Denna figur visar vad som händer med värmeflödet med och utan träd bredvid ett hus. Bilderna till vänster visar ett hus utan ett träd bredvid, och det resulterande värmeflödet. Bilderna till höger visar huset med ett träd bredvid, och hur trädet påverkar värmeflödet mot och bort från huset. Upphovsman:Boshun Gao.
Forskare vid Iowa State University har utvecklat en modell för att testa hur skuggning och luftflöde kan förbättra inomhustemperaturen under den svettande värmen i sommar i Mellanvästern.
Ny forskning från hållbara städer, en forskargrupp ledd av Ulrike Passe, docent i arkitektur, visar effekterna av trädskuggning och evapotranspiration på byggnadstemperaturer under extrem värme i Mellanvästern. Sustainable Cities är ett projekt inom Center for Building Energy Research, som regisseras av Passe.
Passes forskargrupp presenterade nyligen sitt arbete på Comfort på Extremes 2019 -konferensen i Dubai. I teamet ingår Passe; Janette Thompson, Morrill Professor i naturresursekologi och -hantering; Baskar Ganapathysubramanian, professor i maskinteknik; Boshun Gao, Ph.D. student i maskinteknik; och Breanna Marmur, Ph.D. student i naturresursekologi och förvaltning.
Mellanvästern förväntas se mer hög luftfuktighet och daggpunkter under de kommande decennierna. År 2036 till 2065, ett år av tio beräknas ha en "extrem värmehändelse, "definieras som en femdagarsperiod som är 13 grader varmare än en jämförbar tidigare period, enligt den nationella klimatbedömningen.
Extrem värmes effekter på utsatta befolkningar
Låginkomstkvarter påverkas oproportionerligt mycket av extrema värmehändelser, eftersom många hem saknar centrala luftkonditioneringssystem på grund av byggnadsålder eller elkostnad. I Polk County, upp till 50 procent av låginkomsthem har inte central luftkonditionering.
Så förra året, teamet Sustainable Cities samarbetade med City of Des Moines och Polk County Health Department för att bedriva forskning om byggnaders energianvändning och hur de påverkas av den omgivande miljön. Staden och länet vill lära sig mer för att hjälpa Des Moines mest utsatta befolkningar, till exempel stadsdelen Capitol East som studerades.
Att värma en byggnad är lättare eftersom du lägger till energi. Att kyla en byggnad med central luftkonditionering är mer komplex, tvingar ut värme ur byggnaden, vilket i sin tur ökar omgivningstemperaturen.
En extra fråga i Iowa är hög luftfuktighet, vilket ökar uppfattningen om obehag på sommaren avsevärt. Högre luftrörelse i en byggnad kan hjälpa detta obehag genom att kyla en persons kropp. Naturlig ventilation, i jämförelse, kräver skuggning för att svalare luft ska kunna röra sig genom en byggnad utan att använda mekaniska system.
"Min forskning började med passiva designstrategier för att göra det möjligt för arkitekter att bättre förutsäga hur byggnader kommer att prestera när de designar dem, "Sa Passe." Det är svårt att beräkna matematiskt att förutse exakta prestanda för byggnader som är utformade med naturlig ventilation. Varför kan vi inte bättre förutsäga hur luft rör sig inom och bort från byggnader? Det finns århundraden med goda exempel, men de utformades intuitivt. Och vi har gett bort den kunskapen på grund av påtvingad luft. "
Hur modellen fungerar
Först, ISU -forskargruppen inventerade 1:an, 142 träd och 340 byggnader i deras studieområde. Trädata inkluderar storlek, plats, art och baldakin form. Dessa data integrerades i en 3D-beräkningsmodell som utvecklats av Sustainable Cities-teamet för att simulera trädens effekter på en byggnads energianvändning. Modellen är baserad på arbete från MIT:s Sustainable Design Lab under ledning av Christoph Reinhart, professor i arkitektur.
Medan vanliga energimodeller visar byggnader som fristående objekt, ISU Sustainable Cities -teamets nya modell visar inte bara energiinmatningen från närliggande byggnader, men också effekterna av den omgivande miljön - som träd.
Självklart, skuggan som kastas av träd hjälper till med kylning. Men det här laget lade till något nytt i forskningen, studerar både trädskuggning och evapotranspirationskylning:när solstrålar träffar ett träds baldakin, vatten avdunstar från bladen, kyla dem och minska omgivande lufttemperatur. Dessa effekter kan minska en närliggande byggnads energianvändning och förbättra inomhus- och utomhuskomforten för kylning på sommaren.
"En nyckelfråga är, kan vi utnyttja träd och landskapsarkitektur för att kompensera byggnadens energibehov och producera levande förhållanden med lite eller ingen energi? "sade Ganapathysubramanian.
Med en ny modell och "meshing" -funktioner (en process som finjusterats av Gao för att perfekt simulera förhållandet mellan träd, byggnader, lufttemperatur och luftrörelse), Iowa -statens forskare kan nu se hur träd i olika höjder och avstånd från byggnader påverkar ytterväggens temperatur och omgivande luftflöde.
"Vi utvecklar datadrivna modeller och fysikbaserade modeller för beräkningsvätskedynamik för att se om en byggnad kan drivas med naturliga luftflöden, eller om den behöver luftkonditionering, "Passe sa." Dessa modeller är nödvändiga vid extrema värmehändelser när strömmen går. "
De första resultaten visar att olika landskap kan förbättra temperaturkontrollen i byggnader under extrem värme, eftersom träd ger skuggning, strålningsblockering och evapotranspirationskylning. Ju närmare ett träd är ett hus, desto större inverkan har det på att sänka temperaturen och avböja direkt solljus. Teamet fann att ett större träd bredvid ett hus minskar byggnadens yttemperatur med upp till 20 procent. Denna forskning har konsekvenser för bättre fönsterplacering på väggar och tak vid utformning av bostäder för att möjliggöra bättre luftflöde och naturlig ventilation.
Framtida forskning syftar till att förbättra varningssystem under extrema värmehändelser. Den här sommaren, Sustainable Cities teammedlemmar Michael Dorneich, docent i industri- och tillverkningssystemteknik; och hans doktorsexamen studerande, Jacklin Stonewall, arbetar med en prototyp av en mobilapp där användare kan mata in information om sitt hem (temperatur, etc.). Crowdsourcing av denna information kan hjälpa hälso-tjänstemän att förbättra varningssystem och rikta värmerelaterade meddelanden till särskilt utsatta stadsdelar.
"Det är välkänt att resursutmanade stadsdelar påverkas starkt av extrema väderhändelser, särskilt extrem värme, "Thompson sa." Äldre och de med färre resurser är de mest utsatta för extrem värme och också de mest ovilliga att använda samhällstjänster som kollektivtrafik och kylcentraler.
"Det som verkligen motiverar oss är att hitta billigare sätt att göra världen till en bättre plats för människor som är särskilt utsatta."
