2019-08-01 18:36:02
一种新方法来研究树木如何影响建筑温度极端高温下的空气流动

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爱荷华州立大学的研究人员开发了一个模型,用于测试在中西部夏季闷热的天气下,遮阳和气流如何改善室内温度。

由建筑学副教授Ulrike Passe领导的研究小组可持续城市的新研究显示了中西部地区极端高温下树木遮荫和蒸散对建筑物温度的影响。可持续城市是建筑能源研究中心内的一个项目,由Passe指导。

Passe的研究团队最近在迪拜的Extremes 2019会议的Comfort中展示了他们的作品。该团队包括Passe; Janette Thompson,Morrill自然资源生态学和管理学教授; Baskar Ganapathysubramanian,机械工程教授;高博顺博士机械工程专业学生;和Breanna Marmur,博士自然资源生态学和管理学的学生。

预计未来几十年中西部地区将出现更高的湿度和高露点天数。根据国家气候评估报告,到2036年至2065年,预计10年中有一年将出现“极端高温事件”,定义为比同期早期温度高13度的五天。

极端高温对弱势群体的影响

低收入社区受极端高温事件的影响尤为严重,因为许多房屋因建筑年龄或电费而缺乏中央空调系统。在波尔克县,高达50%的低收入家庭没有中央空调。

因此,去年,可持续城市团队与得梅因市和波尔克县卫生局合作,对建筑物的能源使用及其受周围环境的影响进行研究。城市和县希望了解更多,以帮助得梅因最脆弱的人群,如被研究的国会大厦东区。

由于您正在增加能量,因此更容易为建筑物供暖。用中央空调冷却建筑物更加复杂,迫使建筑物散热,从而增加周围温度。

爱荷华州的另一个问题是高湿度,这会显着增加夏天的不适感。建筑物中较高的空气流动可以通过冷却人体来帮助这种不适。相比之下,自然通风需要遮阳以允许较冷的空气在不使用机械系统的情况下穿过建筑物。

“我的研究始于被动设计策略,使建筑师能够更好地预测建筑物在设计时的表现,”Passe说。 “预测用自然通风设计的建筑物的精确性能很难用数学方法计算。为什么我们不能更好地预测空气在建筑物内外的移动方式?有几个世纪的好例子,但它们是直观设计的。我们已经由于强迫空气而放弃了这些知识。“

模型如何工作

首先,ISU研究小组在他们的学习社区中清理了1,142棵树和340座建筑物。树木数据包括大小,位置,物种和树冠形状。这些数据被整合到可持续城市团队开发的三维计算模型中,以模拟树木对建筑物能源使用的影响。该模型基于麻省理工学院可持续设计实验室的工作,该实验室由建筑学教授Christoph Reinhart领导。

虽然常见的能源模型将建筑物视为独立物体,但ISU可持续城市团队的新颖模型不仅显示了附近建筑物的能量输入,还显示了周围环境的影响 - 例如树木。

显然,树木的阴影有助于冷却。但是这个团队在研究中添加了一些新的东西,研究了树木阴影和蒸发蒸腾冷却:当阳光照射到树冠上时,水从树叶中蒸发,冷却它们并降低周围的空气温度。这些影响可以减少附近建筑物的能源使用,并改善夏季室内和室外的降温舒适度。

“一个关键问题是,我们是否可以利用树木和景观来抵消建筑能源需求,并使用很少甚至没有能源来生产宜居条件?” Ganapathysubramanian说。

凭借新模型和“网格化”功能(由高调精心调整以完美模拟树木,建筑物,气温和空气流动之间的关系),爱荷华州立大学的研究人员现在可以看到各种高度和建筑物距离的树木影响外墙的温度和周围空气流动。

“我们正在开发数据驱动的模型和基于物理的计算流体动力学模型,以确定建筑物是否可以使用自然气流,或者是否需要空调,”Passe说。 “当电力耗尽时,这些模型在极端高温事件中是必要的。”

初步结果表明,不同的景观可以在极端高温下改善建筑物的温度控制,因为树木提供遮阳,辐射阻挡和蒸发蒸腾冷却。树越靠近房屋,它对降低温度和偏转阳光的影响就越大。该团队发现,房屋旁边的一棵大树将建筑物的表面温度降低了20%。这项研究有助于在设计房屋时更好地在墙壁和屋顶上放置窗户,以便提供更好的气流和自然通风。

未来的研究旨在改善极端高温事件期间的预警系统。今年夏天,可持续城市团队成员Michael Dorneich,工业和制造系统工程副教授;和他的博士学位学生杰克林斯通沃尔正在开发一个移动应用程序的原型,用户可以在其中输入有关他们家的信息(温度等)。众包这些信息可以帮助卫生官员改进预警系统,并将针对与热量有关的信息发送给特别脆弱的社区。

“众所周知,受资源挑战的社区受极端天气事件影响很大,特别是极端高温,”汤普森说。 “老年人和资源较少的人最容易受到极端炎热的影响,也最不愿意使用社区服务,如公共交通和冷却中心。

“真正激励我们的是找到更便宜的方法,让世界变得更适合那些特别脆弱的人。”

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