Early-stage assessment of outdoor comfort, solar potential and building form in urban environments. A case study in New York City

In the coming decades, sustainable urban planning will face two major challenges: first, the impact of climate change and, second, that of urbanization and the necessity of balancing the various conflicting spatial demands. The urban setting, due to the presence of more asphalt than greenery, CO2 emissions from vehicles and climatization systems of buildings can exacerbate the impact of this exposure on a local scale. Therefore, the expansion of urban centers affects global warming. This phenomenon is called Urban Heat Island and can determinate an increase of temperature in the cities. Having in mind the climate issue, the present study aims to propose a way to approach the theme of the urban Outdoor Comfort, especially related to summer conditions and so to high temperatures, focusing on Buildings Forms - to be intended as pure geometry - in the very early-stages of the architectural design. The main question is how the conformation of the urban built environment - under a purely geometrical point of view - can influence temperature fluctuations. To achieve this result, the focus will be on three main building typologies, namely: tower, bar, and courtyard (iterated in base dimensions and height) with the purpose to cover all possible variables of existing and new buildings. Typologies were compared based on the offered Outdoor Comfort according to a first indicator, called UTCI (Universal Thermal Climate Index), which takes into account, in addition to temperature, humidity, solar radiation, wind speed and solar radiation. It was observed that, in a summer scenario, solar radiation tends to be the determining factor, and, consequently, solutions with a greater presence of shade, are the favorites in terms of UTCI. To counterbalance this aspect and stress on the importance of solar energy (e.g., for heating, lighting, energy generation, DHW, etc.), Solar Potential (kWh/m2year), intended as the capability of the envelope to catch radiation, has been chosen as a proxy to also express the positive effects of a beneficial annual solar exposure. These two will be combined to identify the winning typologies (the “Champions”) and relative base dimensions. From the analysis was noticed that courtyards perform the best for both indicators. Worst performances, indeed, are obtained by the tower, while the bar has been identified as the more adaptable typology, showing the highest number of shape and dimensions variations in the selected indicators’ ranges.  

In futuro, lo sviluppo urbano sostenibile dovrà affrontare due importanti sfide: la prima, mitigare le conseguenze del cambiamento climatico; la seconda, dover soddisfare la crescente richiesta di urbanizzazione a scopi commerciali e residenziali. La maggioranza di superfici asfaltate rispetto alle verdi, le emissioni di CO2 di veicoli, impianti industriali, sistemi di riscaldamento e aria condizionata ad uso domestico sono le maggiori cause di accumulo termico urbano. Pertanto, l’espansione dei centri urbani incide notevolmente sull’entità del riscaldamento globale. Tale fenomeno è denominato Isola di Calore Urbana e determina l’aumento delle temperature. Con l’obiettivo di trovare una soluzione al problema, il presente lavoro di ricerca propone un approccio nuovo al tema del Comfort esterno in ambito urbano, specialmente in merito alle condizioni estive e alla mitigazione di alte temperature, focalizzandosi sulla Forma, intesa in termini puramente geometrici, degli edifici. La principale domanda è: come può la conformazione del contesto urbano influenzare le fluttuazioni di temperatura? Al fine di rispondere a questo interrogativo tre principali tipologie di edifici sono state identificate, propriamente: edifici a torre, in linea e a corte. Tali “prototipi”, nonché le rispettive iterazioni in termini di dimensioni di base e altezza, sono stati selezionati al fine di coprire il più ampio spettro possibile di variabili edilizie. Esse sono state confrontate sulla base del comfort esterno offerto in base a un primo indicatore, definito UTCI (Universal Thermal Climate Index), tenente conto, oltre che della temperatura, anche di umidità, radiazione solare, velocità del vento e radiazione solare. È stato osservato che, in uno scenario estivo, la radiazione solare tende ad essere il fattore determinante, e, di conseguenza, soluzioni con maggior presenza di ombra, sono le favorite in termini di UTCI. Al fine di controbilanciare questo aspetto e per sottolineare l’importanza dell’energia solare (per riscaldamento, produzione di energia elettrica rinnovabile, acqua calda sanitaria, etc.), il Potenziale Solare (in kWh/m2 anno) è stato selezionato come secondo indicatore. Esso fungerà quindi da “proxy” per gli effetti benefici dell’esposizione solare degli edifici. I due parametri solo quindi stati combinati e ne è derivata una lista di tipologie “vincenti”, e relative dimensioni di base. Dall’analisi è risultato che la forma a cortile è quella che offre maggiori benefici per entrambi gli indicatori. Al contrario, la torre ottiene risultati peggiori di tutti. La barra, infine, mostra di essere la tipologia più flessibile, mostrando il più alto numero di variabili dimensionali nei range considerati.