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Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Project MAIN – “MAtériaux INtelligents” A01p2/S01p2. L’effetto isola di calore urbana UHI (urban heat island) A01p2/S01p2. The urban heat island effect 1 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Contenuti della lezione A01 part 2/S01 part 2 • Nozioni introduttive di fisica del clima e di climatologia urbana • L’effetto Isola di Calore Urbana (UHI) • Fisica dell’ UHI • Impatto socio-economico dell’ UHI A01p2/S01p2. The urban heat island effect 2 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” INTRODUZIONE A01p2/S01p2. The urban heat island effect 3 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” UHI effect Picture Source: link or reference for the metereologici di questo picture (Tahoma 12 italic gray) Usiamo dati punto per progettare un edificio… A01p2/S01p2. The urban heat island effect 4 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” … ma il nostro edificio è qui UHI effect Source: link or reference for the picture (Tahoma 12 italic gray) A01p2/S01p2. The urban heat island effect 5 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Alcuni concetti base sui sistemi climatici Clima (http://glossary.ametsoc.org/wiki/Climate_system) Gli aspetti con variazione a carattere lento del sistema atmosfera-idrosferasuperficie terrestre E’ normalmente caratterizzato dai valori medi disponibili su periodi di un mese o più, considerando la variabilità di queste medie nel tempo. Le classificazioni climatiche includono le variazioni spaziali di questi valori medi temporali. A partire da un concetto di clima locale come andamento annuale delle medie di temperatura della superficie e precipitazioni sul lungo periodo, questo negli ultimi decenni si è evoluto ed esteso grazie alla migliore comprensione dei processi che determinano il clima e la sua variabilità A01p2/S01p2. The urban heat island effect 6 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Alcuni concetti base sui sistemi climatici Sistema Climatico (http://glossary.ametsoc.org/wiki/Climate_system) Il sistema, che consiste nell’insieme di atmosfera, idrosfera, litosfera e biosfera, determina il clima della Terra per il risultato delle reciproche interazioni e in risposta a fattori indotti, cioè influenze esterne (forcing). Le interazioni tra i componenti del sistema climatico comprendono fenomeni di tipo fisico, chimico e biologico. A01p2/S01p2. The urban heat island effect 7 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Alcuni concetti base sui sistemi climatici Source: IPCC – Climate Change Report 2011, http://www.ipcc.ch/ipccreports/tar/wg1/fig1-1.htm A01p2/S01p2. The urban heat island effect 8 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Bilancio energetico globale e annuale della Terra Source: Kiehl and Trenberth (1997) Bull. Am. Met. Soc. 78, 197-208, http://www.geo.utexas.edu/courses/387H/PAPERS/kiehl.pdf A01p2/S01p2. The urban heat island effect 9 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Alcuni concetti base sui sistemi climatici Perciò il micro-clima urbano: •è per forza diverso dal micro-clima delle aree rurali, e •chiaramente dipende da come l’ambiente costruito viene concepito A01p2/S01p2. The urban heat island effect 10 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Perchè occuparsi del clima urbano? La popolazione urbana è costantemente crescente in tutto il mondo (per via della crescita della popolazione mondiale e per l’aumento dello sfruttamento del territorio)… Popolazione urbana e rurale Source: UN World Urbanization Prospects. 2014 Revision, http://esa.un.org/Unpd/Wup/ A01p2/S01p2. The urban heat island effect 11 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Perchè occuparsi del clima urbano? … specialmente nelle economie a basso reddito e in quelle in via di sviluppo Quota di popolazione urbana Source: UN World Urbanization Prospects. 2014 Revision, http://esa.un.org/Unpd/Wup/ A01p2/S01p2. The urban heat island effect 12 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Dati climatici attualmente disponibili Per classificazione energetica (per simulazioni semidinamiche, EN ISO 13790) • Valori medi (EN ISO 15927-1) • Per l’Italia: UNI 10349 (serie dati di 30 anni - 1961 – 1990) Periferi simulazioni dinamiche (TRNSYS, EnergyPlus, DOE-2, ESP-r) • Serie di dati orari (EN ISO 15927-4): at least 10 years • TRY, TMY, IWEC, etc.: ciascun codice si riferisce a un diverso standard • http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_dat a.cfm Criticità • I dati vengono raccolti presso aereoporti • Cambiamenti climatici durante il periodo di servizio degli edifici • L’input dei dati è di tipo deterministico A01p2/S01p2. The urban heat island effect 13 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Stazioni meteo urbane o rurali? • I dati disponibili vengono misurati negli aereoporti • Temperatura e umidità relativa (RH) misurati a 2 m di altezza • Velocità del vento misurata a 10 m di altezza • Irraggiamento solare globale spesso non è misurato • Irraggiamento solare diffuso quasi mai misurato • Radiazione infrarossa del cielo quasi mai misurata • Misure in aree urbane sono raramente disponibili • Rappresentano solo una porzione della città A01p2/S01p2. The urban heat island effect 14 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Come è descrivibile il clima urbano? BL – Boundary Layer PBL – Planetary Boundary Layer UBL – Urban Boundary Layer (boundary layer = strato limite) Source: Climatic scales and vertical stratification in urban areas., Oke [1987]. A01p2/S01p2. The urban heat island effect 15 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Come è descrivibile il clima urbano? BL – Boundary Layer PBL – Planetary Boundary Layer UBL – Urban Boundary Layer UCL – Urban Canopy Layer (strato limite della canopie urbana) Source: Climatic scales and vertical stratification in urban areas., Oke [1987]. A01p2/S01p2. The urban heat island effect 16 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Come è descrivibile il clima urbano? Source: Climatic scales and vertical stratification in urban areas., Oke [1987]. A01p2/S01p2. The urban heat island effect 17 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Riassunto • Il mondo si sta riscaldando per effetto serra: è previsto un aumento della temperatura media terrestre compreso tra 2°C e 7°C entro questo secolo per effetto dei gas serra. • La frazione di popolazione urbanizzata sta crescendo: 50% attualmente, 80% entro i prossimi 50 anni. • Il microclima dipende dall’interazione fra tessitura del territorio/città ed atmosfera: la velocità del vento dipende dalla presenza di ostacoli, l’assorbimento della radiazione solare, così come la temperatura in superficie dipende dai materiali di cui sono composte le superfici e dalla geometria tridimensionale del terreno • I dati meteo sono misurati presso gli aereoporti: tali stazioni sono state pensate in assistenza ai voli aerei, non per le valutazioni relative al risparmio energetico e alla vivibilità degli edifici. A01p2/S01p2. The urban heat island effect 18 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” L’EFFETTO ISOLA DI CALORE URBANA (UHI EFFECT) A01p2/S01p2. The urban heat island effect 19 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” The urban heat island (UHI) effect L’effetto Isola di Calore Urbana (UHI) è il fenomeno per il quale nell’ambito di un’area urbana si osservano temperature più alte rispetto a quelle delle zone non urbane (rurali) adiacenti, specialmente nelle ore notturne. Source: heatisland.lbl.gov In realtà non c’è una sola isola di calore urbana... Nelle aree urbane c’è una moltitudine di microclimi e di isole di calore, con diverse risoluzioni spaziali e temporali. A01p2/S01p2. The urban heat island effect 20 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Urban Heat Island Intensity (UHII) UHII = Tair,urban - Tair,rural OK, ma..: •Qual è la definizione di zona rurale, non urbana? •Quante stazioni servono per definire le temperature: 1 urbana e 1 rurale? Di più, quante…? •Quale temperatura: notturna, pomeridiana, media, massima? •Quanto dista la zona rurale se siamo a Londra, LA, o Roma? Source: Re-drawn from Oke (1987) Boundary Layer Climates (in Mills, 2004) A01p2/S01p2. The urban heat island effect •I due siti sono soggetti allo stesso tipo di forzante? 21 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” UHI e dimensione della città? E’ sufficiente considerare la dimensione (popolazione) della città? Source: Matzarakis 2001, Kuttler 2004 A01p2/S01p2. The urban heat island effect 22 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” UHII a Milano A01p2/S01p2. The urban heat island effect 23 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” UHII a Milano Differenze dei valori orari registrati al Polimi (Campus Leonardo) e Lacchiarella (Milano), durante il 2012. Parametri: Temperatura aria (Tair), Umidità Relativa (RH), Irraggiamento solare globale (RadG), Velocità del Vento (Wvel). In effetti la differenza di RadG ci dice solo che le nuvole passano sulle stazioni in momenti diversi A01p2/S01p2. The urban heat island effect 24 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” All’interno del tessuto urbano Le temperature dell’aria nel canyon come differenza media fra R4 (fuori dall’ UCL) per giorni soleggiati e per ciascun sottoinsieme: (a) estate, (b) primavera e autunno, (c) inverno. Source: Offerle et al. (2007) BLM 122, 273-292 Eliasson et al. (2006) AE 40,1-16 A01p2/S01p2. The urban heat island effect 25 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” E non solo negli anfratti o “canyons”... Air temp. 1.5 m over a green roof (within UCL) and the canopy, 20 m higher A01p2/S01p2. The urban heat island effect 26 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Velocità del vento nell’ urban canopy layer Le temperature si incrementano anche perché la velocità del vento si riduce per la presenza del tessuto urbano Masson (2000) Uehara et al. (2000) AE 34 1553-1562 Oke (1988) Energy & Buildings A01p2/S01p2. The urban heat island effect 27 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Riassunto sull’ UHI effect • effetto Urban Heat Island (UHI): temperature dell’aria più alte, specialmente di notte, nelle zone urbane rispetto alle zone non urbane adiacenti, • Urban Heat Island Intensity (UHII): differenza di temperatura dell’aria fra zona urbana e zona rurale. Quale differenza? Valori massimi, valori medi annui? Quali stazioni si devono scegliere? Non è sempre facile definire una UHII. Valori di +5°C (sia in inverno che in estate) sono stati riscontrati frequentemente. • L’effetto urban canyon accresce ulteriormente la temperatura dell’aria: all’interno del tessuto urbano (ad es., l’aria fra gli edifici sotto al livello delle coperture) +2-3°C rispetto alla temperatura al di sopra degli edifici. • All’interno degli urban canyon la velocità del vento si riduce fortemente: un 25-35% del valore misurato al di sopra degli edifici è stato frequentemente documentato nella letteratura scentifica. A01p2/S01p2. The urban heat island effect 28 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” FISICA DELLA UHI A01p2/S01p2. The urban heat island effect 29 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” effetto UHI : le cause A01p2/S01p2. The urban heat island effect 30 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *Bilancio Energetico di una Superficie Urbana Lo scambio di calore, massa e moto tra superficie e atmosfera si può esprimere con la formula: Q* + QF = QH + QE + ΔQs dove Q* [W/m2] Radiazione totale (lunghezza d’onda corta, ad es. radiazione solare, e lunghezza d’onda lunga, ad es. radiazione infrarossa) QF [W/m2] Flusso di calore antropogenico QH [W/m2] Flusso turbolento di calore sensibile (energia che riscalda l’aria) QE [W/m2] Flusso turbolento di calore latente (energia che serve a far evaporare l’acqua) ΔQS [W/m2] Flusso di calore immagazzinato per riscaldamento (positivo) o raffrescamento (negativo) del volume considerato A01p2/S01p2. The urban heat island effect 31 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *Il bilancio della radiazione totale La radiazione totale (solare e infrarossa dal cielo) può essere espressa con la formula: Q* = QS * + QL* = (QS ↓ - QS ↑) + (QL↓ - QL↑) [W/m2] dove QS ↓ [W/m2] Short-wave ( solare), radiazione in ingresso QS ↑ [W/m2] Short-wave, radiazione in uscita QS ↑= SRurb QS ↓ QL↓ [W/m2] Long-wave ( infrarosso, termica), radiazione in ingresso QL↓ = skyTsky4 QL↑ [W/m2] Long-wave, radiazione in uscita : QL↑ = (1 – urb) QL↓ + urbTsurf4 A01p2/S01p2. The urban heat island effect 32 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” effetto UHI : le cause Quali sono le cause dell’ urban heat islands? Consideriamo il bilancio energetico... Da una parte abbiamo fenomeni indotti (forcing) • Radiazione solare ed infrarossa: assorbimento della radiazione solare e intrappolamento radiativo nelle cavità (urban canyons) • Calore antropogenico: traffico, riscaldamento degli edifici, calore di espulsione degli impianti di condizionamento... Dall’altra troviamo la risposta del tessuto urbano: • • • Flusso turbolento di calore sensibile: calore rilasciato dalle superfici urbane, che dipende dalla loro temperatura → più è alta la temperatura superficiale, maggiore risulta il flusso turbolento di calore nell’atmosfera urbana Flusso turbolento di calore latente: carenza di superfici evapo-traspirative accumulo termico A01p2/S01p2. The urban heat island effect 33 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Calore Antropogenico Andamento del QF medio giornaliero di Tolosa dovuto a varie fonti. La linea nera rappresenta la somma dei termini, computata per ogni giorno, mentre la linea rossa sono medie mensili. Source: Pigeon et al (2007) A01p2/S01p2. The urban heat island effect 34 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Il calore antropogenico può trovarsi concentrato I condizionatori causano un aumento di temperatura dell’aria anche di 2-3C in un tessuto urbano. Source Salamanca et al. (2010) Theoretical and Applied Climatology 99: 331–344 Athens, Greece A01p2/S01p2. The urban heat island effect Fuzhou, China 35 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Il calore antropogenico può trovarsi concentrato Il calore espulso dalle unità condensanti, per effetto camino ⇒ aumento di Tair nel vano di 10-13C + aumento di ~ 9C per intrappolamento tra le lamelle. Tair ~50C all’ingresso delle unità condensanti per i piani oltre il 10°⇒ efficienza ridotta del 32% Bruelisauer et al. (2014) Energy and Buildings 71: 28–37 A01p2/S01p2. The urban heat island effect 36 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Auto parcheggiate “a caldo” Levinson et al. (2011) Applied Energy 88: 4343–4357 A01p2/S01p2. The urban heat island effect 37 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Perchè le superfici urbane sono calde Troppe superfici (scure) con elevato assorbimento Sacramento, California (≈ 1 km2) A01p2/S01p2. The urban heat island effect 38 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Superfici calde nel tessuto urbano riflettanza solare Aumento di temperatura [°C] assorbanza solare = 1 – solar reflectance A01p2/S01p2. The urban heat island effect 39 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Perchè le superfici urbane sono calde A01p2/S01p2. The urban heat island effect 40 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Intrappolamento della radiazione solare nel tessuto urbano Albedo di varie configurazioni di blocchi in calcestruzzo in funzione del tempo (centrato sul mezzogiorno solare) in un giorno invernale (a sinistra) ed estivo (a destra). Modello 0: superficie piatta, senza blocchi; modelli 1 e 2: canyons orientati N-S e E-W; modello 3 disposizione a quattro blocchi. Altezza ed ampiezza degli spazi uguali a quelle dei blocchi, per tutti i casi. Source: Aida 1982 A01p2/S01p2. The urban heat island effect 41 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Riflessione speculare e diffusa Riflessione speculare, reale e lambertiana (diffusa). Source: Lienhard & Lienhard, A Heat Transfer Textbook, 3rd edition (2008) A01p2/S01p2. The urban heat island effect 42 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Le superfici riflettenti peggiorano la situazione Albedo vs. solar zenith angle modelled with ray-tracing simulation, a) assuming materials having reflection mode half-Lambertian and half-specular for different canyon configurations, and b) assuming, for a canyon having H/W =1, specular reflection mode ( = 1), Lambertian reflection mode ( = 0), and half-Lambertian and half-specular ( = 0.5). T is the transmissivity of the atmosphere Source: Aida and Gotoh (1982) A01p2/S01p2. The urban heat island effect 43 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Le superfici riflettenti peggiorano la situazione A01p2/S01p2. The urban heat island effect 44 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *Rilascio di calore sensibile OK, cos’è il flusso turbolento di calore sensibile QH [W/m2]? QH = cp w' ' dove massa volumica o densità di massa dell’aria [kg/m3] cp capacità termica specifica dell’aria [J/(kg K)] w' esprime la fluttuazione turbolenta della velocità del vento verso l’alto [m/s] ' esprime le fluttuazioni turbolente di temperatura [°C] A01p2/S01p2. The urban heat island effect 45 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” * Rilascio di calore sensibile Forse è più semplice vedere l’espressione di Masson (2000) per una generica superficie: QH = cp (Tsurf – Tcan) / RESsurf dove Tsurf e Tcan sono, rispettivamente, le temperature della superficie e del canyon, e RESsurf la resistenza aereodinamica della superficie RESsurf = (11.8 + 4.2(Ucan2 + Wcan2)1/2)-1 dove Ucan e Wcan sono le componenti orizzontale e verticale della velocità del vento nel canyon. A01p2/S01p2. The urban heat island effect 46 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *Calore latente OK, cos’è il flusso turbolento di calore latente QE [W/m2]? QE = Lv w' q' dove massa volumica o densità di massa dell’aria [kg/m3] Lv calore latente di vaporizzazione specifico dell’acqua = 2.501106 J/kg w' esprime la fluttuazione turbolenta della velocità del vento verso l’alto [m/s][m/s] q' esprime la fluttuazione turbolenta dell’umidità A01p2/S01p2. The urban heat island effect 47 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *effetto UHI: le cause Il tessuto urbano ha una geometria 3-D complessa (1) • Scabrezza aereodinamica elevata • Velocità del vento drasticamente ridotta nell’area urbana • Scarsa circolazione e ridotto scambio con l’aria sopra l’ UCL • Bassi coefficienti di scambio convettivo e quindi diminuzione del raffrescamento delle superfici per convezione • Temperature superficiali elevate • Aumento di calore sensibile nell’atmosfera • Aumento della temperatura dell’aria A01p2/S01p2. The urban heat island effect 48 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” * effetto UHI: le cause Il tessuto urbano ha una geometria 3-D complessa (2) • Scabrezza ottica elevata • Ombreggiamento e schermatura • L’albedo di una città è inferiore a quello di una superficie della stessa estensione e con stessi materiali superficiali • Temperature superficiali elevate • Aumento di calore sensibile nell’atmosfera • Aumento della temperatura dell’aria A01p2/S01p2. The urban heat island effect 49 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” * effetto UHI: le cause Il tessuto urbano ha una geometria 3-D complessa (3) • Bassi fattori di vista del cielo • Scarso raffrescamento radiativo notturno • Temperature superficiali elevate • Aumento di calore sensibile nell’atmosfera • Aumento della temperatura dell’aria A01p2/S01p2. The urban heat island effect 50 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” * effetto UHI: le cause Altre cause rilevanti dell'effetto UHI riguardano la ridotta presenza di superfici permeabili e vegetazione all'interno del tessuto urbano rispetto a un ambiente rurale • meno energia viene usata per processi di evapo-traspirazione • La radiazione solare è meno usata per la fotosintesi (fino al 28% di radiazione nella gamma 400-700 nm, detta PAR) e per tutti i processi biologici delle piante, compreso la traspirazione, la crescita e la mutagenesi. A01p2/S01p2. The urban heat island effect 51 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” * effetto UHI: le cause Elevato accumulo termico nell’ambiente urbano dovuto all’elevata inerzia termica dei materiali da costruzione • Accumulo termico • Elevato rilascio in tempi sfasati • Elevate temperature anche di notte A01p2/S01p2. The urban heat island effect 52 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *Bilancio termico urbano Source: Oke 1987 A01p2/S01p2. The urban heat island effect 53 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Riassunto della fisica dell’ UHI Causes of the UHI: • Alto assorbimento della radiazione solare da materiali artificiali scuri distribuiti nel tessuto urbano → elevate temperature superficiali dei materiali scuri (fino a 50° C superiore alla temperatura dell'aria) • Elevato rilascio di calore sensibile • Meno superfici vegetate rispetto a una zona rurale → meno evapotraspirazione (la vegetazione presenta basse temperature superficiali, vicine alla temperatura dell'aria, se non è secca…) • Fattori di vista del cielo bassi → ridotto raffrescamento radiativo • Velocità del vento ridotta dalla maggior scabrezza delle superfici urbane → stagnazione dell’aria e ridotto raffrescamento convettivo • Emissioni di calore antropogeniche: in media 40-80 W/m2 in una tipica città europea, ma in condizioni di picco condizionatori d'aria possono causare un aumento fino a 2-3° C A01p2/S01p2. The urban heat island effect 54 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” IMPATTO SOCIO-ECONOMICO DELL’ UHI A01p2/S01p2. The urban heat island effect 55 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Ondata di calore ≠ Isola di calore Le isole di calore inducono disagio termico, ma è durante le ondate di calore che le aree urbane possono presentare maggiori rischi per la salute umana Ondata di calore = quando TMAX > TMAX,AVG + 5C per più di 5 giorni consecutivi TMAX temperatura giornaliera massima Heat wave risk in Europe (Source: European Environment Agency) TMAX,AVG temperatura giornaliera massima media sul periodo 1961–1990 (definizione del WMO). A01p2/S01p2. The urban heat island effect 56 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Ondata di calore ≠ Isola di calore Di solito durante l’ondata di calore l’ UHII tende a zero (fa caldo ovunque) Incremento della mortalità in Italia, nell’agosto 2003: Torino +31.5%; Trento +32.7%; Milano +21.1% (Conti et al., 2005 Env Res 98). L’incremento della mortalità è maggiore nelle aree urbane, per via del maggior discomfort localizzato in aree particolari della città. Hémon et al. (2003) Surmotalité liée à la canicule d’août 2003 en France. BEH (http://www.invs.sante.fr/beh) A01p2/S01p2. The urban heat island effect Canouï-Poitrine et al. (2006) Surmortalité liée à la canicule d'août 2003 à Paris, France. Revue d'Épidémiologie et de Santé Publique 2:127-135 57 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” confronto 2003 con altri anni a Milano A01p2/S01p2. The urban heat island effect 58 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *Heat Disorder Risk (HDR) in Tokyo Rischio di disturbo da calore a Tokyo Source: Ohashi et al. 2014 (proc. 3rd IC2UHI) A01p2/S01p2. The urban heat island effect 59 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *Discomfort + poor air quality La ridotta velocità del vento nello strato urbano porta a concentrazioni di inquinanti più elevate, a causa del debole effetto di dispersione Caso del Canyon stradale: andamento della concentrazione di CO ottenuti con ADMS-Urban e FLUENT in fondo (diagr. a sx), al centro e all’inizio (diagr. a dx) del canyon stradale, per L/H = 0:5 (a), 1 (b), 1:5 (c) and 2 (d) Di Sabatino et al. (2007) Atm Env 41 A01p2/S01p2. The urban heat island effect 60 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Fabbisogno di energia per raffrescamento e UHI Santamouris (2014) Energy & Buildings http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.07.022 A01p2/S01p2. The urban heat island effect 61 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *UHI e fabbisogno energetico a Milano Simulazione di un edificio per uffici a Milano con Energy (rappresentativo del parco edifici italiano degli anni ‘70) Plus Toppi, T., P. Zangheri and R. Paolini. 2009. Simplified Method for Modification of Weather Data File for Energy Simulations within Urban Areas. Proc. 8th Workshop CIB W108 - Climate Change and the Built Environment. 26th March 2009, Milano, Italy A01p2/S01p2. The urban heat island effect 62 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” *dati climatici urbani a confronto coi dati TRY Poli et al. 2009. The Influence of the Urban Heat Island over Building Energy Demand: the Case of Milan http://www.ide.titech.ac.jp/~icuc7/extended_abstracts/pdf/384633-1-090521000651-002.pdf A01p2/S01p2. The urban heat island effect 63 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” * dati climatici urbani a confronto coi dati TRY Edificio per uffici Dimensioni 10 m x 12 m, altezza 12 m (4 piani); S/V = 0.506; Orario utilizzo: 8-19; Ubasement = 0.60 W m-2 K-1; Guadagni Interni: 15 W m-2 nelle ore di utilizzo, altrimenti 1.5 W m-2; N (ricambio aria): 1 h-1 nelle ore di utilizzo, altrimenti 0.1 h-1; Uwindow = 1.3 W m-2 K-1; g = 0.62; percentuale telaio 15%. Poli et al. 2009. The Influence of the Urban Heat Island over Building Energy Demand: the Case of Milan http://www.ide.titech.ac.jp/~icuc7/extended_abstracts/pdf/384633-1-090521000651-002.pdf A01p2/S01p2. The urban heat island effect 64 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” * dati climatici urbani a confronto coi dati TRY Poli et al. 2009. The Influence of the Urban Heat Island over Building Energy Demand: the Case of Milan http://www.ide.titech.ac.jp/~icuc7/extended_abstracts/pdf/384633-1-090521000651-002.pdf A01p2/S01p2. The urban heat island effect 65 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” UHI e uso dell’energia Temperature and Peak Power Demand for Cooling Akbari et al. (2001) - USA: rise in peak electricity demand of 2÷4%/°C (for Tair ≥ 20°C) Kikegawa et al. (2003) - Tokyo: rise in peak electricity demand of 3%/°C (22°C ≤ Tair ≤ 30°C) and of 5.66%/°C (Tair ≥ 31°C). A01p2/S01p2. The urban heat island effect 66 PES. MOD. 06 del 14/11/08 Project MAIN – “Matériaux Intelligents’” Riassunto impatto socio-economico dell’ UHI • Maggior discomfort termico nelle aree urbane rispetto a quelle ruralis per la più alta temperatura superficiale dei materiali artificiali • Incremento del tasso di mortalità durante le ondate di calore: durante l’estate 2003 +31.5% a Torino, +21% a Milano. Nessun sollievo nelle ore notturne per via del calore ritenuto • Il numero di giorni ad alto rischio per la salute aumenterà con il cambiamento climatico • Discomfort e scarsa qualità dell’aria per scarsa circolazione → scarsa dispersione degli inquinanti → incremento del rischio per la salute • Incremento del fabbisogno energetico per raffrescamento nelle aree urbane rispetto a quelle rurali e riduzione del fabbisogno di riscaldamento: incremento medio del fabbisogno per raffrescamento è del 23%, cui corrisponde una riduzione del fabbisogno per riscaldamento del 19% • Incremento del picco di fabbisogno elettrico 2-4%/°C (quando Tair>20- 22°C) A01p2/S01p2. The urban heat island effect 67 PES. MOD. 06 del 14/11/08
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