Saving energy through mitigating urban heat island in Cairo and improving thermal comfort – landscape design guidelines
Creators: name: Aboelata, Amir
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 700 Künste und Unterhaltung::710 Landschaftsgestaltung, Raumplanung::710 Städtebau, Raumplanung, Landschaftsgestaltung
subject: air temperature
subject: cooling energy
subject: physiological temperature
subject: PET
subject: urban vegetation
subject: cool paving
subject: green roofs
subject: Lufttemperatur
subject: Kühlenergie
subject: physiologisch äquivalente Temperatur
subject: städtische Vegetation
subject: begrünte Dächer

description: Cairo is an arid city that experiences extremely hot summer days during which the temperature exceeds that in the adjacent suburban and rural areas. This phenomenon is known as Urban Heat Island (UHI). It occurs due to the severe shortage of green areas, rapid urban sprawl, and widespread usage of sealed surfaces. This worsening temperature has led to increasing use of air conditioners to rebalance thermal comfort in indoor spaces. The accelerated usage of air conditioners has caused a great problem in the electricity sector and raised electricity bills. Moreover, the high thermal stress in outdoor spaces has reduced pedestrians’ thermal comfort. Meanwhile, Cairo has areas of different urban density ranging between 25% in the planned or gated communities, 50% in the city’s downtown, and 85% in the informal areas. Various previous studies evaluated the potential benefits of using different heat stress mitigation strategies such as trees, grass, cool paving, and green roofs on the outdoor temperature and cooling energy demand reduction. However, as an arid megacity, Cairo had not previously been assessed regarding such mitigation strategies. Therefore, this research seeks to evaluate the effects of heat stress mitigation strategies (i.e., trees, grass, green roofs, and cool paving) on lowering air temperature, improving thermal comfort, and reducing cooling energy demand in buildings there. This evaluation can answer the research questions that revolve around the best proportion of vegetation, green roofs, and paving materials to reduce air temperature and buildings’ cooling energy effectively. Moreover, it will enable identification of the effect of each heat stress mitigation strategy on lowering air temperature and cooling energy consumption in areas of different urban density. Various districts of different urban density were chosen to investigate the effect of each mitigation strategy by coupling ENVI-met and DesignBuilder to evaluate the microclimate and buildings’ energy consumption impacts, respectively. ENVI-met is a holistic 3D model used to simulate the exchange process of energy between different surfaces in urban areas. It considers plants as dynamic bodies that interact with the surrounding air through evapotranspiration and reduction of latent heat flux. The model calculates air temperature, wind speed, relative humidity, specific humidity, heat fluxes, and Physiological Equivalent Temperature (PET – thermal comfort). The outputs of the ENVI-met model are used in the DesignBuilder model to identify the climatic condition of the investigated buildings. DesignBuilder is a 3D model that is used to calculate buildings’ energy consumption. Both models use the ray-tracing method to estimate shade, solar radiation, and reflectivity. Urban vegetation of different ratios was investigated in built-up areas of low, high, and extremely high density (Papers 1 and 2). These papers provided an approach to investigating the proper vegetation ratio in detail for different street geometries (Paper 3). Results showed that vegetation increases outdoor air temperature and cooling energy demand in low-density built-up areas. This new result contradicts previous scientific findings. In paper 2 it is suggested that this occurred due to relative humidity reduction that has an inverse relationship with air temperature. Also, in Paper 2 two possible explanations were suggested for the decrease of relative humidity: Firstly, plants absorb moisture from the air, thus leading to a reduction in relative humidity. This hypothesis was based on literature showing evidence for the ability of some tree species to absorb humidity from the air. However, this referred to other climatic conditions than those in Cairo. Secondly, the evaporation of loam soil water under the vegetation is faster in low-density areas than in deep canyons, thus leading to reduce water retention in the soils under tree canopies and therefore relative humidity. Still, it has to be considered that relative humidity is a function of temperature and absolute humidity, not vice-versa. Therefore, this result needs to be further investigated in future research, by taking into account other possible reasons for it. However, vegetation improves thermal comfort in low-density built-up areas due to the shade effect that improves human thermal comfort and reduces PET. The research investigated green roofs (Paper 4) and cool paving combined with vegetation (Paper 5) to find alternative strategies that can solve the dilemma between air temperature reduction and thermal comfort improvement. All mitigation strategies reduce air temperature and PET in areas of high urban density. Green roof is the best strategy to mitigate heat stress in areas of extremely high urban density. The results of these papers can provide landscape design guidelines (i.e., green cover design, paving design, and green roof elements) that can be used by urban planners, landscape architects, and stakeholders to reduce air temperature and improve thermal comfort in outdoor spaces and lower buildings’ cooling energy consumption in Cairo and similar environments.
description: Kairo ist eine Stadt mit aridem Klima, die extrem heiße Sommertage erlebt, an denen die Temperatur die in den Vorstädten und ländlichen Gebieten übersteigt. Dieses Phänomen ist als Urban Heat Island (UHI) bekannt. Es tritt aufgrund des starken Mangels an Grünflächen, des schnellen Wachstums von Städten und der weit verbreiteten Nutzung versiegelter Flächen auf. Die dadurch gestiegene Temperatur hat zu einem zunehmenden Einsatz von Klimaanlagen geführt, um den thermischen Komfort in Innenräumen zu erhöhen. Diese Nutzung von Klimaanlagen hat zu Problemen der Versorgung mit Elektrizität geführt und die Stromrechnungen in die Höhe getrieben. Zugleich hat die hohe thermische Belastung im Außenbereich das thermische Wohlbefinden der Menschen auf den Straßen und Plätzen reduziert. Inzwischen hat Kairo Gebiete unterschiedlicher Bebauungsdichte, die von 25 % in neu geplanten Baugebieten und/oder in „gated communities“, 50 % in der Innenstadt und 85 % in den informellen Gebieten reichen. Verschiedene frühere Studien bewerteten die potenziellen Vorteile der Verwendung verschiedener Strategien zur Minderung von Hitzestress wie Pflanzung von Bäumen, Anlage von Grasflächen und Gründächern oder helle Pflasterung mit wärmeabweisenden Materialien und grüne Dächer in Bezug auf die Reduzierung der Außentemperatur und des Kühlenergiebedarfs. Für Kairo liegen jedoch keine entsprechenden Untersuchungen vor. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Auswirkungen von Strategien zur Minderung von Hitzestress (d. h. Bäume, Gras, grüne Dächer und kühle Pflasterung) auf die Senkung der Lufttemperatur, die Verbesserung des thermischen Komforts und die Reduzierung des Kühlenergiebedarfs in lokalen Gebäuden für Kairo zu bewerten. Damit sollen Fragen nach dem geeigneten Anteil von Vegetation (Bäume, Gras) im Straßenraum, Gründächern und Pflastermaterialien zur Reduzierung von Lufttemperatur im Außenbereich und Kühlenergie in den Gebäuden im Kontext von Gebieten unterschiedlicher Bebauungsdichte beantwortet werden. Verschiedene Bezirke mit unterschiedlicher urbaner Dichte wurden ausgewählt, um die Wirkung jeder Minderungsstrategie zu untersuchen, indem die Programme ENVI-met und DesignBuilder gekoppelt wurden, um die Auswirkungen auf das Mikroklima und den Energieverbrauch der Gebäude zu bewerten. ENVI-met ist ein ganzheitliches 3D-Modell zur Simulation des Energieaustauschprozesses zwischen verschiedenen Oberflächen in städtischen Gebieten. Es betrachtet Pflanzen als dynamische Körper, die durch Evapotranspiration und Verringerung des latenten Wärmeflusses mit der Umgebungsluft interagieren. Das Modell berechnet Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, relative Luftfeuchtigkeit, spezifische Luftfeuchtigkeit, Wärmeströme und physiologische Äquivalenttemperatur (PET – Thermal Comfort). Die Ergebnisse des ENVI-met-Modells werden im DesignBuilder-Modell verwendet, um den klimatischen Zustand der untersuchten Gebäude zu identifizieren. DesignBuilder ist ein 3D-Modell, das zur Berechnung des Energieverbrauchs von Gebäuden verwendet wird. Beide Modelle verwenden die Raytracing-Methode, um Schatten, Sonneneinstrahlung und Reflexionsvermögen zu schätzen. Städtische Vegetation verschiedener Verhältnisse wurde in bebauten Gebieten mit geringer, hoher und extrem hoher Dichte untersucht (Paper 1 und 2). Diese Papiere lieferten einen Ansatz zur detaillierten Untersuchung des richtigen Vegetationsverhältnisses für verschiedene Straßengeometrien (Paper 3). Die Ergebnisse zeigten, dass die Vegetation die Außenlufttemperatur und den Kühlenergiebedarf in dünn bebauten Gebieten erhöht. Dieses neue Ergebnis widerspricht bisherigen wissenschaftlichen Erkenntnissen. In Publikation 2 wird vermutet, dass dies auf die Verringerung der relativen Luftfeuchtigkeit zurückzuführen ist, die in einem umgekehrten Verhältnis zur Lufttemperatur steht. Außerdem wurden dort zwei mögliche Erklärungen für die Abnahme der relativen Luftfeuchtigkeit vorgeschlagen: Erstens nehmen Pflanzen Feuchtigkeit aus der Luft auf, was zu einer Verringerung der relativen Luftfeuchtigkeit führt. Diese Hypothese basierte auf Quellen, die zeigten, dass einige Baumarten in der Lage sind, Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen. Allerdings bezog sich dies auf andere klimatische Bedingungen als in Kairo. Zweitens vollzieht sich die Verdunstung des Bodenwasser in Lehm unter der Vegetation in Gebieten mit geringer Bebauungsdichte schneller als in tiefen Gebäudeschluchten, was zu einer geringeren Wasserretention in den Böden unter Baumkronen und damit zu einer geringeren relativen Luftfeuchtigkeit führt. Dennoch muss berücksichtigt werden, dass die relative Luftfeuchtigkeit eine Funktion der Temperatur und der absoluten Luftfeuchtigkeit ist und nicht umgekehrt. Daher muss dieses Ergebnis in künftigen Forschungen weiter und vertieft untersucht werden, indem andere mögliche Gründe hierfür berücksichtigt werden. Die Vegetation erhöht jedoch den thermischen Komfort in bebauten Gebieten mit geringer Dichte aufgrund des Schatteneffekts, der den thermischen Komfort des Menschen verbessert und PET reduziert. In Paper 4 untersuchte die Wirkung von Gründächern, Paper 5 von „kühlen“ Pflastermaterialien in Kombination mit Vegetation (Paper 5), um alternative Strategien zu finden, die das Dilemma zwischen Lufttemperaturreduzierung und Verbesserung des thermischen Komforts lösen können. Alle Minderungsstrategien reduzieren die Lufttemperatur und PET in Gebieten mit hoher städtischer Dichte. Das Gründach ist die beste Strategie, um Hitzestress in Gebieten mit extrem hoher urbaner Dichte zu mildern. Die Ergebnisse dieser Papiere können Richtlinien für die Freiraumgestaltung (d. h. Gestaltung von Grünflächen, Pflasterungen und Gründachelementen) liefern, die verwendet werden können, um die Lufttemperatur zu senken und den thermischen Komfort in Außenbereichen zu verbessern geringerer Kühlenergieverbrauch von Gebäuden in Kairo und ähnlichen Umgebungen.