Μικροκλιματικό - βιοκλιματικό περιβάλλον αστικών υπαίθριων χώρων σε συνθήκες μεσογειακού κλίματος

Abstract

The investigation and the understanding of the thermal comfort conditions in public urban areas, may improve the sustainability of open urban spaces, especially during the warm period of the year and, therefore, to contribute to the development of the urban environment. For the creation or the recreation of sustainable outdoor public areas the study and the understanding of the microclimate and the thermal sensation conditions that occur there is of a primary importance. This thesis aims at defining the microclimatic conditions that lead to thermal comfort conditions in the Mediterranean Environment and this knowledge to help in the creation or recreation of outdoor urban areas. In terms of the present dissertation an extensive effort for the investigation of the thermal comfort conditions has been done in open public areas of Athens, a city with Mediterranean climate. The main meteorological parameters that affect the actual human thermal sensation were investigated, as well as, the degree of influence of each parameter in thermal sensation. It was ascertained that there is a differentiation in thermal sensation between the warm and the cool period of the year since psychological and behaviour factors affect the human thermal perception. Thus, there were defined different acceptable ranges of air temperature for each seasonal period. Results showed that despite the fact that the microclimatic conditions that occur during the cool period approach better the acceptable thermal environment of humans, however, it was ascertained a better adaptation in thermal environments. Thermal sensation conditions were analysed under the influence of air temperature, relative humidity, solar radiation and wind speed. Thermal sensation zones (ATSV) were first defined using air temperature as a single parameter affecting thermal sensation. Logistic regression was appropriately used to define each thermal sensation zone. The thermal sensation zones were then determined using a combination of the microclimatic parameters to investigate the extent to which these parameters affect thermal sensation. Results showed that the thermal comfort zone is characterized by a quite wide air temperature range, on the order of more than 10°C. In addition, this zone presents always statistical insignificance in the P-values of residuals. These results imply that thermal comfort is a complex situation and adaptation plays an important role as far as this zone is concerned. By contrast, the other thermal sensation zones were found to present statistical significance in the P-values of residuals, implying thus that the examined microclimatic parameters seem quite adequate to define these zones. Then, Six well acknowledged bioclimatic indices, namely, Physiological Equivalent Temperature (PET), Universal Climate Thermal Index (UTCI), Predicted Mean Vote (PMV), Standard Effective Temperature (*SET) Physiological strain (PhS), Subjective Temperature (STI), were then examined in their capability to approach the thermal sensation conditions in the Mediterranean environment. Results showed that the acceptable thermal ranges are differentiated in the Mediterranean environment. More specific, these ranges are transited in higher values in both the warm and the cool period. The thermal comfort range of each one the examined indices was then modified according to the climatic characteristics of Athens. The thermal sensation scale of UTCI was redefined and there were created two thermal sensation scales, the one corresponds to the cool period and the other to the warm period. The field surveys were conducted between 2010-2012 in three typical urban open spaces of Athens; two squares and one park. The field survey was included both microclimatic measurements and structured questionnaires to the visitors of the examined areas and it was completed when it gathered 2313 questionnaires data. The environmental model ENVI-met 3.1 was examined in terms of its suitability to simulate effectively the microclimatic conditions that occur in the Mediterranean environment. Six days were simulated; three typical days for the warm period and three typical days for the cool period. The statistical method of Root Mean Square Error (RM.SE) showed that ENVI-met simulates the microclimate conditions that occur in the Mediterranean environment effectively. Then it was examined whether or not examined areas fulfil the acceptable environmental conditions that were defined previously. Results showed that thermal discomfort conditions occur in all the three study areas during a typical day of the warm period and especially during the midday hours. On the other hand, the microclimatic conditions that occur during a typical day of the cool period fulfil the acceptable environmental conditions for this seasonal period. Then, two improvement ‘Scenarios’ of thermal sensation were suggested in the most thermal aggravated area which were focused on the greenery addition and the replacing of the ground covering materials. The two ‘Scenarios’ were focused on the improvement of thermal sensation during the warm period but no alterations were desirable during the cool period since during this period occur acceptable thermal sensation conditions. In ‘Scenario 1’ the total greenery (deciduous trees) of the square corresponds to the 30% of its total dimensions with in ‘Scenario 2’ the total greenery (deciduous trees) of the square corresponds to the 50% of its total dimensions. Results showed improvements especially in the ‘Scenario 2’ where the simulated microclimatic conditions approach the acceptable environmental ranges. However, it is not recommended the addition of more greenery since little alterations occur during the cool period approaching the lower acceptable limits of that period. Thus, it is suggested ‘Scenario 2’ for a typical Mediterranean urban area, that is 50% greenery of the total dimensions of the area, including deciduous trees with dense foliage and 4-6m height, as well as, partly replacement of ground cover materials with lighter ones and loam soil.

Η διερεύνηση και η κατανόηση των συνθηκών θερμικής άνεσης σε αστικούς υπαίθριους χώρους, μπορεί να βελτιώσει τη βιωσιμότητα των δημόσιων χώρων κατά τη διάρκεια περιόδων με υψηλές τιμές θερμοκρασίας και κατ’ επέκταση να συμβάλλει στην ανάπτυξη των πόλεων. Για τη δημιουργία ή την ανάπλαση βιώσιμων αστικών υπαίθριων χώρων πρωταρχικός παράγοντας είναι η μελέτη του μικροκλίματος και της θερμικής αίσθησης που διαμορφώνεται σε αυτούς. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί να καθορίσει τις μικροκλιματικές συνθήκες που ευνοούν τη θερμική άνεση σε αστικούς υπαίθριους χώρους στο Μεσογειακό περιβάλλον και στη συνέχεια η γνώση αυτή να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για το βιώσιμο σχεδιασμό νέων ή την ανάπλαση των υπαρχόντων. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής έγινε μία εκτενής προσπάθεια διερεύνησης των συνθηκών θερμικής αίσθησης σε αστικούς υπαίθριους χώρους της Αθήνας. Διερευνήθηκε η επίδραση που ασκούν οι βασικές μετεωρολογικές παράμετροι στη θερμική αίσθηση καθώς και ο βαθμός επίδρασης της κάθε μίας. Διαπιστώθηκε πως ο βαθμός επίδρασης του θερμικού περιβάλλοντος στη θερμική αίσθηση διαφοροποιείται μεταξύ της θερμής και της ψυχρής περιόδου του έτους καθώς ψυχολογικοί παράγοντες και παράγοντες συμπεριφοράς επηρεάζουν τη θερμική αντίληψη των ανθρώπων. Ως εκ τούτου, προσδιορίστηκαν διαφορετικά εύρη αποδεκτών τιμών θερμοκρασίας για κάθε εποχική περίοδο. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως αν και οι μικροκλιματικές συνθήκες που διαμορφώνονται κατά τη διάρκεια της ψυχρής περιόδου προσεγγίζουν καλύτερα το αποδεκτό θερμικό περιβάλλον για τους ανθρώπους, εν τούτοις, διαπιστώνεται καλύτερη θερμική προσαρμογή στα θερμότερα περιβάλλοντα. Οι κατηγορίες θερμικής αίσθησης (ATSV) προσεγγίστηκαν με τη χρήση της logistic regression analysis για τη θερμή και τη ψυχρή περίοδο του έτους. Αρχικά εξετάστηκε η θερμοκρασία αέρα ως παράγοντας επίδρασης στη θερμική αίσθηση και στη συνέχεια με την ίδια μέθοδο εξετάστηκε η επίδραση της σχετικής υγρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας και της ταχύτητας του άνεμου αρχικά σε συνδυασμό με τη θερμοκρασία αέρα και στη συνέχεια εξετάστηκε η συνδυασμένη τους επίδραση στη θερμική αίσθηση. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η κατηγορία θερμικής άνεσης χαρακτηρίζεται από ένα μεγάλο εύρος τιμών θερμοκρασίας, μεγαλύτερο από 10oC. Επιπλέον, αυτή η κατηγορία παρουσίασε σε όλες τις περιπτώσεις στατιστική σημαντικότητα στις P-values των υπολοίπων. Τα δύο αυτά ευρήματα υποδεικνύουν πως η θερμική άνεση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία και ο παράγοντας της προσαρμοστικότητας παίζει ένα σημαντικό ρόλο σε αυτή την κατηγορία θερμικής αίσθησης. Σε αντίθεση με αυτή την κατηγορία, οι υπόλοιπες ζώνες θερμικής αίσθησης παρουσίασαν στατιστική σημαντικότητα στις P-values των υπολοίπων υποδεικνύοντας πως οι μικροκλιματικές παράμετροι που εξετάστηκαν είναι επαρκείς στον καθορισμό αυτών των κατηγοριών θερμικής αίσθησης. Στην συνέχεια, έξι βιοκλιματικοί δείκτες ευρέως αναγνωρισμένοι στην επιστημονική κοινότητα, oι Physiological Equivalent Temperature (PET), Universal Climate Thermal Index (UTCI), Predicted Mean Vote (PMV), Standard Effective Temperature (*SET) Physiological strain (PhS), Subjective Temperature (STI), επιλέχτηκαν να αξιολογηθούν ως προς την εκτίμηση θερμικής αίσθησης στο Μεσογειακό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως τα αποδεκτά εύρη τιμών τους διαφοροποιούνται για το μικρόκλιμα της Αθήνας και μάλιστα αυτά μεταβαίνουν σε υψηλότερες τιμές τόσο για τη θερμή όσο και για τη ψυχρή περίοδο. Για κάθε έναν επαναπροσδιορίστηκε η κλίμακα θερμικής άνεσης ούτως ώστε να ανταποκρίνεται στο Μεσογειακό κλίμα της Αθήνας, ενώ για τον δείκτη UTCI επαναπροσδιορίστηκε όλη η κλίμακα θερμικής του αίσθησης και μάλιστα δημιουργήθηκαν δύο κλίμακες, μία για τη θερμή και μία για τη ψυχρή περίοδο. Η έρευνα πεδίου διεξήχθη σε δύο πλατείες και ένα πάρκο, τα οποία συνιστούν τυπικούς συνοικιακούς υπαίθριους χώρους της πόλης. Στους επιλεγμένους χώρους διεξήχθη η έρευνα πεδίου, που περιλάμβανε την καταγραφή μικροκλιματικών παραμέτρων με τη χρήση φορητού μικροκλιματικού σταθμού μαζί με δομημένες συνεντεύξεις προς τους χρήστες των χώρων, σχετικές με τη θερμική τους αίσθηση αλλά και την εκτίμησή τους για τη διαμόρφωση του χώρου. Η έρευνα πεδίου έλαβε χώρα το χρονικό διάστημα 2010 – 2012 και ολοκληρώθηκε όταν συγκεντρώθηκε επαρκής αριθμός δεδομένων ερωτηματολογίου. Συνολικά συγκεντρώθηκαν δεδομένα από 2313 ερωτηματολόγια. Το περιβαλλοντικό μοντέλο ENVIMET 3.1 εξετάστηκε αρχικά ως προς την δυνατότητά του να προσομοιώνει αξιόπιστα τις μικροκλιματικές συνθήκες που διαμορφώνονται στο Μεσογειακό περιβάλλον προσομοιώνοντας αρχικά έξι τυπικές ημέρες, τρεις ημέρες για τη θερμή περίοδο και τρεις ημέρες για τη ψυχρή περίοδο. Ο έλεγχος αξιοπιστίας με την εφαρμογή του στατιστικού δείκτη απόκλισης της μέσης τετραγωνικής τιμής (RM.SE: Root Mean Square Error) έδειξε πως το μοντέλο είναι κατάλληλο στην προσομοίωση των μικροκλιματικών χαρακτηριστικών που διαμορφώνονται στο Μεσογειακό περιβάλλον. Στη συνέχεια εξετάστηκε αν οι εξεταζόμενοι υπαίθριοι χώροι πληρούν τις αποδεκτές περιβαλλοντικές συνθήκες που ορίστηκαν σε προηγούμενα στάδια της παρούσας έρευνας. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως συνθήκες θερμικής δυσφορίας επικρατούν και στις τρεις περιοχές μελέτης κατά τη διάρκεια μίας τυπικής ημέρας της θερμής περιόδου και ειδικά κατά τη διάρκεια των μεσημβρινών ωρών. Από την άλλη μεριά, οι μικροκλιματικές συνθήκες που διαμορφώνονται κατά τη διάρκεια μίας τυπικής ημέρας της ψυχρής περιόδου σε μεγάλο βαθμό βρίσκονται εντός των αποδεκτών τιμών θερμοκρασίας και θερμικής άνεσης. Στη συνέχεια, στην πιο επιβαρυμμένη θερμικά περιοχή προτάθηκαν δύο σενάρια ανάπλασης για τη βελτίωση των συνθηκών θερμικής αίσθησης. Τα δύο σενάρια επικεντρώθηκαν στην προσθήκη βλάστησης και τη μερική αντικατάσταση των υλικών κάλυψης του εδάφους. Επίσης, τα δύο σενάρια εστίασαν στη βελτίωση των συνθηκών θερμικής αίσθησης κατά τη θερμή περίοδο αλλά στη διατήρησή της όσο το δυνατόν κατά τη ψυχρή. Στο ‘Σενάριο 1’ έγινε προσθήκη βλάστησης με φυλλοβόλα δέντρα, τόσης ώστε η συνολική κάλυψη της πλατείας με βλάστηση να αντιστοιχεί στο 30%, ενώ στο ‘Σενάριο 2’ η συνολική κάλυψη της πλατείας με βλάστηση να αντιστοιχεί στο 50%. Πράγματι, τα αποτελέσματα έδειξαν βελτιώσεις μικρής κλίμακας ειδικά στο ‘Σενάριο 2’ όπου οι προβλεπόμενες συνθήκες θερμικής αίσθησης προσεγγίζουν πλέον τα αποδεκτά εύρη τιμών. Ωστόσο, δεν προτείνεται προσθήκη επιπλέον βλάστησης γιατί ως ένα βαθμό επηρεάζονται οι συνθήκες θερμικής αίσθησης που διαμορφώνονται και κατά τη διάρκεια της ψυχρής περιόδου προσεγγίζοντας πλέον τα κατώτερα αποδεκτά διαστήματα θερμοκρασίας και θερμικής αίσθησης της συγκεκριμένης εποχικής περιόδου. Προσθήκη επιπλέον βλάστησης θα οδηγήσει σε συνθήκες θερμικής δυσφορίας λόγω ψύχους κάτι που δεν είναι επιθυμητό. Ως εκ τούτου, προτείνεται το ‘Σενάριο 2’ για έναν τυπικό αστικό υπαίθριο χώρο του Μεσογειακού κλίματος το οποίο περιλαμβάνει κάλυψη με βλάστηση έως και 50% της συνολικής έκτασης του χώρου με φυλλοβόλα δέντρα και πυκνή φυλλωσιά ύψους πάνω από τέσσερα μέτρα και μερική αντικατάσταση των υλικών κάλυψης του εδάφους με πιο ψυχρά υλικά και πηλώδες έδαφος.