Υπολογιστική μοντελοποίηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους...

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 20:26, 4 Μαρτίου 2023

Τίτλος: Υπολογιστική μοντελοποίηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπισης για τη διερεύνηση της σχέσης της χωρικής διάταξης των κτιρίων και της κατανάλωσης ενέργειας

Πρωτότυπος τίτλος: Computational modeling of land surface temperature using remote sensing data to investigate the spatial arrangement of buildings and energy consumption relationship

Συγγραφείς: Maryam Faroughi, Mehrdad Karimimoshaver, Farshid Aram, Ebrahim Solgi, Amir Mosavi, Narjes Nabipour & Kwok-Wing Chau

Δημοσιεύθηκε: © 2020 The Author(s). Published by Informa UK Limited, trading as Taylor & Francis (Ιανουάριος 2020) Group.

Πηγή: https://cutt.ly/ASx5pdy

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Οι σημερινές πόλεις καταναλώνουν φυσικούς πόρους, παράγουν θερμότητα και παράγουν ρύπανση σε ποσότητες που ξεπερνούν κατά πολύ εκείνες των προηγούμενων δεκαετιών. Η επίδραση των αστικών μορφών στην ενεργειακή κατανάλωση εντός των πόλεων εξετάζεται συνεχώς σε διάφορες έρευνες, με σύνηθες αποτέλεσμα το γεγονός ότι η φυσική μορφή μίας πόλης έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ποσότητα ενέργειας που καταναλώνεται στους χώρους της. Στην συγκεκριμένη έρευνα βρέθηκαν οι παράγοντες που επηρεάζουν την ενεργειακή κατανάλωση σε κτίρια κατοικιών και σε μεγαλύτερη κλίμακα σε 4 περιοχές της πόλης της Τεχεράνης. Η θερμοκρασιακή επίδραση των μεταβλητών αυτών αξιολογήθηκε στατιστικά και τα αποτελέσματά της συγκρίθηκαν με τις θερμοκρασίες εδάφους που ελήφθησαν από την ανάλυση στο GIS, 16 φωτογραφιών του Landsat 8 για τον Φεβρουάριο και 16 για τον Μάρτιο του 2019.

ΕΡΕΥΝΑ, ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Το μικρόκλιμα κάθε περιοχής μίας πόλης εξαρτάται από τα επιμέρους χαρακτηριστικά της όπως υλικά, γεωμετρία, κατασκευή, και χαρακτηριστικά επιφανειών. Επίσης τα χαρακτηριστικά του αέρα στην ατμόσφαιρα διαφέρουν ανάλογα με το ύψος των κτιρίων αλλά και την θερμοκρασιακή κατάσταση που επικρατεί στο έδαφος από κάτω. Γενικά η θερμική άνεση και κατανάλωση ενέργειας στα κτίρια οποιασδήποτε περιοχής επηρεάζεται από το κλίμα αυτής, που μπορεί μάλιστα να διαφέρει από την κατάσταση της ατμόσφαιρας σε ανώτερα επίπεδα.

Η Τεχεράνη ως η μεγαλύτερη πόλη του Ιράν καταναλώνει τεράστιες ποσότητες πρώτων υλών, ενέργειας και είναι ο μεγαλύτερος ρυπαντής και στερεών και υγρών αποβλήτων. Η χρήση από το κράτος και τους κατοίκους της, μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αφήνει απόβλητα στο έδαφος στο νερό και τον αέρα με πολλαπλές αρνητικές συνέπειες. Η συνέχιση των ίδιων πρακτικών μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή πολλών αστικών περιοχών και των κέντρων τους. Είναι απαραίτητο να βρεθούν λύσεις αστικού σχεδιασμού για τη μείωση ενεργειακής κατανάλωσης. Διάφορες έρευνες έχουν υλοποιηθεί για την εύρεση των επιπέδων ενεργειακής κατανάλωσης σε μία πόλη και ποιοι παράγοντες την επηρεάζουν. Αρκετές ασχολήθηκαν εστιασμένα με κτίρια αλλά καμιά δεν ασχολήθηκε με μια περιοχή συνολικά. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε λάθη αφού ειδικά σε μεγαλουπόλεις η ενεργειακή κατανάλωση κτιρίων επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες γεωγραφικές, κοινωνικές και οικονομικές.

ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ

Εικ.1: Περιοχές μελέτης

Για τον λόγο αυτό για την παρούσα έρευνα επιλέχθηκαν 4 περιοχές της Τεχεράνης (Bimeh, Ekbatan-I, and Ekbatan-II και Apadan, εικόνα 1) με κοινά οικονομικά κοινωνικά και γεωγραφικά χαρακτηριστικά και ασχολείται με τα κτήρια τα χαρακτηριστικά τους και την τοποθέτησή τους στον αστικό ιστό. Είναι κυρίως πυκνοκατοικημένες, με εξαίρεση την περιοχή Bimeh που αποτελείται κυρίως από αγροτεμάχια και ένα κομμάτι βιομηχανοποιημένο. Η χρήση γης στις περιοχές αυτές είναι κυρίως κατοικίες με κάποια διασκορπισμένα μαγαζιά. Το μοτίβο κατοίκησης των περιοχών Apadana, Ekbatan-I, and Ekbatan-II είναι διασκορπισμένο, ενώ έχουν και πιο φροντισμένες περιοχές με πράσινο, γεγονός που τους δίνει μεγαλύτερη πιθανότητα να έχουν πιο δροσερό κλίμα το καλοκαίρι . Στο 1ο στάδιο της μελέτης εξήχθησαν από άλλα αρχεία και έρευνες, μεταβλητές που επηρεάζουν την ενέργεια που καταναλώνεται για μία χειμερινή σεζόν. Το σημαντικό στοιχείο εδώ είναι ότι δεν λαμβάνεται υπόψη η ενέργεια κάθε κτηρίου χωριστά επειδή σε κάθε ένα αυξομειώνεται (στον τομέα της θέρμανσης κυρίως) λόγω διαφορετικών μεγεθών. Αντιθέτως λαμβάνεται υπόψη ο ρυθμός αυξομείωσης κατανάλωσης μεταξύ χειμώνα και καλοκαιριού. Σε δεύτερο στάδιο συγκρίθηκε για τον χειμώνα η θερμοκρασία εδάφους που εξήχθη μετά από επεξεργασία της εικόνας του Landsat 8(εικόνα 2), με τα στοιχεία που ελήφθησαν από άλλες μεταβλητές ενεργειακής κατανάλωσης όπως κατανάλωση φυσικού αερίου(τοπική υπηρεσία διανομής αερίου). Αποτέλεσμα της συγκεκριμένης έρευνας έδειξαν ότι η περιοχή Βimeh είχε την χαμηλότερη από τις 4 περιοχές κατανάλωση. Επίσης η ίδια σύγκριση έγινε με βάση τις διαστάσεις κάθε κτιρίου όπου και συγκρίθηκαν οι μέσοι όροι χειμώνα-καλοκαιριού και πάλι η περιοχή Bimeh είχε τη μικρότερη κατανάλωση.

Εικ.2: επεξεργασία εικόνας Landsat 8 σε θερμικό κανάλι

Εικ.3: μεταβλητές που επηρεάζουν την κατανάλωση ενέργειας

ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ

Αρκετά εκτεταμένη ήταν η έρευνα για τις μεταβλητές που επηρεάζουν την ενεργειακή κατανάλωση κάθε περιοχής(εικόνα 3). Περιλήφθηκαν παράγοντες όπως ο τύπος, το μέγεθος, η υφή, ο προσανατολισμός, η αποδοτικότητα θέρμανσης, η ενεργειακή φτώχεια, η κάλυψη, το χρώμα επιφάνειας και η χωρική διάταξη του κάθε κτηρίου, η κάλυψη βλάστησης, η πυκνότητα του πληθυσμού, η συμπεριφορά των κατοίκων, το ρυμοτομικό σύστημα, τα ανοίγματα χώρων στους δρόμους η έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία και η τοπική θερμοκρασία. Στην παρούσα έρευνα το μέγεθος των κτιρίων και η πυκνότητα πληθυσμού θεωρήθηκαν οι πιο σημαντικές μεταβλητές. Φυσικά η επίδραση των μεταβλητών αυτών σε κάθε περιοχή κυμαίνεται λόγω φυσικών διαφορών μεταξύ τους.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης(εικόνα 4), δείχνουν ότι μεταξύ των παραπάνω μεταβλητών, το μέγεθος των κτιρίων, η πυκνότητα του πληθυσμού, η κάλυψη βλάστησης, η υφή και το χρώμα της επιφάνειας είναι οι σημαντικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την κατανάλωση ενέργειας στις περιοχές που μελετήθηκαν. Το γεγονός ότι στις μεγάλες πολυκατοικίες τα περισσότερα διαμερίσματα εφάπτονται και δεν υπάρχουν μεγάλες διαρροές θερμότητας, μειώνει τη μέση κατανάλωση ενέργειας της περιοχής. Ωστόσο, όσο υψηλότερος είναι η αριθμός των ατόμων που ζουν σε ένα κτίριο, τόσο υψηλότερη θα είναι η θα είναι η κατανάλωση ενέργειας (λόγω της κατά κεφαλήν κατανάλωσης που προστίθεται με την προσθήκη κάθε ατόμου). Η υφή μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στη θερμοκρασία των ανοιχτών χώρων και τον τρόπο με τον οποίο τα στοιχεία της φύσης όπως ο άνεμος και το ηλιακό φως μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μείωση κατανάλωσης ενέργειας. Ως εκ τούτου, η παρουσία πιο διάσπαρτων χώρων (όσον αφορά τη διάταξη των κτιρίων) αυξάνει την ανάγκη για ενέργεια θέρμανσης το χειμώνα. Η φυτοκάλυψη είναι ένας από τους πιο κρίσιμους παράγοντες που μπορεί να επηρεάσει το μικρόκλιμα και να δροσίσει τους κοντινούς χώρους. Ανάλογα με το είδος των δέντρων που και τη θέση τους, η βλάστηση μπορεί να μειώσει την επιφανειακή θερμοκρασία το καλοκαίρι και να συμβάλλει στην αύξηση της θερμοκρασίας το χειμώνα αφήνοντας το ηλιακό φως να περάσει στην περίπτωση των φυλλοβόλων. Το χρώμα των επιφανειών έχει επίσης σημαντική επίδραση στην αναλογία του ηλιακού φωτός που αντανακλάται και τη θερμική ενέργεια που απορροφάται. Οι φωτεινότερες επιφάνειες απορροφούν γενικά μικρότερο ποσοστό της προσπίπτουσας θερμικής ενέργειας και αντανακλούν υψηλότερο ποσοστό. Ο προσανατολισμός των κτιρίων, η κατάσταση των ανοικτών χώρων και των περιβαλλουσών περιοχών και η κάλυψη των επιφανειών διαπιστώθηκε επίσης ότι επηρεάζουν τη χρήση ενέργειας, αλλά όχι τόσο έντονα όσο άλλες μεταβλητές. Γειτονιές με υψηλή πληθυσμιακή πυκνότητα όπου τα κτίρια είναι μεγάλου όγκου και έχουν ομοιόμορφη απόσταση μεταξύ τους και κανονική χωρική διάταξη, ο προσανατολισμός των κτιρίων είναι σχεδιασμένος για το τοπικό κλίμα, και οι χώροι πρασίνου είναι διάσπαρτοι μεταξύ των κτιρίων, έχουν χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας από ό,τι γειτονιές με καρό σχεδιασμό και βόρειο-νότιο προσανατολισμό, οι οποίες έχουν πάρκα και δέντρα στα πεζοδρόμια. Δεδομένης της σημασίας της ταχείας αύξησης του πληθυσμού και της της αυξανόμενης ενεργειακής ζήτησης της παρούσας και των μελλοντικών γενεών των αστικών πληθυσμών ως σημαντική παγκόσμια ανησυχία, συνιστάται στους πολεοδόμους και τους σχεδιαστές να διεξάγουν εκτενέστερες μελέτες σχετικά με τις δυνατότητες για μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στους αστικούς χώρους, ώστε να διασφαλιστεί η βιωσιμότητα των πόλεών μας στο μέλλον. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής, υποδηλώνουν ότι με τον κατάλληλο σχεδιασμό για τις μελλοντικές εξελίξεις και την υιοθέτηση μέτρων όπως η αύξηση της αναλογία της φυτοκάλυψης στις υπάρχουσες υφές, είναι πράγματι δυνατή η μείωση της ενέργειας που καταναλώνεται για θέρμανση στην πόλη αυτή κατά τους ψυχρούς μήνες του έτους. Εφόσον οι επιδράσεις των εξεταζόμενων μεταβλητών στη χρήση ενέργειας είναι πιθανόν ποικίλλουν ανάλογα με το κλίμα, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να να διερευνηθούν αυτές οι επιδράσεις σε διαφορετικά κλίματα.

Εικ.4: Aποτελέσματα μελέτης για τις 4 περιοχές