Klimat miasta w porównaniu do terenów wiejskich różni się m.in. parametrami termicznymi, radiacyjnymi i aerodynamicznymi. Charakterystycznym elementem topoklimatu wielkich i dużych aglomeracji jest również występowanie unikalnego zjawiska klimatycznego – miejskiej wyspy ciepła (MWC).
Czym jest miejska wyspa ciepła?
Miejskie wyspy ciepła (MWC) to jedno z najbardziej charakterystycznych zjawisk mikroklimatycznych występujących nad obszarami wielkomiejskimi, w których niedobór powierzchni biologicznej czynnej – odpowiedzialnej za stabilizację bilansu cieplnego – jest zastąpiony gęstą i wysoką zabudową. Jej występowanie określa się m.in. na podstawie analizy konwekcji termicznej zachodzącej w mieście w stosunku do otaczających terenów pozamiejskich.
Sama nazwa „wyspa” nawiązuje do obrazu koncentrycznych izoterm, których wartości maleją ku krańcom miasta. Wykreślone na planie miejskim przyjmują kształt podobny konturowi wyspy otoczonej „morzem” chłodniejszych przedmieść. Najcieplejsze są zazwyczaj centra miast ze zwartą zabudową, a także rejony dużych zakładów przemysłowych.
Podstawowymi parametrami charakteryzującymi MWC są intensywność, zasięg poziomy i pionowy oraz struktura. Wyspy o dużej intensywności występują najczęściej latem, kiedy różnice temperatur między miastem, a przedmieściami są największe. Z kolei zasięg poziomy nawiązuje do zabudowy. Podobnie zasięg pionowy, który może wynosić do kilkuset metrów w zależności od wielkości miasta oraz obszaru przemysłowego. Jeśli chodzi o strukturę MWC, to przypomina ona mozaikę z wyraźnymi ogniskami ciepła oddzielonymi obszarem chłodniejszego powietrza. MWC są identyfikowane na bazie pomiarów różnic temperatury powietrza lub powierzchni.
Energia cieplna i wpływ na klimat
Negatywne skutki efektu MWC odczuwają mieszkańcy aglomeracji na całym świecie, takich jak Nowy Jork, Montreal, Tokio, Los Angeles. To właśnie w dużych miastach najdotkliwiej odczuwany jest stres cieplny związany z falami upałów, zjawiska letniego smogu czy przerwy w dostawie prądu.
Rozłożenie temperatur w mieście – Miejskie Wyspy Ciepła
Na powstanie wysp wpływają m.in. materiały wykorzystywane do zabudowy, które magazynują więcej promieni słonecznych niż odbijają. Jest to efekt niskiego albedo charakterystycznego dla ciemnych dachów, betonu i asfaltu. W letnie dni, temperatura powierzchni budynku może być nawet o 30°C wyższa w porównaniu do zabudowań na obrzeżach, a dachy pokryte czarną blachą osiągać nawet do 85°C. Różnice temperatur w aglomeracji i poza nią są także odczuwalne w powietrzu. W dzień mogą wynosić do 3°C, a w nocy nawet 12°C.
Na siłę zjawiska miejskiej wyspy ciepła wpływa nie tylko materiał, z którego zbudowane są miasta. Istotna jest także geometria budynków, która niestety coraz częściej sprzyja powstawaniu tzw. miejskich kanionów. Im wyższe i gęściej rozmieszczone zabudowania, tym mniej możliwe jest wypromieniowanie energii, ponieważ znaczna jej część jest ponownie absorbowana przez ulice i fasady. Ponadto na intensywność MWC wpływa również wielkość miasta i ich położenie geograficzne. Przykładowo, jeśli miasto jest położone w dolinie, utrudnione jest jego wietrzenie, które w największym stopniu minimalizuje ryzyko gromadzenia się zapasów ciepła.
Nie bez znaczenia są również czynniki antropogeniczne. Energia produkowana podczas korzystania z klimatyzacji lub ogrzewania powoduje akumulację cieplną, wzrost temperatury odczuwalnej na zewnątrz oraz zwiększenie kosztów eksploatacyjnych. Podwyższenie poziomu sztucznego ciepła skutkuje również pogorszeniem się klimatu m.in. poprzez emisję groźnych zanieczyszczeń oraz podnoszenie się poziomu radiacyjnego. Dla przykładu, z nieszczelnych sieci klimatyzacyjnych mogą wydostawać się tzw. f-gazy lub dwutlenek węgla, czyli gazy cieplarniane. W instalacjach pełnią one rolę czynnika chłodniczego, czyli substancji transportującej ciepło. Pyły i gazy cieplarniane są również uwalniane w procesie spalania węgla, który w lecie zużywają elektrownie do schłodzenia miast. Ponadto emitują one więcej dwutlenku siarki i tlenków azotu, które powodują powstawanie zjawiska smogu będącego szczególnie szkodliwym dla osób cierpiących na choroby układu oddechowego, seniorów oraz dzieci.
Jak przeciwdziałać miejskiej wyspie ciepła? Dachy w technologii COOL–R
Zadaniem nowoczesnego budownictwa jest ochrona środowiska i poprawa jakości życia mieszkańców, a co za tym idzie niwelowanie efektów zjawisk, takich jak MWC. W kontekście uwarunkowań technicznych istniejących budynków i ograniczonych terenów do zabudowy, jednym z ważniejszych wyzwań jest zarządzanie obecną oraz powstającą infrastrukturą.
Warto zacząć od najwyżej usytuowanych punktów na obszarach miejskich – dachów. Ich powierzchnie powinny posiadać wysokie właściwości refleksyjne i emisyjne, tak by zapobiegać nagrzewaniu i efektywnie oddawać zaabsorbowane ciepło. COOL–R, czyli wysokorefleksyjna, i wodoszczelna płynna powłoka dekarska, jest rozwiązaniem łączącym oba te czynniki. Minimalizuje możliwości powstania wysokich różnic temperaturowych. Powierzchnia dachu pokrytego COOL–R nagrzewa się tylko do 3–5°C wyżej niż otoczenia. Ponadto wyniki badań ASTM E1980-11 „Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low-Sloped Opaque Surfaces” potwierdzają, że odbija ok. 86% promieni słonecznych, a jej wartość emisyjności wnosi 0.85 ± 0.03, co oznacza wysoką zdolność materiału do oddania ciepła w postaci promieniowania podczerwonego. W ten sposób budynki są również chronione przed przegrzewaniem, ponieważ ciepło nie jest transportowane do wewnątrz. Co za tym idzie, maleją koszty zwykle związane z bardziej intensywną pracą agregatów chłodniczych. To z kolei prowadzi do mniejszej emisji gazów cieplarnianych i pyłów.
Zestawienie dachu pokrytego COOL–R z innego typu powierzchniami: właściwości + różnice temperatur
Chłodne nawierzchnie nie są jednak w stanie rozwiązać całkowicie problemu MWC. Duże aglomeracje wymagają odbudowy terenów zielonych. Zielone dachy, ogrody wertykalne i parki schładzają powierzchnię i uniemożliwiają jej nagrzewanie. Ostatecznie jednak przeciwdziałanie miejskim wyspom ciepła nie jest najtrudniejszym wyzwaniem dla urbanistów, ponieważ zarówno chłodne, jak i zielone dachy są rozwiązaniem, które można wdrożyć na etapie renowacji budynku.
