A városi hőszigetről az ICUC7 konferencia tükrében Dr.Kristóf Gergely Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék Az alábbi rövid összefoglaló a Magyar Urbanisztikai Társaság által „Városklíma műhely” címmel 2011 június 8-án megrendezésre kerülő konferencia előkészítéséhez írtam, főként a 2009-es ICUC-7 „7-th International Conference on Urban Climate” konferencián gyűjtött adatok alapján. Az összefoglalóban (*)-al jelöltem azokat a pontokat, melyekhez saját kutatásaink kapcsolódnak, ezért részletesebb információval is szolgálni tudunk.
1. A jelenségről Városi hőszigetnek a városi terület léghőmérsékletének a városközpont irányában jellemző növekedését nevezzük. A város hőmérsékleti izoterma értékei szélcsendes időben, főként éjszaka szigetszerű kiemelkedést mutatnak. A mérési tapasztalatok szerint Szegeden a hősziget átlagos napi maximális intenzitása tavasszal 2.5-3 °C (esetenként 6-7 °C), milliós nagyvárosokban 6-8 °C tekinthető jellemzőnek. Aggasztó, hogy a legtöbb nagyváros központjában regisztrált hőmérséklet, hosszú távon a klímaváltozást meghaladó mértékű időbeli növekedést is mutat. Maga, a klímaváltozás is a részben a városiasodás következménye, mivel a mérőállomások egyre nagyobb mértékben vannak kitéve a beépített területek közelségének. A klímaváltozásból adódó hőmérséklet növekedés, az urbanizáció hatásától megfelelő mértékben független mérőállomások adatai szerint kb. 0,6-0,7 °C / 100 év. Ezzel szemben például Tokió belvárosában 3 °C / 100 év hőmérséklet növekedést regisztráltak, amelyből 2,3 – 2,4 °C / 100 év már egyértelműen az emberi tevékenység következménye.
2. A hősziget jelenséggel kapcsolatos környezeti hatások A városi hőszigetnek számos környezeti hatása van, ezek nem mind kedvezőtlenek. 1. A meleg nyári napok a városokban még melegebbé válnak. Olyan területeteken, ahol eleve magas nyári hőmérséklet jellemző, így hazánkban is, az extrém hőmérsékleti csúcsok jelentősen rontják a lakosok közérzetét, munkavégző képességét, megnő a kiszáradás és a hősokk okozta rosszullétek száma. A nyári éjszakákat egyre nehezebb elviselni klimatizáció nélküli belvárosi lakásokban, mivel a hősziget intenzitása éjszaka a legnagyobb mértékű. 2. A közérzet és munkavégző képesség javítása érdekében egyre nagyobb mértékű a légkondicionáló rendszerek üzemeltetésére fordított teljesítmény. Az energiafelhasználás átlagos értéke nem mindig nő, mert a kisebb intenzitású téli fűtés a nyári többlet energia felhasználást jelentős részben kompenzálhatja, azonban a hősziget hatás bizonyosan növeli az elektromos energia felhasználás nappali csúcsértékét nyári időszakban, ami energia ellátás szempontjából kedvezőtlen hatás. 3. A téli melegedés lehetővé teszi, hogy nagyobb számban teleljenek át bizonyos betegségek kórokozóit hordozó rovarok. 4. A városközpontban felemelkedő légáramlat növeli a csapadékképződést a város uralkodó széliránnyal ellentétes oldalán. Ez a hatás jól megfigyelhető például a Budapest délkeleti részén található csapadékgyűjtő állomások adataiból is. 5. A városi hősziget kedvező hatása, hogy az általa generált termális szellő (hősziget cirkuláció) segítheti a város szellőzését és a városközpontban kialakuló feláramlás városban keletkező szennyezőket magasabb légrétegbe juttatja. Légszennyezés
szempontjából kritikusnak tekinthető szélcsendes időszakokban a városi hősziget okozta konvekció igen fontos szerepet játszik a külső városrészek szellőzésében.
3. A városi hősziget okai 1. A városok lényegesen szárazabbak a környező földterületeknél, mivel az esővíz túlnyomó részét csatornahálózaton keresztül elvezetik, ezért kevesebb hő fordítódik párologtatásra. 2. A nagyobb összefüggő felöletek konvektív hőleadása kisebb mértékű, mint a sok kis felületből (pl. levelekből) álló felületé, ezért a nappali besugárzás során a nagy felületek, például utak vagy tetők, sokkal nagyobb mértékben melegszenek fel, mint a lombok, azaz megnő a felszín hőmérséklete. 3. A nappal erősen fölmelegedő beton és cserép a tárolt hőt nagyrészt éjszaka adja le, ami hozzájárul a város éjszakai felmelegedéséhez. 4. A beépítettség mértékétől és módjától függően az épületek légáramlást fékező hatást fejtenek ki. A csökkent intenzitású légcsere növelheti a léghőmérsékletet a felszín közelében. Megjegyzendő, hogy a beépítés árnyékoló hatást is kifejt, ami viszont csökkenti a felszíni hőmérsékletet az emberek tartózkodási szintjében. 5. A város felett felmelegedő levegő a külváros felől a városközpont felé áramlik, miközben hőmérséklete egyre nő. A hősziget hatás eredményeként a városnak – főképpen szélcsendes időben – saját áramlási tere jön létre: Urban Heat Island Circulation (UHIC). 6. Antropogén hőforrások jelenléte. Az antropogén hőforrások kb. 50%-a az épületek által kibocsátott hő, 28 %-a a közlekedés és 22%-a az egyéb ipari tevékenység következménye. Európai városokra jellemző, hogy az antropogén hőkibocsátás mértéke a városokban átlagosan 20 W/m2 körüli értékű, ami a városi felszín energia mérlegében egy jelentős módosító tényező. Aggasztó, hogy a légkondicionáló rendszerek üzeme miatt a hősziget hatás és az antropogén hőforrás között pozitív visszacsatolás van. Fontos megjegyezni azonban, hogy a hőmennyiség egy része látens hő (párologtatási hő) formájában jelentkezik, ami közvetlenül nem növeli a város léghőmérsékletét, továbbá azt, hogy a magas épületek és ipari létesítmények a hő nagy részét nem felszín közelben, hanem tető, illetve kémény magasságban adják le. A magasabb felszíni hőmérséklet következtében a városok több hőt is sugároznak ki. A sugárzási viszonyok leírása szempontjából figyelembe kell venni a városi felszíneknek a természetes felszíntől eltérő albedóját is. Meg kell jegyezni, hogy a városoknak a környező földterületekhez képesti magasabb hőmérséklete jelentős részben az eltérő felszínborítottság következménye. Jelentős hőmérséklet emelkedés figyelhető meg például repülőterek fölött is, amelyek kiterjedése a városoknál jóval kisebb és az antropogén hőforrás is elhanyagolható mértékű. A város sajátos áramlási tere az adott felszín borítottságra jellemző felszíni hőmérséklethez képest a külvárosban hűvösebb, a belvárosban pedig melegebb környezetet eredményez.
4. A hősziget hatás mérséklésének lehetséges módszerei 1. Az átszellőzési útvonalak (kaze-no-michi) biztosítása a város környezeti viszonyaitól függően jelentősen csökkentheti a hősziget intenzitását, ugyanakkor a légköri szennyezés eltávolításában is jótékony hatása van. Fontos szerepet játszanak a napi periodicitású termális szellők, mert ezek képezik a városi szellőzés hajtóerejét szélcsendes időben: tengerparti városok esetében tengeri szél, hegyekkel határos város esetében völgyi szél, vagy síkvidéki városok esetében a városi hősziget okozta városi szél. Figyelembe kell venni, hogy ezen szellők a felszín felett különböző vastagságú rétegekben áramlanak: a tengeri szél rétegvastagsága több 100 m is lehet, a völgyi szél 2
2.
3.
4.
5.
6.
és a városi szél rétegvastagsága azonban mindössze néhány 10 m, ezért az átszellőzést akadályozó épületek mérete is nagyon eltérő lehet. Érdekes módon az átszellőzési útvonalak problémája mégis Tokióban jelentkezett először, ahol a város szellőzését a tengeri szél segíti, azonban a tenger partján szinte egymást érik a 150-200 m magas épületek (Tokyo Wall), így elzárják a várost a tenger felől áramló frissítő széltől. Lokálisan a magas épületek pozitív hatást is kifejtenek, felemelik a légszennyezést, így szél irányában mögöttük felfrissül a városi levegő, a magas épületek optimális elrendezése aktív kutatási terület. Hazánkban, a legtöbb nagyobb város sík vidéken található, ezért a szellőzést a városi szél adja, így az átszellőzés szempontjából a sokkal alacsonyabb épületek is fontos szerepet játszhatnak. (*) Az antropogén hőforrások csökkentéséhez technikai, közlekedési és életviteli változások vezethetnek. A technikai fejlődés elsősorban energiatakarékos épületgépészeti megoldásoktól pl. szabályozott természetes szellőzésű épületektől (intelligens épületektől), klímahomlokzatoktól, a szennyvíz fűtő és hűtő hatását kihasználó megoldásoktól várható. Problémát jelent pl. a belvárosi lakások egyedi klimatizálása, mert ezek a rendszerek a hőt ablak magasságban adják le (nem pedig a tetőn elhelyezett hőcserélő segítségével), ami közvetlenül növeli a hőérzetet a szomszédos lakásokban, ezáltal láncreakció szerűen növeli a hűtésre fordított teljesítményt a városközpontban. Levegőminőség javítása és a hősziget hatás mérséklése szempontjából is fontos a városi tömegközlekedés és a külvárosi vasúthálózatok fejlesztése. Ezzel egyidejűleg kell korlátozni a városban közlekedő autók számát és biztosítani azok minél gyorsabb áthaladását a városon. Az életviteli fejlődés elsősorban a valamivel magasabb beltéri hőmérséklethez való alkalmazkodástól és az ezzel arányban csökkenő hőkibocsátástól várható. Számottevően mérsékelhetők a városi hősziget kedvezőtlen hatásai megfelelő árnyékolási módszerek alkalmazásával. A magasabb beépítettség ilyen szempontból kedvező hatást gyakorolhat, ráadásul a mélyebb utcakanyonok a nedvességet is hosszabb ideig tartják meg. Például egy lakótelep szerű beépítettség esetére végzett elemzés szerint kb. 45 m magas épületek esetén alakul ki a legkedvezőbb komfort az utcaszinten. Hasonló hatás érhető el megfelelően kialakított fasorok vagy más árnyékoló megoldások alkalmazásával. Parkok létrehozása mindenképpen fontos lépés az élhetőbb városi környezet kialakítása szempontjából. Az eltérő felszín használat és a fokozott csapadékmegtartó képesség miatt a parkok hűs szigetként működnek a városi környezetben. A hűs szigeteken keletkező hűvös levegő enyhíti a felmelegedést a park környezetében lévő utcákon is, habár a hatás csak a park szűk környezetére korlátozódik. Részletes mérések szerint egy kb. 300 m sugarú park által létrehozott hűs sziget mindössze kb. 80 méterrel nagyobb sugarú területre van hatással. Más helyszíni mérések kimutatták, hogy a füves terület alacsonyabb léghőmérsékletet produkál, mint a fás ligetek, azonban a park által nyújtott komfortérzet fontos eleme az árnyékoló hatás. Egy érdekes új városépítési koncepció a belvárosi épületek oszlopokra történő felemelése. Ez a módszer jelentősen javíthatná a belváros klímakomfortját, mert nyári melegben intenzívebb a légcsere a felszín közelében, ezért alacsonyabb hőmérsékleti maximum alakul ki utcaszinten és az utcakanyonokban keletkező légszennyezés is gyorsabban kiszellőzhetne. Az ötlet kivitelezése azonban költségesnek látszik és csak újonnan épülő városközpontok esetében kerülhet számításba. A tetők alkalmas módosítása jelentősen csökkenthetné a hősziget intenzitását. Növények telepítésével (zöld tetők alkalmazásával), vagy nagy albedójú, kis hőkapacitású tetőfelületek alkalmazásával csökkenthető lenne a konvektív hőleadás és a hőtároló hatás a tető szinten.
3
5. Az elemzés módszerei A városi hősziget fizikai okai igen összetettek, ezért számos különböző eljárás használatos a jelenség helyszíni mérésére, kisminta kísérletekre, statisztikai és szimulációs modellezésére. A) A helyszíni mérések módszerei nagy vonalakban az alábbiak: 1. A város geometriai adatainak meghatározása, háromdimenziós adatbázis kidolgozása a modellezés alapvető kiinduló adatát képezi. 2. Műholdas felszínhőmérséklet mérések. Fontos támpont a főleg a nagy léptékű modellek ellenőrzésére. Megjegyzendő, hogy a léghőmérséklet általában nagymértékben eltér a felszín hőmérsékletétől. 3. Hőkamerás felszínhőmérséklet mérések. Nagy felbontásuk révén lehetővé teszik a felszín hőmérséklet felszín anyagához közvetlen hozzárendelését is. 4. Léghőmérséklet és felszínhőmérséklet mérése mobil mérőegységgel. 5. Nagyszámú telepített mérőeszközből álló városklíma mérőhálózat kiépítése, ami költségesebb, azonban lehetővé teszi a léghőmérsékleten kívül a helyi sugárzási viszonyok és légsebesség meghatározását is és hosszú idejű adatbázist biztosít. 6. Fluxus mérések, amelyek segítségével a felszín hőmérlegének elemei külön-külön meghatározhatók. A felfelé és lefelé irányuló sugárzó hőfluxus, a turbulens keveredés okozta érzékelhető hőfluxus és a látens hő áramsűrűségének mérése alkalmasan elhelyezett mérőtornyok segítségével lehetséges. 7. Nagy felbontású profilozó meteorológiai eszközök alkalmazása. B) A kisminta kísérletek alapvető módszerei az alábbiak: 1. Víztartályos kísérletek, amelyek korlátozott diffúzió mellett lehetővé teszik a termikus rétegződés figyelembevételét alul hűtő, felül pedig fűtő hőcserélő alkalmazásával, továbbá a termális szellők hőmérséklet és sebességmezejének vizsgálatát, akár komplexebb esetekben is, mint például a parti szél és a városi hősziget okozta konvekció kölcsönhatása. A módszer hátránya, hogy a Reynolds-szám értékében sok nagyságrend eltérés van, ezért a módszer csak kvalitatív elemzésre és szimulációs modellek validálására alkalmazható. (*) 2. Városi jellegű atmoszférikus mérőhelyszínek készítése. E módszer nevezetes példája a COSMO site, amely 100 x 50 m terjedelmű, az épületmodelleket 1,5 m élhosszúságú betonkockák alkotják. A módszer előnye, hogy a szélsebesség, a turbulencia, a sugárzási és hőtárolási viszonyok igen közel állnak a valós méretű városi környezet jellemzőihez, ezért a nagy felbontású modellek validálásában ezen adatoknak fontos szerepe van. 3. Szélcsatornás mérések segítségével elemezhető az épített környezet áramlás módosító hatása. Létezik termikus rétegződés előállítására alkalmas szélcsatorna is (KATO.OOKA Lab. Institute Industrial Science the University of Tokyo), amivel elvileg bizonyos átszellőzési útvonalak közvetlenül elemezhetők, azonban a városi hőszigetet kialakító termikus folyamatok teljes komplexitásban nem vizsgálhatók szélcsatornában. C) Elméleti modellezésben az alábbi főbb megközelítések használatosak: 1. A statisztikai modellezés célja, hogy korrelációt mutasson ki a hősziget intenzitása és a város − mint mesterséges környezet − főbb mérhető jellemzői között. A megközelítés előnye, hogy elvileg egyszerűen használható eredményekre vezet,
4
hátránya viszont, hogy a fizikai folyamat összetettsége miatt a korrelációk általában nem elég erősek. 2. Mezoskálájú modellek. Ismert meteorológiai kutatásra és előrejelzésre alkalmas szoftverek, mint például – MM5 vagy WRF – „városiasításával” és megfelelően sűrű (kb. 100 m-es) térbeli felbontás alkalmazásával meghatározható egy város felett kialakuló hősziget és az általa indukált konvekció. A szoftverek városiasítása részben a városi beépítés természetes lombozattól eltérő ellenállásának figyelembevételét (urban canopy), részben pedig a városi felszín bonyolult energia egyensúlyának valamilyen megközelítését jelenti. E megközelítés előnye, hogy a városi hősziget előrejelzésére is számszerű eredményet képes szolgáltatni, mert a modell kapcsolható nagyobb léptékű meteorológiai előrejelző rendszerekhez. A megközelítés hátránya, hogy önmagában utca vagy épület szintű komfortelemzésre nem alkalmas, az átszellőzési folyosók ilyen megközelítéssel nem vizsgálhatók. 3. Mikroskálájú CFD modellekkel elemezhető egy-egy épület csoport áramlás módosító hatása. A legtöbb modell alkalmazási köre a szélcsatornás mérésekhez hasonló, azonban léteznek komplex sugárzási és épületfizikai modellel csatolt nem izotermikus megközelítések is. A legrészletesebb ismert számítás Tokió belső közigazgatási területének hőtérképe (Ashie, 2009), amelyet 5 milliárd szimulációs cellával határoztak meg egy 33 x 33 km kiterjedésű terület 5 méteres felbontásával. A modell minden épülete egyedileg tartalmaz. E megközelítés korlátai, hogy a városi hősziget okozta konvekció helyes leírásához a város területét többszörösen meghaladó szimulációs tartományra lenne szükség és a modellezést függőleges irányban is több kilométer magasságig kellene kiterjeszteni, amely kiterjesztések mezoskálájú fizikai hatások figyelembevételét teszik szükségessé. További nehézség, hogy a Tokió hőtérképének elemzéséhez alkalmazott számítókapacitás a jelenlegi fejlődési ütem figyelembevételével hazánkban még legalább 15 évig nem lesz hozzáférhető városklíma elemzés céljára. 4. A többskálájú modellek lehetővé teszik a városi hősziget okozta konvekció, a város szellőzését segítő egyéb lokális szellők és az emberi komfort érzetet meghatározó lokális jellemzők, pl. napsugárzás, léghőmérséklet, páratartalom, szélsebesség kapcsoltan történő számítását, ezzel lehetővé téve az új beépítések és a hősziget hatás enyhítésére szolgáló intézkedések hatásának közvetlen elemzését. E cél elérésére elvileg három különböző megközelítés kínálkozik: A) CFD modell beágyazása egy mezoskálájú modellbe; B) mezoskálájú modell adaptálása mikroskálájú elemzéshez; C) CFD modellek adaptálása mezoskálájú elemzéshez. Általános megoldás a problémakörre mindmáig nem született, azonban mindhárom irányban történt előrehaladás. Ad A) A CFD modell mezoskálájú modellbe történő beágyazása esetében korlátot jelent, hogy a mezoskálájú modell és a CFD modell felbontása között nagy méret ugrást (kb. 50-szeres) kell eszközölni, a fizikai modellek pl. a turbulencia leírása is eltérők, ami nagy pontatlanságokat okoz a modellek csatolásában, és a beépítési viszonyok városi szellőzést befolyásoló hatását csak a CFD modell tartományában lehet vizsgálni. Ad B) a mezoskálájú modellek adaptálása mikroskálájú feladatokhoz két jelentős nehézségbe ütközik: alapvetően át kell dolgozni a modellben alkalmazott geometriai leírást (legtöbb esetben a hálókezelést is) az épületek pontos megjelenítése érdekében és implementálni kell a bonyolult áramlási tér kezelésére alkalmas turbulencia modelleket. Ad C) a CFD modellek adaptálása mezoskálájú feladatokhoz más nehézségekkel jár: ki kell egészíteni az áramlás leírására használt fizikai modellt (*), speciális hálózó eszközöket és porózus zóna modelleket kell kidolgozni (*) , továbbá az általános alkalmazhatóság érdekében
5
szükséges a felszín energiamérlegének modellfelbontásnak megfelelően.
implementálása
több
különböző
A végső klimatológiai cél általában az emberi komfortra való következtetések levonása a modellek által szolgáltatott mezőváltozók (pl. sebesség, hőmérséklet, páratartalom, sugárzás) alapján. Ebbe az irányba egy fontos lépés a standard hőérzet index (SET*) alkalmazása (Gagge A.P, 1968), azonban a kültéri komfort kvantitatív kritériuma jelenleg is aktív kutatás tárgya, mert az emberek közérzetét alapvetően befolyásolja az adott területen végzett tevékenységük jellege és az, hogy milyen éghajlati viszonyokhoz vannak hozzászokva. A klimatológiai célokon kívül súlyos probléma a városok légszennyezettsége, ami közös fizikai alapoknak köszönhetően hasonló eszközrendszerrel vizsgálható, azonban a célok akár szembe is kerülhetnek a klimatológiai célokkal, például a városi hősziget intenzitásával nő a külvárosok átszellőzése szélcsendes időszakban, ezért várható, hogy e kétfajta elemzést távlatilag azonos eszközrendszerrel és egyesített célfüggvények alapján kell majd elvégezni.
6
