Assessment of outdoor thermal comfort in a suburban university campus with the use of ENVI_met program

Abstract

Kentsel alanlar, son birkaç yılda nüfus enflasyonu ve buna bağlı olarak artan talepler nedeniyle önemli sorunlarla karşı karşıyadır. İnsanların boş zamanlarını geçirdikleri ve çeşitli aktivitelerde bulundukları açık alanları sağlamak, ve bu alanlarda kullanıcılar için rahat ve keyifli bir ortam yaratmak en önemli konulardan biri olarak görülmektedir.. Ancak, kentsel açık alanların çeşitli süreçlerden ve faaliyetlerden etkilenmesi nedeniyle, rahat bir ortamın oluşturulması çok boyutlu bir yaklaşım gerektirmektedir. Açık alanları etkileyen hava sıcaklığı, nem, rüzgâr hızı ve radyasyon gibi atmosfere bağlı süreçler aslında faaliyetler ve davranışlar açısından insan günlük yaşamını doğrudan etkilemektedir. İnsanlar dışarıdaki hava koşullarına göre davranmaya eğilimlidirler; örneğin, kıyafetlerini seçerler, zamanlarını dışarıda geçirirler vs. Fakat açık alanları etkileyen tek etken hava koşulları değildir. Bina geometrisi, binaların yüksekliği ve uzunluğu, bina hizalaması, sokağın yönlendirilmesi gibi fiziksel değişkenler, bitki örtüsünün ve hatta yüzey malzemelerinin çeşitliliği kentsel yapılaşmış ortamı etkilemektedir. Tüm bu değişkenler, kullanıcıların açık alanlardaki dış mekân ısıl konforunu bir diğer deyişlekişinin içinde bulunduğu ısıl ortamdan memnuniyetini belirten zihinsel bir süreci (ASHRAE, 1981) etkilemektedir.Bu nedenlerden dolayı, açık alanlar için mikro-iklim ve fiziksel değişkenlerin önemini belirtmek oldukça önemlidir. Teknolojinin hızlı bir şekilde gelişmesine ve kentsel tasarım süreçleri için pek çok iyileştirme getirilmiş olmasına rağmen, mikro-iklim ve fiziksel değişkenlerin birarada ele alınmasına çok sık rastlanmamaktadır. Örnek vermek gerekirse tasarım sürecinde bilgisayar yazılımlarının kullanılmaması hala söz konusudur. Oysa yaşanabilir ve kaliteli kentsel mekânları tasarlamak için, mikro-iklim ve açık alan arasındaki ilişkilerin niceliksel ve niteliksel olarak anlaşılmasını sağlayan bilgisayar programları kullanılabilmektedir. Bu programlar yardımıyla ön tasarım sürecinde hataların azaltılması ve başarıdan faydanabilmesi mümkündür. Yaşanabilir ve konforlu açık alanlar tasarlamak, başarılı kentsel çevre için en önemli ölçütlerden biri olmuştur. Ancak, çeşitli konulardan etkilenerek, kentsel yapılaşmış çevre tasarımı sürecinde sadece çevresel etkiler değil, aynı zamanda kullanıcı memnuniyeti de dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, dış mekânda ısıl konfor kentsel çevreyi değerlendirirken hem çevresel hem de kullanıcı ile ilgili değişkenleri birleştiren konulardan biri olarak önem kazanmaktadır. Her kentsel çevre, bina konfigürasyonları, bitki örtüsü, açık alanların boyutu ve kullanıcıların profili gibi farklı özelliklerden oluşur. Her ortam çeşitli değişkenlerden etkilenir veya aynı değişkenin iki ortam üzerinde farklı bir etkisi olabilir. Bu nedenle, çalışmanın hipotezi, yalnızca mikro-iklim değil, aynı zamanda fiziksel çevre ve kullanıcı ile ilgili değişkenlerin dış mekân ısıl konforunu etkilediği görüşüne dayanmaktadır.Mikro-iklimin kentsel açık alanlardaki büyük etkisi, dış mekân ısıl konfor sorunlarına olan ilgiyi artırmıştır. Son birkaç yılda, değişkenlerin, sonuçların ve bunun faydalarının araştırıldığı dış mekân ısıl konforu konusunda bir dizi çalışma yapılmıştır. Güneş ışınımı, hava sıcaklığı, nem ve rüzgâr hızı/yönü gibi mikro-iklimsel değişkenlerin dış mekân ısıl konforunu etkileyen değişkenler olduğu bilinmesine rağmen; topoğrafya, yapı formu ve hizalama, zemin yüzey örtüsü ve yeşil altyapı gibi fiziksel değişkenler de büyük bir etki yaratmaktadır.Bu noktada, tezin amacı, yukarıda sıralanan değişkenlerin dış mekân ısıl konforu üzerindeki etkilerini araştırmak ve açık alanlar için bir değerlendirme yöntemi oluşturmak amacıyla bir model önermektir. Daha sonra önerilen model bir kent dışı üniversite kampüsünde bir bilgisayar programı (ENVI_met) kullanılarak uygulanmıştır. Program çıktıları ile bina yerleşiminin ve geometrisinin, bitki örtüsü ve diğer fiziksel değişkenlerin dış mekân ısıl konforu üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Ayrıca, mikro-iklimi ve PMV düzeyini geliştirmek için ağaç veya gölgeleme elemanları, rüzgâr koridorları vb. pasif çevre kontrol stratejilerinin uygulanması önerilmektedir.

Open spaces where people spend their leisure time and engage in various activities have always been considered as a part of a successful environment. However, the conditions of open spaces have been extremely important for people to use and further enjoy these open spaces. In a suburban university campus, where the high population spending all day within the campus has been considered, the importance of open spaces rises. Yet, understanding the issues affecting open spaces has been crucial; in accordance with that the characteristics of urban microclimate and outdoor thermal environment offer new opportunities for the improvement of open spaces. Modeling of an urban microclimate has been fundamental at this point, as it allows understanding the present and future microclimate dynamics of open spaces. Although there have been numerous tools and indices developed for assessment of outdoor thermal comfort, due to the complex frame of parameters included, their use has been disregarded during the preliminary/post design process.For this reason, the aim of the thesis is to propose a model in order to inquiry the impacts of the parameters on outdoor thermal comfort and create an assessment methodology for open spaces. Further, the proposed model has been applied on a suburban university campus with the use of a simulation program, ENVI_met. Outputs obtained have been used for evaluation of meteorological and physical environmental parameters over open spaces. In addition, outdoor thermal comfort perception has been simulated with the use of BIO_met tool embedded in ENVI_met program, according to PMV index. The effect of user-related parameters, such as clothing, activity and height-to-weight ratio has been examined. As an essential `tool` in urban design, the impact of vegetation, specifically tree, on thermal comfort perception has been investigated, as well. With simulation results, the effect of environmental and user related parameters on outdoor thermal comfort has been determined. Air temperature and exposure to solar radiation have been affecting the outdoor thermal comfort to a significant extent. Wind direction and speed also affect the outdoor thermal comfort. As highlighted through literature review, not only the meteorological parameters, but the physical environment affects the outdoor thermal comfort remarkably. The geometry of the buildings, surface materials and tree presence has verified their impact on outdoor thermal comfort. The geometry of buildings has been affecting the wind pattern and solar radiation access; as a consequence, the PMV values have been changed according to the building geometries. Additionally, the presence of trees has the crucial role in the summer season and again has positive effects in the winter season if used in a proper way. Surface materials tend to affect solar radiation reflection and the perception of outdoor thermal comfort.This study provides a link between the theoretical background on outdoor thermal comfort and the planning or design processes. The proposed model can be used as a tool for the urban designer in order to assess the effect of design strategies on outdoor thermal comfort and creation of successful open spaces and urban environment at all. The outdoor thermal comfort can be achieved by implementing appropriate design strategies, previously simulated with assessment tools and minimizing the possible discomforts that would occur.