘΕ, κλάση 4). Επιπρόσθετα, πέραν της γεωμετρικής διαμόρφωσης του χώρου διαπιστώθηκε ότι το κυρίαρχο υλικό έχει σημαντική επίδραση στη διαμόρφωση των βιοκλιματικών συνθηκών αφού το φυτικό αίθριο που μελετήθηκε ήταν μια πολύ αποδοτική διαμόρφωση κατά το καλοκαίρι (99.2 μονάδες ΣχΗμΘΕ, κλάση 1) όταν κατά την ίδια εποχή και μετεωρολογική κλάση το κτηριακό αίθριο ήταν η χειρότερη (-44.2 μονάδες ΣχΗμΘΕ). Επίσης όσο αυξάνει η ταχύτητα του ανέμου και μειώνεται η εισερχόμενη ακτινοβολία τόσο μικρότερες είναι οι διαφορές στη βιοκλιματική απόδοση των συγκρινόμενων υπαίθριων χώρων. Τέλος, η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της σε πραγματικές συνθήκες, έδειξαν ότι αξιοποιώντας την είναι δυνατή η διάκριση και η καταγραφή της βιοκλιματικής συμπεριφοράς των υπαίθριων χώρων με μεγαλύτερη λεπτομέρεια σε κάθε εποχή του έτους και υπό διαφορετικές μετεωρολογικές συνθήκες. Δηλαδή, έγινε εφικτή η ολοκληρωμένη και σε βάθος αξιολόγηση των βιοκλιματικών συνθηκών που προσφέρουν οι μελετώμενες διαμορφώσεις περιβάλλοντος χώρου