ΜΕΤΡΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΝΗΣΟΥ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΦΥΤΕΥΣΗΣ ΔΩΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΟΨΕΩΝ

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 35 ΜΕΤΡΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΝΗΣΟΥ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΦΥΤΕΥΣΗΣ ΔΩΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΟΨΕΩΝ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΑΛΕΞΑΝΔΡΗ Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ, MPhil Cambridge, PhD Cardiff ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα δημοσίευση διερευνάται το θερμικό αποτέλεσμα των φυτεμένων δωμάτων και τοίχων στο δομημένο περιβάλλον, ως επίλυση του φαινομένου θερμικής νήσου. Η μελέτη γίνεται με τη χρήση ενός δυναμικού, δισδιάστατου μοντέλου μεταφοράς θερμότητας και μάζας, το οποίο έχει επιβεβαιωθεί με πειραματική διάταξη. Μ αυτόν τον τρόπο εκτιμάται ποσοτικά για διαφορετικές κλιματικές συνθήκες, αστικές γεωμετρίες, προσανατολισμούς, διευθύνσεις ανέμου και ποσότητες βλάστησης το κατά πόσο το φυτεμένο κτιριακό κέλυφος μπορεί να μετριάσει τις αυξημένες αστικές θερμοκρασίες. Διεξάγονται συμπεράσματα για το πώς κάθε παράμετρος επιδρά στο φαινόμενο, καθώς και στο κατά πόσο οι υπολογιζόμενες μειώσεις θερμοκρασίας μπορούν να συνεισφέρουν σε σημαντικές ποσότητες εξοικονόμησης ενέργειας από κλιματισμό και βελτίωση της θερμικής άνεσης στους αστικούς χώρους. Τέλος, γίνεται σύγκριση της θερμικής επιρροής των φυτεμένων δωμάτων σε σχέση με υλικά υψηλής ανακλαστικότητας.

36 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με τη Βιομηχανική Επανάσταση και τις ανάγκες της για αστικοποίηση, οι πόλεις εξελίχθηκαν με πολύ πιο γρήγορους ρυθμούς στο 19 ο και 20 ο αιώνα και επεκτάθηκαν σε μεγαλύτερες εκτάσεις απ ό,τι σε κάθε προηγούμενη εξελικτική περίοδο του ανθρώπου. Μη αστικές και αγροτικές περιοχές έγιναν ταχύτατα μέλη του αστικού ιστού, τοποθετώντας το αστικό κέντρο ακόμα μακρύτερα από τη φύση. Αυτό είχε άμεσο αποτέλεσμα στις θερμικές ισορροπίες του αστικού περιβάλλοντος. Γενικά οι πόλεις, λόγω των δομικών υλικών που χαρακτηρίζονται από υψηλή θερμοχωρητικότητα, χαμηλή ανακλαστικότητα και ανύπαρκτο πορώδες που κυριαρχούν, έχουν υψηλότερες θερμοκρασίες από τις περιάστικες περιοχές και παρουσιάζουν μία πληθώρα αλλοιώσεων των κλιματικών τους χαρακτηριστικών. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό με την ονομασία φαινόμενο θερμικής νήσου. Αν και οι διαφοροποιήσεις μεταξύ του αστικού και του αγροτικού περιβάλλοντος, από άποψη ποιότητας του αέρα, είχαν επισημανθεί από τα Ρωμαϊκά χρόνια [1], οι θερμοκρασιακές διαφορές της αστικής κλιματολογίας καταγράφηκαν επιστημονικώς το 1820 από τον Luke Howard, ο οποίος μελέτησε το φαινόμενο θερμικής νήσου του Λονδίνου [2]. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά του φαινομένου θερμικής νήσου είναι οι γενικά αυξημένες θερμοκρασίες στο κέντρο της πόλης. Οι αυξημένες αυτές θερμοκρασίες, όπως θα αναλυθεί παρακάτω, ευθύνονται για αύξηση της ζήτησης ενέργειας για ψύξη τη θερινή περίοδο, καθώς και για θανάτους που σχετίζονται με αυξημένες αστικές θερμοκρασίες. Στην παρούσα δημοσίευση ερευνάται τί προκαλεί το φαινόμενο θερμικής νήσου και μελετώνται λύσεις μετριασμού του φαινομένου. Προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί κατά πόσο μπορούν να μειωθούν οι αστικές θερμοκρασίες και τα αποτελέσματά αυτής της μείωσης τόσο σε επίπεδο ζήτησης ενέργειας, όσο και σε επίπεδο θερμικής άνεσης, δημιουργήθηκε ένα δυναμικό, δισδιάστατο μοντέλο μεταφοράς θερμότητας και μάζας. Παρουσιάζεται συνοπτικά η ακρίβεια του μοντέλου, σε σχέση με πειραματική διάταξη, και ακολούθως το κατά πόσο μπορεί να μετριασθεί το φαινόμενο θερμικής νήσου, μέσω τεχνικών όπως τα φυτεμένα δώματα, οι φυτεμένοι τοίχοι και τα υψηλής ανακλαστικότητας υλικά.

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 37 2. ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΝΗΣΟΥ Οι κύριες διαφορές μεταξύ του αστικού και του αδόμητου περιβάλλοντος (αγροτικού ή δασικού) εξαρτώνται, κυρίως, από παράγοντες που επηρεάζουν τη μεταφορά θερμότητας σε τοπική κλίμακα και έχουν υποστεί αλλοιώσεις στο δομημένο περιβάλλον. Παράγοντες όπως οι οπτικές και θερμικές ιδιότητες των υλικών (ανακλαστικότητα, ικανότητα εκπομπής, θερμοχωρητικότητα) έχουν διαφορετικές τιμές για τα υλικά των αστικών σε σχέση με τα υλικά των περιαστικών περιοχών. Επιπλέον, οι αστικές περιοχές χαρακτηρίζονται από έλλειψη υλικών που διαπνέουν (φυτά και πορώδη υλικά). Εκτός αυτού, η γεωμετρία μιας περιοχής με βλάστηση και η μορφολογία μιας αστικής περιοχής είναι εντελώς διαφορετικές, με άμεσο αποτέλεσμα στην ταχύτητα και ροή του ανέμου, καθώς και στο σκιασμό των επιφανειών. Υπάρχουν, επίσης, ανθρώπινες δραστηριότητες στις πόλεις, οι οποίες ευθύνονται για ανθρωπογενή παραγωγή θερμότητας (μεταφορές, θέρμανση νερού και χώρου, ψύξη χώρου κλπ), καθώς και ατμοσφαιρική ρύπανση, η οποία επηρεάζει τη νέφωση στις πόλεις. Ο συνδυασμός αυτών των παραγόντων καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο η θερμότητα απορροφάται, αποθηκεύεται, εκλύεται και διανέμεται στο αστικό περιβάλλον, με κύριο αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας στις πόλεις. Η σπουδαιότητα αυτών των παραγόντων για τον σχηματισμό της θερμικής νήσου εξετάζεται παρακάτω. 2.1 Οπτικές και θερμικές ιδιότητες Η ανακλαστικότητα μιας επιφάνειας προσδιορίζει την ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια που απορροφάται από εκείνη. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της ανακλαστικότητας, τόσο χαμηλότερη ενέργεια απορροφάται από το υλικό. Γενικά, οι αστικές επιφάνειες τείνουν να έχουν χαμηλότερες τιμές ανακλαστικότητας, σε σχέση με τις φυτεμένες περιαστικές επιφάνειες, απορροφώντας έτσι μεγαλύτερα ποσά ηλιακής ακτινοβολίας. Με αυτό τον τρόπο οι επιφανειακές θερμοκρασίες που εκτίθενται στην ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να έχουν μεγαλύτερες τιμές από τη θερμοκρασία αέρα, ακόμα και κατά 30 o -40 o C [3]. Η θερμοκρασία του αέρα αυξάνει από τη θερμότητα που ανταλλάσσεται με συναγωγή από αυτές τις επιφάνειες. Η ανακλαστικότητα των αστικών

38 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ επιφανειών είναι, λοιπόν, ένας πολύ σημαντικός παράγοντας για την αύξηση της ζήτησης ενέργειας για ψύξη στις αστικές περιοχές. Η ικανότητα εκπομπής καθορίζει την ακτινοβολία μεγάλου μήκους (θερμική ακτινοβολία) από ένα σώμα σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Όσο πιο μεγάλη είναι η ικανότητα εκπομπής, τόσο πιο μεγάλη ποσότητα θερμότητας εκπέμπεται από το σώμα. Είναι, λοιπόν, σημαντική για την ανακατανομή της θερμότητας μέσα στο σύστημα του δομημένου περιβάλλοντος, καθώς και για τις ανταλλαγές θερμότητας από ακτινοβολία με τον ουρανό. Καθώς η θερμότητα από ακτινοβολία που εκπέμπεται μεταξύ σωμάτων είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης μεταξύ τους, ο ρόλος της ικανότητας εκπομπής στον σχηματισμό της θερμικής νήσου εξαρτάται από την αστική γεωμετρία και τον συντελεστή θέασης των αστικών επιφανειών με τον ουρανό. Έχει αναφερθεί ότι διαφορές στην ικανότητα εκπομπής μεταξύ των αστικών και αγροτικών περιοχών μπορεί να έχει πιθανή επιρροή στον σχηματισμό της θερμικής νήσου [4]. Ωστόσο, οι Grimmond et al. [5] προσομοίωσαν την επίδραση των οπτικών και θερμικών χαρακτηριστικών των υλικών, που ευθύνονται για το φαινόμενο θερμικής νήσου και διαπίστωσαν ότι ο ρόλος της ικανότητας εκπομπής είναι δευτερεύοντας. Καθώς η ικανότητα εκπομπής αύξανε από 0.85 σε 1.00 υπήρχε μικρή αύξηση της έντασης θερμικής νήσου, της τάξης των 0.4K, κατά τη διάρκεια της νύχτας, για πολύ στενά αστικά φαράγγια. Για φαράγγια με μεγαλύτερους συντελεστές θέασης, πρακτικά δεν παρατηρήθηκαν αλλαγές. Η θερμοχωρητικότητα είναι η ικανότητα του σώματος να αποθηκεύει θερμότητα. Οι αστικές κατασκευές έχουν την τάση να έχουν υψηλή θερμοχωρητικότητα. Αντιθέτως, η θερμοχωρητικότητα των φυτών είναι σχεδόν αμελητέα, όπως επίσης και η μάζα τους. Λόγω της μεγάλης θερμοχωρητικότητας των δομικών υλικών, η ενέργεια που λαμβάνεται από τις αστικές επιφάνειες αρχικά αποθηκεύεται και εκλύεται αργότερα, όταν η περιβάλλουσα θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από την επιφανειακή. Σε αντίθεση, οι επιφάνειες των φυτών δεν αποθηκεύουν θερμότητα. Η θερμότητα που αποθηκεύεται στα αστικά υλικά κατά τη διάρκεια της ημέρας εκλύεται τη νύχτα, αυξάνοντας έτσι τη νυχτερινή θερμοκρασία αέρα. Η επιπλέον θερμότητα που αποθηκεύεται στο αστικό περιβάλλον μπορεί να εμποδίσει τον νυχτερινό δροσισμό σε εξαιρετικά θερμές ημέρες με μεγάλη

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 39 ηλιακή ακτινοβολία και καθαρό ουρανό. Με αυτό τον τρόπο επιβραδύνεται ο νυχτερινός δροσισμός των επιφανειών και σε ακραίες καταστάσεις εμποδίζεται εντελώς. Σε πυκνές αστικές γεωμετρίες, με περιορισμένη βλάστηση και σκίαση, αυτό το φαινόμενο είναι αρκετά συχνό τη θερινή περίοδο. 2.2 Ανθρωπογενής παραγωγή θερμότητας Η ανθρωπογενής θερμότητα είναι η θερμότητα που παράγεται από ανθρώπινες δραστηριότητες στις αστικές περιοχές. Είναι ένας αρκετά σημαντικός παράγοντας στον σχηματισμό της θερμικής νήσου, ότανν τόσο η χρήση ενέργειας ανά κεφαλή, όσο και η πυκνότητα του πληθυσμού είναι μεγάλες [6]. Σε περιοχές μεγάλης πυκνότητας η ανθρωπογενής θερμότητα μπορεί να είναι ίση ή και μεγαλύτερη από τη χειμερινή ηλιακή ακτινοβολία, ακόμα κι από τη θερινή ηλιακή ακτινοβολία, σε περίπτωση έντονης χρήσης κλιματιστικών. Οι Harrison και McGoldrick [7] προσδιόρισαν τις ανθρωπογενείς ροές θερμότητας (μεταφορές, βιομηχανία, υπηρεσίες και νοικοκυριά) στη Μεγάλη Βρετανία. Για την πόλη του Λονδίνου, η ανθρωπογενής ροή θερμότητας κυμαίνεται από λιγότερο από 1W/m 2 στις περιαστικές περιοχές σε περισσότερο από 300W/m 2 στο κέντρο του Λονδίνου. Εν συγκρίσει, η μέση ολική ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο τον Ιούνιο στο Λονδίνο είναι 455W/m 2 [8]. Στο κέντρο του Λονδίνου (διάμετρος 5 km) η ανθρωπογενής ροή θερμότητας ξεπερνά τη φυσική ροή θερμότητας για κάθε μήνα του χρόνου [7]. Ο Oke [6] επίσης συνέκρινε τη θερινή ανθρωπογενή θερμότητα, από όλες τις πηγές σε ορισμένες πόλεις, με την καθαρή ακτινοβολία (μικρού και μεγάλου μήκους) από τον ουρανό. Παρατήρησε ότι η ανθρωπογενής θερμότητα μπορεί να είναι της ίδιας τάξης μεγέθους ή και μεγαλύτερη από την καθαρή ακτινοβολία από τον ουρανό. Μετεωρολογικές προσομοιώσεις [9] έδειξαν ότι η ανθρωπογενής θερμότητα σε μεγάλο αστικό κέντρο μπορεί να ευθύνεται για αύξηση της αστικής θερμοκρασίας κατά 2-3 C τόσο τη μέρα, όσο και κατά τη διάρκεια της νύχτας. Αναλόγως με τις δραστηριότητες που λαμβάνουν χώρα σε κάθε πόλη, η ανθρωπογενής παραγωγή θερμότητας οφείλεται, κυρίως, σε διάφορες πηγές. Για παράδειγμα, στη Βομβάη και στο Δελχί στις Ινδίες, η κυριότερη πηγή ανθρωπογενούς θερμότητας είναι τα οχήματα [10]. Στο Παρίσι, η κύρια πηγή ανθρωπογενούς θερμότητας ήταν η βιομη-

40 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ χανία, αλλά από τη δεκαετία του 1980, οι Κυριακές παρουσιάζουν τους ίδιους ρύπους με τις υπόλοιπες ημέρες της εβδομάδας, ωθώντας στο συμπέρασμα ότι και οι μεταφορές παίζουν πλέον σημαντικό ρόλο [11]. 2.3 Ένταση θερμικής νήσου Οι αλλοιώσεις τον παραγόντων που παρουσιάσθηκαν παραπάνω, οδηγούν σε νέες ισορροπίες ενέργειας στις αστικές περιοχές, οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές κατανομές της θερμοκρασίας του αέρα στις αστικές περιοχές. Γενικά, μπορεί να υποστηριχθεί, ότι οι διαφορές στη θερμοκρασία του αέρα μεταξύ μιας αστικής και μιας αγροτικής περιοχής, σε σχέση με την απόσταση μεταξύ τους, για μια μεγάλης έκτασης πόλη σε καθαρό ουρανό, παρουσιάζουν απότομη αύξηση στην κλίση του διαγράμματος της θερμοκρασίας προς το κέντρο της πόλης, σχηματίζοντας μορφή νήσου [6], όπως φαίνεται στην Εικόνα 1. Εικόνα 1. Τυπική κατανομή της αστικής θερμικής νήσου [6] Θεωρητικά, το μέγεθος της θερμικής νήσου θα μπορούσε να προέλθει από σύγκριση κλιματικών μετρήσεων στην περιοχή πριν την αστικοποίησή της και σημερινές μετρήσεις, μετά τη διαμόρφωση της πόλης [6]. Στις περισσότερες περιπτώσεις κάτι τέτοιο είναι αδύνατο, καθώς οι περισσότερες πόλεις έχουν ιδρυθεί πολύ πριν την καθιέρωση των μετεωρολογικών μετρήσεων. Αντ αυτού είναι συνήθης πρακτική να συγκρίνονται τα κλιματικά δεδομένα από το κέντρο της αστικής περιοχής με εκείνα αγροτικού ή μη αστικού σταθμού της περιοχής. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των αστικών και των αγροτικών περιβαλλόντων ονομάζεται ένταση θερμικής νήσου και είναι ένας δείκτης του μεγέθους του φαινομένου θερμικής νήσου. Συνήθως, υπολογίζεται από τη διαφορά της μέγιστης αστικής θερμοκρασίας και της αντίστοιχής της αγροτικής θερμοκρασίας (ibid.).

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 41 Στο παράδειγμα του Παρισιού, η μέση ετήσια ένταση θερμικής νήσου είναι του μεγέθους από +2 o C έως +3 o C, σε σχέση με την περιβάλλουσα ύπαιθρο. Εκτιμάται ότι μόνο πολύ δυνατός άνεμος, με μέση ταχύτητα μεγαλύτερη των 11m/s ή έντονη βροχόπτωση μπορεί να εξαλείψουν το φαινόμενο θερμικής νήσου του Παρισιού σχεδόν ολοσχερώς, αλλά μόνο περιστασιακά [12]. Για το Λονδίνο, η ένταση θερμικής νήσου είναι της τάξης των +1.4 o C [2]. Στο Χονγκ Κονγκ, η ένταση θερμικής νήσου κατά τη διάρκεια της ημέρας φτάνει τους +1.5 o C το καλοκαίρι [13], ενώ και για το Τελ Αβίβ, η ένταση θερμικής νήσου είναι ίδιας τάξης μεγέθους (+1.5 έως +2.5 o C) [14]. Λόγω της μεγάλης ανομοιογένειας των πόλεων, υπάρχουν πολλές χωρικές διαφοροποιήσεις, εντός της ίδιας πόλης. Η θερμοκρασία του αέρα καθορίζεται από το μικροκλίμα της κάθε περιοχής της πόλης, το οποίο καθορίζεται από την πυκνότητα, τη γεωμετρία, τα υλικά και την ύπαρξη βλάστησης. Εκτός αυτού, η ένταση θερμικής νήσου αλλάζει κατά τη διάρκεια της ημέρας, ακολουθώντας τόσο εικοσιτετράωρη όσο και εποχιακή κατανομή. Η εικοσιτετράωρη κατανομή χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερες θερμοκρασιακές διαφορές μεταξύ αστικών και αγροτικών περιοχών κατά τη διάρκεια της νύχτας, λόγω της μεγάλης θερμοχωρητικότητας των αστικών δομικών υλικών καθώς και της εξατμισοδιαπνοής των φυτών στις αγροτικές περιοχές. Η εποχιακή κατανομή του φαινομένου θερμικής νήσου εξαρτάται από το κλίμα της περιοχής και τα τοπικά χαρακτηριστικά της περιοχής και της πόλης. Γενικά, για πόλεις με θερμά καλοκαίρια, η ένταση της θερμικής νήσου είναι συνήθως μεγαλύτερη τη θερινή περίοδο, σε σχέση με τη χειμερινή. Οι πόλεις της νοτίου Ευρώπης πλήττονται από θερμικές νήσους μεγαλύτερης έντασης το καλοκαίρι, σε σχέση με πόλεις της κεντρικής ή της βορείου Ευρώπης. Στην Αθήνα, οι μέχρι σήμερα δημοσιευμένες επιστημονικές μελέτες έχουν δείξει ότι η θερινή ένταση θερμικής νήσου έχει μέση τιμή 12 o C, ενώ το χειμώνα είναι 8 o C, με 4 o C διαφορά στις τιμές των δύο εποχών [3]. Στη Ρώμη η ένταση θερμικής νήσου είναι μικρότερη με τιμή 5 o C για το καλοκαίρι και 2 o C για το χειμώνα [15]. Παρόλ αυτά η διαφορά μεταξύ της έντασης αστικής νήσου των δύο εποχών είναι κοντά στη διαφορά της έντασης της Αθήνας, φτάνοντας τους 3 o C. Σε κεντρικές και βόρειες Ευρωπαϊκές πόλεις υπάρχει μικρή διαφορά μεταξύ των θερινών και χειμερινών εντάσεων θερμικής νήσου [1]. Για παράδειγμα, στο Λονδίνο, η

42 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ χειμερινή ένταση θερμικής νήσου είναι 1.2 o C και η θερινή 1.6 o C, με μόνο 0.4 o C διαφορά μεταξύ τους [2]. Η ένταση θερμικής νήσου του Παρισιού είναι 2.9 o C το καλοκαίρι και 1.9 o C το χειμώνα [12], με 1 o C διαφορά μεταξύ τους, λίγο μεγαλύτερη από τη διαφορά του Λονδίνου, αλλά πολύ μικρότερη από τη διαφορά της Αθήνας ή της Ρώμης. Εκτός αυτού, η ένταση θερμικής νήσου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος της πόλης και την πυκνότητα κατοίκισής της. Έχει παρατηρηθεί ότι πόλεις με πληθυσμό της τάξης μεγέθους των χιλιάδων κατοίκων έχουν μέγιστες εντάσεις θερμικής νήσου της τάξης των 2 έως 3 o C, ενώ πόλεις με πληθυσμό άνω του ενός εκατομμυρίου μπορεί να παρουσιάζουν ένταση θερμικής νήσου της τάξης των 8 έως 12 o C [1]. Όσο πιο μεγάλη και πιο πυκνοκατοικημένη είναι μία πόλη, τόσο μεγαλύτερες διαφοροποιήσεις παρατηρούνται μεταξύ της πόλης και των περιαστικών περιοχών [16]. Η αστικοποίηση μπορεί να θεωρηθεί ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το φαινόμενο θερμικής νήσου. Στις περισσότερες πόλεις που έχουν επεκταθεί δραματικά τον 20 ο αιώνα, έχει διαπιστωθεί σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας. Στο Παρίσι, από μετεωρολογικές μετρήσεις της περιόδου από το 1891 έως το 1968 παρατηρήθηκε 1.1 o C αύξηση για τις μέγιστες θερμοκρασίες και 1.9 o C αύξηση για τις ελάχιστες θερμοκρασίες, με 0.8 o C μείωση του ημερήσιου εύρους. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου η πόλη επεκτάθηκε σε σημαντικό βαθμό, με την επιφάνεια της κατοικημένης περιοχής της να αυξάνει από τα 100 km 2 στα 2300 km 2 [12]. 2.4 Πρέπει να μετριασθεί η θερμική νήσος; Λόγω των σημερινών οικονομικών και κοινωνικών συνθηκών, η τάση του αστικού πληθυσμού είναι να αυξάνει. Σύμφωνα με το Διεθνές Γραφείο Καταγραφής Πληθυσμών, στα μέσα του 2004, το 48% του συνολικού πληθυσμού του πλανήτη (6.4 δισεκατομμύρια άνθρωποι) ζούσαν σε αστικά περιβάλλοντα [17]. Εν συγκρίσει, το 1950 μόνο το 30% των 2.5 δισεκατομμυρίων ανθρώπων ήταν κάτοικοι αστικών περιοχών [18]. Εκτιμάται ότι το 2030 περισσότερο από το 60% των κατοίκων του πλανήτη θα κατοικεί σε αστικές περιοχές [19], καθώς δεν υπάρχει καμιά ένδειξη για μείωση ή αναστροφή του φαινομένου της αστικοποίησης [20]. Καθώς αναμένεται κι άλλη επέκταση των αστικών κέντρων πάνω στις γύρω τους περιοχές, είναι σχεδόν βέβαιο ότι το φαινόμενο θερμικής νήσου και

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 43 οι επιπτώσεις τους θα είναι ακόμα πιο ισχυρές στο μέλλον, εκτός εάν ληφθούν μέτρα για το μετριασμό των αυξημένων αστικών θερμοκρασιών. Έχει υποστηριχθεί, ότι για τα ψυχρά κλίματα, το φαινόμενο θερμικής νήσου μπορεί να έχει θετικές επιπτώσεις στη ζήτηση ενέργειας για θέρμανση [16], επειδή η θερμοκρασία γύρω από τα κτίρια είναι υψηλότερη, απαιτούνται μικρότερα ποσά ενέργειας για θέρμανση. Ωστόσο, λόγω της κλιματικής αλλαγής και των αυξημένων θερμοκρασιών της, αυτή η προοπτική έχει αλλάξει. Εκτιμάται ότι ο συνδυασμός της κλιματικής αλλαγής και του φαινομένου θερμικής νήσου στο Λονδίνο μπορεί να επιφέρει μεγαλύτερη ζήτηση για ψύξη, παρά σε μείωση της ζήτησης ενέργειας για θέρμανση, με παράλληλη αύξηση των θανάτων που σχετίζονται με τις αυξημένες αστικές θερμοκρασίες [21]. Για τις πόλεις σε θερμότερα κλίματα, το φαινόμενο θερμικής νήσου έχει φανεί να έχει αρνητικά αποτελέσματα τόσο στην κατανάλωση ενέργειας για ψύξη, όσο και στην ποιότητα ζωής στις πόλεις. Στην Αθήνα, οι υψηλές θερμοκρασίες στο κέντρο τη θερινή περίοδο, αυξάνουν τη ζήτηση σε ψύξη πολύ περισσότερο σε σχέση με την εξοικονόμηση ενέργειας για θέρμανση τη χειμερινή περίοδο και μπορεί να προκαλέσουν αφόρητες καταστάσεις θερμικού στρες. Λόγω της αυξημένης έντασης θερμικής νήσου, οι βαθμοημέρες ψύξης στο κέντρο της Αθήνας είναι κατά 350% μεγαλύτερες σε σχέση με τα προάστια, ενώ οι βαθμοημέρες θέρμανσης είναι μόνο 40-60% χαμηλότερες [3]. Οι Rosenfeld et al. [22] έδειξαν ότι για κάθε αύξηση κατά 1 o C της μέγιστης ημερήσιας θερμοκρασίας, πάνω από τους 15 o C με 20 o C στις αμερικάνικες πόλεις, η ζήτηση αιχμής του ηλεκτρικού φορτίου αυξάνει κατά 2 4%. Η χρήση κλιματιστικών σε πολύ πυκνοκατοικημένες περιοχές αυξάνει κατά πολύ τη θερμοκρασία στο μικροκλίμα των κτιρίων [23], αυξάνοντας έτσι τη ζήτηση ψύξης, οδηγώντας σε ένα φαύλο κύκλο αύξησης της περιβάλλουσας θερμοκρασίας και της ενεργειακής ζήτησης. Εκτός αυτού, η επιπλέον ανάγκη ενέργειας για ψύξη οδηγεί σε αυξημένες εκπομπές ρύπων από σταθμούς παραγωγής ηλεκτρισμού και κλιματιστικών συστημάτων, όπως διοξείδιο του θείου, μονοξείδιο του άνθρακα, οξείδια του αζώτου κοκ. Κυρίως τη θερινή περίοδο, σε πόλεις με θερμά κλίματα, ο συνδυασμός αυτός υψηλών θερμοκρασιών και αερίων ρύπων μπορεί να είναι υπεύθυνος για μεγάλα ποσοστά θνησιμότητας και νοση-

44 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ρότητας [24]. Ο δεκαήμερος καύσωνας το 1987 στην Αθήνα κόστισε 926 θανάτους που σχετίστηκαν άμεσα με τις υψηλές θερμοκρασίες, ενώ η επιπλέον θνησιμότητα εκτιμήθηκε να είναι πάνω από 2000 [25]. Αναμένοντας την αύξηση των ακραίων καιρικών φαινομένων, λόγω της κλιματικής αλλαγής, όπως έντονους καύσωνες, και την αύξηση των μέγιστων και των ελάχιστων θερμοκρασιών [26], οι κάτοικοι των πόλεων θα υποφέρουν πιο συχνά από υπέρμετρο θερμικό στρες. Καθώς οι περισσότεροι θάνατοι που σχετίζονται με τον καύσωνα σημειώνονται στα αστικά κέντρα [24], [25], η υγεία των κατοίκων των αστικών κέντρων, δηλαδή πλέον της πλειοψηφίας της γης, θα τίθεται σε μεγαλύτερους κινδύνους [25], [26]. Έχει εκτιμηθεί, ότι η μείωση των αστικών θερμοκρασιών κατά 0.5-1.0 o C μπορεί να μειώσει την αστική θνησιμότητα κατά 10-20% [24]. Εκτός από την εξοικονόμηση ενέργειας από τον μετριασμό του φαινομένου θερμικής νήσου, όταν διακυβεύονται ανθρώπινες ζωές λόγω του φαινομένου θερμικής νήσου, είναι πλέον αναγκαίο να ληφθούν άμεσα μέτρα για την αντιμετώπισή του. Εκ πρώτης όψεως, η γενική έλλειψη βλάστησης στις υπάρχουσες πόλεις είναι ένας από τους παράγοντες που ευθύνονται για το σχηματισμό υψηλότερων αστικών θερμοκρασιών. Στις περισσότερες πόλεις ικανές ποσότητες βλάστησης βρίσκονται συγκεντρωμένες σε πάρκα και άλση. Ανάλογα με την ιστορική, πολεοδομική εξέλιξη της πόλης και, όσον αφορά τις δυτικές πόλεις, τη σχέση της με τους βοτανικούς κήπους το Μεσαίωνα και το νατουραλιστικό κίνημα το 19 ο αιώνα [27], η ποσότητα της βλάστησης και η σχέση της με το δομικό ιστό διαφέρει για τις πόλεις ανά τον κόσμο. Η πόλη της Αθήνας, με τους αλλεπάλληλους μεταναστευτικούς πληθυσμούς που γνώρισε κατά τον 20 ο αιώνα αναπτύχθηκε κυρίως με οικονομικά κριτήρια, που οδήγησαν σε πυκνοδομημένες συνοικίες. Σήμερα, οι ανοιχτοί χώροι και τα πάρκα στην Αθήνα είναι μόνο 2,7m 2 ανά κεφαλή. Εν συγκρίσει, οι ανοιχτοί χώροι στη Ρώμη είναι 9,9m 2 ανά κεφαλή, 8,4m 2 ανά κεφαλή στο Παρίσι και 15,0m 2 ανά κεφαλή στο Λονδίνο [28]. Καθώς δεν υπάρχει καμία συνύφανση του αστικού ιστού με τις πράσινες μεμονωμένες επιφάνειες, το ψυκτικό φαινόμενο των φυτών είναι μόνο τοπικό, χωρίς να είναι έτσι σε θέση να επηρεάσει τις ανεβασμένες αστικές θερμοκρασίες, παρά μόνο στη μικρή περιοχή του κι όχι σε ολόκληρη την αστική επιφάνεια. Μελέτες έχουν δείξει ότι τα αστικά πάρ-

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 45 κα χαμηλώνουν τη θερμοκρασία του αέρα στο εσωτερικό τους, αλλά οι θερμοκρασίες του αέρα γύρω από το πάρκο κυρίως επηρεάζονται από άλλες παραμέτρους, όπως την πυκνότητα δόμησης, την κτιριακή γεωμετρία, τη θερμότητα που παράγεται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες κι όχι τόσο από την ύπαρξη του πάρκου [3], [16], [29]. Με τις αυξημένες θερμοκρασίες των δομικών υλικών και της ασφάλτου, τα πάρκα και οι ανοιχτοί χώροι αδυνατούν να μειώσουν τις αστικές θερμοκρασίες στα μέρη της πόλης όπου οι άνθρωποι περνούν τον περισσότερο καιρό τους ζώντας, δουλεύοντας: τα κτίρια. Εάν τοποθετηθούν φυτά όσο πιο κοντά στο κτιριακό κέλυφος γίνεται, τα θερμικά πλεονεκτήματα των φυτών θα μπορούν να γίνουν αισθητά στην περιοχή του κτιρίου. Τα μέτρα που μπορούν να ληφθούν στις υπάρχουσες, επεκτεινόμενες πόλεις είναι περιορισμένα. Η πολεοδομική αλλαγή για τον μετριασμό του φαινομένου είναι σχεδόν αδύνατη, καθώς η αστική νησίδα θα μπορούσε να μετριασθεί μόνο με την τοποθέτηση πολλών μικρών πάρκων στον αστικό ιστό, σύμφωνα με τις κυρίαρχες διευθύνσεις των ανέμων [16], που θα σήμαινε την κατεδάφιση κτιρίων και γειτονιών, κάτι που κοινωνικώς, οικονομικώς και τελικά πρακτικώς είναι αδύνατο. Υπάρχει όμως η δυνατότητα να τοποθετηθούν φυτά ή ψυχρά υλικά στην κλίμακα του κτιρίου, χωρίς να επηρεάζουν τη γενικότερη κτιριακή διάταξη. Αλλάζοντας τις πιο βασικές ιδιότητες των κτιριακών υλικών, που επηρεάζουν το φαινόμενο της θερμικής νήσου, δηλαδή, την ανακλαστικότητα και τη διαπνοή, μπορεί να μειωθούν σε ικανοποιητικό βαθμό οι αστικές θερμοκρασίες. Εάν λοιπόν, οι εξωτερικές επιφάνειες των κτιρίων (δώματα και τοίχοι), καλυφθούν με βλάστηση ή με υλικά υψηλής ανακλαστικότητας, υπάρχει πιθανότητα να μειωθούν οι αυξημένες αστικές θερμοκρασίες, ιδιαίτερα της θερινής περιόδου. Γενικά, η βλάστηση έχει χαμηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες από τα περισσότερα δομικά υλικά κατά τη διάρκεια των θερμών ημερών, λόγω του γεγονότος ότι το φύλλο, ως ζωντανό υλικό, ανταποκρίνεται στις μεταβολές των καιρικών συνθηκών. Η επιφανειακή του θερμοκρασία δεν απέχει πολύ από τη θερμοκρασία αέρα, κι έτσι μπορεί να είναι κατά 20-35 o C χαμηλότερη από ό,τι εκείνη των περισσότερων δομικών υλικών στο αστικό περιβάλλον [30]. Τα φυτά, όντας ζωντανοί οργανισμοί, διατηρούν τη θερμοκρασία τους σε ένα εύρος που τους επιτρέπει να επιζήσουν, το οποίο κυμαίνεται από 5 έως 40 o C για

46 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ τα περισσότερα είδη [31]. Με την εξατμισοδιαπνοή το φυτό καταφέρνει να μετατρέπει τα μόρια του νερού σε ατμό, καταναλώνοντας ηλιακή ενέργεια, κι ως ένα σημείο ενέργεια από τη θερμοκρασία του αέρα. Εκτιμάται ότι ο ρυθμός απώλειας νερού από ένα φύλλο είναι συνήθως πάνω από 50% από ένα κομμάτι υγρού χαρτιού του ίδιου μεγέθους, σχήματος και έκθεσης [32], αν και οι πόροι μέσω των οποίων συμβαίνει η εξάτμιση αναλογούν μόνο στο 1% της συνολικής επιφάνειας του φύλλου [31]. Μ αυτόν τον τρόπο τα φυτά διατηρούν τη θερμοκρασία τους σε επιθυμητά για την επιβίωσή τους επίπεδα. Αυτά τα επίπεδα θερμοκρασίας είναι πιο κοντά στα επίπεδα θερμοκρασίας που χαρακτηρίζονται ως θερμικώς άνετα για την ανθρώπινη ζωή από ότι τα αυξημένα επίπεδα επιφανειακών θερμοκρασιών των δομικών υλικών 1. Εάν επιτευχθεί μια συνύφανση των κτιρίων στις πόλεις με τη βλάστηση, η ψυκτική δράση των φυτών θα μπορούσε να επηρεάσει όλο τον αστικό ιστό. Ανεκμετάλλευτες επιφάνειες κτιρίων, όπως τα δώματα κι η πλειοψηφία των εξωτερικών τοιχοποιιών μπορούν να μεταμορφωθούν σε φυτεμένες, με τη χρήση είτε φυτών χαμηλού ύψους για τα δώματα ή αναρριχητικών φυτών για τους τοίχους ή τεχνικών κατακόρυφης φύτευσης [33]. Προκειμένου να εξεταστεί η ορθότητα αυτής της θεώρησης, ένα δυναμικό, δισδιάστατο μοντέλο, το οποίο περιγράφει τη μεταφορά θερμότητας σε ένα αστικό φαράγγι, έχει αναπτυχθεί. Σκοπός αυτού του μοντέλου είναι να προβλέψει ποσοτικά τη μείωση των θερμοκρασιών (επιφανειακών και αέρα) που μπορεί να επιτευχθεί, όταν τα δώματα ή και οι εξωτερικές τοιχοποιίες των κτιρίων καλύπτονται με φυτά, για διαφορετικά κλιματικά χαρακτηριστικά και διαφορετικές αστικές γεωμετρίες. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, το χαρακτηριστικό της υγρασίας ενός κλίματος δεν μπορεί να μη ληφθεί υπ όψη σε μια τέτοια προσομοίωση, καθώς επηρεάζει άμεσα την ποσότητα που εξατμισοδιαπνέει ένα φυτό καθώς και το ρυθμό με τον οποίο αυτή επηρεάζει τη θερμοκρασία. Προκειμένου να περιγραφεί ιδιαίτερα η επίδραση αυτού του φαινομένου στο αστικό κλίμα, κρίθηκε αναγκαία η ανάπτυξη ενός τέτοιου μοντέλου μεταφοράς θερμότητας και μάζας [34]. Οι αρχές σχεδιασμού του μοντέλου και τα αποτελέσματά του σχετικά με τα φυτεμένα δώματα και τις φυτεμένες τοιχοποιίες παρουσιάζονται παρακάτω. 1 Έχουν μετρηθεί επιφανειακές θερμοκρασίες σε οροφές έως 80 o C [35].

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 47 3 ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ Λατινικά Γράμματα C καθαρές θερμικές απώλειες από αισθητή θερμότητα στον ιστό του φύλλου (W/m 2 ) c 1 : ισοβαρική ειδική θερμοχωρητικότητα του στοιχείου 1 (υγρασία) του μίγματος (J/kgK) c 2 : ισοβαρική ειδική θερμοχωρητικότητα του στοιχείου 2 (ξηρός αέρας) του μίγματος (J/kgK) c c ειδική θερμοχωρητικότητα δομικού υλικού (J/kgK) c pa ισοβαρική ειδική θερμοχωρητικότητα του αέριου μίγματος (J/kgK) c pl ειδική θερμοχωρητικότητα του ιστού του φύλλου (J/kgK) D συντελεστής διάχυσης δυαδικού μίγματος (m 2 /s) I 1 οποιαδήποτε πηγή ή καταβόθρα μάζας υδρατμών (kg/m 3 sec) K Hx συντελεστής διάχυσης ενέργειας λόγω περιδίνησης κατά τον άξονα x (m 2 /s) K Hz συντελεστής διάχυσης ενέργειας λόγω περιδίνησης κατά τον άξονα z (m 2 /s) K Ex συντελεστής διάχυσης υδρατμών λόγω περιδίνησης κατά τον άξονα x (m 2 /s) K Ez συντελεστής διάχυσης υδρατμών λόγω περιδίνησης κατά τον άξονα z (m 2 /s) q ειδική υγρασία (kg/kg) t χρόνος (sec) T θερμοκρασία αέρα (K) T l επιφανειακή θερμοκρασία φύλλου (K) u ταχύτητα αέρα κατά τον άξονα x (m/s) w ταχύτητα αέρα κατά τον άξονα z (m/s) Ελληνικά Γράμματα α a συντελεστής θερμικής διάχυσης αέρα (m 2 /s) α c συντελεστής θερμικής διάχυσης δομικού υλικού (m 2 /s) α m συντελεστής διάχυσης υγρασίας μέσα στο δομικό υλικό (m 2 /s) ε αριθμός εξάτμισης δομικού υλικού λ λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (J/kg) λe καθαρές θερμικές απώλειες από τη λανθάνουσα θερμότητα (W/m 2 ) ρ a πυκνότητα υγρού αέρα (kg/m 3 )

48 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ρ l πυκνότητα του ιστού του φύλλου (kg/m 3 ) Φ n καθαρό θερμικό κέρδος από την ολική ακτινοβολία (W/m 2 ) 4. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Ένα προγνωστικό (δυναμικό), δισδιάστατο μοντέλο μεταφοράς θερμότητας και μάζας έχει αναπτυχθεί, προκειμένου να περιγραφεί η συμπεριφορά των φυτών σε αστικά περιβάλλοντα διαφορετικών κλιμάτων. Ο υγρός αέρας ενός αστικού φαραγγιού θεωρείται ως δυαδικό αέριο μίγμα (αέρας και υγρασία), με την υγρασία να είναι το στοιχείο 1 και τον ξηρό αέρα το στοιχείο 2, σε ένα σύστημα ζωνικού υπολογισμού, με σταθερές υγροθερμικές ιδιότητες και για τα δύο στοιχεία. Το σύστημα των διαφορικών εξισώσεων που εκφράζει τη μεταφορά θερμότητας και μάζας σε ένα δυαδικό αέριο μίγμα είναι [36], [37]: dt dt c T I 1 2 D q T a pa a 1 c c c pa (4.1) dq 1 D q I 1 (4.2) dt a Σύμφωνα με τους Eckert και Drake [37], η επιρροή της διάχυσης υδρατμών στη μεταφορά θερμότητας (τέταρτος όρος της εξίσωσης 1) μπορεί να παραλειφθεί σε γενικές εφαρμογές ανταλλαγής μάζας και θερμότητας. Ωστόσο, οι ίδιοι επισημαίνουν ότι αυτός ο παράγοντας έχει μετρήσιμη επιρροή όταν οι θερμοκρασιακές μεταβολές είναι ιδιαίτερα μεγάλες. Στη δομική φυσική, και ειδικά στην περιγραφή της μεταφοράς θερμότητας στις εξωτερικές επιφάνειες δομικών στοιχείων που είναι εκτεθειμένα στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία, οι μεταβολές της θερμοκρασίας από την επιφάνεια του δομικού στοιχείου προς το οριακό στρώμα του αέρα είναι ιδιαίτερα μεγάλες, κάνοντας την έκφραση της διάχυσης υδρατμών αναγκαία για την ακριβή μοντελοποίηση του φαινομένου. Σε περιοχές μακριά από το οριακό στρώμα, όπου η ταχύτητα του αέρα παίζει μεγάλο ρόλο στη μεταφορά θερμότητας μέσα στον ατμοσφαιρικό αέρα, η διάχυση λόγω περιδίνησης είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από τη μοριακή διάχυση (θερμική αγωγιμότητα). Παρόλο που η μοριακή διάχυση συμβαίνει πάντοτε μέσα σε ένα αέριο [38], όπως και σε ένα στερεό, μπορεί να παραληφθεί από την εξίσωση μεταφοράς θερμότητας και μάζας, καθώς σε αυτά τα επίπεδα είναι 10 4-10 5 μικρότερη από τη διάχυση λόγω περιδίνησης

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 49 [39]. Έτσι, η έκφραση της μεταφοράς θερμότητας και μάζας στο δισδιάστατο μοντέλο του δυαδικού αέριου μίγματος (αέρας και υγρασία) γίνεται: T T u w T K Hz K Hx (4.3) t x z z z x x q q u w q K Ez K Ex (4.4) t x z z z x x Η μαθηματική έκφραση των συντελεστών διάχυσης ενέργειας και υδρατμών, λόγω περιδίνησης προκύπτει από τη θεωρία ομοιότητας των Monin-Obukhov [40], [41]. Μέσω της έκφρασης των συντελεστών διάχυσης, η μεταβολή της υγρασίας του αέρα λαμβάνεται υπόψη στον υπολογισμό της μεταφοράς θερμότητας και στα αέρια στρώματα μακριά από τις δομικές επιφάνειες. Όσον αφορά στο στερεό μέρος του αστικού φαραγγιού, δηλαδή, τους εξωτερικούς τοίχους και οροφές των κτιρίων, θεωρούνται ότι είναι ένα σύστημα αποτελούμενο από τριχοειδή-πορώδη 2 δομικά υλικά, μέσα σε υγρό αέρα, σε περιοχές θετικών θερμοκρασιών (δε λαμβάνεται υπόψη ο πάγος). Οι εξισώσεις που περιγράφουν τη μεταφορά θερμότητας και υγρασίας σε μονοδιάστατο μοντέλο τέτοιου υλικού είναι [36]: dt dt a c 2 T q 2 z c t c (4.5) 2 dq q a (4.6) 2 dt m z Ως προς τα φυτά, θεωρούνται ως ένα στρώμα αποτελούμενο από τα φύλλα του φυτού και τον αέρα που βρίσκεται ανάμεσά τους. Οι εξισώσεις που περιγράφον τη μεταφορά θερμότητας και μάζας στον αέρα ανάμεσα στα φύλλα είναι οι εξισώσεις 1 και 2, ενώ η μεταφορά θερμότητας στα φύλλα δίνεται από: dt c p n C E (4.7) dt 4.1 Σύγκριση μοντέλου προσομοίωσης με πειραματική διάταξη Το μοντέλο μεταφοράς θερμότητας και μάζας που περιγράφει τις υγροθερμικές ανταλλαγές μεταξύ δομικών υλικών, χώματος, φυτών και του αέρα, έχει συγκριθεί με ένα πεί- 2 Μετάφραση του αγγλικού όρου capillary-porous, ο οποίος με τη σειρά του είναι μετάφραση του αντίστοιχου ρωσικού όρου, όπως διατυπώθηκε από το Λιούκοβ [36].

50 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ραμα, που έλαβε χώρα στο Κάρντιφ, τον Αύγουστο του 2004. Από το πείραμα επιβεβαιώθηκε ότι υπάρχει μεγαλύτερη σύγκλιση μεταξύ των θεωρητικών αποτελεσμάτων και των μετρήσεων, όταν λαμβάνεται υπόψη η επιρροή της διάχυσης υδρατμών στη μεταφορά θερμότητας (τέταρτος όρος της εξίσωσης 1) και όταν επίσης επιλέγεται η κατάλληλη έκφραση του συντελεστή συναγωγής [42]. Στην εικόνα 1 παρουσιάζονται οι μετρούμενες θερμοκρασίες αέρα, οι υπολογισμένες θερμοκρασίες αέρα με και χωρίς τον τέταρτο όρο της εξίσωσης 1. Το μέγιστο επιτρεπτό σφάλμα είναι ±0.6 o C, που είναι το άθροισμα του μέγιστου σφάλματος των μετρητικών οργάνων με το μέγιστο σφάλμα της αριθμητικής μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών που χρησιμοποιήθηκαν για την επίλυση των διαφορικών εξισώσεων. Τα όρια του επιτρεπτού σφάλματος διαγραμμίζονται με μία κίτρινη λωρίδα. Τα σφάλματα απεικονίζονται στο ίδιο διάγραμμα, στον δεξιό άξονα του διαγράμματος και συμβολίζονται ως DT για την υπολογιζόμενη θερμοκρασία, όπου λαμβάνεται υπόψη η διάχυση υδρατμών και ως DT[no H] για την υπολογιζόμενη θερμοκρασία, όπου δε λαμβάνεται υπόψη η διάχυση υδρατμών. Όπως φαίνεται στην εικόνα 1, το σφάλμα υπολογισμού είναι μεγαλύτερο όταν δε λαμβάνεται υπόψη ο τέταρτος όρος της εξίσωσης 1 (θερμοκρασία συμβολιζόμενη ως Calculated T[no H] στην εικόνα 1). Τα σφάλματα αυτής της μεθόδου είναι εκτός των επιτρεπτών ορίων σφάλματος για 15 υπολογισμένα σημεία του διαγράμματος. Για τον αλγόριθμο μεταφοράς θερμότητας και μάζας Calculated T, όμως, μόνο 6 υπολογισμένα σημεία βρίσκονται έξω από την επιτρεπτή περιοχή του σφάλματος. Συγκρίνοντας τις δύο υπολογισμένες θερμοκρασίες με τη μετρούμενη, είναι φανερό ότι υπάρχει μεγαλύτερη σύγκλιση μεταξύ της μετρούμενης θερμοκρασίας αέρα και της υπολογισμένης θερμοκρασίας αέρα, όπου ελήφθη υπόψη η διάχυση υδρατμών στη μεταφορά θερμότητας, από ό,τι μεταξύ της μετρούμενης θερμοκρασίας και της υπολογισμένης θερμοκρασίας αέρα όπου δεν ελήφθη υπ όψη ο τέταρτος όρος της εξίσωσης 1. Το σφάλμα για τη θερμοκρασία αέρα που προέκυψε από την εξίσωση μεταφοράς θερμότητας έχει μέγιστο 1.7 o C, και μέσο όρο 0.7 o C, ο οποίος βρίσκεται εκτός του επιτρεπόμενου ορίου σφάλματος. Όσον αφορά στη θερμοκρασία αέρα που προέκυψε από την εξίσωση μεταφοράς θερμότητας και μάζας, το μέγιστο σφάλμα είναι 1.3 o C και ο μέσος όρος 0.4 o C, που βρίσκεται μέσα στην περιοχή του επιτρεπτού σφάλματος.

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 51 Temperature ( o C) 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 Measured T Calculated T Calculated T [no H] DT DT[no H] 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Time (Hours) 1.5 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0-1.5-2.0 Temperature Difference (K). Εικόνα 2. Μετρούμενη (Measured T) και υπολογιζόμενη θερμοκρασία αέρα 10 cm πάνω από δοκίμιο πλάκας οροφής με υπολογισμό με (Calculate T) και χωρίς (Calculate T [no H]) να λαμβάνεται υπόψη η διάχυση υδρατμών στη μεταφορά θερμότητας, με το σφάλμα για την υπολογιζόμενη θερμοκρασία, όπου λαμβάνεται υπόψη η διάχυση υδρατμών να συμβολίζεται ως DT και το σφάλμα, όπου δεν λαμβάνεται υπόψη η διάχυση υδρατμών στον υπολογισμό της θερμοκρασίας να συμβολίζεται ως DT[no H] Συνδυάζοντας τις εξισώσεις που παρουσιάστηκαν σε μονοδιάστατες εκφράσεις για τα στερεά με ένα δισδιάστατο βρόχο κόμβων αέρα, σχηματίζεται ένα δισδιάστατο μοντέλο, ικανό να περιγράψει τη μεταφορά θερμότητας και μάζας μέσα και πάνω από ένα αστικό φαράγγι (Εικόνα 3). Ο βρόχος αέρα συνδέεται με τους κόμβους των επιφανειών των κτιρίων και του δρόμου, καθώς και με τους urban κόμβους. Οι urban κόμβοι είναι κόμβοι αέρα, όπου τα κλιματικά χαρακτηριστικά της θερμοκρασίας, της σχετικής υγρασίας και της ταχύτητας ανέμου εισάγονται στο μοντέλο, προερχόμενα από μετεωρολογικά δεδομένα. Οι κόμβοι των στερεών στοιχείων συνδέονται με τους κόμβους in, οι οποίοι εκφράζουν τις θερμικές συνθήκες του εσωτερικού του κτιρίου. urban urban urban in in ground a1 W a2 in Εικόνα 3. Δισδιάστατο μοντέλο αστικού φαραγγιού

52 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 5. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Χρησιμοποιώντας το μοντέλο, του οποίου οι βασικές αρχές σχεδίασης αναφέρθηκαν παραπάνω, η επιρροή της βλάστησης στο αστικό κλίμα εξετάζεται για διάφορες αστικές γεωμετρίες σε εννέα πόλεις σε αντίστοιχες διαφορετικές κλιματικές ζώνες. Οι εννέα πόλεις αντιπροσωπεύουν τα κλίματα, σύμφωνα με τη κλιματική ταξινόμηση του Koeppen [43], όπου μπορούν να υπάρχουν φυτά με το μηχανισμό της εξατμισοδιαπνοής. Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται οι πόλεις, το κλίμα τους και οι γεωγραφικές τους συντεταγμένες. Όλες οι πόλεις των διαφορετικών κλιματικών ζωνών εξετάζονται για μία ημέρα με μέσες ωριαίες θερμοκρασίες του θερμότερου μήνα του κάθε κλίματος. Τα κλιματικά τους δεδομένα έχουν προέλθει από το METEONORM [44]. Η επίδραση των φυτών στις αστικές θερμοκρασίες εξετάζεται παραμετρικώς για διαφορετικές γεωμετρίες βλάστησης, διαφορετικούς προσανατολισμούς και γεωμετρίες του φαραγγιού, διεύθυνσης ανέμου και κλιματικών χαρακτηριστικών. Τέσσερις τύποι φυτεμένων επιφανειών εξετάζονται: α) μία όπου δεν υπάρχει καθόλου βλάστηση στο αστικό φαράγγι, η οποία είναι η βασική περίπτωση, με την οποία συγκρίνονται οι υπόλοιπες περιπτώσεις, β) μία όπου μόνο οι τοίχοι είναι καλυμμένοι με φυτά, γ) μία όπου μόνο τα δώματα είναι καλυμμένα με φυτά και δ) μία όπου και οι τοίχοι και τα δώματα είναι καλυμμένα με φυτά. Πίνακας 1. Πόλεις, κλιματικοί τύποι και γεωγραφικές συντεταγμένες Πόλη Κλίμα Γεωγραφικές Συντεταγμένες Λονδίνο, Αγγλία Ψυχρό Υγρό 51.32N, 0 Μόντρεαλ, Καναδάς Υποαρκτικό 45.31N, 73,34W Μόσχα, Ρωσία Ψυχρό Ξηρό 55.45N, 37.37E Αθήνα, Ελλάδα Μεσογειακό 37.59N, 23.43E Πεκίνο, Κίνα Στέπα 39.48N, 116.23E Ρυάντ, Σαουδική Αραβία Άγονο (Έρημος) 24.38N, 46.43E Χονγκ Κονγκ, Κίνα Θερμό Υγρό 22.16N, 114.12E Βομβάη, Ινδίες Τροπικό Υγρό 18.54N, 72.5E Μπραζίλια, Βραζιλία Σαβάνα 15.48S, 47.54W

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 53 Γενικά, τα φυτά που χρησιμοποιούνται είναι φυτά χαμηλού ύψους για τα δώματα και αναρριχητικά φυτά για τους τοίχους. Τα δομικά υλικά των τοιχοποιιών και των δωμάτων είναι σκυρόδεμα και το επιφανειακό υλικό του δρόμου άσφαλτος. Οι υδροθερμικές ιδιότητες των υλικών και των φυτών στα αστικά φαράγγια που εξετάζονται συνοψίζονται στον πίνακα 2. Πίνακας 2. Υδροθερμικές ιδιότητες των υλικών και των φυτών Ιδιότητα Σκυρόδεμα Άσφαλτος Χώμα Φυτά Θερμοχωρητικότητα (MJ/ m 3 K) Θερμική Αγωγιμότητα (W/ mk) Συντελεστής Διάχυσης Υδρατμών (10-6 m 2 /s) 1.60 2.00 1.15 2.60 1.70 1.30 - - 0.55 1.58 - - Αριθμός Εξάτμισης 0.20 0.10 - - Ικανότητα Εκπομπής 0.94 0.81 0.94 0.94 Ανακλαστικότητα 0.23 0.10 0.23 0.30 Υδραυλική Αγωγιμότητα (10-4 m/s) 0.01 - Δυναμικό Υγρασίας, όταν το έδαφος είναι κορεσμένο σε νερό (cm) -49.0 - Μέγιστη Ογκομετρική Αναλογία Νερού (m 3 /m 3 ) 0.492 - Συντελεστής b 10.40 - Αντίσταση Θερμότητας με Μεταφορά (s/m) 200 Αντίσταση που εκφράζει τον Τύπο Φυτού (s/m) 100 Συντελεστής Απορρόφησης Φυτού 1.4 Στάθμη Υγρασίας Χώματος, κάτω από την οποία συμβαίνει Μόνιμη Μάρανση του Φυτού (m 3 /m 3 ) 0.25 Τρεις τύποι γεωμετριών αστικών φαραγγιών εξετάζονται, σύμφωνα με τη ροή που αναπτύσσεται μέσα τους [3]: α) ένα φαράγγι με ύψος κτιρίων (H) 10m και πλάτος δρόμου (W) 5m, όπου αναπτύσσονται πολύ χαμηλές ταχύτητες αέρα και μεγάλη σκίαση β) ένα φαράγγι με 5m ύψος και 10m πλάτος, με μεγαλύτερες ταχύτητες αέρα και πιο εκτεθειμένες στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία επιφάνειες και γ) φαράγγι με 5m ύψος και 15m πλάτος, όπου οι ταχύτητες αέρα είναι αρκετά μεγαλύτερες και μεγαλύτερο μέρος

54 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ των επιφανειών είναι εκτεθειμένο σε ηλιακά κέρδη. Δύο προσανατολισμοί του φαραγγιού εξετάζονται: α) ο άξονας του φαραγγιού είναι παράλληλος στον Ανατολικό-Δυτικό άξονα (με τις πλευρές των κτιρίων εκτεθειμένες στον Βορρά και τον Νότο) και β) ο άξονας του φαραγγιού είναι παράλληλος στο Βόρειο-Νότιο άξονα (με τις πλευρές των κτιρίων εκτεθειμένες στην Ανατολή και τη Δύση). Τέλος, θεωρούνται δύο διευθύνσεις ανέμου: α) μία παράλληλη και β) μία κάθετη στον άξονα του φαραγγιού. 5.1 Μείωση θερμοκρασίας Για όλες τις περιπτώσεις με φυτεμένες επιφάνειες που εξετάζονται, οι μεγαλύτερες ελαττώσεις θερμοκρασίας σε όλα τα κλίματα είναι όταν και οι οροφές και οι τοίχοι είναι καλυμμένοι με φυτά. Όταν και τα δώματα και οι τοίχοι είναι φυτεμένοι, οι αέριες μάζες εισέρχονται στο αστικό φαράγγι ψυχρότερες από τα φυτά των δωμάτων και όχι θερμότερες από τις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσουν οι οροφές από σκυρόδεμα. Στην Εικόνα 4 απεικονίζεται η θερμοκρασία αέρα 1m πάνω από ένα φυτεμένο δώμα και πάνω από ένα δώμα από σκυρόδεμα για το Μεσογειακό κλίμα της Αθήνας τον Ιούλιο. Παρατηρείται τεράστια διαφορά μεταξύ των δύο θερμοκρασιών, με τη θερμοκρασία αέρα πάνω από το δώμα από σκυρόδεμα να έχει μέγιστο 46.2 o C και ημερήσιο μέσο όρο 35.3 o C, ενώ για το φυτεμένο δώμα οι αντίστοιχες τιμές είναι μόνο 33.2 o C και 25.4 o C. Στην Εικόνα 5 παρουσιάζεται η κατανομή της θερμοκρασίας αέρα στο φαράγγι με άξονα Ανατολή-Δύση, παράλληλη ροή ανέμου προς τον άξονά του και με ύψος κτιρίων 5m και πλάτος δρόμου 10m στην Αθήνα για τρεις περιπτώσεις: όταν δεν υπάρχει καθόλου βλάστηση (βασική περίπτωση), όταν μόνο οι τοίχοι είναι φυτεμένοι και όταν και οι τοίχοι και τα δώματα είναι φυτεμένα. Στην πρώτη περίπτωση η θερμοκρασία αέρα μέσα στο φαράγγι φτάνει σε μέγιστη τιμή 36.5 o C με ημερήσιο μέσο όρο 25.7 o C. Οι αντίστοιχες τιμές της κλιματικής θερμοκρασίας αέρα που έχει εισαχθεί στον κόμβο urban είναι 30.1 o C και 27.3 o C. Λόγω των επιφανειών των κτιρίων και του δρόμου οι θερμοκρασίες αυξάνουν σημαντικά μέσα στο φαράγγι. Όταν μόνο οι τοίχοι είναι φυτεμένοι, οι θερμοκρασίες μέσα στο φαράγγι είναι χαμηλότερες, με μέγιστη θερμοκρασία αέρα 32.1 o C και ημερήσιο μέσο όρο 22.7 o C. Όταν και οι τοίχοι και τα δώματα είναι φυτεμένα το θερμικό αποτέλεσμα είναι μεγαλύτερο, με τη μέγιστη θερμοκρασία αέρα

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 55 να είναι μόνο 29.9 o C και τον ημερήσιο μέσο όρο 20.1 o C. Η περίπτωση με τους φυτεμένους τοίχους οδηγεί σε ελάττωση θερμοκρασίας κατά 3.0 o C για τον ημερήσιο μέσο όρο, και 4.5 o C για τον μέγιστο. Όταν και οι τοίχοι και τα δώματα είναι φυτεμένα, η θερμοκρασία αέρα ελαττώνεται περισσότερο, κατά 5.6 o C και 6.6 o C, αντίστοιχα. Συγκρίνοντας τις εικόνες 5 και 6 παρατηρείται ότι οι μεγαλύτερες ελαττώσεις θερμοκρασίας συμβαίνουν στην οροφή. Οι οροφές είναι πιο εκτεθειμένες στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο, σε σχέση με τα φαράγγια. Εκτός αυτού, η ηλιακή ακτινοβολία που λαμβάνουν τα οριζόντια επίπεδα τους θερινούς μήνες είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από εκείνη που λαμβάνουν τα κατακόρυφα επίπεδα Η φύτευση στα δώματα είναι ικανή να μειώσει κατά πολύ τη θερμότητα που παράγεται από τις οριζόντιες επιφάνειες το καλοκαίρι, γεγονός το οποίο επηρεάζει τη θερμοκρασία αέρα τόσο σε επίπεδο οροφής όσο και δρόμου. Air temperature at roof level in Athens Temperature ( o C) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 no green green roofs and walls 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Time (Hours) Εικόνα 4. Θερμοκρασία αέρα 1m πάνω από δώμα από σκυρόδεμα (no green) και πάνω από φυτεμένο δώμα (green roofs and walls) στην Αθήνα Air temperature inside a street in Athens Temperature ( o C) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 no green only green walls 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Time (Hours) green roofs and walls Εικόνα 5. Θερμοκρασία αέρα στο φαράγγι με άξονα Ανατολή-Δύση με παράλληλη ροή ανέμου προς τον άξονά του, με ύψος κτιρίων 5m και πλάτος δρόμου 10m στην Αθήνα, όταν δεν υπάρχει καθόλου βλάστηση (no green), όταν μόνο οι τοίχοι είναι φυτεμένοι (green walls)και όταν και οι τοίχοι και τα δώματα είναι φυτεμένα (green roofs and walls)

56 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 5.1.1 Χωρική κατανομή θερμοκρασιών Στα διαγράμματα στην Εικόνα 6 φαίνεται πιο καθαρά η χωρική κατανομή των θερμοκρασιών αέρα. Η θερμοκρασιακή κατανομή στον αέρα σε όλα τα σημεία αέρα του μοντέλου, τόσο μέσα στο δρόμο όσο και πάνω από τις οροφές των κτιρίων, στις 14:00, για μια τυπική ημέρα του Ιουλίου, στην Αθήνα. Παρατηρείται ότι όταν δεν υπάρχει καθόλου βλάστηση (περίπτωση α), η θερμοκρασία του αέρα πάνω από τα ασκίαστα δώματα ξεπερνά τους 40 o C, ενώ η θερμοκρασία του αέρα στο ύψος του δρόμου ξεπερνά τους 34 o C. Στην περίπτωση (β), όπου τα δώματα είναι φυτεμένα, η θερμοκρασία του αέρα πάνω από τα δώματα πλέον μειώνεται στους 33 o C, ενώ στο επίπεδο του δρόμου εξακολουθεί να είναι της τάξης των 34 o C, χωρίς να επηρεάζεται άμεσα από την ύπαρξη των φυτεμένων δωμάτων. Εικόνα 6. Θερμοκρασίες αέρα γύρω από κτίρια και δρόμο, στις 14:00, τυπική μέρα του Ιουλίου στην Αθήνα για ύψος κτιρίων 5m και πλάτος δρόμου 10m, με άξονα δρόμου παράλληλο με τον άξονα Ανατολής Δύσης για (α) κτίρια χωρίς φύτευση, (β) κτίρια με φυτεμένα δώματα, (γ) κτίρια με φυτεμένους τοίχους, (δ) κτίρια με φυτεμένα δώματα και φυτεμένους τοίχους Στην περίπτωση (γ), όπου μόνο οι όψεις είναι φυτεμένες, η θερμοκρασία στα αφύτευτα δώματα ξεπερνά τους 40 o C, ενώ η θερμοκρασία του αέρα στο ύψος του δρόμου μειώνεται στους 33 o C. Στην περίπτωση που και τόσο οι όψεις και τα δώματα είναι φυτεμένα (περίπτωση δ), παρουσιάζονται οι μεγαλύτερες μειώσεις θερμοκρασίας αέρα, καθώς οι αέριες μάζες που ψύχονται από τα δώματα και εισέρχονται ψυχρότερες στην αστική χαράδρα και, σε συνδυασμό με το δροσισμό από τους φυτεμένους τοίχους, καταφέρνουν

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 57 να μειώσουν αισθητά τη θερμοκρασία στο επίπεδο του δρόμου στους 28 o C, ενώ στα δώματα η θερμοκρασία του αέρα είναι μειωμένη στους 33 o C. 5.1.2 Φυτεμένα δώματα φυτεμένοι τοίχοι Σε όλα τα κλιματικά χαρακτηριστικά που εξετάστηκαν, παρατηρήθηκε διαφορά ανάλογης τάξης μεγέθους των θερμοκρασιακών μειώσεων μεταξύ των περιπτώσεων που μόνο οι τοίχοι είναι φυτεμένοι και όταν και οι τοίχοι και τα δώματα είναι φυτεμένα. Στις εικόνες 8 και 9 απεικονίζεται η μείωση της θερμοκρασίας αέρα στο αστικό φαράγγι για τις εννέα πόλεις, για την περίπτωση που είναι φυτεμένοι και οι τοίχοι και τα δώματα και για την περίπτωση που μόνο οι τοίχοι είναι φυτεμένοι, αντίστοιχα. Οι μεγαλύτερες ελαττώσεις θερμοκρασίας αέρα μέσα στο φαράγγι παρατηρούνται για το θερμό και άνυδρο κλίμα του Ρυάντ με μέγιστη ελάττωση τους 11.3 o C και ημερήσιο μέσο όρο 9.1 o C, όταν και οι τοίχοι και τα δώματα είναι φυτεμένα. Οι μικρότερες ελαττώσεις σημειώνονται στο κλίμα της Μόσχας (3.6 o C και 3.0 o C, αντίστοιχα). Για την περίπτωση που μόνο οι τοίχοι είναι φυτεμένοι, η μείωση θερμοκρασίας παρουσιάζει τις μεγαλύτερες τιμές πάλι για τα κλιματικά χαρακτηριστικά του Ρυάντ (5.1 o C μέγιστο και 3.4 o C ημερήσιο μέσο όρο) και τις ελάχιστες πάλι για τη Μόσχα (2.6 o C και 1.7 o C, αντίστοιχα). Η μείωση της θερμοκρασίας είναι αισθητή τόσο για τη θερμοκρασία αέρα που εξετάστηκε παραπάνω, όσο και για τις επιφανειακές θερμοκρασίες στα επίπεδα και της οροφής και του αστικού φαραγγιού. Όσον αφορά στη μείωση της θερμοκρασίας του νότιου τοίχου, κυμαίνεται από 18.7 o C μέγιστο και 14.3 o C ημερήσιο μέσο όρο για το Ρυάντ έως 9.8 o C και 5.6 o C, αντίστοιχα, για τη Μόσχα (Εικόνα 9). Η επιφανειακή θερμοκρασία της οροφής μειώνεται ακόμα περισσότερο, λόγω της μεγαλύτερης ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνουν οι οριζόντιες επιφάνειες τη θερινή περίοδο. Η μεγαλύτερη μείωση του ημερήσιου μέσου όρου παρατηρείται για το Ρυάντ (12.8 o C) και το μεγαλύτερο μέγιστο για τη Βομβάη (26.1 o C), ενώ τα μικρότερα παρατηρούνται για τη Μόσχα και το Λονδίνο (Εικόνα 10). Στη Μόσχα σημειώνεται η μικρότερη μείωση του ημερήσιου μέσου όρου της επιφανειακής θερμοκρασίας του δώματος (9.1 o C), ενώ στο Λονδίνο το μικρότερο μέγιστο (19.3 o C).

58 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Decrease of canyon air temperature, green-all case Temperature Decrease ( o C) 0-2 -4-6 -8-10 -12 4 8 12 16 20 24 Time (Hours) Athens Beijing Brasilia HongKong London Montreal Moscow Mumbai Riyadh Εικόνα 7. Μείωση θερμοκρασίας αέρα στο φαράγγι με άξονα Ανατολή-Δύση με παράλληλη ροή ανέμου προς τον άξονά του, με ύψος κτιρίων 5m και πλάτος δρόμου 10m όταν και οι τοίχοι και τα δώματα είναι φυτεμένα για τις εννέα πόλεις που εξετάστηκαν Decrease of canyon air temperature, green-wall case Temperature Decrease ( o C) 0-1 -2-3 -4-5 -6 4 8 12 16 20 24 Time (Hours) Athens Beijing Brasilia HongKong London Montreal Moscow Mumbai Riyadh Εικόνα 8. Μείωση θερμοκρασίας αέρα στο φαράγγι με άξονα Ανατολή-Δύση με παράλληλη ροή ανέμου προς τον άξονά του, με ύψος κτιρίων 5m και πλάτος δρόμου 10m όταν μόνο οι τοίχοι είναι φυτεμένοι για τις εννέα πόλεις που εξετάστηκαν Decrease of surface temperature of south-oriented wall Temperature Decrease ( o C) 0-5 -10-15 -20 4 8 12 16 20 24 Time (Hours) Athens Beijing Brasilia HongKong London Montreal Moscow Mumbai Riyadh Εικόνα 9. Μείωση επιφανειακής θερμοκρασίας του φυτεμένου νότιου τοίχου, σε σύγκριση με τον τοίχο από σκυρόδεμα, στο φαράγγι με άξονα Ανατολή-Δύση με παράλληλη ροή ανέμου προς τον άξονά του, με ύψος κτιρίων 5m και πλάτος δρόμου 10m, για τις εννέα πόλεις που εξετάστηκαν Decrease of roof surface temperature Temperature Decrease ( o C) 5-5 -15-25 -35 4 8 12 16 20 24 Time (Hours) Athens Beijing Brasilia HongKong London Montreal Moscow Mumbai Riyadh Εικόνα 10. Μείωση επιφανειακής θερμοκρασίας του φυτεμένου δώματος σε σύγκριση με το δώμα από σκυρόδεμα, για τις εννέα πόλεις που εξετάστηκαν

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 59 5.1.3 Προσανατολισμός Όσον αφορά στην επιρροή του προσανατολισμού του φαραγγιού στην ελάττωση θερμοκρασίας, παρατηρήθηκε για όλα τα κλιματικά χαρακτηριστικά που εξετάστηκαν ότι η ποσότητα και η γεωμετρία της φύτευσης παίζουν πιο σημαντικό ρόλο από τον προσανατολισμό. Το μέγεθος επιρροής του προσανατολισμού εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος. Τα παραδείγματα του Χονγκ Κονγκ (22.16N) και της Αθήνας (37.59N) παραθέτονται εδώ, για φαράγγια με παράλληλη προς τον άξονά τους ροή, 5m ύψος κτιρίου και 10m πλάτος δρόμου, με Ανατολικό-Δυτικό (ΑΔ) και Βόρειο-Νότιο (ΒΝ) προσανατολισμούς. Στο Χονγκ Κονγκ η ηλιακή ακτινοβολία τον Ιούλιο σε όλους τους κατακόρυφους προσανατολισμούς δεν είναι υψηλή, με μέγιστη τιμή 185W/m 2 για το νότιο κατακόρυφο επίπεδο και 427W/m 2 για το δυτικό. Στην περίπτωση που μόνο οι τοίχοι είναι φυτεμένοι ο ημερήσιος μέσος όρος της μείωσης της θερμοκρασίας αέρα μέσα στο φαράγγι είναι 2.4 o C για τον ΑΔ προσανατολισμό και 2.0 o C για το ΒΝ, με μόνο 0.4 o C διαφορά μεταξύ των δύο προσανατολισμών (Εικόνα 11). Για τις μέγιστες τιμές η διαφορά αυτή γίνεται 0.7 o C (3.8 o C ελάττωση θερμοκρασίας για τον ΑΔ προσανατολισμό και 3.1 o C για το ΒΝ). Στην περίπτωση που είναι φυτεμένοι και οι τοίχοι και οι οροφές, οι διαφορές μεταξύ των δύο προσανατολισμών γίνονται μικρότερες, με μόνο 0.2 o C διαφορά για τον ημερήσιο μέσο όρο (με ελάττωση θερμοκρασίας κατά 6.8 o C για τον ΑΔ και 6.6 o C για το ΒΝ), και 0.0 o C για το μέγιστο (ελάττωση θερμοκρασίας κατά 8.5 o C και για τον ΑΔ και για το ΒΝ προσανατολισμό). Παρατηρείται στην Εικόνα 11 ότι η μείωση της θερμοκρασίας επηρεάζεται κυρίως από την ποσότητα και τη γεωμετρία της φύτευσης και λιγότερο από τον προσανατολισμό του αστικού φαραγγιού. Στην Αθήνα, η ηλιακή ακτινοβολία που λαμβάνεται από τα ανατολικώς και δυτικώς προσανατολισμένα κατακόρυφα επίπεδα είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από εκείνη που λαμβάνουν τα νοτίως και βορείως προσανατολισμένα κατακόρυφα επίπεδα τους θερινούς μήνες και αρκετά μεγαλύτερη από την ακτινοβολία που λαμβάνουν τα κατακόρυφα επίπεδα στο Χονγκ Κονγκ. Η μέγιστη ηλιακή ακτινοβολία σε ένα νότιο κατακόρυφο επίπεδο είναι 374W/m 2, ενώ για το ανατολικό φτάνει τα 617W/m 2. Τέτοιες διαφορές έχουν άμεσο αποτέλεσμα στον τρόπο με τον οποίο ο προσανατολισμός του φαραγγιού επηρεάζει την ελάττωση θερμοκρασίας που προκαλούν οι φυτεμένες επιφάνειες. Για την