Esta figura mostra o que acontece com o fluxo de calor com e sem árvores próximas a uma casa. As imagens à esquerda mostram uma casa sem árvore ao lado, e o fluxo de calor resultante. As imagens à direita mostram a casa com uma árvore ao lado, e como a árvore afeta o fluxo de calor para dentro e para fora da casa. Crédito:Boshun Gao.
Pesquisadores da Iowa State University desenvolveram um modelo para testar como o sombreamento e o fluxo de ar podem melhorar as temperaturas internas durante o calor sufocante dos verões do meio-oeste.
Nova pesquisa por Cidades Sustentáveis, um grupo de pesquisa liderado por Ulrike Passe, professor associado de arquitetura, mostra os efeitos do sombreamento das árvores e da evapotranspiração nas temperaturas dos edifícios durante o calor extremo no meio-oeste. Cidades Sustentáveis é um projeto dentro do Centro de Pesquisa em Energia de Edifícios, que é dirigido por Passe.
A equipe de pesquisa do Passe recentemente apresentou seu trabalho na Conferência Comfort at the Extremes 2019 em Dubai. A equipe inclui Passe; Janette Thompson, Morrill Professor de ecologia e gestão de recursos naturais; Baskar Ganapathysubramanian, professor de engenharia mecânica; Boshun Gao, Ph.D. estudante de engenharia mecânica; e Breanna Marmur, Ph.D. estudante em ecologia e gestão de recursos naturais.
Espera-se que o meio-oeste veja mais dias com alta umidade e alto ponto de orvalho nas próximas décadas. De 2036 a 2065, um ano em cada 10 está projetado para ter um "evento de calor extremo, "definido como um período de cinco dias que é 13 graus mais quente do que um período anterior comparável, de acordo com a Avaliação Nacional do Clima.
Efeitos do calor extremo em populações vulneráveis
Bairros de baixa renda são desproporcionalmente afetados por eventos de calor extremo, já que muitas casas não possuem sistemas centrais de ar-condicionado devido à idade da construção ou ao custo da eletricidade. No condado de Polk, até 50 por cento das residências de baixa renda não têm A / C central.
Então, no ano passado, a equipe de Cidades Sustentáveis fez parceria com a cidade de Des Moines e o Departamento de Saúde do Condado de Polk para conduzir pesquisas sobre o uso de energia dos edifícios e como eles são afetados pelo meio ambiente. A cidade e o condado querem aprender mais para ajudar as populações mais vulneráveis de Des Moines, como o bairro Capitol East que foi estudado.
Aquecer um edifício é mais fácil, pois você está adicionando energia. Resfriar um prédio com ar-condicionado central é mais complexo, forçando o calor para fora do prédio, o que, por sua vez, aumenta a temperatura ambiente.
Um problema adicional em Iowa é a alta umidade, o que aumenta significativamente a percepção de desconforto no verão. A maior movimentação do ar em um edifício pode ajudar nesse desconforto ao resfriar o corpo de uma pessoa. Ventilação natural, em comparação, requer sombreamento para permitir que o ar mais frio se mova pelo edifício sem o uso de sistemas mecânicos.
"Minha pesquisa começou com estratégias de projeto passivas para permitir que os arquitetos sejam mais capazes de prever o desempenho dos edifícios ao projetá-los, - Passe disse. - Predizer o desempenho exato de edifícios projetados com ventilação natural é difícil de calcular matematicamente. Por que não podemos prever melhor como o ar se move dentro e fora dos edifícios? Existem séculos de bons exemplos, mas eles foram projetados intuitivamente. E distribuímos esse conhecimento por causa do ar forçado. "
Como funciona o modelo
Primeiro, a equipe de pesquisa do ISU inventou o 1, 142 árvores e 340 edifícios em seu bairro de estudo. Os dados da árvore incluem o tamanho, localização, espécies e forma do dossel. Esses dados foram integrados a um modelo computacional 3-D desenvolvido pela equipe de Cidades Sustentáveis para simular os efeitos das árvores no uso de energia de um edifício. O modelo é baseado no trabalho do Laboratório de Design Sustentável do MIT liderado por Christoph Reinhart, professor de arquitetura.
Embora os modelos de energia comuns mostrem edifícios como objetos autônomos, o novo modelo da equipe do ISU Sustainable Cities não mostra apenas a entrada de energia de edifícios próximos, mas também o impacto do meio ambiente - como as árvores.
Obviamente, a sombra das árvores ajuda no resfriamento. Mas esta equipe acrescentou algo novo à pesquisa, estudar o sombreamento das árvores e o resfriamento evapotranspiracional:quando os raios solares atingem a copa de uma árvore, a água evapora das folhas, resfriando-os e reduzindo a temperatura do ar circundante. Esses efeitos podem reduzir o uso de energia de um prédio próximo e melhorar o conforto interno e externo para resfriamento no verão.
"Uma questão chave é, podemos aproveitar as árvores e o paisagismo para compensar as necessidades de energia das edificações e produzir condições de vida usando pouca ou nenhuma energia? ”, disse Ganapathysubramanian.
Com um novo modelo e recursos de "malha" (um processo ajustado por Gao para simular perfeitamente a relação entre as árvores, edifícios, temperatura do ar e movimento do ar), os pesquisadores do estado de Iowa agora podem ver como as árvores de várias alturas e distâncias de edifícios afetam a temperatura da parede externa e o fluxo de ar ao redor.
"Estamos desenvolvendo modelos baseados em dados e modelos computacionais de dinâmica de fluidos baseados na física para ver se um edifício pode ser operado com fluxos de ar naturais, ou se precisa de ar condicionado, - Passe disse. - Esses modelos são necessários em eventos de calor extremo, quando falta energia.
Os primeiros resultados mostram que diferentes paisagismo podem melhorar o controle de temperatura em edifícios durante o calor extremo, já que as árvores fornecem sombra, bloqueio de radiação e resfriamento evapotranspiracional. Quanto mais perto uma árvore está de uma casa, maior será o impacto na redução da temperatura e no desvio da luz solar direta. A equipe descobriu que uma árvore maior ao lado de uma casa reduz a temperatura da superfície do prédio em até 20 por cento. Esta pesquisa tem implicações para um melhor posicionamento de janelas nas paredes e telhados ao projetar casas para permitir um melhor fluxo de ar e ventilação natural.
Pesquisas futuras têm como objetivo melhorar os sistemas de alerta durante eventos de calor extremo. Este Verão, Membros da equipe de Cidades Sustentáveis Michael Dorneich, professor associado de engenharia de sistemas industriais e de manufatura; e seu Ph.D. aluna, Jacklin Stonewall, estão trabalhando em um protótipo de um aplicativo móvel em que os usuários podem inserir informações sobre sua casa (temperatura, etc.). O crowdsourcing dessas informações pode ajudar as autoridades de saúde a melhorar os sistemas de alerta e direcionar mensagens relacionadas ao calor para bairros particularmente vulneráveis.
"É bem sabido que bairros com poucos recursos são muito afetados por eventos climáticos extremos, particularmente calor extremo, "Thompson disse." Os idosos e aqueles com menos recursos são os mais vulneráveis ao calor extremo e também os mais relutantes em usar serviços comunitários, como transporte público e centros de refrigeração.
"O que realmente nos motiva é encontrar maneiras menos dispendiosas de tornar o mundo um lugar melhor para as pessoas que são particularmente vulneráveis."
