Onderzoekers van de Iowa State University hebben een model ontwikkeld om te testen hoe schaduw en luchtstroom de binnentemperatuur kunnen verbeteren tijdens de zinderende hitte van de zomers in het Midwesten.

Nieuw onderzoek door Sustainable Cities, een onderzoeksgroep onder leiding van Ulrike Passe, universitair hoofddocent architectuur, toont de effecten van schaduw door bomen en verdamping op gebouwtemperaturen tijdens extreme hitte in het Midwesten. Sustainable Cities is een project binnen het Centre for Building Energy Research, die wordt geregisseerd door Passe.

Passe's onderzoeksteam presenteerde onlangs hun werk op de Comfort at the Extremes 2019 Conference in Dubai. Het team omvat Passe; Janet Thompson, Morrill hoogleraar ecologie en beheer van natuurlijke hulpbronnen; Baskar Ganapathysubramanian, hoogleraar werktuigbouwkunde; Boshun Gao, doctoraat student werktuigbouwkunde; en Breanna Marmur, doctoraat student in ecologie en beheer van natuurlijke hulpbronnen.

Het Midwesten zal naar verwachting de komende decennia meer hoge luchtvochtigheid en hoge dauwpuntdagen zien. Tegen 2036 tot 2065, een op de 10 jaar zal naar verwachting een "extreme hitte-gebeurtenis hebben, " gedefinieerd als een periode van vijf dagen die 13 graden warmer is dan een vergelijkbare eerdere periode, volgens de Nationale Klimaatanalyse.

De effecten van extreme hitte op kwetsbare bevolkingsgroepen

Wijken met lage inkomens worden onevenredig zwaar getroffen door extreme hitte, omdat veel huizen geen centrale airconditioningsystemen hebben vanwege de leeftijd van het gebouw of de elektriciteitskosten. In Polk County, tot 50 procent van de huizen met een laag inkomen heeft geen centrale airconditioning.

Dus vorig jaar het Sustainable Cities-team werkte samen met de stad Des Moines en de Polk County Health Department om onderzoek te doen naar het energieverbruik van gebouwen en hoe deze worden beïnvloed door de omgeving. De stad en de provincie willen meer weten om de meest kwetsbare bevolkingsgroepen van Des Moines te helpen, zoals de wijk Capitol East die werd bestudeerd.

Een gebouw verwarmen is makkelijker omdat je energie toevoegt. Het koelen van een gebouw met centrale airconditioning is complexer, warmte uit het gebouw dwingen, wat op zijn beurt de omgevingstemperatuur verhoogt.

Een bijkomend probleem in Iowa is de hoge luchtvochtigheid, wat de perceptie van ongemak in de zomer aanzienlijk verhoogt. Hogere luchtbeweging in een gebouw kan dit ongemak helpen door het lichaam van een persoon te koelen. Natuurlijke ventilatie, in vergelijking, heeft schaduw nodig om koelere lucht door een gebouw te laten stromen zonder het gebruik van mechanische systemen.

"Mijn onderzoek begon met passieve ontwerpstrategieën om architecten in staat te stellen beter te voorspellen hoe gebouwen zullen presteren wanneer ze ze ontwerpen, Passe zei. "Het voorspellen van de exacte prestaties van gebouwen die zijn ontworpen met natuurlijke ventilatie is wiskundig moeilijk te berekenen. Waarom kunnen we niet beter voorspellen hoe lucht zich binnen en van gebouwen beweegt? Er zijn eeuwen van goede voorbeelden, maar ze zijn intuïtief ontworpen. En we hebben die kennis weggegeven vanwege geforceerde lucht."

Hoe het model werkt

Eerst, het ISU-onderzoeksteam inventariseerde de 1, 142 bomen en 340 gebouwen in hun studiebuurt. Boomgegevens inclusief grootte, plaats, soorten en bladvorm. Deze gegevens zijn geïntegreerd in een 3D-computermodel dat is ontwikkeld door het Sustainable Cities-team om de effecten van bomen op het energieverbruik van een gebouw te simuleren. Het model is gebaseerd op werk van MIT's Sustainable Design Lab onder leiding van Christoph Reinhart, hoogleraar architectuur.

Terwijl gewone energiemodellen gebouwen als op zichzelf staande objecten tonen, Het nieuwe model van het ISU Sustainable Cities-team toont niet alleen de energie-input van nabijgelegen gebouwen, maar ook de impact van de omgeving, zoals bomen.

Blijkbaar, de schaduw van bomen helpt bij de verkoeling. Maar dit team voegde iets nieuws toe aan het onderzoek, zowel boomschaduw als verdampingskoeling bestuderen:wanneer zonnestralen het bladerdak van een boom raken, water verdampt uit de bladeren, ze te koelen en de temperatuur van de omgevingslucht te verlagen. Deze effecten kunnen het energieverbruik van een nabijgelegen gebouw verminderen en het binnen- en buitencomfort voor koeling in de zomer verbeteren.

"Een belangrijke vraag is kunnen we bomen en landschapsarchitectuur gebruiken om de energiebehoeften van gebouwen te compenseren en leefbare omstandigheden te creëren met weinig tot geen energie?" zei Ganapathysubramanian.

Met een nieuw model en "meshing"-mogelijkheden (een proces dat door Gao is verfijnd om de relatie tussen bomen perfect te simuleren, gebouwen, luchttemperatuur en luchtbeweging), de onderzoekers van de staat Iowa kunnen nu zien hoe bomen van verschillende hoogtes en afstanden van gebouwen de temperatuur van de buitenmuur en de omringende luchtstroom beïnvloeden.

"We ontwikkelen datagestuurde modellen en op fysica gebaseerde computationele vloeistofdynamicamodellen om te zien of een gebouw kan worden bediend met natuurlijke luchtstromen, of als het airconditioning nodig heeft, "Zei Passe. "Deze modellen zijn nodig bij extreme hitte wanneer de stroom uitvalt."

De eerste resultaten tonen aan dat verschillende landschapsarchitectuur de temperatuurregeling in gebouwen kan verbeteren tijdens extreme hitte, omdat bomen voor schaduw zorgen, stralingsblokkering en verdampingskoeling. Hoe dichter een boom bij een huis staat, hoe groter de impact die het heeft op het verlagen van de temperatuur en het afbuigen van direct zonlicht. Het team ontdekte dat een grotere boom naast een huis de oppervlaktetemperatuur van het gebouw tot 20 procent verlaagt. Dit onderzoek heeft implicaties voor een betere plaatsing van ramen op muren en daken bij het ontwerpen van huizen om een ​​betere luchtstroom en natuurlijke ventilatie mogelijk te maken.

Toekomstig onderzoek is gericht op het verbeteren van waarschuwingssystemen tijdens extreme hitte. Deze zomer, Sustainable Cities-teamleden Michael Dorneich, universitair hoofddocent industriële en productiesysteemtechniek; en zijn Ph.D. student, Jacklin Stonewall, werken aan een prototype van een mobiele app waarin gebruikers informatie over hun woning (temperatuur, enzovoort.). Crowdsourcing van deze informatie kan gezondheidsfunctionarissen helpen om waarschuwingssystemen te verbeteren en hittegerelateerde berichten te richten op bijzonder kwetsbare buurten.

"Het is algemeen bekend dat buurten met een schaarste aan hulpbronnen sterk worden beïnvloed door extreme weersomstandigheden, bijzonder extreme hitte, Thompson zei. "Ouderen en mensen met minder middelen zijn het meest kwetsbaar voor extreme hitte en ook het meest terughoudend om gebruik te maken van gemeenschapsdiensten zoals openbaar vervoer en koelcentra.

"Wat ons echt motiveert, is het vinden van goedkopere manieren om de wereld een betere plek te maken voor mensen die bijzonder kwetsbaar zijn."