Update of the Urban Heat Island of Madrid and Its Influence on the Building's Energy Simulation

Despite great advances on building energy evaluation, available climate data does not include the effects of the Urban Heat Island (UHI). This phenomenon, which increases the temperature in urban areas, is variable in both time and space, and implies an important lack of accuracy when simulating within an urban context. During this research the relevance of the UHI in relation to the dwellings energy performance has been confirmed, as well as the existing barriers to integrate the current UHI representations into the dynamic energy simulation process. Therefore, it is necessary to carry out an update of the existing models, in order to implement it into the energy evaluation process. In this work, as a first stage of the study and based on current techniques of geolocation and the use of Geographic Information Systems (GIS), it is established a methodology to acquire automatically an update of the UHI through isotherm maps. It is aimed to set up the starting point from which the integration of the UHI into the energy simulation process will happen

Resilient cooling pathway for extremely hot climates in southern Asia

Global warming is increasing extreme heat conditions, with existing energy efficiency policies showing trade-offs between mitigation objectives and adaptation to climate change. This research aims to identify the best resilient cooling solutions that should be promoted in the built environment of extremely hot countries to increase their heat resilience capacity. The impact of climate change on climate zones, cooling thermal demand (kWh/m2), and indoor heat discomfort hours (DHh, hours) in buildings is evaluated in different extremely hot dry climates of southern Asia through a parametric analysis for 2020, 2050 and 2080 under the A2 (medium–high) emission scenario. Then, cooling alternatives with higher synergies and trade-offs between energy efficiency (energy consumption) and resiliency to extreme heat (passive survivability) are highlighted. TRNSYS simulation software and ASHRAE criteria were used to characterise climate zones and calculate buildings' cooling needs and discomfort hours. Pakistan, in southern Asia, was selected as a hot reference region characterised by various climatic regions. The simulated scenario shows how Pakistan's extremely hot dry climate surface may increase from 36.9 % to 78.1 % by 2080, increasing annual cooling needs ranging from 20.56 to 66.96 kWh/m2 and indoor discomfort hours ranging from 423 to 1267 h. The results demonstrate how the passive solutions with higher synergies between energy savings and indoor comfort hours are, in decreasing order, ventilative cooling, reflective and ventilated roofs, shading in windows, and roof insulation. They can provide energy savings ranging from 13.1 to 7.1 kWh/m2 while reducing indoor discomfort by 320 to 131 h for extremely hot climates. Moreover, the sufficiency action related to higher thermostat settings, from 24 to 25 °C to 25–26.5 °C, was the most effective strategy to decrease energy demand. Additionally, there are trade-offs between energy-saving and heat resilience with highly insulated alternatives when ventilation is not adequately addressed. Despite increasing energy savings by 14.4 kWh/m2, discomfort hours are increased by 256 hours when air conditioning is unavailable, increasing building overheating by 5.1 %

Towards a dynamic model for the Urban Heat Island of Madrid

Present research is framed within the project MODIFICA (MODelo predictivo - edIFIcios - Isla de Calor urbanA) aimed at developing a predictive model for dwelling energy performance under the urban heat island effect in order to implement it in the evaluation of real energy demand and consumption of dwellings as well as in the selection of energy retrofitting strategies. It is funded by Programa de I+D+i orientada a los retos de la sociedad 'Retos Investigación' 2013. Despite great advances on building energy performance have been achieved during the last years, available climate data is derived from weather stations placed in the outskirts of the city. Hence, urban heat island effect is not considered in energy simulations, which implies an important lack of accuracy. Since 1980's several international studies have been conducted on the urban heat island (UHI) phenomena, which modifies the atmospheric conditions of the urban centres due to urban agglomeration [1][2][3][4]. In the particular case of Madrid, multiple maps haven been generated using different methodologies during the last two decades [5][6][7]. These maps allow us to study the UHI phenomena from a wide perspective, offering however an static representation of it. Consequently a dynamic model for Madrid UHI is proposed, in order to evaluate it in a continuous way, and to be able to integrate it in building energy simulations

Hacia un modelo dinámico para la isla de calor urbana de Madrid = Towards a Dynamic Model for the Urban Heat Island of Madrid

Esta investigación se enmarca dentro del proyecto MODIFICA (modelo predictivo - Edificios - Isla de Calor Urbano), financiado por el Programa de I + D + i Orientada a los Retos de la sociedad 'Retos Investigación' de 2013. Está dirigido a desarrollar un modelo predictivo de eficiencia energética para viviendas, bajo el efecto de isla de calor urbano (AUS) con el fin de ponerla en práctica en la evaluación de la demanda de energía real y el consumo en las viviendas. A pesar de los grandes avances que se han logrado durante los últimos años en el rendimiento energético de edificios, los archivos de tiempo utilizados en la construcción de simulaciones de energía se derivan generalmente de estaciones meteorológicas situadas en las afueras de la ciudad. Por lo tanto, el efecto de la Isla de Calor Urbano (ICU) no se considera en estos cálculos, lo que implica una importante falta de precisión. Centrado en explorar cómo incluir los fenómenos ICU, el presente trabajo recopila y analiza la dinámica por hora de la temperatura en diferentes lugares dentro de la ciudad de Madrid. Abstract This research is framed within the project MODIFICA (Predictive model - Buildings - Urban Heat Island), funded by Programa de I+D+i orientada a los retos de la sociedad 'Retos Investigación' 2013. It is aimed at developing a predictive model for dwelling energy performance under the Urban Heat Island (UHI) effect in order to implement it in the evaluation of real energy demand and consumption in dwellings. Despite great advances on building energy performance have been achieved during the last years, weather files used in building energy simulations are usually derived from weather stations placed in the outskirts of the city. Hence, Urban Heat Island (UHI) effect is not considered in this calculations, which implies an important lack of accuracy. Focused on exploring how to include the UHI phenomena, the present paper compiles and analyses the hourly dynamics of temperature in different locations within the city of Madrid

Actualización de la isla de calor urbana de Madrid y su influencia en la simulación energética de edificios

Pese al avance que se ha alcanzado en el conocimiento del comportamiento energético de los edificios, los archivos climáticos siguen sin contemplar los efectos de la Isla de Calor Urbana (ICU). Este fenómeno provoca un incremento generalizado de las temperaturas en el tejido urbano, variable tanto en el tiempo como en el espacio, e introduce un importante grado de imprecisión en la evaluación energética. Durante el desarrollo de este estudio se ha evidenciado la relevancia de la ICU en el comportamiento energético de los edificios, así como la imposibilidad de incorporar los estudios existentes al régimen dinámico de la simulación energética. Se considera por tanto necesario llevar a cabo una actualización de los modelos existentes, de forma que permitan su adecuación a los procesos de evaluación energética. Para esta primera fase del estudio y gracias a las actuales técnicas de geolocalización y a los Sistemas de Información Geográfica (SIG), se ha desarrollado una actualización de la ICU a través de mapas de isotermas. Ésta tiene como objetivo establecer el punto de partida desde el que llevar a cabo la integración de la ICU en la simulación energética

Health in neighbourhoods: impact of extreme temperatures

[ES] Las proyecciones de cambio climático prevén un aumento en el número e intensidad de las olas de calor. En España, se prevé un ritmo de incremento de las temperaturas máximas diarias de 0,4 ºC por década en el periodo 2021–2050 y de 0,6ºC por década en el 2051–2100 en un escenario de máximas emisiones (RCP8.5). Este incremento de temperaturas puede implicar importantes sobrecostes sanitarios que se sumarán a los actuales aumentos de mortalidad y morbilidad provocados por la exposición de la población a extremos térmicos. El entorno urbano construido, así como la edificación, juegan un papel fundamental en el grado de exposición de la población a estas temperaturas extremas. La alta densidad de las ciudades y la ausencia de espacios verdes son modificadores del clima urbano y en grandes urbes se expresan mediante una alta intensidad del fenómeno de isla de calor. La ausencia de eficiencia energética de gran parte del parque de viviendas y los elevados precios de la energía se suman a esta problemática, en especial, en aquellas situaciones de pobreza energética en la que los hogares no pueden mantener su vivienda a unas temperaturas adecuadas para unas óptimas condiciones de salud. Las intervenciones en barrios deben acometerse desde una perspectiva de salud con un objetivo claro de reducción de la exposición de la población a temperaturas extremas y los riesgos sanitarios asociados. Resulta necesario combinar las actuaciones sobre el espacio público orientadas a la mejora del microclima urbano con aquellas destinadas la mejora de las condiciones de bienestar térmico de las viviendas. [POR] As projecções de alterações climáticas prevêem um aumento no número e na intensidade das ondas de calor. Em Espanha, prevê-se um aumento nas temperaturas máximas diárias de 0,4 ºC por década no período de 2021–2050 e de 0,6 ºC por década em 2051–2100, num cenário de emissões máximas (RCP8.5). Este aumento de temperaturas pode implicar custos adicionais significativos para a saúde que se somarão aos atuais aumentos de mortalidade e morbilidade causados pela exposição da população a extremos térmicos. O ambiente urbano construído, assim como a edificação, desempenham um papel fundamental no grau de exposição da população a essas temperaturas extremas. A alta densidade das cidades e a ausência de espaços verdes são modificadores do clima urbano e nas grandes cidades expressam-se por meio de uma alta intensidade do fenómeno das ilhas de calor. A ausência de eficiência energética em grande parte do parque habitacional e os elevados preços da energia aumentam esse problema, especialmente em situações de pobreza energética em que as famílias não conseguem manter suas casas em temperaturas adequadas para condições de saúde óptimas.As intervenções nas áreas residenciais devem ser realizadas a partir de uma perspectiva de saúde com um objectivo claro de reduzir a exposição da população a temperaturas extremas e os riscos para a saúde associados. É necessário conjugar as acções no espaço público que visam a melhoria do microclima urbano com aquelas que visam a melhoria das condições de bem-estar térmico das habitações. [EN] Projections about climate change forecast an increase in the number and intensity of heat waves. In Spain daily maximum temperatures are projected to increase by 0.4 °C per decade in the 2021-2050 period and by 0.6°C per decade in the 2051-2100 period in a maximum emissions scenario (RCP8.5). This increase in temperatures may lead to significant healthcare costs, on top of current mortality and morbidity increases, as a result of the population’s exposure to temperature extremes.The built urban environment and buildings proper play a key role in the population’s degree of exposure to these temperature extremes. The high density of cities and the absence of green spaces are modifiers of urban climate. In large cities this is manifested in a high intensity of the heat island phenomenon. The poor energy efficiency of much of the housing pool and high energy prices compound this problem, especially in energy poverty situations where households are unable to keep their homes at temperatures suitable for optimal health conditions.Interventions should be made in neighborhoods with health in mind, the clear objective of which should be reducing the population’s exposure to extreme temperatures and the associated health risks. It is necessary to combine actions on the public space aimed at improving the urban microclimate with measures intended to improve the thermal comfort conditions in dwellings.Esta investigación se ha realizado con el apoyo de la Fundación Biodiversidad proyecto ENPY 470/19, el Ministerio de Economía y Competitividad. Proyecto MODIFICA (BIA2013-41732-R) y con el apoyo de un contrato FPU del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte (FPU15/05052).S

Modelo empírico de la isla de calor urbana de Madrid para su integración en la simulación energética de edificios

La isla de calor es un fenómeno climático que modifica las condi¬ciones térmicas de las ciudades. Los entornos urbanos registran, de media, temperaturas de entre 1 y 2 ºC por encima de su alrededores rurales, pudiendo superar los 10 ºC de intensidad durante algunas noches. El diferencial de temperatura debido a la isla de calor puede provocar desajustes en la evaluación energética de edificios, ya que rara vez es considerado en la generación de los archivos climáticos empleados en la simulación energética. Esto contribuye a la brecha del comportamiento energético (energy performance gap) característica de las herramientas de simulación, poniendo en entredicho su fia¬bilidad. Estudios previos han demostrado la relevancia del impacto de la isla de calor en el comportamiento energético de los edificios. Al-gunos de ellos han ensayado distintas fórmulas para integrar la isla de calor en la evaluación energética de edificios, fundamentalmente a través de modelos numéricos. Sin embargo, existen limitaciones relativas a su coste computacional, precisión y representatividad, indicativo de que todavía existe un amplio margen de mejora. Dado que los archivos climáticos son los responsables de contex¬tualizar climáticamente la simulación energética, esta tesis doctoral propone desarrollar un modelo empírico de la isla de calor de Ma¬drid con el que obtener archivos climáticos adaptados a la realidad climática urbana. Se parte del objetivo de que los archivos genera¬dos, además de ser precisos en su representación de las condiciones climáticas urbanas, sean representativos de todo el municipio en su conjunto. Esta tarea se aborda de forma integral, cubriendo todas las etapas desde la observación hasta la modelización, y pasando por una importante etapa analítica relacionada con el fenómeno de la isla de calor y su variabilidad intraurbana. La parte experimental de esta tesis doctoral se apoya en el desarro¬llo de dos campañas de monitorización, una mediante puntos mó¬viles, de carácter exploratorio, y otra mediante puntos fijos. A partir de esta última se han obtenido datos de las condiciones higrotér¬micas en diversos puntos de la ciudad durante más de dos años en régimen horario. Estos registros de temperatura y humedad han servido, primero, para analizar el comportamiento anual de la isla de calor a nivel horario e intraurbano en el municipio de Madrid, obteniendo importantes conclusiones para su posterior modeliza¬ción. En segundo lugar, estos datos han permitido la generación de un modelo empírico basado en redes neuronales artificiales, una de las herramientas más populares dentro del aprendizaje automático, y con potencial demostrado a la hora de modelar las características del clima urbano. Con estas redes neuronales artificiales se ha trabajado en la adap¬tación de las series temporales de datos procedentes de los obser¬vatorios meteorológicos de referencia a las condiciones climáticas urbanas, siendo estas nuevas series temporales la base sobre la cual se han construido los archivos climáticos urbanos. Finalmente, se ha trabajado con los grados hora de calefacción y refrigeración ur¬banos, a partir de los cuales se han delimitado una serie de zonas climáticas dentro de la ciudad de Madrid, y a las que se han asociado los nuevos archivos climáticos urbanos. Los resultados obtenidos muestran una isla de calor intensa y ex¬tensa, con una estacionalidad anual débil, pero con una fuerte va¬riabilidad diaria. Las diferencias entre tejidos urbanos son, como cabía esperar, muy acentuadas durante la noche. Durante el día, las diferencias se amortiguan y dejan de asociarse tan claramente al tipo de tejido. En total, se distinguen nueve zonas climáticas urbanas, las cuales se representan asociadas a sus respectivos archivos climáti¬cos urbanos. Los ensayos realizados sobre una tipología residencial de bloque en H apuntan a incrementos en la demanda energética de refrigeración debido a la isla de calor superiores al 30%, mientras que la reducción en la demanda de calefacción por este fenómeno rozaría, en algunos casos, el 20%. Este trabajo de investigación viene a confirmar la relevancia de la isla de calor en el comportamiento energético de los edificios de la ciudad de Madrid, así como la importancia de la precisión de los archivos climáticos en el desarrollo de la simulación energéti¬ca. Se espera que los resultados obtenidos contribuyan a mejorar las herramientas de evaluación energética de edificios, a la vez que fomenten una revisión crítica de los actuales archivos climáticos disponibles y de aplicación en entornos urbanos. ----------ABSTRACT---------- The urban heat island is a climatic phenomenon that modifies the thermal conditions in cities. Due to this phenomenon, urban environments are, on average, between 1 and 2 °C warmer than their rural surroundings, reaching over 10 °C on some nights. The temperature differential due to the ur¬ban heat island can cause mismatches in the energy evaluation of buildings, as it is rarely considered in the generation of the climate files used in the energy simulation. This contributes to the energy performance gap characteristic of simulation tools, calling into question their reliability and, in some cases, even their usefulness. Since weather files are responsible for the climat¬ic contextualisation of the energy simulation, this PhD thesis focuses on obtaining weather files adapted to the urban climatic reality. Previous studies have tested different formulas to carry out this task, mainly through numerical models. How¬ever, limitations related to their computational cost, accuracy and representativeness suggest that there is still room for improvement. This research proposes an empirical model of the urban heat island of Madrid in order to obtain weather files adapted to the reality of urban cli¬mate. The aim is that the generated weather files, as well as being accurate in their representation of the urban climate conditions, should be represent¬ative of the entire municipality as a whole. This requires a comprehensive approach to this work, developing an important experimental dimension aimed at obtaining data, as well as an analytical di¬mension related to the phenomenon of the heat island. The experimental part of this PhD thesis is based on the development of two monitoring cam¬paigns, one using mobile stations and the other using fixed locations. From these campaigns, data on the hygrothermal conditions in different parts of the city have been obtained. These temperature and humidity records have been used, firstly, to an¬alyse the annual behaviour of the heat island at an hourly and intra-urban level, something unprece¬dented for the municipality of Madrid. Secondly, the data collected have allowed the generation of the empirical model based on artificial neural net¬works, one of the most popular tools in machine learning, and with proven potential for modelling the characteristics of the urban climate. With these artificial neural networks, the time se¬ries of climatic data from the reference meteoro¬logical observatories have been adapted (data mor¬phing). Thus, these new time series are the basis on which the urban weather files have been built. Fi¬nally, the urban heating and cooling degree hours have been used to delimit a series of climate zones within the city of Madrid, to which the new urban weather files have been associated. The findings show an intense and widespread ur¬ban heat island, with a weak annual seasonality, but with a strong daily variability. The differences between urban fabrics are, as expected, very ac¬centuated during the night. During the day, the differences are dampened and are no longer so clearly associated with the type of urban fabric. In total, nine urban climate zones are distinguished, which are represented in association with their re¬spective urban weather files. Tests carried out on a residential H-block typology point to increases in the cooling energy demand of more than 30% due to the urban heat island, while the reduction in the heating demand due to the heat island would, in some cases, be close to 20%. This research work confirms the impact of the urban heat island on the energy performance of buildings, as well as the importance of weather files in the development of energy simulation. It is hoped that these findings will contribute to the improvement and accuracy of simulation tools, while encouraging a critical review of the current availability of weather files and their application in urban environments

Source area definition for local climate zones studies. A systematic review

The correct contextualisation of urban measurements is one of the challenges that urban climate researchers have been dealing with for decades. The Local Climate Zones scheme (LCZs) emerges as a system for characterising these measurements from the thermal perspective. The rapid embracing of the LCZs by researchers from many disciplines, altogether with its adoption for other purposes such as planning, has led to an inexistent or, at its best, flexible use of the source area definition. This practice might call into question the contextualisation of many measurements, highlighting the imperative need to shed light on the source area methods within the urban context. In this study, a systematic review is conducted to compile previous experiences in which the source area was applied in the built environment. Results obtained from the systematic search are summarized and presented according to three scales: the inertial sublayer, the roughness sublayer, and the urban canopy layer. These previous experiences are studied according to their methodological contribution to the source area definition, emphasizing those studies that have considered this concept altogether with the LCZ scheme. This review aims at promoting the knowledge about footprint methodologies and its correct application within the LCZs

SEPAs: a Summer Energy Poverty Service- Learning experience

The Service Learning project presented here is part of the H2020-Cooltorise project, aimed at raising awareness of the problem of summer energy poverty in southern European countries and reducing the cooling demands of the vulnerable population. In the first year of the project, more than 60 architecture students from different Technical Schools of the Community of Madrid have had the opportunity to carry out workshops on optimization of energy bills, heat culture and climate adaptation at different scales, as well as an intervention for the improvement of urban microclimate.  The results of the first year pay value the figure of the SEPAs, or Summer Energy Poverty Agents, a technical and accompanying figure that encourages learning among participants and volunteers.El proyecto de ApS que se presenta forma parte del proyecto H2020-Cooltorise, orientado a la concienciación sobre la problemática de la pobreza energética de verano en países del sur de Europa y a la reducción de las demandas de refrigeración de la población vulnerable. En el primer año de proyecto, más de 60 estudiantes de arquitectura de Escuelas Técnicas de la Comunidad de Madrid han tenido la oportunidad de llevar a cabo talleres sobre optimización de facturas energéticas, cultura del calor y adaptación climática a distintas escalas, además de una intervención para la mejora del microclima urbano.  Los resultados del primer año de ApS ponen en valor la figura del SEPAs, o agentes para la pobreza energética de verano, una figura a la vez técnica y de acompañamiento que incentiva los aprendizajes entre participantes y voluntarios.Peer Reviewe