Ενίσχυση των πλεονεκτημάτων σκιάς δέντρων σε πυκνής ανάπτυξης οικισμούς χρησιμοποιώντας μια εναλλακτική στρατηγική τοποθέτησης δέντρων
Από RemoteSensing Wiki
Enhancing the energy conservation benefits of shade trees in dense residential developments using an alternative tree placement strategy
Won Hoi Hwang, P. Eric Wiseman, Valerie A. Thomas Department of Forest Resources and Environmental Conservation, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA 24061, United States Received 23 November 2015, Revised 30 July 2016, Accepted 27 September 2016, Available online 11 October 2016
πηγή: [[1]]
Μετάφραση και Περίληψη
1. Εισαγωγή
Οι κατοικημένες περιοχές αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το 20% της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεαι στις Ηνωμένες Πολιτείες (US), και περίπου το 40% της εν λόγω ενέργειας καταναλώνεται για ψύξη και τη θέρμανση των οικιστικών δομών. Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για την διατήρηση ενέργειας οικιστικών δομών έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον ερευνών σε τομείς όπως η Αρχιτεκτονική, η Πολεοδομια καθώς και συναφών κλάδων. Προηγούμενες μελέτες προσομοίωσης της σχέσης σκιάς και ενέργειας έδειξαν ότι η μορφή του δέντρου και το σημείο τοποθέτησης του δέντρου επηρεάζει με τη σκιά την κατανάλωση ενέργειας των κτιρίων. Με βάση τις προηγούμενες μελέτες, αυτό το έγγραφο θα εξετάσει το πώς η τοποθέτηση ενός δέντρου σκιάς επηρεάζει την κατανάλωση ενέργειας οικιστικών δομών στις πρόσφατα αναπτυγμένες γειτονιές μονοκατοικιών πολλών πόλεων των ΗΠΑ. Διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν την ενεργειακή ζήτηση για τη διατήρηση της θερμικής άνεση στο εσωτερικό οικιστικών δομών. όπως ο σχεδιάσμος του κτιρίου και το μέγεθος, Η ενεργειακή απόδοση των κτιρίων αυξάνεται με διάφορα μέσα όπως ο παθητικός ηλιακός σχεδιασμός του κτιρίου, η διαρύθμιση και η χρήση υλικών κατάλληλων για το τοπικό κλίμα αλλα και με μεταβολές μεγάλης κλίμακας των αστικών δομών όπως η πυκνότητα, η διάταξη της κοινότητας, και τα δίκτυα του δρόμου. Η χρήση δέντρων σκιάς από κατοίκους των αστικών κέντρων μπορεί να συμβάλλει στην εξοικονόμηση ενέργειας με την τροποποίηση των ηλιακών φορτίων των κτιρίων. Κύριος στόχος της παρούσας μελέτης είναι να επιδείξει τις επιπτώσεις των δέντρων σκιάς στην διατήρησης της ενέργειας κτιρίων, και στη μειώση κατανάλωσης ενέργειας για ψύξη και θέρμανση με τους εξής τρόπους : (1) προσφέροντας σκιά πάνω σε επιφάνειες κτιρίων, (2) στην τροποποίηση της ροής του αέρα γύρω από τα κτήρια, και (3) στη μείωση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος αέρα. Για να μεγιστοποιηθούν τα οφέλη της εξοικονόμησης ενέργειας διαμέσου των δέντρων σκιάς είναι απαραίτητο να προσδιοριστούν τα φυσικά χαρακτηριστικά της περιοχής και να επιλεγούν τα κατάλληλα δέντρα. Πολλές πόλεις των ΗΠΑ έχουν εφαρμόσει προγράμματα δενδροφύτευσης για να αυξήσουν το φύλλωμα και να μειωθεί η θερμότητα που εμφανίζεται. Η πραγματικότητα είναι ότι παρά τα χιλιάδες δέντρα που φυτεύτηκαν σε όλες τις ΗΠΑ η χωρίς ενεργειακή μελέτη φύτευσή τους δεν βοήθησε να μεγιστοποιήσουν τα οφέλη τους για τη διατήρηση της ενέργειας και την εξοικονόμησή της. Λόγω της εκτεταμένης αστικοποίηση, εκατομμύρια στρέμματα πρασίνου στις ΗΠΑ έχουν εκτοπιστεί από οικιστικές και εμπορικές κατασκευές και είναι σημαντική η υλοποίηση μια στρατηγικής φύτευσης δέντρων σκιάς. Εκπαιδεύοντας κατασκευαστές και ιδιοκτήτες ακινήτων για το ρόλο των δέντρων σκιάς για την εξοικονόμηση ενέργειας και παρέχοντας καθοδήγηση σχετικά με την επιλογή των δέντρων και την τοποθέτηση κατά την κατασκευή θα μπορούσε να προωθήθει η στρατηγική φύτευσης δέντρων σκιάς και έτσι να βελτιώθουν τα οφέλη της διατήρησης της ενέργειας. Οι στόχοι της μελέτης μας ήταν: (1) για να αξιολογήσει πόσο τα νεοφυτευμέν δέντρα επηρεάζουν την ενεργειακή κατανάλωση των πρόσφατα κατασκευασμένων κτιριών σε διάφορα γεωγραφικά πλάτη στις ΗΠΑ, και (2) να εξετάσει εναλλακτικές στρατηγικές τοποθέτηση δέντρων γύρω από αυτά τα ίδια τα κτίρια για τη βελτίωση της διατήρησης της ενέργειας. Η προσέγγισή μας στη μελέτη έγινε με τη χρησιμοποίηση απομακρυσμένων δεδομένων τηλεπισκόπησης για τον εντοπισμό δέντρων γύρω από τα πρόσφατως κατασκευασμένα κτίρια εν συνέχεια με προσομοιώσεις σε υπολογιστή να εξεταστούν τα οφέλη της διατήρησης της ενέργειας τους βάσει των υφισταμένων και εναλλακτικων τρόπων τοποθέτησης.
2. Μεθοδολογία
2.1 Πεδίο μελέτης
Για τη μελέτη αυτή, επιλέχθηκαν τρεις μητροπολιτικές περιοχές των ΗΠΑ, Metro Minneapolis, Minnesota (MN), Charlotte, North Carolina (NC), και το Metro Orlando, Florida (FL). Αυτές οι περιοχές μελέτης εκπροσωπούν τις κρύες (Metro Minneapolis), μικτές-υγρές (Charlotte), και ζεστές-υγρές (Metro Orlando) καιρικές συνθήκες. Αυτά τα διαφορετικά κλίματα επηρεάζουν την οικιακή κατανάλωση ενέργειας με διαφορετικούς τρόπους.
2.2 Χαρακτηρίζοντας οικιστικές εκτάσεις στο πεδίο μελέτης
Για να εντοπίσουμε τις επιπτώσεις από τη φύτευση ενός δέντρου σκιάς στην οικιακή κατανάλωση ενέργειας επιλέξαμε πρόσφατα αναπτυγμένες οικιστικά περιοχες . Επιλέξαμε σκόπιμα περιοχές χωρίς δασικά δέντρα για να εξετάσουμε τις αλλαγές από την τοποθέτηση των νέων δέντρων. Άλλα χαρακτηριστικά που λάβαμε υπόψη ήταν το μέγεθος του κτιρίου , το σχήμα του αγροτεμαχίου, αλλά και η επιλογή μονοκατοικιών λόγω της περιόδου που κτιστήκαν και του ίδιου τύπου κατοικιών. Με υψηλής ανάλυσης αεροφωτογραφίες έγινε η εξαγωγή των δεδομένων και ο ορισμός των μεταβλητών, προσανατολισμός σπιτιού, προσανατολισμό αγροτεμάχιο, ανάστημα δέντρου, μορφή δέντρου, και η τοποθέτηση δέντρων σε σχέση με το σπίτι.
2.3 Προσομοίωση ενεργειακής κατανάλωσης κτιρίου
Οι προσομοιώσεις έγιναν με το πρόγραμμα EnergyPlus για να αξιολογηθούν οι επιδράσεις των υπάρχοντων δέντρων σκιάς στην ενεργειακή κατανάλωση των κατοικιών στο δείγμα. Το πρόγραμμα μετρά, βάσει των στοιχείων καιρού, τα φορτία ψύξης και θέρμανσης που απαιτούνται για τη διατήρηση προκαθορισμένων θερμικων ονομαστικων τιμών ενός οικιστικού μοντέλου δομής. Σε αυτές τις ενεργειακές προσομοιώσεις, τα δέντρα που λάβαμε υπόψη ήταν γειτονικά των αντικειμένων ώστε να επηρεάζουν την αύξηση της θερμότητας από την παροχή σκιάς στη δομή και στην επιφάνεια του εδάφους και πως ρυθμίζαν τη ροή του αέρα γύρω από τη δομή. Για τις προσομοιώσεις της κατανάλωσης ενέργειας,χρησιμοποιήθηκε μια οικιστική δομή μοντέλο και τέσσερα μοντέλα δέντρων σκιά για να αντιπροσωπεύουν τις πραγματικές οικιστικές δομές και πως συνδέονται με τα δέντρα τους.
2.4 Εναλλακτική στρατηγική τοποθέτηση δέντρων για την εξοικονόμηση ενέργειας
Για να εξετάσουμε κατά πόσον η διατήρηση της ενέργειας με τα υφιστάμενα δέντρα επι του δείγματος των αγροτεμάχίων θα μπορούσε να βελτιωθεί, αναπτύξαμε μια εναλλακτική στρατηγική τοποθέτησης δέντρων που να είναι συμβατή με την τυπική διάταξη των κατοικιών σε πυκνές αστικές περιοχές. Συγκρίναμε την εναλλακτική στρατηγική με τη συμβατική η οποία προτείνε να φυτευουμε ένα δέντρο, είτε δυτικά ή ανατολικά μιας δομής, διαμέσου προσομειώσεων και σύμφωνα με την εναλλακτική στρατηγική αναδιαρθώνεται η τοποθέτηση των υφιστάμενων δέντρων στα αγροτεμάχια του δείγματος.
2.5 Συγκριση προσομειώσεων για τα πλεονεκτήματα των δέντρων σκιας
Για την παροχή πρόσθετων απόψεων επί της ενεργειακής προσομείωσης εκτός από το Energy Plus χρησιμοποιήσαμε το διαδικτυακό πρόγραμμα i-Tree Design για τη μοντελοποίηση των δειγμάτων. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα υπολογίζει τέσσερα πλεονεκτήματα ενός οικοσυστήματος: την ανακοπή των ομβρίων, την βελτίωση της ποιότητας του αέρα, την παγίδευση του άνθρακα και την εξοικονόμηση ενέργειας.
3. Αποτελέσματα
3.1 Υπάρχουσες συνθήκες στα κατοικημένα αγροτεμάχια
Οι κατοικίες αγροτεμάχια του δείγματος στις περιοχές μελέτης έδειξαν διαφορές στο μέγεθος αγροτεμαχίου, στο μέγεθος της εγκατάστασης, και στον προσανατολισμό του αγροτεμαχίου. Το Metro Minneapolis είχε τα μεγαλύτερης έκτασης αγροτεμάχια, ακολουθώντας το Metro Orlando και το Charlotte. Στον προσανατολισμό αγροτεμαχίων σε Metro Minneapolis και Metro Orlando η πλειοψηφία ήταν με κατεύθυνση Βορράς-Νότος με τα κτίρια να έχουν κατεύθυνση Ανατολή-Δύση. Στο Charlotte κανένας προσανατολισμός δεν ήταν κυρίαρχος. Στο δείγμα, ακόμη, ο μέσος όρος ύψους των δέντρων ήταν λιγότερος των 6 μέτρων δείχνοντας ότι είναι πρόσφατα κατοικημένες οι περιοχές.
3.2 Ενεργειακές επιπτώσεις υφιστάμενων δέντρων
Χωρίς δέντρα, η ετήσια κατανάλωση ενέργειας στον οικιακό μοντέλο δομής προσομοίωσηw σε αγροτεμάχια του δείγματος κατά μέσο όρο 9,924 ± 1,4 kWh στην Charlotte και 8.824 ± 6,0 kWh στο μετρό Ορλάντο. Για την ανάλυση αυτή, θα αποκλειστεί το Metro Minneapolis, λόγω του ανεπαρκούς μεγέθους του δείγματος των αγροτεμαχίων. Ετήσια κατανάλωση ψύξη και θέρμανση ενέργειας, ως ποσοστό της συνολικής ενέργειας των νοικοκυριών, ήταν περίπου 35% στο Charlotte και το 26% στο μετρό Ορλάντο. Η εποχή ψύξης για εννέα μήνες στο μετρό Ορλάντο είχαν την τάση να απαιτούν αυξημένη χρήση της ψυκτικής ενέργειας, χρησιμοποιώντας περίπου διπλάσια ενέργεια, σε σύγκριση με Charlotte. Σε αντίθεση, η ψυχρότερες καιρικές συνθήκες κατά τη διάρκεια της πλέον θέρμανση σεζόν στο Charlotte απαιτείται περισσότερη ενέργεια θέρμανσης από ό, τι στο μετρό Ορλάντο. Προσομοιώσεις και στις δύο περιοχές μελέτης έδειξαν ότι μια δομή ανατολή-δύση προσανατολισμένη καταναλώνεται συνήθως την ενέργεια τουλάχιστον ψύξης, μέχρι 3,6% (Charlotte) και 7,2% (Ορλάντο) λιγότερο από δομές με άλλα. Τα υπάρχοντα δέντρα σε αγροτεμάχια δείγμα προσομοιώθηκαν για να εξετάσουν την επίδραση τόσο της κατανάλωσης ενέργειας ψύξης και θέρμανσης. Στο μετρό Ορλάντο, εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη διάρκεια της μακράς περιόδου ψύξης ήταν αρκετά μεγάλη για να αντισταθμίσει οποιαδήποτε ποινή θέρμανσης προκαλείται από χειμονιάτικα δέντρα σκιάς, έτσι ώστε στις περισσότερες περιπτώσεις ήταν μειωμένη η συνολική ετήσια κατανάλωση ενέργειας. To αντίκτυπος των υφιστάμενων δέντρων σε ετήσια εξοικονόμηση ενέργειας συγκρίθηκε στη συνέχεια και από τις δύο κατευθύνσεις αγροτεμαχίου και οικοδόμησηw. Και στις δύο περιοχές μελέτης, τα ανατολικά προς τα δυτικά προσανατολισμένη έδειξε τη μέση ετήσια εξοικονόμηση ενέργειας, καθώς τα αγροτεμάχια αυτά είχαν δέντρα που φυτεύτηκαν συχνότερα είτε στην ανατολική ή τη δυτική όψη του κτιρίου. Η επίδραση του προσανατολισμού αγροτεμάχιο Ανατολής-Δύσης για την εξοικονόμηση ενέργειας ήταν πολύ πιο έντονη στο μετρό Ορλάντο όπου η σκιά το απόγευμα είναι πολύ εύστοχη κατά τη διάρκεια της μακράς περιόδου ψύξης. Η εξοικονόμηση ενέργειας από τα δέντρα σε αγροτεμάχια ανατολικά προς τα δυτικά ήταν δύο φορές ή μεγαλύτερη από ό, τι άλλες κατευθύνσεις αγροτεμάχιο. Αυτό το αποτέλεσμα ήταν πολύ πιο υποτονικό στο Charlotte, όπου η περίοδος ψύξης είναι μικρότερη. Τυπικά σφάλματα της εξοικονόμησης ενέργειας ήταν υψηλότερη σε μετρό Ορλάντο, επειδή υπήρχε μεγάλη διακύμανση δέντρων που μετράνε ανά αγροτεμάχιο.
3.3 εναλλακτικη στρατηγική τοποθέτησης δέντρων σκιας
Για να συντομευθεί ο χρόνος προσομοίωσης αναπτύξαμε μια εξίσωση κατανάλωσης ενέργειας προκειμένου να προβλέψουμε τα αποτελεσματα της προσομοίωσης., η απόκλιση ήταν 1% . Η αποτελεσματικότητα της εναλλακτικής στρατηγικής προσδιορίζεται με σύγκριση της εξοικονόμηση ενέργειας που παρέχεται από τα υπάρχοντα δέντρα με την εξοικονόμηση ενέργειας που παρέχεται όταν αυτά τα δέντρα επαναπροσδιορίστηκε η θέση τους με βάση τη συμβατική ή την εναλλακτική στρατηγική. Η σύγκριση περιορίστηκε σε δείγματα που φέρουν ένα έως δύο δέντρα προκειμένου να επικεντρωθεί στην τοποθέτηση του δέντρου και την επιρροή στον τομέα της εξοικονόμησης ενέργειας των πυκνοκατοικημένων περιοχών. Υπήρχαν αποδεικτικά στοιχεία ότι υπάρχοντα δέντρα δεν είχαν τοποθετηθεί στρατηγικά (για εξοικονόμηση ενέργειας) σε αγροτεμάχια που συμπεριλήφθηκαν στο δείγμα, πιθανότατα λόγω περιορισμών χώρου αλλά ίσως και για αισθητικούς λόγους.
3.4 Σύγκριση με το i-tree design
Η σύγκριση οδήγησε στο ότι η εξοικονόμηση ενέργειας σύμφωνα με τις προσομειώσεις του Energy Plus εκτιμάται οτι είναι χαμηλότερη από το i-tree design. Είναι σημαντικό να καταλάβουμε ότι για τη διατήρηση της ενέργειας στο ευρύτερο πλαίσιο του οικοσυστήματος που παρέχουν τα υπάρχοντα , ιδιαίτερα τα μεγάλα, δέντρα είναι η μείωση των ομβρίων , η βελτιώσης της ποιότητας του αέρα , και η δεσμευση του άνθρακα.
4. Συζήτηση
Μέσα από την εξέταση της τηλεπισκόπησης των εικόνων και του υπολογιστή προσομοίωση της κτιριακής κατανάλωσης ενέργειας, βρήκαμε ότι τα υπάρχοντα δέντρα σε αγροτεμάχια του δείγματος ήταν συνήθως αρκετά κοντά στα σπίτια κάτι που επιδρά θετικά στην εξοικονόμηση ενέργειας, αλλά τυπικά ήταν σε λάθος μέρη για να μεγιστοποιήσουν την εξοικονόμηση ενέργειας. Σαν δικαιολογία θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι οι περιορισμοί στους χώρους που αντιμετωπίζουν οι ιδιοκτήτες ακινήτων στις νεόκτιστων κατοικίες. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα έδειξαν ότι η τοποθέτηση δέντρων σκιάς συσχετίζεται με τον προσανατολισμό του αγροτεμαχίου. Οι μακρύτερες πλευρές των αγροτεμαχίων συχνά είχαν περιορισμένο χώρο για φύτευση δέντρων και έτσι λιγότερα δέντρα παρατηρήθηκαν σε αυτές τις πλευρές. Από την άποψη αυτή, η συμβατική στρατηγική για τα οφέλη της εξοικονόμησης ενέργειας, φυτεύοντας ένα δέντρο στη δυτική πλευρά της δεν θα είναι πάντοτε εφαρμόσιμη, ιδίως όταν ο προσανατολισμός του αγροτεμάχιου Ανατολής-Δύσης δεν είναι ο κυρίαρχος. Η χρηματικη αξία από την εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί τελικά σε ένα αγροτεμάχιο να είναι αμελητέα, η συσσωρευμενη αξία απο την εναλλακτική στρατηγική σε κοινοτικό επίπεδο είναι σημαντική. Πρέπει να γίνει προσεκτική τοποθέτηση των δέντρων σκιάς καθότι μπορεί να υπάρξει μερική διατήρηση της ενέργειας σε μια γειτονική δομή από το αποτέλεσμα της τοποθέτησης τους (κατεύθυνση και απόσταση) και ιδιαίτερα σε επίπεδο μιας ολόκληρης κοινότητας. Αυτή η επιθυμητή σκιά το καλοκαίρι θα μπορούσε εύκολα να γίνει ανεπιθύμητή σκιά το χειμώνα, οδηγώντας σε επιπλέον κόστος θέρμανσης για τις γειτονικές οικίες, Ακόμη, πρέπει να γίνει προσεκτική επιλογή των ειδών των δέντρων, ιδιαίτερα που σχετίζονται με το μέγεθος του δέντρου καθώς θα επηρεάσει σημαντικά την έκταση της σκιάς. Ακόμα κι αν η μελέτη μας έδειξε ότι η εναλλακτική στρατηγική θα μπορούσε να βελτιώσει την εξοικονόμηση ενέργειας, αναγνωρίζουμε ότι υπήρχαν αρκετοί περιορισμοί στη μελέτη. Κατ 'αρχάς, η μελέτη μας ήταν ένα στιγμιότυπο από τις υπάρχουσες συνθήκες και δεν ρποβλέπουν την μελλοντική εξέλιξη ή θνησιμότητα του δέντρου. Για τις προσομοιώσεις, τα μοντέλα μας δέντρα καθορίστηκαν ως πλήρως ωριμάνσης και μεγάλης έκτασης δέντρα, που υποδηλώνει ένα βελτιωμένο σενάριο. Δεύτερον, τα περιβάλλοντα προσομοίωσης που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη, δεν μπορούσαν να περιγράψουν πλήρως τις παραλλαγές στο σχήμα, το μέγεθος και τον προσανατολισμό αγροτεμαχίων. Επίσης, τα τέσσερα μοντέλα δέντρων (δύο τύπους φύλλων × δύο μεγέθη δέντρων) που χρησιμοποιούνται στις προσομοιώσεις μας δεν τυποποιούν όλες τα αστικά δέντρα. Τρίτον, η μελέτη μας δεν εξέτασε πλήρως τυχόν κακή χρήση των δέντρων τοπίου, όπως η υπερβολική σκιά, απαιτήσεις άρδευσης, ζημιές που προκάλεσε θύελλα, ή αλλεργιογόνα και γύρη . Στόχος μας δεν ήταν μια αυστηρή οικονομική ανάλυση των οφελών και του κόστους των δέντρων σκιας, αλλά μάλλον να επισημάνουμε τις βαθιές επιπτώσεις που του δέντρου και η τοποθέτηση του έχει για την εξοικονόμηση ενέργειας . Τέλος είναι απαραίτητη η ύπαρξη πολιτικής που να δίνει τις κατευθυντήριες γραμμές για την προώθηση στρατηγικών φυτεύσεις δέντρων σκιάς
5. Συμπερασμα
Η μελέτη μας εξέτασε τις τρέχουσες συνθήκες των νεόδμητων οικιστικών συγκροτημάτων και πρότεινε μια εναλλακτική στρατηγική τοποθέτηση δέντρων που αποσκοπούν ειδικά στη βελτίωση των οφελών της διατήρησης της ενέργειας για πυκνοκατοικημένες αστικές γειτονιές. Η συμβατική στρατηγική, η οποία συνιστά τη φύτευση ενός δέντρου στη δυτική πλευρά, φαίνεται να είναι η πιο αξιόπιστη προσέγγιση, αλλά συχνά αυτό δεν είναι εφικτό λόγω περιορισμών χώρου. Σε αυτές τις περιπτώσεις, και ανάλογα με τη γεωγραφική θέση, η εναλλακτική στρατηγική τοποθέτηση δέντρου, προτείνει τη φύτευση είτε στη δυτική ή στη νότια πλευρά ανάλογα με τον προσανατολισμό τπυ αγροτεμαχίου. Μια στρατηγική προσέγγιση για τη φύτευση και τη διαχείριση δέντρων σκιάς είναι θεμελιώδης για την ενίσχυση των οφέλων της διατήρησης της ενέργειας. Αυτή η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι οι κατάλληλες στρατηγικές τοποθέτησης δέντρουθα πρέπει ταυτόχρονα να λαμβάνουν υπόψη τις επιδράσεις των δέντρων σε κάθε αγροτεμάχιο και σε συνδυασμό με όλη την κοινότητα.
