Esta figura muestra lo que sucede con el flujo de calor con y sin árboles al lado de una casa. Las imágenes de la izquierda muestran una casa sin un árbol al lado, y el flujo de calor resultante. Las imágenes de la derecha muestran la casa con un árbol al lado, y cómo el árbol afecta el flujo de calor hacia y desde la casa. Crédito:Boshun Gao.
Investigadores de la Universidad Estatal de Iowa han desarrollado un modelo para probar cómo las sombras y el flujo de aire pueden mejorar la temperatura interior durante el calor sofocante de los veranos del Medio Oeste.
Nueva investigación de Sustainable Cities, un grupo de investigación dirigido por Ulrike Passe, profesor asociado de arquitectura, muestra los efectos de la sombra de los árboles y la evapotranspiración en las temperaturas de los edificios durante el calor extremo en el Medio Oeste. Sustainable Cities es un proyecto dentro del Center for Building Energy Research, que está dirigida por Passe.
El equipo de investigación de Passe presentó recientemente su trabajo en Comfort at the Extremes 2019 Conference en Dubai. El equipo incluye a Passe; Janette Thompson, Morrill Professor de ecología y manejo de recursos naturales; Baskar Ganapathysubramanian, profesor de ingeniería mecánica; Boshun Gao, Doctor. estudiante de ingeniería mecánica; y Breanna Marmur, Doctor. estudiante en ecología y manejo de recursos naturales.
Se espera que el Medio Oeste experimente más días de alta humedad y alto punto de rocío en las próximas décadas. De 2036 a 2065, Se proyecta que un año de cada 10 tendrá un "evento de calor extremo, "definido como un período de cinco días que es 13 grados más cálido que un período anterior comparable, según la Evaluación Nacional del Clima.
Efectos del calor extremo en poblaciones vulnerables
Los vecindarios de bajos ingresos se ven afectados de manera desproporcionada por los eventos de calor extremo, ya que muchas casas carecen de sistemas centrales de aire acondicionado debido a la antigüedad del edificio o al costo de la electricidad. En el condado de Polk, hasta el 50 por ciento de los hogares de bajos ingresos no tienen aire acondicionado centralizado.
Así que el año pasado El equipo de Ciudades Sostenibles se asoció con la Ciudad de Des Moines y el Departamento de Salud del Condado de Polk para realizar una investigación sobre el uso de energía de los edificios y cómo se ven afectados por el medio ambiente circundante. La ciudad y el condado quieren aprender más para ayudar a las poblaciones más vulnerables de Des Moines, como el barrio Capitol East que se estudió.
Calentar un edificio es más fácil ya que está agregando energía. Refrigerar un edificio con aire acondicionado central es más complejo, expulsar el calor del edificio, lo que a su vez aumenta la temperatura circundante.
Un problema adicional en Iowa es la alta humedad, lo que aumenta significativamente la percepción de malestar en el verano. Un mayor movimiento de aire en un edificio puede ayudar a aliviar este malestar al enfriar el cuerpo de una persona. Ventilación natural, en comparación, requiere sombra para permitir que el aire más frío se mueva a través de un edificio sin el uso de sistemas mecánicos.
"Mi investigación comenzó con estrategias de diseño pasivo para permitir a los arquitectos predecir mejor cómo se comportarán los edificios cuando los diseñen, "Dijo Passe." Predecir el rendimiento exacto de los edificios diseñados con ventilación natural es difícil de calcular matemáticamente. ¿Por qué no podemos predecir mejor cómo se mueve el aire dentro y fuera de los edificios? Hay siglos de buenos ejemplos, pero fueron diseñados intuitivamente. Y hemos regalado ese conocimiento debido al aire forzado ".
Como funciona el modelo
Primero, el equipo de investigación de la ISU hizo un inventario del 1, 142 árboles y 340 edificios en su vecindario de estudio. Los datos del árbol incluyen el tamaño, localización, especie y forma del dosel. Estos datos se integraron en un modelo computacional 3-D desarrollado por el equipo de Ciudades Sostenibles para simular los efectos de los árboles en el uso de energía de un edificio. El modelo se basa en el trabajo del Laboratorio de Diseño Sostenible del MIT dirigido por Christoph Reinhart, profesor de arquitectura.
Si bien los modelos energéticos comunes muestran los edificios como objetos independientes, El modelo novedoso del equipo de Ciudades Sostenibles de ISU no solo muestra la entrada de energía de los edificios cercanos, pero también el impacto del medio ambiente circundante, como los árboles.
Obviamente, la sombra de los árboles ayuda a refrescar. Pero este equipo agregó algo nuevo a la investigación, estudiar tanto la sombra de los árboles como el enfriamiento evapotranspiratorio:cuando los rayos del sol golpean el dosel de un árbol, el agua se evapora de las hojas, enfriarlos y reducir la temperatura del aire circundante. Estos efectos pueden reducir el uso de energía de un edificio cercano y mejorar la comodidad interior y exterior para refrescarse en el verano.
"Una pregunta clave es:¿Podemos aprovechar los árboles y el paisaje para compensar las necesidades energéticas del edificio y producir condiciones habitables utilizando poca o ninguna energía? ”, dijo Ganapathysubramanian.
Con un nuevo modelo y capacidades de "mallado" (un proceso ajustado por Gao para simular perfectamente la relación entre árboles, edificios temperatura del aire y movimiento del aire), Los investigadores del estado de Iowa ahora pueden ver cómo los árboles de varias alturas y distancias de los edificios afectan la temperatura de la pared exterior y el flujo de aire circundante.
"Estamos desarrollando modelos basados en datos y modelos de dinámica de fluidos computacionales basados en la física para ver si un edificio puede funcionar con flujos de aire naturales, o si necesita aire acondicionado, ", Dijo Passe." Estos modelos son necesarios en eventos de calor extremo cuando se corta la energía ".
Los primeros resultados muestran que diferentes paisajismo pueden mejorar el control de la temperatura en los edificios durante el calor extremo, dado que los árboles proporcionan sombra, bloqueo por radiación y enfriamiento por evapotranspiración. Cuanto más cerca está un árbol de una casa, el mayor impacto que tiene en la reducción de la temperatura y la desviación de la luz solar directa. El equipo descubrió que un árbol más grande al lado de una casa reduce la temperatura de la superficie del edificio hasta en un 20 por ciento. Esta investigación tiene implicaciones para una mejor ubicación de las ventanas en paredes y techos al diseñar casas para permitir un mejor flujo de aire y ventilación natural.
La investigación futura tiene como objetivo mejorar los sistemas de alerta durante los eventos de calor extremo. Este verano, Los miembros del equipo de Ciudades Sostenibles Michael Dorneich, profesor asociado de ingeniería de sistemas industriales y de fabricación; y su Ph.D. estudiante, Jacklin Stonewall, están trabajando en un prototipo de una aplicación móvil en la que los usuarios podrían ingresar información sobre su hogar (temperatura, etc.). El crowdsourcing de esta información podría ayudar a los funcionarios de salud a mejorar los sistemas de alerta y dirigir los mensajes relacionados con el calor a vecindarios particularmente vulnerables.
"Es bien sabido que los vecindarios con recursos limitados se ven muy afectados por los fenómenos meteorológicos extremos, particularmente calor extremo, ", Dijo Thompson." Los ancianos y aquellos con menos recursos son los más vulnerables al calor extremo y también los más reacios a utilizar los servicios comunitarios como el transporte público y los centros de refrigeración.
"Lo que realmente nos motiva es encontrar formas menos costosas de hacer del mundo un lugar mejor para las personas que son particularmente vulnerables".
