Characterization of thermal comfort in the city – Part 1:

What microclimate measures should be recommended to demonstrate an effect on outdoor thermal comfort? Among a multitude of existing thermal comfort indices, which are the most relevant for characterizing the thermo-spatial feeling at pedestrian scale? Are there any indices to highlight depending on a particular spatio-climatic situation or cooling mode? What are the limits of existing methods in a heterogeneous and restricted spatio-temporal context?

Indeed, when we talk about thermal perception in outdoor public spaces, spatial heterogeneity (shapes and materials) as well as the multiple interactions between physiological, microclimate and socio-cultural variables complicate the analysis of this phenomenon (Johansson et al. al., 2014). In addition, this field has long-time inherited models and methods developed for thermal comfort studies inside buildings. This is because most people spend approximately 90% indoors. In addition, indoor thermal comfort is easily controlled and directly determines well-being and productivity. The management and responsibilities of the interior spaces are well defined, while those of the exterior spaces are not obvious. The outdoor climate conditions are also difficult to control and highly variable through space and time (Johansson et al., 2018).

As a consequence, some of the thermal indices, currently applied outdoors, were initially developed in indoor spaces and subsequently adapted to outdoor conditions (Potchter et al., 2018). Thermal comfort models applied to outdoor spaces must relate environmental (microclimate parameters conditioned by space design) and personal data (outfit, activity, etc.). Potchter et al. (2018), distinguish in particular between universal indices, applicable in any climate, and specific indices for a particular climate. Among 165 indices identified, only 4 are regularly highlighted in outdoor thermal comfort studies (Potchter et al., 2018). PET (Physiologically Equivalent Temperature) is the most applied with 30% (Höppe, 1999; Walther and Goestchel, 2018), followed by the PMV index (Predicted Mean Vote) with 10% (Fanger et al., 1974), the UTCI (Universal Thermal Climate Index) with 8% (Bröde et al., 2012; Fiala et al., 2012; Jendritzky et al., 2012) and the SET * and OUTSET * indices (Standard Effective Temperature) with 5% (Gagge, 1986; Pickup and de Dear, 1999). More recently, the SET* index was adapted to a humid outdoor environment. The so-called SET ** is especially applied to take into account new cooling techniques based on misting techniques (Oh et al., 2019, 2020, 2021).

Alongside the universal thermal indices, there is also an index category to simultaneously indicate universal and separate effects of environmental factors. Thus, Kurazumi et al. (2011) propose the ETFe index (enhanced conduction-corrected modified effective temperature), for outdoor spaces and for human body positions in which thermal conduction plays an important role. It incorporates the effects of short-wave solar radiation and distinguishes between the effects of i) air speed, ii) thermal radiation and iii) temperature and humidity in contact with a surface. In this same logic, there are the ETVO and ETU indices (Nagano and Horikoshi, 2011; Watanabe et al., 2014). They propose the determination of a universal integral index, but also of its climate components. Thus, this approach makes it possible to distinguish the influence of different meteorological variables on the index as well as on outdoor thermal comfort: i) air temperature, ii) relative humidity, iii) wind speed and iv) long- and short-wave solar radiation.

As this brief summary highlights, there is a large panel of thermal comfort indices taking into account the specificities of cooling techniques. Thus, their application to the experimental sites of the COOLSCAPES project, integrating various cooling techniques, will make it possible to answer the scientific questions raised above.

L’intérêt porté au potentiel des espaces publics à produire des conditions de confort thermique pour les citadins a considérablement augmenté ces dernières décennies (Johansson et al., 2018). À l’ère de l’adaptation au réchauffement climatique, la conception des espaces publics urbains doit répondre à des nécessités écologiques (création d’îlots de fraîcheur urbains), sanitaires (prévention des effets des canicules), et socioéconomiques (évènements, commerces). Ainsi, l’étude de ces espaces et des effets thermiques induits localement et temporellement par les dispositifs spatio-climatiques soulèvent plusieurs questions scientifiques :

Quelles mesures microclimatiques sont à préconiser pour démontrer un effet sur le confort thermique à l’extérieur ? Parmi une multitude d’indices du confort thermique existants, lesquels sont les plus pertinents pour caractériser le ressenti thermo-spatial à l’échelle du piéton ? Y a-t-il des indices à privilégier en fonction d’une situation spatio-climatique/un mode de rafraîchissement particulier ? Quels sont les limites des méthodes existantes dans un contexte spatio-temporel hétérogène et restreint ?

En effet, lorsqu’on parle de la perception thermique dans l’espace public extérieur, l’hétérogénéité spatiale (formes et matières) ainsi que les interactions multiples entre les variables physiologiques, microclimatiques et socioculturelles complexifient l’analyse de ce phénomène (Johansson et al., 2014). De plus, ce domaine a pendant longtemps hérité des modèles et des méthodes développées pour l’étude du confort thermique à l’intérieur des bâtiments. Ceci est dû au fait que la plupart des personnes passent en moyenne 90% à l’intérieur. De plus, le confort thermique à l’intérieur est facile à contrôler et détermine directement le bien-être et la productivité. La gestion et les responsabilités des espaces intérieurs sont bien définies, tandis que celles des espaces extérieurs ne sont pas évidentes. Les conditions climatiques sont également difficilement contrôlables et fortement variables dans l’espace et dans le temps (Johansson et al., 2018).

Par conséquent, une partie des indices thermiques, actuellement appliqués en extérieur, a initialement été développée en espaces intérieurs et par la suite adaptée aux conditions extérieures (Potchter et al., 2018). Les modèles du confort thermique appliqués à l’espace extérieur doivent mettre en relation des données environnementales (paramètres microclimatiques conditionnées par l’espace) et personnelles (tenue, activité, etc.). Potchter et al. (2018), distinguent notamment entre des indices universels, applicables dans n’importe quel climat, et des indices spécifiques à un climat particulier. Parmi 165 indices identifiés, seulement 4 sont régulièrement mis en avant dans l’étude de confort thermique extérieur (Potchter et al., 2018). Le PET (Physiologically Equivalent Temperature) est le plus appliqué avec 30% (Höppe, 1999; Walther and Goestchel, 2018), suivi de l’indice PMV (Predicted Mean Vote) avec 10% (Fanger et al., 1974), l’UTCI (Universal Thermal Climate Index) avec 8% (Bröde et al., 2012; Fiala et al., 2012; Jendritzky et al., 2012) et l’indice SET* et OUTSET* (Standard Effective Temperature) avec 5% (Gagge, 1986; Pickup and de Dear, 1999). Plus récemment, l’indice SET* a été adapté à un environnement extérieur humide. Dénommé SET**, il est notamment appliqué afin de prendre en compte les nouvelles techniques de rafraichissement basées sur la brumisation (Oh et al., 2019, 2020, 2021).

Parallèlement aux indices thermiques universels, il existe également une catégorie d’indices permettant d’indiquer simultanément les effets universels et séparés des facteurs environnementaux. Ainsi, Kurazumi et al. (2011) proposent l’indice ETFe (enhanced conduction-corrected modified effective temperature), pour des espaces extérieurs et pour des positions du corps humain dans lesquelles la conduction thermique joue un rôle important. Cet indice intègre les effets du rayonnement solaire à courte longueur d’onde et distingue entre les effets i) de vitesse de l’air, ii) de rayonnement thermique et iii) de température et d’humidité au contact de la surface d’un matériau. Dans cette même logique, il existe les indices ETVO et ETU (Nagano and Horikoshi, 2011; Watanabe et al., 2014). Ils proposent la détermination d’un indice intégral universel, mais également de ces composantes climatiques. Ainsi, cette approche permet de distinguer l’influence des différentes variables météorologiques sur l’indice ainsi que sur le confort thermique extérieur : i) la température de l’air, ii) l’humidité relative, iii) la vitesse du vent et iv) le rayonnement solaire à grande et courte longueur d’onde.

Comme le démontre cette synthèse non-exhaustive, il existe un large panel d’indicateurs du confort thermique prenant en compte les spécificités des techniques de rafraîchissement. Ainsi, leur application aux sites expérimentaux du projet COOLSCAPES, intégrant des techniques de rafraichissement variées, permettra de répondre aux questions scientifiques posées plus haut.

Bröde, P., Fidala, D., Błażejczyk, K., Holmer, I., Jendritzky, G., Kampmann, B., Tinz, B., 2012. Deriving the operational procedure for the Universal Thermal Climate Index (UTCI). International Journal of Biometeorology 56, 481–494.

Fanger, P.O., Højbjerre, J., Thomsen, J.O.B., 1974. Thermal comfort conditions in the morning and in the evening. International Journal of Biometeorology 18, 16–22. https://doi.org/10.1007/BF01450661

Fiala, D., Havenith, G., Bröde, P., Kampmann, B., Jendritzky, G., 2012. UTCI-Fiala multi-node model of human heat transfer and temperature regulation. International Journal of Biometeorology 56, 429–441. https://doi.org/10.1007/s00484-011-0424-7

Gagge, A.P., 1986. A standard predictive index of human response to the thermal environment, in: ASHREA Transactions. Presented at the ASHRAE’s Annual and Winter Conferences, pp. 270–290.

Höppe, P., 1999. The physiological equivalent temperature – a universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment. Int J Biometeorol 43, 71–75. https://doi.org/10.1007/s004840050118

Jendritzky, G., de Dear, R., Havenith, G., 2012. UTCI—Why another thermal index? International Journal of Biometeorology 56, 421–428. https://doi.org/10.1007/s00484-011-0513-7

Johansson, E., Thorsson, S., Emmanuel, R., Krüger, E., 2014. Instruments and methods in outdoor thermal comfort studies – The need for standardization. Urban Climate, ICUC8: The 8th International Conference on Urban Climate and the 10th Symposium on the Urban Environment 10, 346–366. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2013.12.002

Johansson, E., Yahia, M.W., Arroyo, I., Bengs, C., 2018. Outdoor thermal comfort in public space in warm-humid Guayaquil, Ecuador. Int J Biometeorol 62, 387–399. https://doi.org/10.1007/s00484-017-1329-x

Kurazumi, Y., Tsuchikawa, T., Kondo, E., Horikoshi, T., Matsubara, N., 2010. Conduction-corrected modified effective temperature as the indices of combined and separate effect of environmental factors on sensational temperature. Energy and buildings.

Nagano, K., Horikoshi, T., 2011. New index indicating the universal and separate effects on human comfort under outdoor and non-uniform thermal conditions. Energy and Buildings 43, 1694–1701. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2011.03.012

Oh, W., Ooka, R., Nakano, J., Kikumoto, H., Ogawa, O., 2021. Extended standard effective temperature index for water-misting environment. Building and Environment 190, 107573. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.107573

Oh, W., Ooka, R., Nakano, J., Kikumoto, H., Ogawa, O., 2019. Validation of thermoregulation human model considering mist wettedness on mist spraying environment. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 609, 052034. https://doi.org/10.1088/1757-899x/609/5/052034

Oh, W., Ooka, R., Nakano, J., Kikumoto, H., Ogawa, O., Choi, W., 2020. Development of physiological human model considering mist wettedness for mist-spraying environments. Building and Environment 180, 106706. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.106706

Pickup, J., de Dear, R., 1999. An outdoor thermal comfort index (OUTSET*). Part 1 – The model and its assumptions. Presented at the 15th Int. Congr. Biometeorol. and Int. Conf. Urban Climatol, Sidney, Australia, pp. 279–283.

Potchter, O., Cohen, P., Lin, T.-P., Matzarakis, A., 2018. Outdoor human thermal perception in various climates: A comprehensive review of approaches, methods and quantification. Science of The Total Environment 631–632, 390–406. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.02.276

Walther, E., Goestchel, Q., 2018. The P.E.T. comfort index: Questioning the model. Building and Environment 137, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2018.03.054 Watanabe, S., Nagano, K., Ishii, J., Horikoshi, T., 2014. Evaluation of outdoor thermal comfort in sunlight, building shade, and pergola shade during summer in a humid subtropical region. Building and Environment 82, 556–565. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2014.10.002

Watanabe, S., Nagano, K., Ishii, J., Horikoshi, T., 2014. Evaluation of outdoor thermal comfort in sunlight, building shade, and pergola shade during summer in a humid subtropical region. Building and Environment 82, 556–565. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2014.10.002

Xenia Laffaille and Ignacio Requena