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Marco Schmidt Technische Universität Berlin Institute of Architecture Phasenwechsel Working Group 19.5.2015 Hotel de ville de Paris Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à la végétalisation

Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

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Page 1: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Marco Schmidt

Technische Universität Berlin

Institute of Architecture

Phasenwechsel Working Group

19.5.2015 Hotel de ville de Paris

Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à la végétalisation

Page 2: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Energy Optimized Construction: www.enob.info

Page 3: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Sustainable Infrastructure: www.kuras-projekt.de

Page 4: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

first project a few years later

Berlin: first visions 1983

Page 5: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

First Projects

Program of careful urban renewal

Block “108 Berlin-Kreuzberg”,

Group “Ökotop” TU Berlin 1983

Page 6: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Water Energy

www.watergy.de www.watergy.eu

Page 7: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Water Energy

700 kWh/ m³ at 45 °C

Water heated from 30 to 90°C = 70 kWh/m³

Phase Change Material (PCM) = 61 kWh/m³

Page 8: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Global Radiation Balance

Data after physicalgeorgaphy.net

Page 9: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Urban Radiation Balance Example: Asphalt roof

Page 10: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Dramatic reduction in evapo-transpiration on land

Daily loss of 800 km² of vegetation worldwide

Daily deforestation rate: 450 km²

Daily reforestation: 100 km²

Net loss of forests daily: 350 km²

Daily ongoing global urbanization: 150 km²

Daily global desertification: 300 km²

Size of Berlin: 800 km²

Page 11: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

800 km² daily !

Page 12: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Large and small water cycle

www.waterparadigm.org (Kravcik 2007)

Page 13: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Green Roof Radiation Balance

Page 14: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Surface Temperatures Asphalt Roof – Green Roof (Infrared measurements)

Temperatures 20.6.2001

,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

0:0

0

1:0

0

2:0

0

3:0

0

4:0

0

5:0

0

6:0

0

7:0

0

8:0

0

9:0

0

10

:00

11

:00

12

:00

13

:00

14

:00

15

:00

16

:00

17

:00

18

:00

19

:00

20

:00

21

:00

22

:00

23

:00

[°C]

Surface Black roof

Surface Green roof

Sealing Green roof

Air 0m Green roof

Air 1m Green roof

Page 15: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à
Page 16: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Institute of Physics, Humboldt-University Berlin-Adlershof

Scientific Monitoring/ Evaluation 2002-2010 Berlin Senate for Urban Development 2011-2013: EnEff Stadt, BMWi via PTJ 2014-2016: INIS, BMBF via PTJ

Page 17: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Institute of Physics, Humboldt- University Berlin

Page 18: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Institute of Physics, Humboldt- University Berlin

Rainwater harvesting for cooling, tank size: 40 m³

450 climbing plants in 150 planter boxes providing shade and evaporative cooling

Evaporative exhaust air cooling in 8 air conditioners

Main Goal: Reduction of operating costs

Page 19: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Heating Consumption: 216 kWh/ m²a

Heat for Cold: 132,7 kWh/ m²a

Production of Cold: 62,6 kWh/ m²a

Primary energy factor for district heating: 0.16 Primary energy factor for electricity: 2.3 (2.6)

Final Energy

Page 20: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Primary Energy Demand according DIN V 18599 (calculated)

compared to consumption (measured)

5843

4747

257

51

23

56

24

43

6

135

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Demand Consumption

kWh

/(m

²a)

CompressionCoolingDistrict-heatingAbsorption Chiller Auxiliary EnergyAbsorption ChillerHumidificationVentilationVentilation

Light

Heating

Page 21: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

100%

150%

200%

250%

300%

350%

400%

2000 2005 2010 2015 2020

18070

28070

38070

48070

58070

68070

Kt CO2

(EU Total)

Germany (%)

Greece (%)

France (%)

Spain (%)

Italy (%)

EU Total (% and Kt CO2/a)

M.Schmidt 2006 after: EECCAC 4/2003

Goal: Decrease of energy consumption of buildings by 2020: 50% !!

But: Increase of energy consumption for cooling: 260%

Source: Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners (EECCAC)

Study for the D.G. Transportation-Energy (DGTREN) of the Commission of the E.U.

Page 22: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Reasons for Global Increase in Cooling Demand

1: Increase in use of glass

2: Decrease in Heat Capacity, use of light materials

3: Increase in electricity consumption, heat load inside

4: Increase in Urban Heat Island Effect

5: Global Warming

Page 23: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Never use electricity to cool a building !

680 kWh Cold

310 kWh Electricity (annual COP 2,2)

990 kWh Sensible Heat

Released Outside

Page 24: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à
Page 25: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Actinidia kolomikta 24 Akebia quintata 70 Akebia trifoliate 48 Aristolochia macrophylla 7 Aristolochia tomentosa 12 Campsis radicans 40 Campsis tagliabuana 'Mme Galen' 14 Clematis orientalis 'Bill Mac Kenzie' 20 Clematis paniculata 14 Clematis tangutica 'Helios' 189 Clematis vitalba 42 Hydrangea petiolaris 54 Hydrangea arborescens 1 Lonicera periclymenum 31 Parthenocissuns inserta 8 Parthenocissus quinquefolia 94 Vitis coignetiae 130 Vitis vinifera `Phönix 22 Wisteria sinensis `alba´ 51 Wisteria sinensis `Prolific´ 76

Sum 947

Used Species (20)

Page 26: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Irrigation System

Page 27: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Mean ETP of a facade greening system, Adlershof Physik 7/15/05-09/14/05

0

5

10

15

20

25

30

0:0

0

1:0

0

2:0

0

3:0

0

4:0

0

5:0

0

6:0

0

7:0

0

8:0

0

9:0

0

10

:00

11

:00

12

:00

13

:00

14

:00

15

:00

16

:00

17

:00

18

:00

19

:00

20

:00

21

:00

22

:00

23

:00

[mm/d]

0,0

3,4

6,8

10,2

13,6

17,0

20,4

[kWh/m²d]

south facade, 2nd floor

south facade, 3rd floor

south facade, 1st floor

courtyard, 1 st floor

courtyard, 2nd floor

courtyard, 3rd floor

Mean daily evapo-transpiration 7/15/05-09/14/05 corresponding cooling rate: 280 kWh per day

Page 28: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Comparison conv.blinds with green facade on energy demand and solar yield

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

0:03

2:03

4:03

6:03

8:03

10:0

3

12:0

3

14:0

3

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3

18:0

3

20:0

3

22:0

30:

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088:

08

10:1

3

12:1

3

14:1

3

16:1

3

18:1

3

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3

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30:

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138:

13

10:1

3

12:1

3

14:1

4

16:1

4

18:1

4

20:1

4

22:1

4

G4

V4

G5

V5

Page 29: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Primary Energy needed for Heating and Cooling

1618 18 18

20

64

47

37 38

21

80

65

56 56

41

0

10

20

30

40

50

60

70

80

without Sunblinds Sunblinds (conv.,

manual, standard)

Sunblinds (conv.,

automat., standard)

Sunblinds (conv.,

Measured Data)

Green Façade

(Measured Data)

kWh

/(m

²a)

Heating kWh/(m²a) Cooling kWh/(m²a) Total kWh/(m²a)

Page 30: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Investment 3M membrane: 38.000 €

Maintenance: 16.525 €/a

Maintanance: 1.300 €/a

Page 31: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Identified Problems

Pesticides (such as „Preventol B2“) leaching from building materials caused a die back of 80% of most species in the first 5 years.

Most of the pesticides in our surface waters are leaching out of building materials.

3.9 million tons of pesticides are annually sold in Europe for use in building materials (EAWAG, CH).

Page 32: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Evaporative Exhaust Air Cooling (rainwater based)

Page 33: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Difference in conv. energy consumption with and without evaporative cooling

hottest day: 38°C => savings 70% expected annual savings => 90%

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

20.7.06

0:02

20.7.06

4:07

20.7.06

8:07

20.7.06

12:07

20.7.06

16:12

20.7.06

20:27

21.7.06

0:27

21.7.06

4:27

21.7.06

8:27

21.7.06

12:32

21.7.06

16:32

21.7.06

20:37

[°C]

0

1

2

3

4

5

6

[kW]Aussentemperatur [°C]

Anlage 4 [kW]

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Conductivity max

Rainwater 30 µS 1600 µS

Tap water 700 µS 1600 µS

Costs for Cooling 1 g H2O: 2450 J = 2450 Ws a 100 °C

1 m³ = 2720 MJ = 700 kWh a 45 °C

Adiabatic: 1,06 € (0,185 €/kWh)

Compression: 90,24 € (0,185 €/kWh COP 2,05)

Absorption: 161,04 € (0,0376 €/kWh WZ 0,47)

Use rainwater instead of tap water: no treatment for lime necessary !

21,25 €

6,18 €

60,05 €

90,24 €

1,06 €

79,75 €

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Absorption Compression Adiabatic

Costs for Cooling - 1000 kWh -

Heat

Electricity

Water

Page 35: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Böll Foundation, Berlin

Page 36: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Potsdamer Platz, Berlin City Center

Page 37: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Requirements by city administration and water supplyer

in the planning process:

Maximum drainage into the combined sewer system

of less than 1% !

Currently common: less than 30%

Background: 20-30 times per year overload of the

combined sewer in Berlin

Page 38: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Potsdamer Platz, Berlin

40,000 m² of greened roofs

2550 m³ in 4 tanks for toilet flush and fire fighting

12.000 m² urban lake, 1200 m² constructed wetland

3500 m³ stormwater retention in lake (30 cm)

Overall stormwater retention: 125 mm

Page 39: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Architekten: Renzo Piano, Kohlbecker u.a.

Landschaftsarchitektur: Krüger/ Möhrle, Daniel Roehr, Berlin

Urbanes Gewässer: Atelier Dreiseitl, Überlingen

Page 40: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à
Page 41: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Influential a) Demand by city water administration

b) Landscape plan/ “Biotope Area Factor” BAF (as part of the building permit requirements)

c) Berlins “Climate Change Adaptation Plan”

d) Split in wastewater fee (but: not yet used as an instrument !)

Prices Berlin 2012: Water 2,17 €/m³ Wastewater 2,46 €/m³ Rainwater 1,90 €/m²a (=3,80 €/m³)

Page 42: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Egypt 2009

Page 43: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Agadir, Morocco 5/2008

Page 44: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Agadir, Morocco 5/2008

Agadir, Morocco today compared to descriptions by ancient Greek geographer Strabo: "all of the [land] between Carthage and the Pillars of Hercules [from Tunis to the Atlantic ocean] is of an extreme fertility." Morocco was often singled out as "one of the most beautiful and fertile countries of the earth" and was frequently described as "one of the granaries of Rome"

Page 45: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Brandenburg, Germany, 2011 after Harvesting

Page 46: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Precipitation Rates Germany

Page 47: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Palaeogeography: we dry out the planet

We are turning the

planet into a desert !

Page 48: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à
Page 49: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Why does CO2 correlate with the global temperature ?

Page 50: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Photosynthesis process is responsible for the stock of CO2 in the atmosphere, not anthropogenic emissions !

0,04% CO2

20,9% O2

Respiration 60 Gt/a

Emissions 5 Gt/a

Page 51: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

Renewable Biomass ?

Page 52: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à
Page 53: Rendre la ville dense plus vivable et résiliente grace à

http://www.gebaeudekuehlung.de

http://www.watergy.de

http://www.waterparadigm.org

http://www.phasenwechsel.com

http://www.enob.info

http://www.kuras-projekt.de

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