Effect of Vertical Urban Surfaces on Human Thermal Comfort in an Outdoor Environment

Abstract

[ES] Tradicionalmente, los espacios abiertos al aire libre han sido utilizados por los habitantes como lugares clave para la vida social, donde la gente pasa su tiempo libre. Sin embargo, debido a problemas de confort térmico, se ha reducido su uso. Es necesario mantener estos espacios activos mejorando el nivel de confort térmico. Hasta ahora, los estudios anteriores han carecido de un enfoque morfológico integral de las áreas urbanas y su impacto en el confort térmico. Entre los diversos componentes del entorno construido, las superficies verticales ocupan una gran parte del área, y el papel de estas superficies en la radiación térmica ha sido descuidado en los estudios a escala urbana. Este estudio tiene como objetivo desarrollar una respuesta efectiva para el confort térmico humano en espacios urbanos al aire libre, considerando la configuración geométrica de las superficies verticales. El estudio comienza con una revisión exhaustiva de estudios indios previos que se centran en el confort térmico en exteriores. Después de adquirir los conocimientos necesarios en el campo y comprender las lagunas existentes en los estudios de confort térmico en India, se presta atención a los sitios y las respectivas zonas climáticas. El estudio se centra en dos espacios abiertos comerciales en el clima compuesto de Delhi y cuatro barrios residenciales diferentes en Jaisalmery, analizando el efecto de las superficies verticales en el confort térmico humano al aire libre. Se llevaron a cabo simulaciones utilizando el software Envi-met para obtener varios índices climáticos, que se analizaron junto con parámetros físicos definidos por la relación altura-ancho, el factor de visión del cielo y la orientación de las superficies verticales. Se realizaron mediciones de campo para validar los resultados obtenidos de las simulaciones de Envi-met, y también se realizó una encuesta para comprender el nivel subjetivo de confort térmico. Los resultados se analizaron para la temporada de verano, ya que el invierno no es dominante y tiene una duración corta en el año. El estudio revela que las superficies verticales y su geometría tienen un efecto significativo en el confort térmico exterior. Las geometrías urbanas complejas pueden generar diferentes niveles de confort térmico en proximidad cercana, observándose variaciones en el nivel de confort térmico debido a los cambios en las geometrías de las superficies verticales alrededor de los espacios abiertos. El acceso solar, la sombra y la velocidad del viento también influyen en el confort térmico, siendo evidente el efecto de los parámetros geométricos en las sensaciones térmicas de los usuarios. Una mayor relación altura-ancho puede ayudar a mejorar el nivel de sensación térmica, aunque la influencia del factor de visión del cielo es menos prominente. Este estudio proporcionará pautas para arquitectos, arquitectos paisajistas, planificadores e ingenieros para diseñar espacios abiertos al aire libre cómodos desde el punto de vista térmico. Además, se abordará seriamente problemas a gran escala como el efecto de isla de calor urbano. Los espacios exteriores ya no se considerarán como espacios adicionales una vez que se construyan los edificios, y desde la etapa conceptual, los diseñadores considerarán el espacio exterior al diseñar los edificios y las funciones interiores. Este estudio también sentará las bases para futuras investigaciones, ya que abre varias direcciones que requieren atención. Considero que la investigación en este campo tiene un alcance amplio en el futuro, dado que la temperatura de la Tierra está aumentando debido al calentamiento global. Es responsabilidad de los arquitectos diseñar espacios de manera que la experiencia del usuario no se vea afectada mientras se mantiene el nivel de confort térmico.

[CA] Tradicionalment, els habitants han utilitzat espais a l'aire lliure com a llocs clau per a la vida social, on la gent passa el seu temps lliure. Tanmateix, a causa dels problemes de confort tèrmic, el seu ús s'ha reduït. Cal mantenir aquests espais actius, millorant el nivell de confort tèrmic. Fins ara, els estudis anteriors no han tingut un enfocament morfològic integral de les zones urbanes i el seu impacte en el confort tèrmic. Entre els diversos components de l'entorn construït, les superfícies verticals ocupen una gran part de la zona, i el paper d'aquestes superfícies en la radiació tèrmica s'ha descuidat en estudis a escala urbana. Aquest estudi pretén desenvolupar una resposta efectiva per al confort tèrmic humà en espais a l'aire lliure urbà, tenint en compte la configuració geomètrica de superfícies verticals. L'estudi comença amb una revisió exhaustiva dels estudis indis anteriors que se centren en el confort tèrmic a l'aire lliure. Després d'adquirir els coneixements necessaris en el camp i comprendre les llacunes en els estudis de confort tèrmic a l'Índia, es presta atenció als llocs i a les zones climàtiques respectives. L'estudi se centra en dos espais oberts comercials en el clima compost de Delhi i quatre barris residencials diferents a Jaisalmery, analitzant l'efecte de les superfícies verticals sobre el confort tèrmic humà a l'aire lliure. Es van realitzar simulacions mitjançant el programari Envi-met per obtenir diversos índexs climàtics, que es van analitzar juntament amb paràmetres físics definits per la relació amplada d'alçada, el factor de visió del cel i l'orientació de les superfícies verticals. Es van realitzar mesures de camp per validar els resultats obtinguts de les simulacions Envi-met, i també es va realitzar una enquesta per comprendre el nivell subjectiu de confort tèrmic. Els resultats es van analitzar per a la temporada d'estiu, ja que l'hivern no és dominant i té una durada curta a l'any. L'estudi revela que les superfícies verticals i la seva geometria tenen un efecte significatiu en el confort tèrmic exterior. Les geometries urbanes complexes poden generar diferents nivells de confort tèrmic a prop, s'observen variacions en el nivell de confort tèrmic a causa dels canvis en les geometries de les superfícies verticals al voltant dels espais oberts. L'accés solar, l'ombra i la velocitat del vent també influeixen en el confort tèrmic, l'efecte dels paràmetres geomètrics sobre les sensacions tèrmiques dels usuaris és evident. Una proporció d'amplada d'alçada més alta pot ajudar a millorar el nivell de sensació tèrmica, tot i que la influència del factor de visió del cel és menys destacada. Aquest estudi proporcionarà directrius perquè arquitectes, arquitectes paisatgístics, planificadors i enginyers dissenyin espais a l'aire lliure termalament còmodes. A més, es tractaran seriosament problemes a gran escala com l'efecte insular de calor urbana. Els espais exteriors ja no es consideraran espais addicionals un cop construïts edificis i des de l'etapa conceptual, Els dissenyadors tindran en compte l'espai exterior a l'hora de dissenyar edificis i funcions interiors. Aquest estudi també posarà les bases per a futures investigacions, ja que obre diverses direccions que requereixen atenció. Crec que la investigació en aquest camp té un abast ampli en el futur, ja que la temperatura de la Terra augmenta a causa de l'escalfament global. És responsabilitat dels arquitectes dissenyar espais perquè l'experiència de l'usuari no es vegi afectada mantenint el nivell de confort tèrmic.

[EN] Traditionally the outdoor open spaces were used by inhabitants; the social life was largely dependent on the user spending time in outdoor spaces. These spaces including streets, markets, shopping precincts, community centers, plazas, and playgrounds play a vital role in the social life of communities. Due to thermal comfort issues, the use of these spaces is declining. It is necessary to keep these spaces active by improving the thermal comfort level.

The focus on a single morphological entity of an urban area and its effect on thermal comfort level is lacking in earlier studies. Out of the various components of the built environment, the vertical surface is one of the components which occupies the maximum area. The role of vertical surfaces in thermal radiation remains unresolved, unobserved, unexplored, and unapplied at the urban scale studies. This study aims to develop an effective response for human thermal comfort level in an outdoor urban space affected by the geometrical configuration of vertical surfaces.

The study begins with an in-depth review of Indian studies which are focused on outdoor thermal comfort. After grasping the necessary knowledge in the field and understanding the gaps present in thermal comfort studies in India, the sites and the respective climatic zones were given attention. This study is focused on two different commercial open spaces in the composite climate of Delhi and four different residential neighborhoods in Jaisalmer and discussed the effect of vertical surfaces on human thermal comfort in an outdoor environment. Software simulations with Envi-met were performed to achieve various climatic indices. These indices were analyzed with physical parameters defined by the height-to-width ratio, sky view factor, and the orientation of vertical surfaces. Field measurements were conducted to validate the results obtained from Envi-met simulation outputs. Alongside this, a questionnaire survey was conducted to understand the subjective thermal comfort level. Results were analyzed for the summer season since winter is not dominant and lasts only for a short duration of the year.

The study shows that the vertical surfaces and their geometry have high effects on outdoor thermal comfort. Complex urban geometries can result in varying thermal comfort levels. Within small proximity, the variation in thermal comfort level can be observed due to the change in the vertical surface geometries around the open spaces. The effect of solar access, shade, and wind velocity is seen in the thermal comfort level. The effect of geometrical parameters is evident in the thermal sensation votes of the user. A higher height-to-width ratio can help improve the thermal sensation level, whereas the effect of the sky view factor is less prominent.

This study will give guidelines for architects, landscape architects, planners, and engineers to design thermally comfortable outdoor open spaces. It will also create a serious approach while considering the broad-scale issues such as the urban heat island effect. The outdoor spaces will not be considered as the leftover spaces once the building is constructed, whereas right from the conceptualization the designers will think about the outdoor space while designing the buildings and indoor functions. The study will also act as a base for future research since this research opens up several directions which need attention. I feel research in this field is of great scope in the future as the earth's temperature is increasing due to global warming. It is an architect's responsibility to design spaces in such a way that user experience is not affected while maintaining the thermal comfort level.