Проектирование инфраструктуры для минимизации городского тепла и улучшения качества воздуха

Городские районы по всему миру испытывают двойное давление повышения температуры и снижения качества воздуха. Явление, известное как эффект городского теплового острова (UHI), в сочетании с загрязнителями от транспорта, промышленности и строительства, создает среду, которая не только неудобна, но и вредна для здоровья человека. Проектирование инфраструктуры, которая непосредственно решает эти проблемы, больше не является факультативным - это критическая необходимость для строительства более здоровых, более пригодных для жизни и более устойчивых городов. Эта статья исследует науку, стоящую за городским теплом и загрязнением воздуха, и представляет действенные стратегии - от зеленых крыш до прохладных тротуаров и ориентированного на транзит дизайна - которые планировщики, архитекторы и политики могут принять для охлаждения наших городов и очистки воздуха. Интегрируя эти подходы, мы можем снизить спрос на энергию, снизить расходы на здравоохранение и улучшить качество жизни для миллионов городских жителей.

Понимание загрязнения воздуха и тепла в городах: взаимосвязанный кризис

Эффект городского теплового острова возникает, когда плотные концентрации темных, непроницаемых поверхностей - асфальтовых дорог, бетонных зданий, крыш - поглощают солнечное излучение в течение дня и медленно выделяют его ночью. Это может повысить температуру города на 1-7 ° F (0,6-4 ° C) по сравнению с окружающими сельскими районами, а в крайних случаях на целых 9 ° F (5 ° C) в течение вечера. По данным Агентства по охране окружающей среды США, тепловые острова способствуют увеличению потребления энергии для охлаждения, повышенным выбросам парниковых газов и связанным с теплом болезням, таким как тепловой удар и сердечно-сосудистый стресс.

Загрязнение воздуха добавляет еще один слой риска. В городских условиях преобладают мелкие твердые частицы (PM2.5), диоксид азота (NO2) и озон на уровне земли, возникающие в основном из выхлопных газов транспортных средств, промышленных процессов и сжигания ископаемого топлива. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), 99% населения мира дышит воздухом, который превышает безопасные предельные значения, и города несут основную тяжесть этого воздействия. Плохое качество воздуха связано с респираторными заболеваниями, обострениями астмы, преждевременной смертностью и вредом для развития у детей. Критически, тепло и загрязнение взаимодействуют: более высокие температуры ускоряют химические реакции, которые образуют озон на уровне земли, и застойные условия теплового купола улавливают загрязняющие вещества вблизи земли. Любая стратегия инфраструктуры, которая решает одну проблему, должна одновременно решать другую.

Стратегии по снижению городской жары

Смягчение эффекта городского теплового острова требует многопланового подхода, который изменяет тепловые и отражающие свойства построенной среды при восстановлении естественных процессов охлаждения. Ниже приведены наиболее эффективные стратегии на основе инфраструктуры, каждая из которых поддерживается исследованиями и реальным применением.

Зеленая инфраструктура: парки, деревья и растительные поверхности

Увеличение растительного покрова является одним из самых мощных способов охлаждения городов. Деревья обеспечивают тень, снижая температуру поверхности тротуара и зданий на 20–45 ° F (11–25 ° C). Через испарение - процесс, посредством которого растения выделяют водяной пар - зеленые пространства могут снизить температуру окружающего воздуха на 2–9 ° F (1–5 ° C). Городские леса, соседние парки, зеленые крыши и вертикальные сады - все это способствует.

• Зеленые крыши состоят из водонепроницаемой мембраны, дренажного слоя, растущей среды и растительности. Они снижают температуру поверхности крыши на 30–60 ° F (17–33 ° C) и снижают охлаждающие нагрузки зданий на 10–30%. Такие города, как Торонто и Копенгаген, санкционировали строительство новых зеленых крыш там, где это возможно.
• Городские леса должны быть спланированы с видами, которые предлагают плотные навесы, высокую площадь листьев и толерантность к городским условиям.Исследование в Мельбурне показало, что уличные деревья могут снизить тепловое воздействие пешеходов на 30% в жаркие дни.
• Дождевые сады и биосвалы , засаженные местной растительностью, не только охлаждают окружающую местность, но и управляют стоком ливневых вод, уменьшая наводнения при фильтрации загрязняющих веществ.

Прохладные материалы: отражающие крыши и тротуары

Холодные крыши и прохладные тротуары используют высоко отражающие материалы, часто называемые поверхностями с высоким альбедо, чтобы отражать больший процент солнечного излучения вдали от города. Стандартные темные крыши поглощают примерно 80% солнечного света; прохладные крыши могут отражать до 65-85%.

• Холодные крыши могут применяться в качестве белых или отражающих покрытий, плиток или мембран. Министерство энергетики США отмечает, что прохладные крыши снижают пиковый спрос на охлаждение на 10-15% и снижают температуру в помещении, снижая тепловой стресс для пассажиров без кондиционера.
• Прохладные тротуары используют проницаемые материалы, более светлые агрегаты или отражающие пломбы для снижения температуры поверхности на 10-30 ° F (5,5-16,7 ° C). Пилотные проекты в Лос-Анджелесе видели асфальтовые улицы, окрашенные холодным покрытием, которое оставалось на 10 ° F холоднее, чем обычный асфальт.
• Фотоэлектрические брусчатки , которые генерируют энергию, обеспечивая при этом тень и отражательную способность, становятся решением двойного назначения, которое согласовывает смягчение жары с целями возобновляемых источников энергии.

Городская форма и ветровые коридоры

Планировка улиц, высот зданий и открытых пространств может либо улавливать, либо рассеивать тепло. Проектирование ветровых коридоров — преднамеренных путей, которые направляют преобладающие бризы — может значительно снизить температуры за счет улучшения естественной конвекции и удаления тепла из уличных каньонов.

• Уличная ориентация должна выровняться с доминирующими направлениями ветра, чтобы максимизировать движение воздуха.В жарком климате более узкие улицы с более высокими зданиями могут создавать затенение, но также могут блокировать воздушный поток; необходимо тщательное моделирование.
• Открытые космические сети, соединяющие парки, площади и набережные, позволяют прохладному воздуху течь из зеленых зон в окружающие районы. Штутгарт, Германия, использует систему «вентиляционного коридора» в своем коде зонирования для защиты воздушных путей от развития.
• Строительные неудачи и откаты снижают эффект каньона, который улавливает тепло и загрязняющие вещества. Проницаемые наземные этажи и поднятые здания также позволяют воздуху проходить под конструкциями.

Повышение качества воздуха через инфраструктуру

Хотя смягчение последствий жары часто перекрывается улучшением качества воздуха, целенаправленные меры по инфраструктуре могут еще больше снизить концентрацию загрязняющих веществ на уровне улиц и во всех городских районах.

Сокращение выбросов в источнике: транспорт и энергия

Транспортное движение является крупнейшим источником выбросов NO2 и PM2.5 в большинстве городов. Инфраструктура, которая переносит режимы движения от автомобилей с одним пассажиром, оказывает немедленное и длительное воздействие.

• Автобусные полосы быстрого транзита (BRT), легкорельсовые и защищенные велосипедные полосы (FLT: 1) поощряют общественный транспорт и активную мобильность. Такие города, как Куритиба, Бразилия и Богота, Колумбия, показали, что хорошо спроектированные системы BRT сокращают выбросы до 40% вдоль коридоров.
• Инфраструктура зарядки электромобилей , интегрированная в парковочные места и бордюры, ускоряет переход к паркам с нулевым уровнем выбросов. Цена за перегруженность, используемая в Лондоне и Стокгольме, уменьшает объем трафика и поощряет более чистые поездки.
• Зоны с низким и нулевым уровнем выбросов ограничивают или запрещают автомобили с высоким уровнем загрязнения из городских центров. Лондонская зона с ультранизким уровнем выбросов (ULEZ) сократила придорожный NO2 на 44% в первый год.

Растительность как биофильтр

Растения делают больше, чем прохладно - они активно удаляют загрязняющие вещества из воздуха. Листья и кора поглощают газы, такие как озон и NO2, в то время как шероховатые поверхности захватывают твердые частицы, которые позже промываются дождем. Эффективность зависит от видов растений, площади листьев и размещения.

• Зеленые стены (живые стены), установленные на фасадах зданий вдоль оживленных дорог, могут снизить локализованные уровни ТЧ до 60% в некоторых исследованиях.
• Стратегическая посадка деревьев вблизи дорог и перекрестков может перехватить выхлопные шлейфы. Плотные вечнозеленые деревья с грубыми листьями (например, дуб, холли и сосна) являются более эффективными фильтрами, чем виды гладких листьев.
• Городские изгороди на краю тротуаров могут выступать в качестве барьеров, которые отвлекают загрязнение от пешеходов, особенно детей в колясках, которые вдыхают на высоте выхлопных труб.

Планирование зонирования и землепользования

Пространственное расположение деятельности влияет на воздействие загрязнения. Умное землепользование может предотвратить худшие последствия до начала строительства.

• Промышленные буферы парков, зеленых поясов или коммерческих зон низкой плотности отделяют источники тяжелых выбросов от жилых районов. Такой подход также создает рекреационное пространство, которое уменьшает тепло.
• Развитие, ориентированное на смешанное использование и транзит, , снижает потребность в длительных поездках на автомобилях, что согласуется с целями сокращения выбросов. Портленд, штат Орегон, использовал границы городского роста и зонирование для поощрения компактных, связанных районов.
• Строительные коды, которые требуют механической вентиляции с высокоэффективными фильтрами в новом строительстве, особенно вблизи автомагистралей, защищают качество воздуха в помещениях.В Нидерландах школы вблизи дорог обязаны иметь системы очистки воздуха.

Интегрированные решения и реальные мировые тематические исследования

Наиболее успешными городами являются те, которые объединяют стратегии в области тепло- и воздухообеспечения в единые планы действий в области климата. Три примера иллюстрируют, как интегрированная инфраструктура обеспечивает измеримые выгоды.

Сингапур: город-сад

Сингапур давно отстаивает зеленую инфраструктуру как основной принцип проектирования. Город-государство предписывает зеленые крыши, вертикальную зелень и обширные посадки деревьев вдоль дорог и в общественных жилых комплексах. Его инициатива «Город в саду» увеличила зеленый покров почти до 50% площади земли. Исследователи из Национального университета Сингапура измерили снижение температуры окружающей среды на 2-4 ° C в районах с высокой плотностью растительности. Кроме того, сады в комплексе Bay используют охлажденные консерватории и сеть возвышенных дорожек, которые фильтруют воздух, предлагая общественный отдых. Подход Сингапура демонстрирует, что даже в плотном тропическом городе тепло и загрязнение могут быть укрощены с помощью комплексного планирования.

Лос-Анджелес: прохладные тротуары и светоотражающие крыши

Лос-Анджелес переводит исследования в политику. В 2013 году город начал прохладный тротуарный пилот, покрывая улицы светоотражающим уплотнением. Ранние результаты показали снижение температуры поверхности на 10-12 ° F (5,5-6,7 ° C). Город также обновил свой строительный кодекс, чтобы требовать прохладных крыш на всех новых жилых зданиях и предлагает стимулы для модернизации. Зеленый новый курс Лос-Анджелеса включает в себя посадку 90 000 деревьев к 2021 году (превзойденный), электрификацию автобусного парка и установку 400 миль велосипедных дорожек. Мониторинг показывает, что эти действия способствовали измеримому снижению дней превышения озона, даже когда город растет.

Фрайбург, Германия: Эко-городская модель

Район Вобан во Фрайбурге является ярким примером городского дизайна с низким уровнем воздействия. Район без автомобилей, с обширной велосипедной инфраструктурой и трамвайной линией, соединяющейся с центром города. Здания построены с пассивным солнечным дизайном, зелеными крышами и сбором дождевой воды. Сочетание в этом районе высокой плотности жизни с обильными зелеными насаждениями поддерживает стабильные летние температуры и качество воздуха в соответствии с руководящими принципами ВОЗ. Фрайбург также использует ветровые коридоры в своих правилах планирования, гарантируя, что свежий воздух из окружающего Черного леса впадает в город.

Проблемы и соображения в области осуществления

Несмотря на очевидные преимущества, масштабирование этих решений требует навигации по затратам, обслуживанию, справедливости и политическим препятствиям.

• Первоначальные затраты:] Зеленые крыши и прохладные тротуары могут стоить дороже, чем обычные альтернативы. Однако анализ жизненного цикла часто показывает чистую экономию за счет более низких счетов за электроэнергию, снижения платы за ливневые воды и более длительного срока службы материалов. Механизмы финансирования, такие как зеленые облигации и снижение налогов, могут компенсировать первоначальные инвестиции.
• Обслуживание: Растительные системы требуют орошения, обрезки и периодической замены. Холодные тротуары могут нуждаться в повторном применении отражающих покрытий каждые 5-7 лет. Города должны выделять текущие бюджеты, а не только капитальное финансирование.
• Справедливость: Тепло и загрязнение непропорционально влияют на районы с низким уровнем дохода и сообщества с цветом, которые часто имеют меньше зеленого покрытия и больше промышленной активности. Приоритет инвестиций в эти области имеет важное значение для предотвращения обострения неравенства. Участие сообщества в проектировании проектов гарантирует, что решения фактически удовлетворяют местные потребности.
• Компромиссы: Холодные крыши могут вызвать блики или увеличить спрос на отопление зимой в холодном климате. Плотная посадка деревьев вблизи зданий может блокировать зимний солнечный свет. Конкретный дизайн и моделирование климата должны направлять выбор материала и видов.
• Регуляторные барьеры: Устаревшие коды зонирования могут ограничивать установку зеленой крыши или предписывать более широкие улицы, которые ухудшают острова тепла. Обновление муниципальных кодов в соответствии с климатическими целями является необходимым шагом.

Путь вперед: политика и инновации

Для того чтобы обеспечить функционирование инфраструктуры, снижающей уровень тепла и загрязнения, городам необходима поддержка политики, инструменты, основанные на данных, и межсекторальное сотрудничество.

• Включите тепло и качество воздуха в планы действий по климату.] Во многих городах климатические планы сосредоточены на выбросах углерода; добавление UHI и целей по загрязнению гарантирует получение сопутствующих выгод. Сеть городов C40 предлагает ресурсы для разработки таких планов.
• Мандатная зеленая или прохладная крыша через строительные нормы для нового строительства и капитальных ремонтов.У Торонто и Сан-Франциско уже есть такие требования, с измеримым успехом.
• Инвестируйте в сети мониторинга в режиме реального времени, которые отслеживают температуру, влажность, PM2.5 и NO2 в масштабе района.
• Используем природные решения наряду с серой инфраструктурой. Объединение зеленых крыш с солнечными панелями (как в Портленде, штат Орегон) создает синергию, которая умножает преимущества.
• Укрепление партнерских отношений между городскими планировщиками, департаментами общественного здравоохранения, коммунальными службами и общественными организациями. Оценки воздействия на здоровье могут помочь количественно оценить предотвращенные расходы на болезни, связанные с жарой и респираторными заболеваниями, что укрепит бизнес-кейс.

Заключение

Проблема городского тепла и загрязнения воздуха является неотложной, но инструменты для ее решения доказаны и доступны. Проектируя инфраструктуру, которая охватывает зеленые поверхности, отражающие материалы, транспорт без выбросов и продуманную городскую форму, города могут создавать среду, которая является более прохладной, чистой и здоровой. Примеры из Сингапура, Лос-Анджелеса и Фрайбурга показывают, что интегрированные подходы дают реальные результаты. Стоимость бездействия - измеряемая в смертельных случаях от теплового удара, приступах астмы и потерянной производительности - намного превышает необходимые инвестиции. Для городских планировщиков, политиков и граждан, императив ясен: перепроектировать наши города как живые системы, которые работают с природой, а не против нее.

Для дальнейшего чтения по смягчению последствий изменения климата на тепловых островах посетите Основы городского теплоносителя EPA . Для глобальных руководящих принципов качества воздуха см. Данные ВОЗ о загрязнении воздуха . Технические ресурсы на прохладных крышах и тротуарах доступны от Рейтингового совета прохладных крыш и NASA Urban Heat Island Research .