Principer för utformning av utemiljö i kallt klimat
med hänsyn till sol- och vindförhållanden
Saeed Ebrahimabadi, Charlotta Johansson
Rapport 2014:07
Principer för Utformning av Utemiljö i Kallt Klimat med Hänsyn till Sol- och
Vindförhållanden
November 2014
Utgångspunkter
- Mikroklimatfaktorer har historiskt varit integrerade i arkitektur och stadsbyg- gande
- Komfort är en viktig kvalitet för attraktiva offentliga utemiljöer
- Behov av verktyg och metodik som förenklar integrering av mikroklimatfak- torer i gestaltningprocessen
- Subarktiskt klimat har stor inverkan på stadslivet - Säsongsklimat skiljer stort i subarktiska städer
Komfort
Forskningen om komfort genomförs med följande in- riktningar (Johansson, 2006):
- Fysisk: att mäta termisk komfort med avseende på mikroklimatfaktorer: temperatur, vindhastighet, sol- strålning och luftfuktighet. Stadsutformning har mer inverkan på solstrålning och vindhastighet.
- Anpassande: handlar om och förväntningar, attityder samt psykologiska och kulturella aspekter som påver- kar hur männsikor upplever komfort.
Utmaning: Omsätta användning av forskningsresultat i praktiken
Sol och Vind
Med skugganalys av utemiljöer undersöks direkt sol- strålning 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 prin- cip behöver gator i östvästlig riktning vara bredare på nordligare breddgrader för att säkerställa solstrålning.
Stockholm
Stockholm 54°
Luleå
Luleå Gällivare / Kiruna
21 June (sommarsolståndet) 21 Mars (vårdagjämnning) 46°
Gällivare / Kiruna 22°
31°
Gällivare och Kiruna ligger i arktiskpolen
Solhöjd i Gällivare, Kiruna, Luleå och Stockholm den 21 mars och den 21 juni
Sol, skugga och gatuprofi l
I samband med solhöjden kan man rekommendera ga- tudimensioner (gatuhöjd och gatubredd) för öst-väst- liga gator så att byggander och trottoarer inte blir skuggade. Gatudimensioner presenteras i form av rela- tionstal mellan gatuhöjd och gatubredd (B/H). I prin- cip 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 bred- dgrad 67, är för mars 2,5 och för februari 8,3.
Tid/Månad Bred-
dgrad 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
Feb/
Okt Mar/
Sep Feb/
Okt Mar/
Sep Feb/
Okt Mar/
Sep Feb/
Okt Mar/
Sep Feb/
Okt Mar/
Sep Feb/
Okt Mar/
Sep Feb/
Okt Mar/
Sep
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
Skugganalys och vindanalys
Tre alternativ prövas för skugg- och vindanalys. Alterna- tiv A presenterar en stadsgata i en nordlig tätort (bred- dgrad 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 alter- nativen prövas för den 21 mars.
Alternativ A- 21 mars, B/H: 2,5
Schematisk sektion A, B=2.5 H+2m
Schematisk Sektion B, B=2H+2m
Planvy av skugganalyser vid 3 tidpunkter. Planerna visar att ga- tuytan är i stort sett skuggad. Norra sidan av gatan får sol vid alla tre tidpunkter.
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 tidpunk- ter. Planerna visar att gatuytan är skuggad vid 9.00 och 12.00.
Skuggytan halveras vid 15.00.
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 syd- lig vindriktning. Vindhastigheten minskar till ≤ 1,5 m/s i gaturummet (markerad cirkel).
Planvy och sektion av vindanalys alternativ B med vin- dinriktning 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 ga-
Gatunätets inverkan på vindhastighet
Alternativ 1: Vindhastigheten ökar till 6 m/s i gator med Alternativ 2: Vindhastigheten ändras ej i nedre delen av den
För att minska vindhastigheten ska gator inte vara byggda i samma riktning som förhärskande vindar. I följande pre- senteras tre alternativ till gatunät. Syftet med denna analys är att undersöka hur vindhastighet förändras i förhål- lande 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.
Slutsatser från skugg- och vindanalys
Alternativ 3: Vindhastigheten minskar till 1-2 m/s i gator med nordsydlig riktning.
- 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.
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 ( Pmax ) är den procentuel- la 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.
Pmax 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
Pmax Vindsäkerhet
≤ 0.3 liten risk
> 0.3 farlig för alla aktiviteter
Sannolikhetsvärden för vindhastighet på gtunnivå för fotgängares komfort och säkerhet enligt (Reiter, 2010)
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 program- varor för att utföra utvärderingen.
Basdata Källa Programvaror Vindkom-
fort Vindstatis-
tik SMHI Excel
CFD: Autodesk Flow design, ANSYS, Vassari Skug-
ganalys Geografi sk
läge Google
Earth Sketchup, Archi- cad, Autodesk revit architeture Vindanalys Vindstatis-
tik SMHI Excel
CFD: Autodesk Flow design, Vassari Kombine-
rad vind- och skug- ganalys
Adobe Photo- shop, GIS
Mikroklimatanalys - Kiruna
En förenklad ritning baserad på vinnande bidrag i arkitekturtävlingen för ny stadskärna i Kiruna
Månadstemperatur, dagtid, och årlig vindros i Kiruna (SMHI, 2012) 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.
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 min- dre än 2,5 % och därför bortses från dessa i utvärderin- gen. Vindsimulering utförders på vindhastigheter mellan 6 m/s och 10 m/s på riktningar SSW och N. Simulerin- gen visade att vindhastigheten i torget och gatan inte överskrider 5 m/s.
Kiruna: mikroklimatanalys, skugganalys
En förenklad skugganalys änvänds baserad på tre tidpunkter (9.30, 12.00, 14.30) under vårdagjämning och sommarsolståndet. Vintersol- ståndet ingick inte analysen pga av låg solhöjd i Kiruna den 21 december. En kombinerad analys skapas geonom att sammanställa skug- ganalysresultat av tre tidpunkter (bilder till höger).
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).
Kiruna: mikroklimatanalys, jämförelse med termisk komfort
Upplevd temperatur kan simuleras enligt olika termiska komfortindex. OUT_SET* är ett termisk komfortindex baserat på klimatfaktor- er, 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.
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”, Envi- ronment and Planning B: Planning and Design, vol. 37, no. 5, pp.
857-873.
SMHI 2012, Local climate Kiruna- report number 9, Swedish Mete- orological and Hydrological Institute (SMHI).
oduktion 2014
Medverkande parter:
