Evaluating the Role of Urban Form in Energy Consumption of Building Masses and Thermal Comfort of Open Urban Spaces in the Hot and Dry Climate

Subject Areas :

Maryam Farokhi ¹ , Shahab Kariminia ²

1 - Assistant Professor, Department of Urban Planning, Advancement in Architecture and Urban Planning Research Center, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran.
2 - Assistant Professor, Department of Architecture, Advancement in Architecture and Urban Planning Research Center, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran.

Received: 2022-08-14 Accepted : 2022-09-21 Published : 2022-12-22

Keywords: Thermal Comfort, energy efficient urban design, sustainable urban form, energy simulation and analysis software,

Abstract :

In the past, cities have been good examples of energy-efficient urban design in terms of ecological constraints. Looking at traditional cities and comparing them with modern urban planning, we see adverse environmental consequences in the scale of design of building units and the spatial structure of cities. Therefore, it seems necessary to identify the effective factors in the design of traditional sustainable cities, using simulation software before the project or in the proposed options, to the optimal forms in the components (individual buildings) and Urban combinations (urban textures) was achieved. The present research combines descriptive-analytical methods, typological studies, drawing and simulation of models, following the analysis of energy consumption and thermal comfort in different types of building forms, urban blocks, and spatial structure of Isfahan in 4 historical periods. Therefore, by using energy simulation software (Design Builder) and thermal comfort (Envi-Met) and analysis of Space Syntax, the relationship between independent variables (physical and spatial characteristics of the urban fabric) and dependent variables, the amount of energy consumption (to provide heating, cooling, and lighting) and thermal comfort, in each of the proposed scenarios, has been investigated. Based on the results, it is possible to formulate guidelines for the climatic design of urban structures in the form of three components; The system and pattern of segmentation and segregation of urban land, the shape and characteristics of the mass/space in urban contexts and the pattern of the network of texture passages, regulation, and operational construction. The dominant forms of the Qajar period are more sustainable forms than other historical periods in terms of energy performance and adaptation to the climate. Also, spatial structures with the highest degree of spatial connection can provide a higher percentage of thermal comfort conditions in urban open spaces.

References:

آقاملایی، ریحانه؛ امین زاده، بهناز؛ عزیزی، محمدمهدی. (1399)، ارزیابی عملکرد حرارتی بافت‌های شهری در اقلیم شهر تهران،  هنرهای زیبا ، 1399، دوره بیست و پنجم ، شماره 1.

احمدی، ارمغان؛ مهدیزاده، علیرضا. (1394)، تعاریف مرتبط با طراحی شهر انرژی کارا، کنفرانس بین المللی توسعه پایدار، تبریز.

اسفریزی، مریم ؛ گندمکار، امیر. (1399)، نقش انرژی‌های پایدار در طراحی و ساخت و سازهای شهری (مطالعه موردی: خمینی شهر)، مجله علوم جغرافیایی(جغرافیای کاربردی)، دوره16 ،شماره33 ، بهار و تابستان 1399 ،صفحه 75-84.

براتی، ناصر؛ سردره، علی اکبر.(1392)، تأثیر شاخص‌های فرم شهری بر میزان استفاده از اتومبیل شخصی و مصرف انرژی در مناطق شهر تهران، فصلنامه باغ نظر، (10): 3-12.

بقایی، مهدی؛ زیاری، یوسفعلی؛ سعیده زرآبادی، زهرا سادات؛ ماجدی، حمید. (1398)، بررسی پارامترهای ریخت شناسی شهری در آسایش دمایی خرد اقلیم( نمونه موردی: کلانشهر تهران)، فصلنامه علمی و پژوهشی نگرش‌های نو در جغرافیای انسانی.

پورامین، فرانک؛ بهزادفر، مصطفی؛ رضائی راد، هادی. (1400)، سنجش کمی اثرگذاری مورفولوژی بافت‌های شهری بر تغییران دمای شهر، فصلنامه برنامه ریزی توسعه شهری و منطقه ای، 4 (11).

پوردیهیمی، شهرام. (1390)، زبان اقلیم در طراحی محیطی پایدار، انتشارات دانشگاه بهشتی.

چنگلوایی، یونس؛ بابایی فروشانی، زهرا. (1398)، بررسی تاثیرات انرژی خورشیدی در شکل گیری بافت‌های شهری با تاکید بر توسعه پایدار و مصرف بهینه انرژی،چهارمین کنفرانس بین‌المللی پژوهش‌های کاربردی در علوم و مهندسی.

حاجی پور، خلیل؛ فروزان، نرجس. (1393)، بررسی تاثیر فرم شهر بر میزان مصرف انرژی عملکردی در بخش مسکونی، نمونه موردی: شهر شیراز . نشریه هنرهای زیبا - معماری و شهرسازی دوره ۱۹ شماره 4 زمستان.

حسینی، مصطفی؛ شکوهی، محمود؛ نصرالهی، فرشاد. (1400)، مطالعه تطبیقی ریخت شناختی بافت شهری بیرجند از منظر تقاضای انرژی. مطالعات معماری ایران 10 (20)، 153-176.

خدابخش، پیمان ؛ مشایخی، سمیرا ؛ ملک پوراصل، بهزاد. (1395)، ارزیابی و تدوین دستورالعمل و فرآیند برنامه ریزی و طراحی شهری مبتنی بر رهیافت کارآیی انرژی در شهر،دومین کنفرانس بین­ المللی رویکردهای نوین در نگهداشت انرژی،تهران.

رازجویان، محمود. (1389)،  آسایش در پناه معماری همساز با اقلیم ، دانشگاه شهید بهشتی، چاپ اول.

رفیعیان، مجتبی؛ فتح جلالی، آرمان؛ داداشپور، هاشم. (1390)، بررسی و امکان‌سنجی تاثیر فرم و تراکم بلوک مسکونی بر مصرف انرژی، آرمانشهر، شماره 6، بهار و تابستان 1390.

رنجبر، احسان؛ پورجعفر، محمدرضا ؛ خلیجی، کیوان. (1389)، خلاقیت‌های طراحی اقلیمی متناسب با جریان باد در بافت قدیم بوشهر، ماهنامه باغ نظر، دوره: 7، شماره. 13.

شجاع، سعیده؛ پورجعفر، محمدرضا ؛ طبیبیان، منوچهر.(1398)، فراتحلیل رابطه فرم شهر و انرژی:مروری بر رویکردها، روش‌ها، مقیاس‌ها و متغیرها، نشریه دانش شهرسازی، دوره 3 ، شماره1،(ص ص.85-107).

شریفیان بارفروش،شفق؛ مفیدی شمیرانی، سیدمجید. (1393)، معیارهای شاکله بوم شهر از دیدگاه نظریه پردازان،  باغ نظر، 11 (31): 108-99.

شفقی، سیروس. (1381)،  جغرافیای اصفهان ، اصفهان، انتشارات دانشگاه اصفهان.

شهابیان، پویان؛ زرین، بهاره؛ عظیمی، شراره. (1392)، بررسی ارتباط بین کاربری، حمل و نقل و میزان مصرف انرژی، فصلنامه صفه، 23 (63): 72-59.

ضرغامی، اسماعیل؛ جهانبخش، حیدر؛ طحانیان، امیرحسین. (1394)، بررسی رابطه فرم ساختمان هاى مسکونی با میزاى مصرف انرژی آنها در اقلیم گرم و خشک شهر سمنان . نشریه انرژی ایران، دوره 18، شماره 4. ص: 63-76.

طهماسبی، اصغر؛ قادرمرزی، حامد؛ رحیمی، فردین؛ عزیزی؛ سمیه. (2022)، درک و استراتژی سازگاری جوامع محلی شهرستان مشکین شهر نسبت به تغییرات اقلیمی. توسعه محلی (روستایی- شهری). 13 (2)، 609 – 637.

علی نسب, نیلوفر.(1398)، طراحی شبکه معابر با رویکرد آسایش حرارتی(مطالعه موردی: محله دارایی تبریز).

علی یاری، مرجان. (1390)، طراحی شهری انرژی کارا.

فرخی،مریم ؛ ایزدی،محمد سعید ؛ کریمی مشاور، مهرداد.(1397)، تحلیل کارایی انرژی در مدل‌های بافت شهری اقلیم گرم و خشک, نمونه ی موردی: شهر اصفهان،دو فصلنامه معماری ایرانی،شماره 13،(ص ص. 127-147).

قاسمی سیچانی،مریم؛  معماریان،غلامحسین. (1389)، گونه‌شناسی خانه دوره قاجار اصفهان، نشریه هویت شهر، سال پنجم، شماره  813.

قاسمی سیچانی، مریم. (1391)،  خانه‌های اصفهان، انتشارات دانشگاه آزاد اسلامی واحد خوراسگان.

کسمایی، مرتضی. (1385)،  اقلیم و معماری، ویراستار احمدی نژاد، محمد، ویرایش دوم، نشر خاک- ص 9- 303.

لطفی، سهند؛ شعله، مهسا؛ فرمند، مریم؛ فتاحی، کاوه. (1395)، تدوین معیارهای طراحی شهری برای محله‌های بدون کربن. فصلنامه علمی پژوهشی نقش جهان، شماره 1-6: 92-80.

مرادیان، محدثه. (1395)، راهنمای طراحی شهری انرژی کارا با تاکید بر جداره شهری (نمونه موردی: خیابان 17 شهریور تهران)، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تهران.

مرتضایی، گلناز؛ محمدی، محمود؛  نصراللهی، فرشاد؛ قلعه نویی، محمود. (1396)، بررسی ریخت-گونه شناسانه بافت های مسکونی جدید در راستای بهینه سازی مصرف انرژی اولیه (نمونه موردی: سپاهان شهر). فصلنامه مطالعات شهری, 6(24), 41-54.

مرتضایی،گلناز؛ قندهاری، فرناز. (1399)، تدوین مدل مفهومی انرژی کارایی در حوزه شهرسازی مبتنی بر تجارت موفق جهانی، نشریه معماری شناسی(16).

منتظری، مرجان؛ جهانشاه لو، لعلا؛ ماجدی، حمید. (1396)، تأثیر مؤلفه‌های فرم کالبدی شهری بر آسایش حرارتی فضاهای باز شهری (مطالعه موردی: اراضی پشت سیلو شهر یزد). مطالعات محیطی هفت حصار, 6(23), 49-66.‎

میرمقتدایی، مهتا.(1392)،  ضرورت تدوین راهنمای طراحی شهری با هدف بهینه‌سازی مصرف انرژی، کنفرانس بین المللی توسعه پایدار عمران، معماری و طراحی شهری، تبریز.

نصراللهی، فرشاد. (1390)،  ضوابط معماری و شهرسازی کاهش دهنده مصرف انرژی ساختمان‌ها، نشست کمیته ملی انرژی ایران.

نوریان، فرشاد؛ فتح جلالی. (1399)، بررسی و تحلیل اثرات برنامه ریزی کاربری اراضی و شبکه حمل و نقل بر مصرف انرژی در شهر: مورد مطالعاتی: محدوده 35 هکتاری در شهر جدید هشتگرد. معماری و شهرسازی آرمان شهر، 13 (31)، 271-286.

یادگاری، پگاه؛  سجادزاده، حسن. (1400)، نقش الگوی فضایی و پوشش گیاهی فضاهای باز محلی بر میزان آسایش حرارتی در اقلیم سرد. فصلنامه مطالعات شهری, 10(40), 15-26.‎

 

Ashrae )2010(, ashrae standard 55–2010. Thermal

Alghamdi, s., tang, w., kanjanabootra, s., & alterman, d. (2022). Effect of architectural building design parameters on thermal comfort and energy consumption in higher education buildings. Buildings, 12(3), 329.

Al-yasiri, q., & szabó, m. (2021). Incorporation of phase change materials into building envelope for thermal comfort and energy saving: a comprehensive analysis. Journal of building engineering, 36, 102122.

Aboelata, a. (2021). Reducing outdoor air temperature, improving thermal comfort, and saving buildings’ cooling energy demand in arid cities–cool paving utilization. Sustainable cities and society, 68, 102762.

Brilhante, o., & klaas, j. (2018). Green city concept and a method to measure green city performance over time applied to fifty cities globally: influence of gdp, population size and energy efficiency. Sustainability, 10(6), 2031.

Belussi, l., barozzi, b., bellazzi, a., danza, l., devitofrancesco, a., fanciulli, c., ... & scrosati, c. (2019). A review of performance of zero energy buildings and energy efficiency solutions. Journal of building engineering, 25, 100772.

Codoban, n. And kennedy, c.a. (2008), metabolism of neighborhoods. Journal of urban planning and development, 13

Dempsey, n., et al (2010), elements of urban form, in dimensions of the sustainable city, springer. P. 21-51.

Designbuilder. (2008-2011). Designbuilder simulation+ cfd training guide. Available from: http://www.designbuilder.co.uk/downloadsv1/doc/designbuilder-simulation-training-manual.pdf.

Droege, p. (2007), the renewable city: a comprehensive guide to an urban revolution, ed. Wiley, chichester, uk.

Droege ,p. (2008), urban energy transition: from fossil fuels to renewable power , ed. Elsevier science; 1 edition, oxford.

Egerer, m., haase, d., mcphearson, t., frantzeskaki, n., andersson, e., nagendra, h., & ossola, a. (2021). Urban change as an untapped opportunity for climate adaptation. Npj urban sustainability, 1(1), 1-9.

Fanger, p. O. (1973). Assessment of man's thermal comfort in practice. Occupational and environmental medicine, 30(4), 313-324.

Frey, h. (2003) , designing the city: towards a more sustainable urban form. Taylor & francis.

Givoni, b. (1998). Climate considerations in building and urban design. John wiley & sons.

Gea. (2012), global energy assessment - toward a sustainable future. Cambridge university press, cambridge, uk and new york, ny, usa and the international institute for applied systems analysis, laxenburg, austria.

Givoni, b. (1992). Comfort, climate analysis and building design guidelines. Energy and buildings, 18(1), 11-23.

Harputlugil, t., & de wilde, p. (2021). The interaction between humans and buildings for energy efficiency: a critical review. Energy research & social science, 71, 101828.

Hayter, richard, (2007). Designing for comfort, kansas state, university manhattan, ks, usa.

Ibrahim, y., kershaw, t., shepherd, p., & coley, d. (2021). On the optimisation of urban form design, energy consumption and outdoor thermal comfort using a parametric workflow in a hot arid zone. Energies, 14(13), 4026.

Iea (2021), world energy outlook 2021, iea, paris https://www.iea.org/reports/world-energy outlook-2021.

Iyengar, s., lee, s., irwin, d., shenoy, p., & weil, b. (2018, july). Watthome: a data-driven approach for energy efficiency analytics at city-scale. In proceedings of the 24th acm sigkdd international conference on knowledge discovery & data mining (pp. 396-405).

Jabareen, y. R., (2006) , sustainable urban forms: their typologies, models, and concepts, journal of planning education and research, vol. 26, no. 1, pp. 38-52.

Kamel, e., sheikh, s., & huang, x. (2020). Data-driven predictive models for residential building energy use based on the segregation of heating and cooling days. Energy, 206, 118045.

Kumar, p., & sharma, a. (2020). Study on importance, procedure, and scope of outdoor thermal comfort–a review. Sustainable cities and society, 61, 102297.

Li, j., & liu, n. (2020). The perception, optimization strategies and prospects of outdoor thermal comfort in china: a review. Building and environment, 170, 106614.

Lau, k. K. L., tan, z., morakinyo, t. E., & ren, c. (2021). Outdoor thermal comfort in urban environment: assessments and applications in urban planning and design. Springer.

Maleki, l., majedi, h., & zarabadi, z. S. S. (2021). Analyzing the role of urban approaches in response to climate changes with emphasis on biophilic urbanism, a case study: tonekabon city. Urban planning knowledge, 5(1), 147-163.

Manavvi, s., & rajasekar, e. (2021). Evaluating outdoor thermal comfort in “haats” – the open air markets in a humid subtropical region. Building and environment, 190, 107527.

Mrówczyńska, m., skiba, m., sztubecka, m., bazan-krzywoszańska, a., kazak, j. K., & gajownik, p. (2021). Scenarios as a tool supporting decisions in urban energy policy: the analysis using fuzzy logic, multi-criteria analysis and gis tools. Renewable and sustainable energy reviews, 137, 110598.

Madanipour, a. (ed.). (2013). Whose public space?: international case studies in urban design and development. Routledge.

Mangan, s. D., oral, g. K., kocagil, i. E., & sozen, i. (2020). The impact of urban form on building energy and cost efficiency in temperate-humid zones. Journal of building engineering, 101626.

Mitchell,g. (2005), urban development ,form and energy use in buildings: a review for the solutions project.

Nadel, s. (2021). Who invests in energy efficiency and why?. In world scientific encyclopedia of climate change: case studies of climate risk, action, and opportunity volume 1 (pp. 13-21).

Natanian, j., & wortmann, t. (2021). Simplified evaluation metrics for generative energy-driven urban design: a morphological study of residential blocks in tel aviv. Energy and buildings, 240, 110916.

Nasrollahi, f. (2009), energy efficient architecture for tehran, ifhp world congress urban technology for urban sustainability, climate change and energy efficiency.

Nasrollahi, f.(2009), climate and energy responsive housing in continental climates, universitätsverlag der tu berlin, germany, isbn: 978-3-7983-2144-1. 2009 - 2.

Owens, s.(1987), energy, planning and urban form. London: pion limited.

Oke, t.r.(1987), street design and urban canopy layer climate. Energy and buildings 11, pp.103–113.

Olgyay, v. (2015). Design with climate. In design with climate. Princeton university press.

Owens,s.(1991), energy concious planning ,london:cpre.

Owens, s.e. (1986) , energy, planning and urban form. Pion london.

Ooka, r. (2010) , development of assessment tools for urban climate and heat island mitigation, cpd lecture.

Quan, s. J., & li, c. (2021). Urban form and building energy use: a systematic review of measures, mechanisms, and methodologies. Renewable and sustainable energy reviews, 139, 110662.

Ratti, c. & baker, n. & steemers, k. (2005), energy consumption and urban texture, in energy and buildings, 37, pp. 762-776.

Ratti, c. & d. Raydan, d. & steemers, k.(2003) , building form and environmental performance: archetypes, analysis and an arid climate, in energy and buildings, 35, pp. 49-59.

Shang, c. (2022). Simulating the impact of urban morphology on energy demand in blocks-a case study of dwellings in nanjing.

Steemers, k.(2003) , energy and the city: density, buildings and transport, in energy and buildings, 35, pp. 3-14.

Salat ,s. (2009), resilient and efficient synergy communities morphological, structural and synergetic approach to energy efficiency.

Salat, s., bourdic, l., & nowacki, c. (2013). Energy and the form of urban fabric: the example of paris. Central europe towards sustainable building.

Song, y., shao, g., song, x., liu, y., pan, l., & ye, h. (2017). The relationships between urban form and urban commuting: an empirical study in china. Sustainability, 9(7), 1150.

Trianni, a., cagno, e., bertolotti, m., thollander, p., & andersson, e. (2019). Energy management: a practice-based assessment model. Applied energy, 235, 1614-1636.

Vasilikou, c., & nikolopoulou, m. (2020). Outdoor thermal comfort for pedestrians in movement: thermal walks in complex urban morphology. International journal of biometeorology, 64(2), 277-291.

Vettorato , d. (2005), bridging urban morphology and energy performance analysis. 47th isocarp congress.

Vettorato, d. , et al. (2011), spatial comparison of renewable energy supply and energy demand for low-carbon settlements. J. Cities (2011), elsevier.

Wang, w., liu, k., zhang, m., shen, y., jing, r., & xu, x. (2021). From simulation to data-driven approach: a framework of integrating urban morphology to low-energy urban design. Renewable energy, 179, 2016-2035.

Yang, j., yang, y., sun, d., jin, c., & xiao, x. (2021). Influence of urban morphological characteristics on thermal environment. Sustainable cities and society, 72, 103045.

Yu, b. (2021). Urban spatial structure and total-factor energy efficiency in chinese provinces. Ecological indicators, 126, 107662.

Zhang, y., & liu, c. (2021). Digital simulation for buildings’ outdoor thermal comfort in urban neighborhoods. Buildings, 11(11).

Zari, m.p. (2018). Regenerative urban design and ecosystem biomimicry (1st ed.). Routledge. Https://doi.org/10.4324/9781315114330