Forskere udvikler en ny proces for at undersøge, hvordan træer påvirker bygningstemperaturer, luftstrøm i ekstrem varme

Forskere ved Iowa State University har udviklet en model til at teste, hvordan skygge og luftgennemstrømning kan forbedre indendørstemperaturer under den sværmende varme i Midtvestens somre.

Ny forskning fra bæredygtige byer, en forskergruppe ledet af Ulrike Passe, lektor i arkitektur, viser virkningerne af træskygge og fordampning på bygningstemperaturer under ekstrem varme i Midtvesten. Bæredygtige byer er et projekt inden for Center for Bygningsenergiforskning, som er instrueret af Passe.

Passes forskerhold præsenterede for nylig deres arbejde på Comfort på Extremes 2019 -konferencen i Dubai. Teamet omfatter Passe; Janette Thompson, Morrill Professor i naturressourceøkologi og -forvaltning; Baskar Ganapathysubramanian, professor i maskinteknik; Boshun Gao, Ph.d. studerende i maskinteknik; og Breanna Marmur, Ph.d. studerende i naturressourceøkologi og -ledelse.

Midtvesten forventes at se mere høj luftfugtighed og høje dugpunkter i de kommende årtier. I 2036 til 2065, et år ud af 10 forventes at have en "ekstrem varme hændelse, "defineret som en fem-dages periode, der er 13 grader varmere end en sammenlignelig tidligere periode, ifølge den nationale klimavurdering.

Ekstrem varmes virkninger på sårbare befolkninger

Lavindkomstkvarterer er uforholdsmæssigt påvirket af ekstreme varmehændelser, da mange hjem mangler centrale klimaanlæg på grund af bygningsalder eller elomkostninger. I Polk County, op til 50 procent af lavindkomstboligerne har ikke central A/C.

Så sidste år, holdet Bæredygtige byer indgik et partnerskab med City of Des Moines og Polk County Health Department for at undersøge bygnings energiforbrug og hvordan de påvirkes af det omgivende miljø. Byen og amtet ønsker at lære mere for at hjælpe Des Moines 'mest sårbare befolkninger, såsom kvarteret Capitol East, der blev undersøgt.

Opvarmning af en bygning er lettere, da du tilføjer energi. Afkøling af en bygning med centralt klimaanlæg er mere kompleks, tvinger varme ud af bygningen, hvilket igen øger den omgivende temperatur.

Et ekstra problem i Iowa er høj luftfugtighed, hvilket øger opfattelsen af ​​ubehag betydeligt om sommeren. Højere luftbevægelse i en bygning kan hjælpe på dette ubehag ved at afkøle en persons krop. Naturlig ventilation, sammenlignet med, kræver skygge for at give køligere luft mulighed for at bevæge sig gennem en bygning uden brug af mekaniske systemer.

"Min forskning startede med passive designstrategier for at sætte arkitekter i stand til bedre at forudsige, hvordan bygninger vil fungere, når de designer dem, "Sagde Passe." At forudsige den nøjagtige ydelse af bygninger designet med naturlig ventilation er svært at beregne matematisk. Hvorfor kan vi ikke bedre forudsige, hvordan luft bevæger sig inden for og væk fra bygninger? Der er århundreder med gode eksempler, men de blev designet intuitivt. Og vi har givet den viden væk på grund af tvungen luft. "

Sådan fungerer modellen

Først, ISU -forskergruppen opfandt 1, 142 træer og 340 bygninger i deres studiekvarter. Trædata inkluderet størrelse, Beliggenhed, art og baldakinform. Disse data blev integreret i en 3D-beregningsmodel udviklet af Sustainable Cities-teamet for at simulere træers effekter på en bygnings energiforbrug. Modellen er baseret på arbejde fra MIT's Sustainable Design Lab ledet af Christoph Reinhart, professor i arkitektur.

Mens almindelige energimodeller viser bygninger som selvstændige objekter, ISU Sustainable Cities -teamets nye model viser ikke kun energitilførslen fra nærliggende bygninger, men også virkningen af ​​det omgivende miljø - såsom træer.

Naturligvis, skyggen støbt af træer hjælper med afkøling. Men dette team tilføjede noget nyt til forskningen, studere både træskygge og fordampningstranspirationskøling:når solstråler rammer et træs baldakin, vand fordamper fra bladene, køle dem og reducere den omgivende lufttemperatur. Disse effekter kan reducere en nærliggende bygnings energiforbrug og forbedre indendørs og udendørs komfort til køling om sommeren.

"Et centralt spørgsmål er, kan vi udnytte træer og landskabspleje til at opveje bygningens energibehov og producere levedygtige forhold ved hjælp af lidt eller ingen energi? "sagde Ganapathysubramanian.

Med en ny model og "meshing" -funktioner (en proces finjusteret af Gao for perfekt at simulere forholdet mellem træer, bygninger, lufttemperatur og luftbevægelse), Iowa -statens forskere kan nu se, hvordan træer i forskellige højder og afstande fra bygninger påvirker ydermurens temperatur og den omgivende luftstrøm.

"Vi udvikler datadrevne modeller og fysikbaserede beregningsmodeller for beregning af væskedynamik for at se, om en bygning kan drives med naturlige luftstrømme, eller hvis det har brug for aircondition, "Passe sagde." Disse modeller er nødvendige i ekstreme varmehændelser, når strømmen går. "

De første resultater viser, at forskellige landskabspleje kan forbedre temperaturkontrollen i bygninger under ekstrem varme, da træer giver skygge, strålingsblokering og fordampningstranspirationskøling. Jo tættere et træ er på et hus, den større indvirkning det har på at reducere temperaturen og afbøje direkte sollys. Teamet fandt ud af, at et større træ ved siden af ​​et hus reducerer bygningens overfladetemperatur med op til 20 procent. Denne forskning har konsekvenser for bedre vinduesplacering på vægge og tage, når der designes boliger for at muliggøre bedre luftgennemstrømning og naturlig ventilation.

Fremtidig forskning har til formål at forbedre advarselssystemer under ekstreme varmehændelser. Den her sommer, Bæredygtige byers teammedlemmer Michael Dorneich, lektor i industri- og produktionssystemteknik; og hans ph.d. studerende, Jacklin Stonewall, arbejder på en prototype af en mobilapp, hvor brugerne kan indtaste oplysninger om deres hjem (temperatur, etc.). Crowdsourcing af disse oplysninger kan hjælpe sundhedsembedsmænd med at forbedre advarselssystemer og målrette varmerelaterede meddelelser til særligt sårbare kvarterer.

"Det er velkendt, at ressource-udfordrede kvarterer er stærkt påvirket af ekstreme vejrhændelser, særlig ekstrem varme, "Thompson sagde." Ældre og dem med færre ressourcer er de mest sårbare over for ekstrem varme og også mest tilbageholdende med at bruge samfundstjenester såsom offentlig transport og kølecentre.

"Det, der virkelig motiverer os, er at finde billigere måder at gøre verden til et bedre sted for mennesker, der er særligt sårbare."