Modelling urban form and energy performance across urban typologies in Lisbon, Portugal

João Filipe Mota Guedes Fumega

Key information

Authors:

João Filipe Mota Guedes Fumega (João Filipe Mota Guedes Fumega)

Supervisors:

Paulo Manuel Cadete Ferrão (Paulo Manuel Cadete Ferrão); Filipe Duarte Santos; Samuel Pedro de Oliveira Niza (Samuel Pedro de Oliveira Niza)

Published in

10/10/2017

Abstract

A crescente concentração de população em áreas urbanas, (cerca de 60% da população mundial em 2030); a contribuição das áreas urbanas para o consumo mundial de energia (60-80% do consumo total de energia) e gases de efeito de estufa (30-40% do total das emissões); assim como a sua localização em zonas com alta ou muito alta vulnerabilidade a eventos extremos relacionados com as alterações climáticas, coloca as áreas urbanas no centro da problemática em torno da sustentabilidade. No presente existe uma quantidade crescente de investigação sobre forma urbana e a sua relação com energia, contudo, esta tende a focar-se em aspectos específicos da forma urbana ou energia, assim como em diferentes escalas de análise, não abordando esta problemática de uma forma integrada, e a uma escala de bairro. A hipótese de investigação desta tese é baseada na assumpção que a forma urbana tem um impacto nas necessidades energéticas, nomeadamente nas necessidades de aquecimento e arrefecimento de uma área urbana dependendo da sua forma urbana específica. É assim proposto um novo método integrado que tem como objectivo partir de ferramentas existentes, integrando-as num novo modelo que possa ser extrapolado para outras áreas urbanas um pouco por todo o mundo, e que permita uma quantificação detalhada de vários parâmetros de forma urbana, assim como criando um modelo operacional de relação destes parâmetros com os de radiação solar e necessidades energéticas. No que concerne à análise da forma urbana foi analisada a cidade de Lisboa e 25 tipologias urbanas. Os passos metodológicos na análise desta dimensão prendem-se com: a) análise morfológica da cidade de Lisboa; b) métodos de cálculo para as 10 métricas de forma urbana e 4 dimensões propostas; c) método de identificação de tipologias urbanas; d) correlações e análise de clusters, para perceber a relação que existe entre métricas, e como as tipologias urbanas se agrupariam tendo em conta as métricas de forma urbana, o que resultou em 5 casos de estudo. A segunda dimensão, a da análise energética em áreas urbanas, é caracterizada pelos seguintes passos: a) caracterização do perfil energético de Lisboa; b) cálculo do rácio de volume passivo, autonomia solar, radiação solar, e também as necessidas energéticas em termos de aquecimento e arrefecimento; c) análise da robustez dos valores calculados, através da comparação das necessidades energéticas estimadas com literatura relevante e também com certificados energéticos que se inseriam nos 5 casos de estudo. A análise de clusters permitiu a identificação de 5 tipologias como previamente indicado: áreas urbanas complexas, áreas urbanas heterógeneas, áreas urbanas alongadas, áreas urbanas compactas, áreas urbanas modernas. Analisado estas tipologias e tendo em conta as métricas de forma urbana e radiação solar, e necessidades energéticas, é possível concluir de forma geral que: O acesso a radiação solar é importante para perceber as necessidades energéticas, de forma directa no que respeita à radiação solar recebida por área de fachada e também no que diz respeito ao rácio de volume passivo; e de forma indirecta no que respeita à autonomia solar; • Tipologias que apresentaram um rácio de volume passivo elevado têm necessidades energéticas mais baixas (GWh), mas mais altas se este valor for analisado por m2 , pois outros factores como a área do edifício, rácio de volume por área e radiação solar recebida por área contribuem activamente para este aumento; • Tipologias com formas urbanas muito complexas tendem a apresentar necessidades energéticas maiores, o que pode ser relacionado com o acesso à radiação solar, que tende a ser menor; • Tipologias que têm uma forma mais heterógenea, permitem uma maior exposição solar e consequentemente uma radiação solar por área de fachada maior e também maior autonomia solar; contrariamente, tipologias compactas e densas tendem a apresentar níveis de autonomia solar mais baixos; • Existe uma diferença de mais de 70% nas necessidades energéticas de aquecimento e arrefecimento (kWh/m2 ) da tipologia que apresenta menores necessidades (áreas urbanas modernas), para a que apresenta maiores necessidades (áreas urbana complexas), só considerando variáveis relacionadas com a forma urbana; • Desta forma, as tipologias que apresentaram as melhores performances foram aquelas com níveis médios a baixos de complexidade e heterogeneidade, e médios a elevados de compactação e densidade. Analisando a robustez dos valores, de notar que os valores obtidos para as tipologias analisadas estão dentro da magnitude da investigação desenvolvida para Lisboa. Comparando com a investigação realizada para outros contextos internacionais, a tendência de formas urbanas mais complexas apresentarem valores mais elevados de necessidades energéticas, e formas urbanas mais compactas e densas valores mais baixos é também registada. No que respeita à análise dos certificados energéticos os valores obtidos apresentaram algumas diferenças em termos de magnitude, contudo, a distribuição das necessidades energéticas pelas 5 tipologias é similar o que indica que os cálculos efectuados oferecem robustez à análise efectuada. The growing concentration of population in urban areas, that will be up to 60% of the total World population until 2030; the contribution of urban areas to the World energy consumption (60-80% of total energy consumption) and GHG emissions (30-40% of the total GHG emissions), together with the location of major metropolis in zones with high and very high vulnerability to climate change extreme related events, puts urban areas in the center of the world´s sustainability problem. In what regards the research on energy and its relation with urban form, there are already many studies but they tend to focus on specific aspects of urban form or energy, and in different scales of analysis, but don´t tackle the problem from an integrated perspective and at the neighborhood scale. The PhD thesis research hypothesis is based on the assumption that urban form can have an impact on the energy needs, namely on the heating and cooling energy profile of an urban area depending on its specific urban form. Therefore, it is proposed a new integrated method that has the objective of building on existing tools, integrating them in a new configuration model that could be extrapolated to different urban forms across the world and that allows a comprehensive quantification of various urban form parameters, while at the same time creates a framework to relate these parameters with energy performance ones. In what regards urban form, both the city as whole, and 25 selected urban typologies were analyzed. Methodological steps in this dimension are: a) morphological analysis of the city of Lisbon; b) calculation methods developed to access 10 urban form metrics through 4 dimensions identified; c) typology identification method; d) and the correlation and cluster analysis that were used to understand the relation between metrics, and also to understand how the urban typologies would group if the urban form metrics were taken into account in a cluster analysis, which resulted in 5 case studies. The urban energy dimension is characterized by the following tasks: a) analysis of Lisbon´s energy profile; b) calculation of passive and non-passive volume ratio, envelope radiation, daylight autonomy, and thermal energy needs; c) validate the calculated metrics, namely the heating and cooling energy needs through comparison with the Portuguese energy certificates for the typologies areas, and also relevant literature.