GREEN FOC. Noves tecnologies per a la reducció de l’efecte illa de calor urbà mitjançant teulades verdes

Aquest article es deriva del treball final del “International Course on management and applied techniques in Cartography” [1] (IC_Cartotechnology o IC2) primera edició. L’IC_Cartotechnology és el programa de Postgrau organitzat per l’Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya (ICGC) [2], certificat per la Fundació de la Universitat Politècnica de Catalunya i recolzat l’IBM Innovation Centre. Aquest treball final ha consistit en la redacció d’una proposta adient per a ésser presentada en la call Smart Cities and Communities de l’ Horizon 2020 (H2020) [3,4] i poder obtenir finançament. Aquesta proposta s’ha quedat en el marc acadèmic on s’ha valorat seguint els criteris de valoració del propi H2020.

1. Proposta Green FOC

El principal objectiu de la proposta Green FOC és la reducció de l’efecte illa de calor (urban heat island, UHI) mitjançant una xarxa de teulades verdes en tres ciutats de la Europa Mediterrània (Barcelona, Marsella i Sofia). Aquesta proposta es desplegaria en tres llocs de prova en districtes dels centres d’aquestes ciutats durant un període de temps de tres anys (període finançat per la Comunitat Europea). El projecte esta pensat per aconseguir el desenvolupament de com a mínim el 30 % de les superfícies de les teulades dels edificis seleccionats (aproximadament una zona d’implementació d’uns 60 m²).

Figura 1. Proposta d’àmbit d’actuació a Barcelona

L’efecte illa de calor urbà és un fenomen atmosfèric que es pot detectar en les grans urbs. Es detecta per un centre amb temperatures significativament més altes que les zones periurbanes o les zones naturals adjacents. La calor que absorbeixen els edificis i els materials del carrer durant el dia es dispersa lentament durant la nit. Això, juntament amb una menor visió del cel i per tant d’un flux d’aire menor en carrers estrets i d’edificis alts fa que sigui difícil dispersar l’aire calent acumulat. Aquest fenomen agreuja els problemes de salut dels ciutadans especialment sensibles durant les onades de calor.

La proposta també té com objectiu proveir de més serveis al municipis en la seva tasca com a planificadors. Es proposa el desenvolupament de un sistema de suport a les decisions (Green FOC DSS) per a planificar el desplegament de les teulades verdes en aquestes ciutats. Aquest DSS permetria l’anàlisi de les següents dades:

• Tipologia dels edificis i teulades.
• Tipologia de teulada proposada.
• Situació climàtica.
• Beneficis coneguts en àrees properes.
• Benefici tèrmic del edifici.
• Benefici tèrmic del barri o de la ciutat.
• Benefici econòmic per estalvi energètic.

Green FOC també vol ser una eina útil a la resta de ciutats de la Mediterrània preocupades pel canvi climàtic, és per això que un dels seus objectius és convertir-se en una metodologia escalable i replicable en la majoria de les ciutats de la zona sud europea. Una manera de aconseguir-ho es fent partícips altres ciutats europees en el projecte. Aquestes ciutats seguidores podran participar-hi per a més endavant aplicar el projecte a la seva pròpia ciutat.

2. Principals impactes

Com s’ha indicat anteriorment l’objectiu de la proposta és la reducció del efecte illa de calor. Aquesta reducció tindrà uns grans beneficis per a les ciutats i els ciutadans. Els principals impactes directes que tindrà i que notaran els ciutadans seran:

• Augment de la qualitat atmosfèrica i per tant benefici per la població amb risc de patir malalties respiratòries. 
• Disminució de la temperatura i per tant benefici també per a la població amb risc de patir afeccions relacionades amb les altes temperatures.
• Reducció de la despesa energètica.

A nivell més general els impactes són:

• Reducció de les emissions de CO2. La reducció del consum d’energia per refrigerar a l’estiu (o per escalfar a l’hivern) ajudarà a assolir els objectius 20-20-20 de la política europea de lluita contra el canvi climàtic [5]. 
• Augment de la biodiversitat. Els nous hàbitats creats permetrien que espècies desaparegudes del territori tornessin poc a poc a colonitzar els espais urbans. Aquest efecte sobrevingut esta totalment en sintonia amb l’Estratègia de la Unió Europea per la Biodiversitat fins al 2020 [6].
• Reduir l’aigua d’escorrentiu de les tempestes. Les teulades verdes retenen l’aigua de la pluja en més o menys quantitat depenent del tipus de teulada verda.

3. Metodologia

La millor manera per a mitigar l’efecte illa de calor passa per intentar reduir les causes que la generen. Per tant, fomentar el canvi de les cobertes urbanes artificials per altres més naturals permet aconseguir una mitigació real d’aquest problema. Però la proposta Green FOC a més a més fa servir les noves tecnologies per a poder valorar l’assoliment dels objectius, els beneficis obtinguts i la creació de uns sistema intel•ligent per poder fer previsions i disseminar la l’ús de les teulades verdes entre la població. El coneixement del problema i poder valorar econòmicament les despeses energètiques i els beneficis de les la implantació de les teulades verdes, permetrà crear plans o programes de desplegament establint prioritats d’actuació.

Els principals processos i fluxos de treball es poden diferenciar en els següents quatre grups (veure figura 2):

• Obtenció de dades meteorològiques dels sensors
• Model climàtic SURFEX/TEB
• Gestió de la informació (Infraestructura de Web de sensors)
• Green FOC DSS

Figura 2. Principals processos

3.1 Obtenció de dades meteorològiques dels sensors

La obtenció d’aquestes dades és imprescindible per a dues coses: caracteritzar l’efecte illa de calor en les ciutats on es desenvoluparà el projecte i per altra banda validar i quantificar la millora tèrmica obtinguda després de la instal•lació de les teulades verdes.

L’efecte illa de calor urbà és un fenomen apreciable a diferents escales i en diferents àmbits urbans. Les tipologies d’illa de calor són:

• illa de calor de superfícies. S’aprecia l’efecte de l’illa de calor pel calor de les cobertes urbanes, teulades, façanes, paviment, … En un dia assolellat aquestes superfícies poden arribar fins 50ºC, temperatures molt superiors a l’aire que les envolta.
• illa de calor de atmosfèrica. Per sobre de les grans ciutats es pot apreciar una zona atmosfèrica de major temperatura comparada amb la temperatura dels voltants, aquesta capa de calor pot arribar fins alçades de 1,5 quilòmetres respecte el sòl.
• Illa de calor dels congost urbans. Des del terra fins a la part superior dels edificis la escassa circulació de l’aire fa que el calor no pugui ser dispersat i per tant les temperatures augmenten.

Aquesta diferent percepció del mateix problema necessita sistemes de mesura diferents:

• Sensors hiperespectrals aerotransportats per a l’estudi de l’efecte illa de calor de superfícies. Aquestes dades es capturarien en moments puntuals del projecte al inici i després una campanya anual.
  El tipus de sensor i metodologia de captura s’hauria estandarditzar en tots els llocs d’estudi però la proposta seria ser servir com a model el sensor TASI de l’Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya que treballa en el rang de les longituds d’ona de l’infraroig tèrmic (LWIR).
• Xarxa de sensors atmosfèrics a les teulades
  Juntament amb la instal•lació de les teulades verdes, es desplegaria una xarxa de sensors que monitorarien contínuament les dades atmosfèriques sobre les teulades verdes.
• Mesuraments atmosfèrics obtinguts a partir d’un sensor instal•lat en un vehicle. Aquest vehicle seria conduit per una ruta seleccionada especialment per a obtenir un mapa isotèrmic que reflectís l’illa de calor dels congosts urbans. Com en el cas dels sensors hiperespectrals les dades es capturarien en moments puntals del projecte: inici i campanyes anuals.
• Estacions meteorològiques de les ciutats. Estacions fixes de control de qualitat d’aire i meteorològiques.

Les campanyes de mesuraments de temperatura en la fase inicial servirien per a conèixer la situació de tèrmica inicial i les campanyes anuals serviran per a estudiar la evolució de les temperatures després de la instal•lació de les teulades verdes, i d’aquesta manera ajustar el Green FOC DSS.

Donada la gran variabilitat meteorològica hi ha un gran risc de fer mesures que no siguin representatives de la tendència real de les temperatures. Es per aquesta raó que per a estudiar la situació inicial s’estudiaran dades històriques i estudis previs. Les campanyes anuals també tenen molt risc de mesurar dades molt allunyades de la mitjana, per exemple un any més calorós por donar que la temperatura amb una teulada verda és superior a l’any anterior amb una teulada normal. Per minimitzar aquests problemes l’àmbit de les mesures s’estendrà en una zona molt més àmplia de la zona de test de manera que es podrà comparar la diferència relativa d’un any per a un altre, tenint en compte les diferències en zones on no han hagut canvis de cobertes.

3.2 Model climàtic SURFEX/TEB

El model climàtic SURFER/TEB [7] és un model climàtic desenvolupat per Meteo-France juntament amb la comunitat científica i validat en moltes ciutats de món. L’objectiu es fer-lo servir per simular el sistema urbà i predir la situació energètica en futurs escenaris de desplegament del Green FOC. El model de saldo energètic (Town Energy Balance, TEB) descriu les interaccions entre la superfície urbana i l’atmosfera i té en compta les superfícies: murs, carrer i teulades. És per això que com a part dels treballs inicials s’haurà crear d’un model digital d’elevacions del terreny actualitzat i precís, la opció que es proposa és fer servir tecnologia LIDAR.

3.3 Infraestructura de Web de Sensors

El que anomenen infraestructures web de sensors (Sensor Web Infrastructures) són estructures obertes per accedir en temps real a les dades obtingudes per sensors connectats a Internet. Els sensors atmosfèrics del Green FOC aportaran dades de temperatura, humitat i vent, però també es poden afegir a aquesta infraestructura dades d’altres sensors presents a les ciutats. El web de sensors també dona eines per a poder programar esdeveniments (events) i rebre alertes davant una situació predefinida.

Open Geospatial Consortium (OGC) amb la iniciativa Sensor Web Enablement (SWE) [8] està treballant per a per a crear uns estàndard que permetin operar en línia amb tot tipus de sensors.

Els principals serveis SWE que es posarien en marxa són:

• SOS (Sensor Observation Service): Permetria accedir de les dades del sensor i a les seves observacions.
• SAS (Sensor Alert Service): permetria alertes en temps reals usant l’anomenat paradigma de missatges asíncrons pub/sub. El seu ús permetria generar avisos davant situacions de temperatures extremes o d’anomalies.

3.4 Green FOC DSS

GreenFOC DSS serà un sistema de suport a les decisions (DSS) per a l’implantació teulades verdes en la planificació de les ciutats des de una perspectiva de canvi climàtic i balanç energètic. Les fonts de dades seran les mesures dels sensors (sensors hiperespectrals aerotransportats i SWE), dades de les cobertes de les ciutats i dades per a la simulació (zones on es vol estudiar la instal•lació de teulades verdes). Tota aquesta informació s’inclouria en el Green FOC DSS que seguint el model SURFEX/TEB obtindria els següents resultats:

• Balanç energètic i estalvi energètic
• Estimació de la diferència de temperatura final per barri i ciutat
• Cost/Benefici de la implementació en Euros i en kW

Els resultats d’aquest DSS podran ser consultats des d’Internet o a partir d’una aplicació mòbil. L’objectiu de crear aquesta aplicació és poder donar a conèixer els beneficis del Green FOC als ciutadans i d’aquesta manera ajudar en la seva implementació. Els principals usos de l’aplicació seran:

• Poder consultar la situació d’illa de calor. Els usuaris podran localitzar on viuen i quina és la magnitud d’aquest efecte en el seu barri.
• Poder consultar els edificis potencials a tenir teulades verdes. Els usuaris podran consultar i fer propostes o esmenes.
• Sobre el mapa es podran superposar les imatges tèrmiques i les dades dels sensors.
• Es permetrà calcular el benefici en euros que suposaria la instal•lació d’una teulada verda en l’edifici de l’usuari.
• S’aprofitaren les dades dels sensors tèrmics d’usuaris voluntaris, es filtraran i podran ser incloses dins SWE com a un sensor més. Per tant es fomentarà el crowdsourcing com a font d’informació i també com a manera de sensibilitzar als ciutadans.

4. Pla de treball

El treball a desenvolupar dins el Green FOC s’ha agrupat en 8 paquets de treball (WPs) seguint les fases lògiques del desenvolupament del projecte. La figura 3 mostra els WPs i les seves interrelacions. Els WPs del projecte que són els següents:

WP1. Gestió del projecte
WP2. Requeriments de l’usuari i validació
WP3. Gestió de les dades i la informació
WP4. Disseny i planificació
WP5. Campanya de mesuraments de UHI i validació del model
WP6. Implementació del GreenFOC i validació del sistema
WP7. GreenFOC DSS
WP8. Disseminació i explotació

Figura 3. Distribució dels paquets de treball

La metodologia s’aplicarà segons les següents fases:

• Fase 1. Estudi i caracterització de la ciutat. Tant en els aspectes climàtics com en altres igualment necessaris: model digital d’elevacions, tipologia de les edificacions, tipologia de les teulades, tipologia de teulades verdes adients, dades socials, … Inclou el WP2.
• Fase 2. Disseny de la xarxa de sensors, del sistema d’informació i dels models de teulades verdes. Inclou el WP3.
• Fase 3a. Campanyes de mesures climàtiques (fase iterativa). Inclou el WP4 i WP5.
• Fase 3b. Implementació del Green FOC. Instal·lació de teulades verdes (part constructiva), instal•lació de la xarxa de sensors i desenvolupament dels sistemes d’informació (SWE, DSS,…). Inclou el WP4, WP6 i WP7.
• Fase 5. Validació dels resultats i ajust del Green FOC DSS. Aquesta fase es reparteix entre els WP2, WP5 i WP6.
• Fase 6. Disseminació i explotació.

5. El consorci

GreenFOC compren un total de 10 socis, dels quals 5 són institucions de recerca o de tecnologia de la informació, 4 són empreses instal•ladores de teulades verdes (amb departaments de medi ambient, enginyeria civil i edificació), i les dues últimes són els municipis de Barcelona i de Marsella.

Figura 4. Distribució de socis del consorci Green FOC per país

Els perfils d’aquests socis són els següents:

• Comunitat científica. La seva aportació és el coneixement del model SURFEX/TEB. Obtenen un nou lloc de proves a gran escala per a validar el model de ciutat i energètic.
• Les comunitats (representades per els municipis) aporten els seus coneixements de la ciutat i obtenen principalment benestar tèrmic, estalvi energètic i eines per a planificar com mitigar l’efecte illa de calor.
• Empreses de les tecnologies de la informació. Aporten els coneixements per a poder distribuir aquestes dades (SWE) d’una manera oberta i per a processar-les i obtenir informació de qualitat. 
• Empreses de teulades verdes. Aquest grup inclou tant empreses que treballen en la tecnologia de la construcció sostenible, com també empreses instal•ladores de teulades verdes. Aquestes empreses aporten la seva experiència i generen llocs de treball (aquest fet esdevindrà un nou benefici per a les comunitats). És previsible un augment de l’ús de les teulades verdes en la zona sud d’Europa, una zona on tradicionalment la proporció d’instal•lacions és baixa.

(Horizon 2020 noves oportunitats d’aplicació de les noves tecnologies en el benestar dels ciutadans europeus)

Notes:

[1] http://www.iccartotechnology.com/

[2] http://www.icc.cat/

[3] http://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/

[4] Call Smart Cities and Communities H2020-SCC-2014. Topic (SCC-01-2014): Smart Cities and Communities solutions integrating energy, transport, ICT sectors through lighthouse (large scale demonstration – first of the kind) projects

[5] http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_en.htm

6] http://ec.europa.eu/environment/nature/biodiversity/comm2006/2020.htm

[7] http://www.cnrm.meteo.fr/surfex/

[8] http://www.opengeospatial.org/ogc/markets-technologies/swe