Rapport 2014:07 Principer för utformning av utemiljö i kallt klimat med hänsyn till sol- och vindförhållanden Saeed Ebrahimabadi, Charlotta Johansson
Principer för Utformning av Utemiljö i Kallt Klimat med Hänsyn till Sol- och Vindförhållanden
November 2014 Saeed Ebrahimabadi Avdelning för arkitektur och vatten
Utgångspunkter - Mikroklimatfaktorer har historiskt varit integrerade i arkitektur och stadsbyggande - Komfort är en viktig kvalitet för attraktiva offentliga utemiljöer - Behov av verktyg och metodik som förenklar integrering av mikroklimatfaktorer i gestaltningprocessen - Subarktiskt klimat har stor inverkan på stadslivet - Säsongsklimat skiljer stort i subarktiska städer 3
Komfort Forskningen om komfort genomförs med följande inriktningar (Johansson, 2006): - Fysisk: att mäta termisk komfort med avseende på mikroklimatfaktorer: temperatur, vindhastighet, solstrålning och luftfuktighet. Stadsutformning har mer inverkan på solstrålning och vindhastighet. - Anpassande: handlar om och förväntningar, attityder samt psykologiska och kulturella aspekter som påverkar hur männsikor upplever komfort. Utmaning: Omsätta användning av forskningsresultat i praktiken 4
Sol och Vind Med skugganalys av utemiljöer undersöks direkt solstrålning i offentliga miljöer. I nordligt belägna städer är solhjöden relativt låg både vinter- och sommartid. Detta har betydelse för tillgång till sol i gatunivå och dagljus inomhus. I princip behöver gator i östvästlig riktning vara bredare på nordligare breddgrader för att säkerställa solstrålning. Gällivare och Kiruna ligger i arktiskpolen Stockholm Luleå Gällivare / Kiruna 54 46 Stockholm Luleå Gällivare / Kiruna 31 22 21 June (sommarsolståndet) 21 Mars (vårdagjämnning) Solhöjd i Gällivare, Kiruna, Luleå och Stockholm den 21 mars och den 21 juni 5
Sol, skugga och gatuprofil I samband med solhöjden kan man rekommendera gatudimensioner (gatuhöjd och gatubredd) för öst-västliga gator så att byggander och trottoarer inte blir skuggade. Gatudimensioner presenteras i form av relationstal mellan gatuhöjd och gatubredd (B/H). I princip ökar B/H med breddgrad. Tabllen visar relationstal mellan gatubredd och gatuhöjd (B/H) för en öst-västlig gata på breddgrader 64 respektive 68, datum och tid (Brown & Dekay, 2013, s. 199). Rekommenderad B/H för Gällivare och Kiruna, som ligger strax över breddgrad 67, är för mars 2,5 och för februari 8,3. Breddgrad Feb/ Okt Tid/Månad 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 Mar/ Sep Feb/ Okt Mar/ Sep Feb/ Okt Mar/ Sep Feb/ Okt 64 5,2 2,1 4,1 2,1 3,8 2,1 3,7 2,1 3,8 2,1 4,1 2,1 5,2 2,1 68 8,3 2,5 5,9 2,5 5,1 2,5 5,1 2,5 2,5 5,2 2,5 5,9 8,3 2,5 Mar/ Sep Feb/ Okt Mar/ Sep Feb/ Okt Mar/ Sep Feb/ Okt Mar/ Sep 6
Skugganalys och vindanalys Tre alternativ prövas för skugg- och vindanalys. Alternativ A presenterar en stadsgata i en nordlig tätort (breddgrad 67). Enligt tabell föreslås B/H relationstal 2,5. Ett alternativ B med B/H 2,0 prövas också vilket innebär smalare gatusektion. Alternativ C utgår från Alternativ B men roteras mot sydväst (ca 23 grader). Samtliga alternativen prövas för den 21 mars. Alternativ A- 21 mars, B/H: 2,5 Schematisk sektion A, B=2.5 H+2m Planvy av skugganalyser vid 3 tidpunkter. Planerna visar att gatuytan är i stort sett skuggad. Norra sidan av gatan får sol vid alla tre tidpunkter. Schematisk Sektion B, B=2H+2m 7
Alternative B - 21 mars, B/H:2,0 Alternativ C - 21 mars, B/H: 2,0 Planvy av skugganalyser (B/H:2,0) vid 3 tidpunkter. Planerna visar att gatuytan är i stort sett skuggad vid alla tre tidpunkter. Planvy av skugganalyser (B/H: 2,0 - sydväst roterat) vid 3 tidpunkter. Planerna visar att gatuytan är skuggad vid 9.00 och 12.00. Skuggytan halveras vid 15.00. 8
Vindanalys av Alternativ A B/H: 2,5, hastighet: 5 m/s Vindanalys av alternativ B B/H: 2,0, hastighet: 5 m/s Planvy och sektion av vindanalys alternativ A med sydlig vindriktning. Vindhastigheten minskar till 1,5 m/s i gaturummet (markerad cirkel). Planvy och sektion av vindanalys alternativ B med vindinriktning söder. Vindhastighet minskar till 1,5 m/s i gaturum. Jämförelse mellan alternativ A och B visar att en större del av gaturumet uppvisar hastigheter 0-1 m/s i alternative A (B/H: 2,5), dvs en något mindre blåsig gatumiljö. 9
Gatunätets inverkan på vindhastighet För att minska vindhastigheten ska gator inte vara byggda i samma riktning som förhärskande vindar. I följande presenteras tre alternativ till gatunät. Syftet med denna analys är att undersöka hur vindhastighet förändras i förhållande till gatunätets utformning. I analysen antas en sydlig vind med hastighet 5 m/s. I alternativ 1 har gatan samma riktning som vinden. I alternativ 2 vrider gatan ca 23 grader från nordsydlig riktning. I alternativ 3 bryts gatan vid varje kvarter. Alternativ 1: Vindhastigheten ökar till 6 m/s i gator med nordsydlig riktning. Alternativ 2: Vindhastigheten ändras ej i nedre delen av den nordsydliga gatan där vinden kommer in (4,5-5 m/s). Vindhastigheten minskar till 2-3 m/s efter att gatan vrider mot nordöst. 10
Slutsatser från skugg- och vindanalys - Till breddgrad 68 är B/H: 2,5 är rekommenderat. Denna relation säkerställer sol på norra sidan av östvästligt riktade gator. - En B/H: 2,0 med vridning mot sydväst kan ge god solstrålning på eftermiddagen. - Med vindens riktning vinkelrät mot gatan visades att B/H: 2,5 skapar lugnare vindförhållanden jämfört med B/H: 2,0. - Generellt ska långa gator i samma riktning som förhärskande vindar vintertid undvikas. - När gatans riktning avviker från vindriktning kan vindhastigheten minska. - Vindhastigheten minskar kraftigt när gatunät bryts i form av ett tegelmönster. Alternativ 3: Vindhastigheten minskar till 1-2 m/s i gator med nordsydlig riktning. 11
12
Metod för utvärdering av mikroklimat i tidigt gestaltningsskede Föregående kapitel handlade om basprinciper för gestaltning av gator i nordliga städer med hänsyn till sol och vind. I följande presenteras en enkel metodik för att bättre integrera vind- och solförhållanden i gestaltningsprocessen. Metodiken består av 1 Utvärdering av vindkomfort 2 Kombinerad skugg - och vindanalys Utvärdering av vindkomfort baseras på årlig förekomst och hastighet av vind (tabellen nedan). Sannolikhetsvärde ( P max ) är den procentuella andelen av timmar per år av vindar med en medelhastighet mer än 5 m/s på 1,5 meter höjd. Det andra kriteriet handlar om vindsäkerhet med en vindhastighet på mer än 15 m/s. Sannolikhetsvärden för vindhastighet på gtunnivå för fotgängares komfort och säkerhet enligt (Reiter, 2010) P max Vindkomfort Grad Aktiviteter gå promenera sitta < 2,5 % A bra bra bra 2,5 %- 5% B bra bra medel 5 % - 10 % C bra medel dåligt 10 % - 20 % D medel dåligt dåligt > 20 E dåligt dåligt dåligt P max Vindsäkerhet 0.3 liten risk > 0.3 farlig för alla aktiviteter 13
Metod för utvärdering av mikroklimat i tidigt gestaltning skede- process Diagrammen visar stegen som ingår i processen för utvärdering av mikroklimat. Följande tabell visar basdata, källor och programvaror för att utföra utvärderingen. Basdata Källa Programvaror Vindkomfort Vindstatistik SMHI Excel CFD: Autodesk Flow design, ANSYS, Vassari Skugganalys Geografisk läge Google Earth Sketchup, Archicad, Autodesk revit architeture Vindanalys Vindstatistik SMHI Excel CFD: Autodesk Flow design, Vassari Kombinerad vindoch skugganalys Adobe Photoshop, GIS 14
Mikroklimatanalys - Kiruna Fallstudien består av ett torg och en gata i Kiruna. Temperaturdigrammen visar att medeletemperatur ligger under 0 grad från oktober till april. Enligt den årliga vindrosen är förhärskande vindar från sydväst och norr. En förenklad ritning baserad på vinnande bidrag i arkitekturtävlingen för ny stadskärna i Kiruna Månadstemperatur, dagtid, och årlig vindros i Kiruna (SMHI, 2012) 15
Kiruna: mikroklimatanalys, vindkomfortanalys Vid utvärdering av vindkomfort ligger fokus på vindar med en frekvens på mer än 2,5 % per år och hastighet över 5 m/s. Andel vindar över 10 m/s är betydligt mindre än 2,5 % och därför bortses från dessa i utvärderingen. Vindsimulering utförders på vindhastigheter mellan 6 m/s och 10 m/s på riktningar SSW och N. Simuleringen visade att vindhastigheten i torget och gatan inte överskrider 5 m/s. 16
Kiruna: mikroklimatanalys, skugganalys En förenklad skugganalys änvänds baserad på tre tidpunkter (9.30, 12.00, 14.30) under vårdagjämning och sommarsolståndet. Vintersolståndet ingick inte analysen pga av låg solhöjd i Kiruna den 21 december. En kombinerad analys skapas geonom att sammanställa skugganalysresultat av tre tidpunkter (bilder till höger). 17
Kiruna: mikroklimatanalys, kombination av sol- och vindanalyst Med kombination av vind- och skugganalys kartläggs olika mikroklimatzoner. Bilderna längst till höger presenterar zonerna i färg där varmare färger (orange och gult) visar bättre mikroklimatförhållanden (högre möjlighet av sol och lä) och kalla färger presenterar mindre bra mikroklimatförhållande (mörk blå och blå). 18
Kiruna: mikroklimatanalys, jämförelse med termisk komfort Upplevd temperatur kan simuleras enligt olika termiska komfortindex. OUT_SET* är ett termisk komfortindex baserat på klimatfaktorer, isoleringskala av kläder (clo) och personens aktivitetsnivå. Kartan på vänster visar OUT_SET* värde för den 21 juni kl 10.00 för en gående person i sommarkläder. Jämförelse mellan kartan för mikroklimatanalys (höger) och kartan för upplevd temperatur (vänster) visar hög korrelation mellan dem. Kartorna visar en god överensstämmelse mellan vind och sol kombination och termisk index i den här studien. 19
20
21
Referenser Brown, G.Z. & DeKay, M. 2013, Sun, wind, and light: architectural design strategies, Thi [ edn, Wiley, Hoboken. Johansson, E. 2006, Urban design and outdoor thermal comfort in warm climates : studies in Fez and Colombo, Lund University, Lund. Reiter, S. 2010, Assessing wind comfort in urban planning, Environment and Planning B: Planning and Design, vol. 37, no. 5, pp. 857-873. SMHI 2012, Local climate Kiruna- report number 9, Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI). 22
Medverkande parter: ISBN 978-91-7583-288-3(tryckt) ISBN 978-91-7583-289-0 (pdf) Luleå tekniska universitet, Grafisk produktion 2014