Natural ventilation as a passive cooling strategy of vernacular buildings in historic urban centres in the Mediterranean climate

Abstract

This research addresses the cooling potential of natural ventilation in heavyweight buildings located in dense and organically developed historic urban centres in the Mediterranean climate. An innovative multi-scale approach was adopted through the consideration of the airflow field on the neighbourhood, street canyon and building levels, using field measurements. The focus is on two particular features of vernacular architecture, which both play a key role in natural ventilation: namely the typological characteristics of the tripartite arrangement (trimeres) with pass-through spaces – portico, and the morphological characteristics of sahnisi – a lightweight projecting volume with multiple windows. The first comprehensive mapping and record of the remaining stock of heritage buildings featuring portico and sahnisi in the historic centre of Nicosia in Cyprus was conducted through this thesis. Urban-scale considerations in the definition of typological and morphological aspects of porticos and sahnisis were discussed through the lens of environmental performance for the first time. Indoor thermal comfort was assessed taking into consideration the parameters of temperature (comparing three adaptive comfort models), relative humidity and air velocity. The findings address building ventilation as a function of in-street and rooftop airflow, which is part of what makes this work so original. Specifically, the airflow in the street canyon ranged at a magnitude of one third of the reference wind velocity at the rooftops. Peak indoor air velocity in the porticos reached up to one fifth of the canyon’s wind speed, while in the sahnisi it reached up to half of the canyons’ wind speed (during the all-day ventilation pattern). This indicates the wind-capture potential of the sahnisi, which had not been quantified before. The impact of occupant behaviour and particular window operation patterns on indoor thermal comfort are also discussed, concluding with recommendations for optimised window opening patterns, given the variability of the background wind and street geometry. The potential of cooling ventilation due to elevated air speed was found to be limited, as no indoor air movement was recorded for most of the time. However, the cooling effectiveness of night ventilation was demonstrated. Finally, the dispersion of the obtained urban airflow measurements manifests the complexity of airflow in real, inhomogeneous historic urban sites and highlights the need for further field research.

Η παρούσα διατριβή διερευνά το φυσικό αερισμό ως στρατηγική παθητικού δροσισμού, η οποία εφαρμόζεται σε αστικά παραδοσιακά κτίρια υψηλής θερμικής μάζας, στο κλίμα της Μεσογείου. Η καινοτόμος προσέγγιση που υιοθετείται αφορά στην αποτίμηση του αερισμού σε πολλαπλές κλίμακες μελέτης, όπως αυτή της γειτονιάς, του αστικού φαραγγιού και του κτιρίου, μέσω μετρήσεων πεδίου. Η έρευνα εστιάζει σε δύο χαρακτηριστικά στοιχεία της παραδοσιακής αρχιτεκτονικής τα οποία ενισχύουν τη στρατηγική του φυσικού αερισμού: το «πόρτικο», που αποτελεί τον κεντρικό, διαμπερή χώρο μιας τριμερούς τυπολογικής διάταξης και το «σαχνισί», την αρχιτεκτονική προεξοχή ελαφριάς κατασκευής με πολλαπλά ανοίγματα. Στο πλαίσιο της διατριβής, καταγράφεται για πρώτη φορά το απόθεμα των ιστορικών κτιρίων με πόρτικο και σαχνισί στο ιστορικό κέντρο της Λευκωσίας, στην Κύπρο. Επίσης, συζητείται ο ρόλος της αστικής μορφολογίας στη διαμόρφωση των τυπολογικών και μορφολογικών χαρακτηριστικών του πόρτικου και του σαχνισιού, από τη σκοπιά της περιβαλλοντικής διάστασης. Η αποτίμηση των συνθηκών θερμικής άνεσης των κτιρίων γίνεται βάσει των παραμέτρων της θερμοκρασίας, της σχετικής υγρασίας και της ταχύτητας του αέρα. Τα αποτελέσματα εκφράζουν τον κτιριακό αερισμό συναρτήσει της ροής του ανέμου σε επίπεδο δρόμου και γειτονιάς, γεγονός που αποτελεί μέρος της πρωτοτυπίας της παρούσας έρευνας. Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε ότι η ταχύτητα του ανέμου στα αστικά οδικά φαράγγια κυμάνθηκε στο ένα τρίτο της ελεύθερης ροής στο ύψος αναφοράς. Αντίστοιχα, η μέγιστη ταχύτητα του αέρα στα πόρτικα έφτασε το ένα πέμπτο της ταχύτητας του ανέμου εντός του αστικού φαραγγιού. Η μέγιστη ταχύτητα η οποία καταγράφηκε στο πόρτικο που διέθετε σαχνισί (κατά το μοτίβο ολοήμερου αερισμού), έφτασε το ήμισυ της ταχύτητας του ανέμου που επικρατούσε στο αστικό φαράγγι. Τα ευρήματα της έρευνας αναδεικνύουν και ποσοτικοποιούν για πρώτη φορά τη λειτουργία του σαχνισιού ως στοιχείου συλλογής του ανέμου (ανεμοσυλλέκτης). Επιπλέον, αξιολογείται ο ρόλος του χρήστη, καθώς και η εφαρμογή συγκεκριμένων μοτίβων αερισμού στη ρύθμιση των συνθηκών θερμικής άνεσης, καταλήγοντας σε συστάσεις βέλτιστης διαχείρισης ανοιγμάτων, δεδομένης της αστικής γεωμετρίας. Η ταχύτητα του αέρα που καταγράφεται στα πόρτικα είναι ιδιαίτερα χαμηλή, γεγονός που καθιστά τη δροσιστική επίδραση του φυσικού αερισμού (αίσθημα ψύξης λόγω εξάτμισης του ιδρώτα) περιορισμένη. Ωστόσο, οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα του νυχτερινού αερισμού/δροσισμού. Τέλος, το μεγάλο εύρος των μετρήσεων του αερισμού σε επίπεδο γειτονιάς και αστικών φαραγγιών αποδεικνύει την πολυπλοκότητα της ροής υπό πραγματικές συνθήκες, σε ιστορικά κέντρα με σημαντικό βαθμό γεωμετρικής ανομοιογένειας, καθιστώντας έτσι εμφανή την ανάγκη για περαιτέρω έρευνες πεδίου.