DOI: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.115496
تاريخ النشر: 2025-02-27
المؤلف: Marta Torres‐González وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الحفظ والدراسات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة فعالية الأفنية المتوسطية كنظم سلبية للتخفيف من المناخ والراحة الحرارية، مع التركيز على فناء العذارى في القصر الملكي في إشبيلية. على مدار فترة مراقبة استمرت ثلاث سنوات (2020-2023)، جمعت الأبحاث بيانات عن درجة الحرارة المحيطة والرطوبة النسبية، مما كشف أن الفناء يخفف بشكل كبير من درجات الحرارة القصوى، مما يقلل من الحاجة إلى أنظمة التدفئة والتبريد النشطة. تشير النتائج إلى أن الفناء يحافظ على ظروف ملائمة للحفاظ على المواد المعمارية، وخاصة الأعمال الجصية، بينما يعزز أيضًا راحة المستخدمين. يتم التأكيد على دمج الاستراتيجيات المعمارية السلبية، مثل الأفنية، كأمر أساسي لتعزيز الاستدامة والمرونة في التخطيط الحضري، خاصة في سياق تغير المناخ.
تسلط استنتاجات الدراسة الضوء على زيادة خطية في درجة حرارة الهواء تبلغ حوالي 1 درجة مئوية سنويًا في الفناء، حيث كان يوليو هو الشهر الأكثر حرارة (متوسط 30 درجة مئوية) وكان يناير هو الأكثر برودة (12 درجة مئوية). انخفضت الرطوبة النسبية بنسبة 3% خلال فترة الدراسة، حيث أظهر ديسمبر أعلى مستويات (75%) ويوليو أدنى مستويات (45%). على الرغم من بعض التقلبات، حافظ الفناء عمومًا على مستويات راحة مقبولة، مما جعله يعمل بشكل فعال كعازل حراري مع فرق في درجة الحرارة قدره 4.06 درجة مئوية خلال ذروة الحرارة و5.67 درجة مئوية خلال فترات البرد. بينما كانت الاستراتيجيات السلبية مثل النباتات وميزات المياه فعالة، كانت موجات الحرارة الشديدة تمثل تحديات. من المهم أن الدراسة وجدت أن الظروف البيئية لم تؤثر بشكل كبير على المواد، كما تشير إليه مؤشرات HMR وPRD، مما يشير إلى أن تصميم الفناء يخفف بشكل فعال من المخاطر المرتبطة بتقلبات درجة الحرارة والرطوبة، وبالتالي يحافظ على سلامة التشطيبات المعمارية الحساسة.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث القضية الملحة لتغير المناخ، التي تُعزى أساسًا إلى الأنشطة البشرية، وتأثيراتها العميقة على النظم البيئية، والتنوع البيولوجي، والتراث الثقافي. تسلط الضوء على تزايد تكرار موجات الحرارة والجفاف، التي تهدد الموارد الطبيعية، وأمن الغذاء، وصحة الإنسان. يتم التأكيد على الحاجة إلى ممارسات الحفاظ التكيفية في الحفاظ على التراث الثقافي، خاصة في ضوء النتائج من الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) بشأن ارتفاع انبعاثات غازات الدفيئة واستنزاف الموارد.
تشمل استجابة قطاع البناء السعي نحو المباني ذات الطاقة الصفرية تقريبًا (NZEB)، التي تهدف إلى تقليل استهلاك الطاقة مع الحفاظ على الراحة الحرارية، حتى في الهياكل التاريخية. ومع ذلك، فإن تنفيذ هذه المعايير في جنوب أوروبا يواجه تحديات مثل ارتفاع درجات الحرارة في الصيف وتأثير جزيرة الحرارة الحضرية (UHI)، مما يزيد من الطلب على الطاقة. في الوقت نفسه، يتم استخدام منهجيات وأدوات مبتكرة، مثل نظم المعلومات الجغرافية (GIS) وبرامج مثل BuildingsLife وArt-Risk 5.0، لتعزيز الحفاظ الوقائي على المباني التاريخية. تسهل هذه التقنيات المراقبة الدقيقة للظروف البيئية، وهو أمر حاسم لفهم تدهور المواد وإبلاغ استراتيجيات الحفظ. تختتم المقدمة بالإشارة إلى أهمية البحث المستمر في العوامل البيئية التي تؤثر على الحفاظ على التراث، مما يبرز الحاجة إلى المراقبة والتحليل الفعالين لمعالجة نقاط الضعف المستقبلية التي تطرحها تغيرات المناخ.
الطرق
هدفت الدراسة إلى التحقق من تأثير عناصر الفناء البيئي على التخفيف من الظروف البيئية الخارجية والحفاظ على التكسية على مدار ثلاث سنوات (من 23 سبتمبر 2020 إلى 22 سبتمبر 2023). تم إجراء تحليل إحصائي وصفي لتقييم الراحة الهيدروحرارية في مساحة شبه خارجية، مع التركيز على تقلبات درجة الحرارة خلال فترات موجات الحرارة القصوى وتأثيراتها على تدهور التكسية. أشارت البيانات المناخية التاريخية إلى ضرورة تقليل درجات الحرارة خلال ذروة الصيف لحماية الصحة العامة والحفاظ على سلامة التكسية.
لمراقبة الظروف المحيطة، تم نشر مقياس حرارة ورطوبة Lascar في أربعة زوايا من الفناء، مع تحليل مفصل يركز على الزاوية الشمالية، التي تلقت أكبر قدر من الإشعاع الشمسي المباشر. سمح هذا الإعداد بجمع بيانات شاملة، مما أسفر عن قياسات ساعة لدرجة الحرارة المحيطة ($T_a$) والرطوبة النسبية (RH)، مع حجم عينة إجمالي قدره 26,280. تم حساب المتوسطات الموسمية والشهرية، جنبًا إلى جنب مع الانحرافات المعيارية، لـ $T_a$ وRH. كما تم حساب نطاق درجة الحرارة اليومية (DTR) ونطاق الرطوبة اليومية (DHR) لتقييم تقلبات درجة الحرارة والرطوبة اليومية. اختتمت الدراسة بتحليل ارتباط بين $T_a$ وRH، باستخدام الانحدار الخطي وتقييمات توزيع التردد لتحديد الاتجاهات والمخاطر المحتملة على صحة الإنسان والحفاظ المعماري.
النتائج
أسفرت حملة المراقبة التي أجريت على مدار ثلاث سنوات في فناء العذارى عن مجموعة بيانات تتكون من 26,280 سجلًا لدرجة حرارة الهواء ($T_a$) والرطوبة النسبية (RH). تكشف التحليلات عن زيادة خطية طفيفة في $T_a$، بمتوسط حوالي 1 درجة مئوية سنويًا، مما يتماشى مع توقعات تغير المناخ. بالمقابل، أظهرت RH انخفاضًا ملحوظًا بنحو 3% خلال نفس الفترة. أشارت البيانات الشهرية إلى أن يوليو سجل أعلى متوسط درجة حرارة بحوالي 30 درجة مئوية، بينما كان يناير هو الشهر الأكثر برودة بمتوسط 12 درجة مئوية. ومن الجدير بالذكر أن هناك اتجاهًا تصاعديًا في $T_a$ لوحظ عبر معظم الأشهر، باستثناء فبراير ومارس، مما يدعم سيناريوهات تغير المناخ المستقبلية لمناطق البحر الأبيض المتوسط.
كما سلطت النتائج الضوء على تباين في RH، حيث كان يوليو هو الشهر الأكثر جفافًا (متوسط RH 45%) وكان ديسمبر هو الأكثر رطوبة (متوسط RH 75%). بشكل عام، ظلت القيم الشهرية المتوسطة لـ $T_a$ وRH ضمن حدود الراحة المقبولة عمومًا على مدار العام، مما يشير إلى أن عناصر تصميم الفناء—مثل البرك، والأشجار، والمعارض—تساهم في راحة المستخدمين. على الرغم من أنه لوحظ وجود ارتباط بصري بين $T_a$ وRH، إلا أن التحليل الخطي أشار إلى تشتت كبير في البيانات (R² = 0.4005)، مما يشير إلى أن العلاقة بين هذه المعلمات ليست بسيطة.
المناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على الدور الحاسم للأفنية في التخفيف من آثار تغير المناخ على التراث المعماري، خاصة في مناطق البحر الأبيض المتوسط. تتناول الدراسة سؤالين رئيسيين: فعالية الأفنية في تعزيز الراحة الهيدروحرارية وتأثيرها على الحفاظ على مواد التكسية. تسلط الضوء على أن المساحات شبه المفتوحة مثل الأفنية يمكن أن تقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة وانبعاثات غازات الدفيئة، مع توفير الطاقة في الطلب على التبريد تتراوح بين 8% إلى 18% اعتمادًا على نسبة عرض الفناء. علاوة على ذلك، تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى حلول تكيفية لمعالجة التحديات المناخية الفريدة التي تواجه هذه المساحات، حيث تركز المعايير الحالية للحفاظ على البيئة بشكل أساسي على البيئات المغلقة بالكامل.
تشير النتائج إلى أن الأفنية لا تساعد فقط في تنظيم درجة الحرارة والرطوبة، ولكنها تلعب أيضًا دورًا حيويًا في الحفاظ على المواد التاريخية. تكشف المراقبة المستمرة للظروف البيئية أن الأفنية يمكن أن تحافظ على مناخات دقيقة أكثر استقرارًا، مما يقلل من خطر تدهور المواد بسبب تقلبات درجة الحرارة والرطوبة. تستخدم الدراسة أدوات متقدمة مثل نظم المعلومات الجغرافية (GIS) وأدوات محاكاة أداء المباني لتحسين استراتيجيات الحفاظ على التراث. من خلال دمج بيانات المناخ الدقيقة على المدى الطويل مع التركيز على كل من الراحة الحرارية والحفاظ على المواد، تسهم الأبحاث في تقديم رؤى قيمة حول مرونة مناخات الأفنية تحت سيناريوهات المناخ المستقبلية، داعية إلى دمجها في ممارسات التصميم الحضري المستدام.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.115496
Publication Date: 2025-02-27
Author(s): Marta Torres‐González et al.
Primary Topic: Conservation Techniques and Studies
Overview
This study investigates the effectiveness of Mediterranean courtyards as passive systems for climate mitigation and thermal comfort, focusing on the Courtyard of the Maidens in the Royal Alcázar of Seville. Over a three-year monitoring period (2020-2023), the research collected data on ambient temperature and relative humidity, revealing that the courtyard significantly moderates extreme temperatures, thereby reducing the need for active heating and cooling systems. The findings indicate that the courtyard maintains conditions conducive to the preservation of architectural materials, particularly plasterwork, while also enhancing user comfort. The integration of passive architectural strategies, such as courtyards, is emphasized as essential for promoting sustainability and resilience in urban planning, especially in the context of climate change.
The study’s conclusions highlight a linear increase in air temperature of approximately 1°C per year in the courtyard, with July being the hottest month (average 30°C) and January the coldest (12°C). Relative humidity decreased by 3% over the study period, with December showing the highest levels (75%) and July the lowest (45%). Despite some fluctuations, the courtyard generally maintained acceptable comfort levels, effectively acting as a thermal buffer with a temperature difference of 4.06°C during heat peaks and 5.67°C during cold spells. While passive strategies like vegetation and water features were effective, extreme heatwaves posed challenges. Importantly, the study found that the environmental conditions did not significantly degrade the materials, as indicated by the HMR and PRD indices, suggesting that the courtyard’s design effectively mitigates the risks associated with temperature and humidity fluctuations, thereby preserving the integrity of delicate architectural finishes.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the urgent issue of climate change, primarily attributed to human activities, and its profound effects on ecosystems, biodiversity, and cultural heritage. It highlights the increasing frequency of heat waves and droughts, which threaten natural resources, food security, and human health. The need for adaptive preservation practices in cultural heritage conservation is emphasized, particularly in light of the findings from the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) regarding rising greenhouse gas emissions and resource depletion.
The building sector’s response includes the pursuit of nearly zero energy buildings (NZEB), which aim to minimize energy consumption while maintaining thermal comfort, even in historic structures. However, implementing these standards in Southern Europe faces challenges such as summer overheating and the Urban Heat Island (UHI) effect, exacerbating energy demands. Concurrently, innovative methodologies and tools, such as Geographic Information Systems (GIS) and software like BuildingsLife and Art-Risk 5.0, are being utilized to enhance the preventive conservation of historical buildings. These technologies facilitate precise monitoring of environmental conditions, which is crucial for understanding material degradation and informing conservation strategies. The introduction concludes by noting the importance of ongoing research into environmental factors affecting heritage conservation, underscoring the need for effective monitoring and analysis to address future vulnerabilities posed by climate change.
Methods
The study aimed to validate the impact of bioclimatic courtyard elements on mitigating external environmental conditions and preserving cladding over a three-year period (September 23, 2020, to September 22, 2023). A descriptive statistical analysis was performed to assess hygrothermal comfort in a semi-outdoor space, focusing on temperature variations during extreme heatwave (HW) periods and their effects on cladding deterioration. Historical climatological data indicated the necessity of reducing temperatures during peak summer to safeguard public health and maintain cladding integrity.
To monitor ambient conditions, a Lascar thermohygrometer was deployed at four corners of the courtyard, with detailed analysis centered on the north corner, which received the most direct solar radiation. This setup allowed for comprehensive data collection, yielding hourly measurements of ambient temperature ($T_a$) and relative humidity (RH), with a total sample size of 26,280. Seasonal and monthly averages, along with standard deviations, were calculated for $T_a$ and RH. The Diurnal Thermal Range (DTR) and Diurnal Humidity Range (DHR) were also computed to evaluate daily temperature and humidity fluctuations. The study concluded with a correlation analysis between $T_a$ and RH, employing linear regression and frequency distribution assessments to identify trends and potential risks to human health and architectural preservation.
Results
The monitoring campaign conducted over three years in the Courtyard of the Maidens yielded a dataset comprising 26,280 records of air temperature ($T_a$) and relative humidity (RH). The analysis reveals a slight linear increase in $T_a$, averaging approximately 1°C per year, which aligns with climate change predictions. Conversely, RH exhibited a notable decrease of about 3% over the same period. Monthly data indicated that July recorded the highest mean temperature at around 30°C, while January was the coldest month with a mean of 12°C. Notably, an upward trend in $T_a$ was observed across most months, except for February and March, supporting future climate change scenarios for Mediterranean regions.
The results also highlighted variability in RH, with July being the driest month (mean RH of 45%) and December the wettest (mean RH of 75%). Overall, the mean monthly values of $T_a$ and RH remained within commonly accepted comfort limits throughout the year, suggesting that the courtyard’s design elements—such as ponds, trees, and galleries—contribute to user comfort. Although a visual correlation between $T_a$ and RH was noted, a linear analysis indicated significant data dispersion (R² = 0.4005), suggesting that the relationship between these parameters is not straightforward.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the critical role of courtyards in mitigating climate change impacts on architectural heritage, particularly in Mediterranean regions. The study addresses two primary questions: the effectiveness of courtyards in enhancing hygrothermal comfort and their influence on the conservation of cladding materials. It highlights that semi-open spaces like courtyards can significantly reduce energy consumption and greenhouse gas emissions, with energy savings in cooling demand ranging from 8% to 18% depending on the courtyard’s aspect ratio. Furthermore, the research underscores the need for adaptive solutions to address the unique climatic challenges faced by these spaces, as existing conservation standards primarily focus on fully enclosed environments.
The findings indicate that courtyards not only help regulate temperature and humidity but also play a vital role in the preservation of historic materials. Continuous monitoring of environmental conditions reveals that courtyards can maintain more stable microclimates, reducing the risk of material degradation due to temperature and humidity fluctuations. The study employs advanced tools such as Geographic Information Systems (GIS) and building performance simulation tools to optimize heritage conservation strategies. By integrating long-term microclimatic data with a focus on both thermal comfort and material conservation, the research contributes valuable insights into the resilience of courtyard microclimates under future climate scenarios, advocating for their incorporation into sustainable urban design practices.