ny modell utvecklad vid EPFL kan hjälpa ingenjörer och meteorologer att snabbt beräkna effekten som stadsbyggnader har på lokala vädermönster. En persiennertillverkare är redan intresserad av det, och klimatforskare kan vara nästa.

Formen på stadsbyggnader, hur de är ordnade, och värmen de genererar påverkar alla det lokala vädret. Att kunna modellera de komplicerade processerna som är involverade hjälper inte bara meteorologer att förbättra sina stadsväderprognoser, men gör det också möjligt för ingenjörer att förbättra energieffektiviteten i de byggnader de designar.

De program som vanligtvis används för att modellera sådana fenomen är betungande, tidskrävande, och dyr i drift. Dock, en studie som genomfördes 2016 av EPFL:s CRYOS-laboratorium visade vikten av såväl som komplexiteten, av dessa beräkningar. Vid EPFL:s solenergi- och byggnadsfysiklaboratorium (LESO-PB), postdoc Dasaraden Mauree förenklade framgångsrikt ekvationerna för att göra dem lättare för ingenjörer att använda. Han körde data från staden Basel genom sin strömlinjeformade modell, erhåller resultat och trender som liknar de som genereras av en teoretisk modell såväl som en mer sofistikerad modell som kallas LES. Den här studien, med Mauree som huvudförfattare, publicerades i Gränser inom geovetenskap .

"Byggnader byggs ofta utan att ta hänsyn till de specifika egenskaperna hos en stads vädermönster eller det inflytande som stadsbyggnader kan ha på vädret. Vårt mål var att utveckla ett program som kombinerar moderna väderprognosmodeller med modeller som mäter effekten av värme. frigörs av byggnader, " sa Mauree.

Som legoklossar

Istället för att modellera hela staden Basel, Mauree bestämde sig för att modellera en grupp byggnader som kan representera den. Han var tvungen att beräkna byggtätheten för det område han valde samt den genomsnittliga höjden, längd och bredd på dess byggnader. Det gav honom en "standardbyggnad" att använda i sina beräkningar. Han delade sedan upp denna standardbyggnad i "tegelstenar" som liknar golv, och staplade dessa tegelstenar ovanpå varandra som Legos:"Att dela upp byggnader i tegelstenar är nyckeln till att förstå väderprocesserna som äger rum i en stad, eftersom dessa processer varierar med byggnadens höjd, " sa Mauree.

När hans byggnad var uppdelad i tegelstenar, Mauree inkorporerade sedan meteorologiska data för Basel (som vindhastighet och riktning, temperatur och luftfuktighet) i sin modell. Den resulterande algoritmen låter honom generera exakta uppskattningar av väderfenomenen som inträffar vid varje tegelsten. Ingenjörer kan använda dessa typer av beräkningar, till exempel, att optimera en byggnads energiförbrukning genom att välja den bästa fasaden för varje våningsplan. "På bottenvåningen, du har vanligtvis inte mycket vind men du kan ha mycket luftfuktighet, speciellt om det finns växter runt omkring. Men vinden blir mer framträdande på högre våningar, leder till större energiförlust. Konvektionsströmmar kan bli särskilt starka under varma dagar då marken och byggnadsytorna värms upp. Dessa strömmar orsakas när varm luft, som har en lägre densitet, flyter uppåt, och kallare luft, som har en högre densitet, rinner nedåt. Som ett annat exempel, ingenjörer som beräknar en ny byggnads energibehov bör ta hänsyn till den låga nivån av solljuspenetration i tätt packade städer."

Data för meteorologer, tillverkare och klimatologer

Enligt Mauree, ingenjörer kommer inte att vara de enda som drar nytta av hans nya metod. "Vår modell är designad för att bättre representera byggnadsytor och mer exakt beräkna vind- och fuktflödet i en stad. Det gör den naturligtvis användbar för meteorologer. Men en tillverkare av persienner är också intresserad av vårt tillvägagångssätt, eftersom det kan ge bra uppskattningar av vindhastighet och vindriktning nära byggnadsfasader, sade Mauree. Dessutom, hans modell kan förutsäga fenomen som inträffar nära marken – vilket innebär att klimatforskare kan använda den för att simulera storskaliga väderprocesser, eftersom nuvarande metoder inte erbjuder samma nivå av precision.

En öppen plattform

Ytterligare två artiklar om detta ämne kommer att publiceras i år. Men Mauree tittar redan på nästa steg:att utveckla en öppen plattform där vem som helst kan lägga in grundläggande data om en stadsdel och få en tillförlitlig modell av dess luftströmmar och effekten dess byggnader har på vädret. "Vi vill ge ingenjörer och meteorologer snabbt, tillförlitliga data för deras byggnadsdesign och väderprognoser, utan att de behöver skriva kod eller använda ett datorprogram, " han säger.

Mauree planerar också att förbättra sin modell, koppla den till CitySim-mjukvaran utvecklad av EPFL för att mer exakt beräkna byggnadens energianvändning och termisk utomhuskomfort. "Vi samlar också in data under MoTUS-kampanjen [Measurement of Turbulence in an Urban Setup] som kommer att låta oss förbättra vår Canopy Interface Model, som syftar till att bättre simulera de olika väderprocesserna i stadsområden, " sa Mauree. Han ser potential för sin forskning i att inte bara minska energiförbrukningen i byggnader, men också förbättra den övergripande utformningen av stadsrum.