Influence of urban water surfaces on human thermal environments – an obstacle resolving modelling approach

Abstract

Heat in urban areas can negatively affect people’s comfort, health and performance. In this thesis, the potential of urban water surfaces as a heat reduction measure is investigated using an obstacle resolving modelling (ORM) approach. Two thermal indices, the Physiological Equivalent Temperature (PET) and the Universal Thermal Climate Index (UTCI), are applied to characterise the thermal environment within the urban area in human relevant terms.

PET and UTCI have been selected out of 165 reviewed thermal indices, as they can be used globally in the current form to evaluate outdoor urban human thermal environments in ORM applications. PET and UTCI differ i.a. with respect to the treatment of clothing and activity, the comprehensiveness of the thermo-physiological model and the assessed human response. Hence, for the same meteorological situation, they may assess the human thermal environment differently. To characterise these differences, the sensitivity of PET and UTCI to their meteorological, built-environment-related and personal input variables (only for PET) is assessed. The results show that PET and UTCI are most sensitive to air temperature for both summer and winter conditions. Both indices also indicate a high sensitivity to wind speed, with UTCI being more sensitive. Out of the personal variables, PET is most sensitive to metabolic heat and clothing insulation, especially for winter. PET, and to a lesser extent UTCI, are also sensitive to mean radiant temperature and consequently to built-environment-related variables for summer.

To account for the sensitivity of the thermal indices to mean radiant temperature, the ORM MITRAS is extended to improve the calculation of radiation within the obstacle layer. This extended model is applied to assess how different kinds of urban water surfaces affect the human thermal environment in their surroundings. The influence of a canal and a large lake on a small idealised urban area was investigated for different meteorological situations that represent cloudless summer conditions in Hamburg. The results indicate that, compared to a canal, a large lake provides on average five times stronger cooling in terms of UTCI and PET during daytime. Furthermore, this cooled air penetrates further into the urban area when it is close to a lake rather than a canal. Larger wind speeds increase both the penetration depth and the magnitude of the cooling for the lake. In the canal scenario meteorological conditions affect the water influence less. Both water bodies warm the urban area in terms of PET and UTCI during the night. The magnitude of this warming is about halved compared to the daytime cooling. Nevertheless, these results indicate that despite the enormous cooling potential during the day, water surfaces cannot be recommended unconditionally for thermal comfortable designs due to the night-time warming.

Hitze in Städten kann den Komfort, die Gesundheit und die Leistungsfähigkeit von Menschen negativ beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Potential von Wasserflächen als Maßnahme zur Reduktion von Hitze mit einem hindernisauflösenden Modell (ORM) untersucht. Zwei thermische Indizes, die Physiologische Äquivalenttemperatur (Physiological Equivalent Temperature (PET)) und der Universelle Thermische Klimaindex (Universal Thermal Climate Index (UTCI)), werden genutzt, um die thermische Umwelt in der Stadt, wie sie vom Menschen wahrgenommen wird, zu untersuchen.

PET und UTCI wurden aus 165 begutachteten Indizes ausgewählt, da sie global in ihrer momentanen Form angewendet werden können, um die thermische Umwelt des Menschen in der Stadt, wie sie vom Menschen wahrgenommen wird, in hindernisauflösenden Modellen zu bewerten. PET und UTCI unterscheiden sich unter anderem in Bezug auf ihre Behandlung von Kleidung und Aktivität, die Vollständigkeit des thermo-physiologischen Modells und der bewerteten Reaktion des Menschen. Aus diesem Grund kann es sein, dass sie die gleiche meteorologische Situation in Bezug auf die Wirkung auf den Menschen unterschiedlich bewerten. Um diese Unterschiede zu charakterisieren, wird die Sensibilität von PET und UTCI gegenüber ihrer meteorologischen, ihrer bebaute-Umwelt-bezogenen und ihrer personenbezogenen Eingangsgrößen (dies nur für PET) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass PET und UTCI am sensibelsten auf Lufttemperatur reagieren, sowohl für sommerliche als auch für winterliche Bedingungen. Beide Indizes sind sehr sensibel gegenüber Windgeschwindigkeit, wobei der Einfluss auf UTCI stärker ist. Von den personenbezogenen Variablen reagiert PET am stärksten auf Änderungen der metabolischen Rate und der Kleidungsisolation, vor allem im Winter. PET, und in geringerem Maße auch UTCI, reagiert auch auf Änderungen der mittleren Strahlungstemperatur und dementsprechend bebaute-Umwelt-bezogene Variablen im Sommer.

Um die Empfindlichkeit der thermischen Indizes gegenüber der mittleren Strahlungstemperatur berücksichtigen zu können, wird das hindernisauflösende Modell MITRAS erweitert, um die Berechnung von Strahlung in der Hindernisschicht zu verbessern. Das erweiterte Modell wird angewendet, um zu analysieren, wie unterschiedliche Arten von Wasserflächen in ihrer Umgebung die thermische Umwelt des Menschen beeinflussen. Untersucht wird jeweils der Einfluss eines Kanals und eines großen Sees auf eine kleine idealisierte Stadt für unterschiedliche meteorologische Situationen, die wolkenfreie Bedingungen in Hamburg repräsentieren. Die Ergebnisse zeigen, dass im Vergleich zu einem Kanal, ein großer See tagsüber in Bezug auf UTCI und PET im Mittel fünf mal so stark kühlt. Darüber hinaus zieht diese kühlere Luft weiter in die Stadt, wenn diese neben einem See anstelle eines Kanals liegt. Höhere Windgeschwindigkeiten erhöhen sowohl diese Eindringtiefe als auch die Stärke des Kühlungseffekts des Sees. Auf den Einfluss des Kanals auf die Stadt wirken sich die meteorologischen Bedingungen weniger stark aus. Beide Wasserflächen wärmen die Stadt hinsichtlich PET und UTCI in der Nacht. Die Stärke dieser Erwärmung ist ungefähr halb so groß wie die Stärke der Kühlung tagsüber. Nichtsdestotrotz zeigen die Ergebnisse, dass Wasserflächen trotz ihres großen Kühlungspotentials am Tag auf Grund ihrer nächtlichen Wärmeeffekte nicht uneingeschränkt zur Gestaltung von thermisch komfortablen Städten empfohlen werden können.