Microclima, indicatori di vivibilità e sostenibilità ambientale

Lunedì 16 marzo 2015, Firenze

IL DIPARTIMENTO DIpartimento di Scienze delle Produzioni Agro-

alimentari e dell'Ambiente (DISPAA)

Dipartimento di produzioni vegetali, del suolo e dell’ambiente agro-forestale

Dipartimento di biotecnologie agrarie

Agronomia

Biodiversità e conservazione delle specie Biologia

Pratiche agronomiche e forestali Fisiologia, propagazione e caratterizzazione delle specie arboree e arbustive

Microbiologia del suolo

E molte altre …

Svolge attività relative a …

Agrometeorologia

Sostenibilità ambientale nella gestione del verde

Biometeorologia

IL DIPARTIMENTO: attività scientifiche a servizio del progetto

COME UN INTERVENTO PROGETTUALE PUÒ INFLUIRE, DA UNA PARTE SULLE CONDIZIONI DI BENESSERE/DISAGIO DELLA POPOLAZIONE E, DALL’ALTRA, SULL’ABBATTIMENTO DI INQUINANTI E SULLA FISSAZIONE DEL CARBONIO.

Studio delle relazioni esistenti fra condizioni meteorologiche e stato di salute della popolazione

Urban forestry e greening Studio dei principali agenti inquinanti presenti in atmosfera.

COLLABORAZIONE CON l’ISTITUTO DI BIOMETEOROLOGIA CNR -IBIMET-

COMFORT TERMICO: isola di calore Copertura del suolo

Presenza degli edifici e altre infrastrutture

Superfici impermeabili: minore quantità di acqua trattenuta rispetto agli ambienti rurali circostanti (15,5% versus 36,6% in media)

Temperature medie più alte (Oke, 1978)

Umidità minore e vento meno intenso (Landsberg, 1981).

Cambiamento climatico

Gli eventi estremi possono avere le conseguenze peggiori sull’ambiente urbano e

sulla popolazione che vi risiede ONDATE DI CALORE

Alcune delle peculiarità che caratterizzano l’ambiente urbano sono:

COMFORT TERMICO: isola di calore L’esposizione ad alte temperature può causare:

Persone più fragili e gruppi di popolazione a rischio (anziani fragili, malati cronici, neonati e bambini piccoli, senza fissa dimora).

SITUAZIONI CLINICHE COMPLESSE CHE POSSONO AVERE GRAVI CONSEGUENZE

Colpo di calore Disidratazione

Attraverso il software SMARTURBAN l’utente potrà avere l’opportunità sviluppare un servizio di progettazione che consentirà di effettuare le proprie scelte, non solo su base estetico-funzionale, ma anche e soprattutto in funzione di una consapevole conoscenza dei miglioramenti introdotti sull’ambiente.

COMFORT TERMICO: fasi attuate Scelta degli indici biometeorologici attraverso un accurato studio della letteratura scientifica relativa. Applicazione di INDICI BIOMETEOROLOGICI per la valutazione delle condizioni di benessere/disagio in conseguenza all’andamento meteorologico. I casi di studio effettuati durante il periodo estivo del 2013 e del 1014 Raccolta di dati necessari allo sviluppo degli algoritmi necessari per le simulazioni e la realizzazione dei vari sottosistemi necessari all’analisi dei vari indicatori prescelti. I modelli sono stati implementati e calibrati in base ai dati raccolti, successivamente testati per la validazione.

COMFORT TERMICO La percezione dell’ambiente termico dipende dalla combinazione di molti parametri: temperatura, vento, umidità, radiazione, ecc.

QUALI INDICI APPLICA SMARTURBAN?

Apparent Temperature Index -ATI- Universal Thermal Climate Index -UTCI-

Temperatura dell’aria, Umidità relativa, Radiazione, Velocità del vento

Temperatura dell’aria, Temperatura media radiante, Umidità relativa, Radiazione,

Velocità del vento

Bilancio energetico

COMFOR TERMICO: ATI L’equazione che viene utilizzata dal modello è la seguente (Steadman, 1979, 1994)

ATI sun= T+{3.48*[(RH%/1000)*(6.105*EXP(T*17.27/(237.7+T)))]}-(0.7*V*1.4)+{0.7*[0.395*(0.386-0.0032*SUN_EL)*RAD]+0.4+(0.1*0.5)- 150*(0.38-0.16*{6.105*[EXP(17.27*T/(237.7+T))] *(RH/100)} 0.5)}/(V*1.4+10)-4.25 ATI shade= T+{0.33*{6.105*[EXP(17.27*T/(237.7+T))] *(RH/100)} }-(0.7*V*1.4)-4

DOVE T= temperatura dell’aria (°C), RH= Umidità relativa (%), V= velocità del vento, SUN_EL= sun elevation, RAD= radiazione globale

L’ALGORITMO RESTITUISCE UN VALORE DI TEMPERATURA ESPRESSO IN °C

Stima il contributo del calore emesso dalle superfici circostanti sulla t_percepita

• I vantaggi dell’UTCI risiedono quindi nella valutazione delle reazioni termoregolatorie del sistema nervoso centrale nei vari segmenti corporei, nella sua applicabilità possibile in tutte le stagioni e in tutte le condizioni climatiche. L’applicazione dell’indice si basa su complessi algoritmi che prendono in considerazione i seguenti parametri:

COMFOR TERMICO: UTCI RAPPRESENTA LO STATO DELL’ARTE DEGLI INDICI RAZIONALI PER LA VALUTAZIONE DELLE CONDIZIONI DI BENESSERE/DISAGIO TERMICO IN AMBIENTE OUTDOOR CONSIDERANDO CONDIZIONI AMBIENTALI COMPLESSE E DINAMICHE (Jendritzky et al., 2012; Havenith et al., 2012; Fiala et al., 2012).

Temperatura dell’aria (°C), Pressione di vapore (hPa),

Velocità del vento misurata a 10 m (m s-1) Temperatura media radiante (°C)

Tg= temperatura del globo (°C) Va= velocità del vento (m/s) Ta= temperatura dell’aria (°C) D= diametro del globo (mm) Ɛ= emissività del globo

L’ALGORITMO RESTITUISCE UN VALORE DI TEMPERATURA ESPRESSO IN °C

utci = ta+ ( 6.07562052E-01 ) + ( -2.27712343E-02 ) * ta + ( 8.06470249E-04 ) * ta*ta + ( -1.54271372E-04 ) * ta*ta*ta + ( -3.24651735E-06 ) * ta*ta*ta*ta + ( 7.32602852E-08 ) * ta*ta*ta*ta*ta + ( 1.35959073E-09 ) * ta*ta*ta*ta*ta*ta + ( -2.25836520E+00 ) * va + ( 8.80326035E-02 ) * ta*va + ( 2.16844454E-03 ) * ta*ta*va + ( -1.53347087E-05 ) * ta*ta*ta*va + ( -5.72983704E-07 ) * ta*ta*ta*ta*va + ( -2.55090145E-09 ) * ta*ta*ta*ta*ta*va + ( -7.51269505E-01 ) * va*va + ( -4.08350271E-03 ) * ta*va*va + ( -5.21670675E-05 ) * ta*ta*va*va + ( 1.94544667E-06 ) * ta*ta*ta*va*va + ( 1.14099531E-08 ) * ta*ta*ta*ta*va*va + ( 1.58137256E-01 ) * va*va*va + ( -6.57263143E-05 ) * ta*va*va*va + ( 2.22697524E-07 ) * ta*ta*va*va*va + ( -4.16117031E-08 ) * ta*ta*ta*va*va*va + ( -1.27762753E-02 ) * va*va*va*va + ( 9.66891875E-06 ) * ta*va*va*va*va +

( -3.52197671E-10 ) * ta*ta*va*dtm*dtm*dtm + ( -3.36514630E-08 ) * va*va*dtm*dtm*dtm + ( 1.35908359E-10 ) * ta*va*va*dtm*dtm*dtm + ( 4.17032620E-10 ) * va*va*va*dtm*dtm*dtm + ( -1.30369025E-09 ) * dtm*dtm*dtm*dtm + ( 4.13908461E-10 ) * ta*dtm*dtm*dtm*dtm + ( 9.22652254E-12 ) * ta*ta*dtm*dtm*dtm*dtm + ( -5.08220384E-09 ) * va*dtm*dtm*dtm*dtm + ( -2.24730961E-11 ) * ta*va*dtm*dtm*dtm*dtm + ( 1.17139133E-10 ) * va*va*dtm*dtm*dtm*dtm + ( 6.62154879E-10 ) * dtm*dtm*dtm*dtm*dtm + ( 4.03863260E-13 ) * ta*dtm*dtm*dtm*dtm*dtm + ( 1.95087203E-12 ) * va*dtm*dtm*dtm*dtm*dtm + ( -4.73602469E-12 ) * dtm*dtm*dtm*dtm*dtm*dtm + ( 5.12733497E+00 ) * pa + ( -3.12788561E-01 ) * ta*pa + ( -1.96701861E-02 ) * ta*ta*pa + ( 9.99690870E-04 ) * ta*ta*ta*pa + ( 9.51738512E-06 ) * ta*ta*ta*ta*pa + ( -4.66426341E-07 ) * ta*ta*ta*ta*ta*pa ……..

Parte dello script per il calcolo dell’indice viene illustrato qui di seguito a titolo di esempio

COMFORT TERMICO: script UTCI

COMFORT TERMICO: Bilancio energetico

Il bilancio di energia di un qualsiasi punto considerato potrà essere espresso come: Hs= Rn - Hl - G

Hs= flusso di calore sensibile verso l’atmosfera Rn= radiazione netta Hl= flusso di calore latente (evaporazione + traspirazione ) G= flusso di calore in entrata o in uscita dal terreno LA VALUTAZIONE DEL COMFORT IN AMBIENTE URBANO VIENE EFFETTUATA CONFRONTANDO IL FLUSSO DI CALORE SENSIBILE (HS) EMESSO DALLE DIVERSE TIPOLOGIE DI SUPERFICIE. IN USCITA IL SOFTWARE RENDE UN VALORE ESPRESSO IN kW/mq CHE RAPPRESENTA LA QUANTITÀ DI ENERGIA CHE UNA SUPERFICIE EMETTE O ASSORBE. Δ BIL= BIL Iniziale – BIL Finale

Calcolo del bilancio energetico CALORE SENSIBILE Energia termica che produce una variazione di temperatura nella sostanza interessata (aria)

SE Δ BIL <0 = la progettazione prevede dei benefici (le superfici assorbono energia sottraendo calore all’ambiente circostante) SE Δ BIL >0 = la progettazione prevede degli svantaggi (le superfici emettono energia andando a riscaldare l’ambiente circostante)

INQUINANTI

Gli alberi intercettano il particolato e assorbono alcuni dei principali inquinanti gassosi (NOx, CO, SO2, O3) sia per deposizione sulle superfici vegetali (foglie e corteccia), sia

per assorbimento attraverso gli stomi

Il traffico stradale produce materiale particolato fino a 70 volte rispetto all'atmosfera pulita

Le piante come FILTRO dell’ARIA

LE PIANTE LIMITANO LA DIFFUSIONE DEGLI INQUINANTI NELL'AMBIENTE

Oltre che rappresentare una barriera fisica che limita la

dispersione di particolato e della frazione gassosa degli inquinanti

INQUINANTI IL SOFTWARE SMARTURBAN STIMA L’EFFETTO DELL’INTERVENTO PROGETTUALE

SULLA CONCENTRAZIONE DI INQUINANTI

La quantità di inquinanti rimossi viene stimata mediante DRY DEPOSITION MODEL (Scott, 1998)

SO2, NO2, O3 e PM10

Deposizione secca = Vdeposizione * Concentrazione

Vdeposizione f(resistenza aerodinamica, strato limite, chioma)

EQUAZIONI UTILIZZATE DAL SOFTWARE

Il modello richiede stime orarie della PAR, della temperatura dell’aria, della concentrazione di CO2, dell’umidità assoluta e del vento

Le foglie assimilano la CO2 mediante la fotosintesi..

..e la stoccano per lungo periodo nel legno

Carbonio STOCCATO: carbonio accumulato dalla nascita della pianta t0 fino al tempo t1 Carbonio ASSIMILATO: carbonio accumulato dalla pianta in un dato periodo di tempo

CO2

Stoccaggio di CO2: come stimarlo? M

odel

li Process-based

Empirici

Ibridi

Modellizzano lo stoccaggio in base a processi fisiologici (es. fotosintesi)

Modellizzano lo stoccaggio in base a un ampio set di dati biometrici (es. curve di crescita)

Rappresentano un compromesso tra dettaglio e praticabilità, e possono essere considerati l’evoluzione “a uso pratico” dei modelli process based

CO2 stoccata nella pianta

Diametro

Biomassa epigea

Biomassa totale

Root/shoot

Biomassa fusto e radici

Carbonio stoccato

C stoccato = 0,5* (Btot)

Decidue

B tot = e(a+b)*ln(diametro) Btot = B aerea + 0,26 * B aerea

B legno = (Btot – e(a+b)*ln(diametro))

C stoccato = 0,5* (B legno)

Il software effettua il calcolo dello stoccaggio e dell’assimilazione e del carbonio atmosferico con MODELLI

EMPIRICI

Incremento di diametro annuale

Incremento di diametro annuale

standardizzato

STD ΔØ = ΔØ * (n. giorni senza gelo in stagione vegetativa/190)

Incremento di diametro annuale

standardizzato corretto per esposizione

Incremento di diametro annuale

standardizzato corretto per

esposizione e salute della pianta

STOCCATO ASSIMILATO (all’ANNO)

B tot = e(a+b)*ln(diametro)

STD ΔØesposizione = STD ΔØ / CLE

STD ΔØesposizione+salute = STD ΔØ * H

Cassimilato = Cstoccato (t2) – Cstoccato (t1)

Carbonio stoccato e assimilato

DATI DA IMMETTERE: specie vegetale, diametro, esposizione, stato di salute, lati liberi della chioma (in filare oppure singoli) Ai fini della quantificazione del sequestro di CO2 , le specie vegetali sono state raggruppate in categorie omogenee per dimensione a maturità, tasso di crescita e caducità delle foglie.

4 steps temporali: dopo 10 anni, dopo 35 anni, dopo 75 anni, dopo 100 anni dall’impianto

CONCLUSIONI

• 3 indici comfort termico • Quantità di inquinanti abbattuti

• Quantità di CO2 stoccata e assimilata

Ricapitolando, il software SMARTURBAN è in grado di calcolare, per ogni progetto: