Development of models to evaluate the potential of building roofs to reduce air pollution: application to the case of Tehran

Abstract

(English) Environmental protection is a principle of both Millennium Development Goals and sustainable development, underscoring critical issues like greenhouse gases, global warming, and air pollution. Air pollution is a global challenge with severe consequences for the environment. Hence, city managers encounter an urgent need to explore the proper solutions to mitigate air pollution. This doctoral dissertation addresses air pollution reduction by harnessing the untapped potential of rooftops while focusing on pollutant reducers and taking into account specific characteristics of urban buildings. The study follows a five-phase framework, including initial investigation, feasibility study, solution exploration, sustainability evaluation, and city-scale optimization. The research method proposed in this thesis is validated for the first time in the context of Tehran, a densely populated and highly air-polluted megacity. The key achievements of this leading application encompass: feasible alternatives, sustainability assessment, optimal solutions, target building groups, and city-scale impact. Firstly, considering sustainability, effectiveness, and viability, the study identifies green roofs (GR) and photovoltaic (PV) systems as feasible rooftop-based alternatives. Second, novel sustainability assessment models are developed, combining methods like the Integrated Value Model for Sustainability Assessment (MIVES), Strengths-Weaknesses-Opportunities-Threats (SWOT), Analytic Hierarchy Process (AHP), simplified Life Cycle Assessment (LCA), and sensitivity analysis. These models enable the evaluation of pollutant reducers in terms of their environmental, economic, and social sustainability. The results reveal that the most suitable types of GR and PV are semi-intensive green roofs (SIGR) and building-attached photovoltaics (BAPV). This is while the quantitation analysis discloses that SIGR is capable of reducing 4.8 kg/m2 CO2 and 52.4 g/m2 Particulate Matter (PM), and BAPV has the potential of mitigating 211 kg/m2 CO2 and 1.2 g/m2 PM per year. Third, a compound alternative (CA), combining both GR and PV, is proposed as an optimal solution, effectively surmounting the individual shortcomings of these technologies. The optimization using mathematical patterns unveils more suitability of PV compared to GR for the case of Tehran. In this sense, the most effective combination ratio for the execution phase simplifies to 3:1 (PV:GR). Fourth, a synergistic strategy is adopted to consider optimized pollutant reducers and target buildings simultaneously. Using the Geographic Information System (GIS), the study recommends focusing on residential buildings of medium height in medium surface scale as the ideal targets. Fifth and finally, implementing the optimized CA on selected target buildings provides a significant potential to decrease over 9% of total PM and CO2 emissions from all sources and sectors across Tehran. Furthermore, the study reveals the prospect of transforming selected groups of residential buildings into Zero-PM buildings in the operational phase. This dissertation provides valuable insights into addressing rooftop-based air pollutant reducer technologies and also offers a systematic approach that can be adapted to various urban contexts. The developed framework, models, and proposed future works, can assist decision-makers in selecting the most appropriate strategies, contributing to cleaner, more sustainable, and resilient urban environments worldwide.

(Català) La protecció del medi ambient és un principi dels Objectius de Desenvolupament del Mil·lenni i del desenvolupament sostenible, cosa que evidencia qüestions crítiques com els gasos d'efecte hivernacle, l'escalfament global i la contaminació de l'aire. Aquesta contaminació atmosfèrica és un desafiament global amb greus conseqüències per al medi ambient. Per tant, els gestors de les ciutats s'enfronten a una necessitat urgent d'explorar les solucions viables per mitigar-la. Aquesta tesi doctoral aborda la reducció de la contaminació de l'aire a partir del potencial sense explotar dels terrats, centrant-se en reductors de contaminants i considerant les característiques específiques dels edificis urbans. L'estudi segueix cinc fases: investigació inicial, estudi de viabilitat, exploració de solucions, avaluació de sostenibilitat i optimització a escala ciutat. El mètode de recerca proposat en aquesta tesi es valida per primer cop en el context de Teheran, una megaciutat densament poblada i altament contaminada. Els èxits clau d'aquesta aplicació capdavantera abasten: alternatives viables, avaluació de la sostenibilitat, solucions òptimes, grups d’edificis, i impacte a escala de ciutat. Primer, tenint en compte la sostenibilitat, l'eficàcia i la viabilitat, l'estudi identifica els terrats verds (GR) i els sistemes fotovoltaics (PV) com a alternatives viables als terrats. En segon lloc, es desenvolupen nous models d'avaluació de la sostenibilitat, que combinen mètodes com el Model Integrat de Valor per a una Avaluació Sostenible (MIVES), Fortaleses-Oportunitats-Debilitats-Amenaces (FODA), Procés Analític Jeràrquic (AHP), Anàlisi de Cicle de Vida (ACV) simplificat i anàlisi de sensibilitat. Aquests models permeten avaluar els reductors de contaminants en termes de sostenibilitat ambiental, econòmica i social. Els resultats revelen que els tipus més adequats de GR i PV són els terrats verds semiintensius (SIGR) i l'energia fotovoltaica integrada en edificis (BAPV). L'anàlisi de quantificació revela que SIGR és capaç de reduir 4,8 kg/m2 de CO2 i 52,4 g/m2 matèria particulada (PM), i BAPV té el potencial de mitigar 211 kg/m2 de CO2 i 1,2 g/m2 de PM a l'any. En tercer lloc, es proposa una alternativa composta (CA), que combina GR i PV, com a solució òptima, i supera les deficiències individuals d'aquestes tecnologies. L'optimització, mitjançant patrons matemàtics, revela una idoneïtat més gran de l'energia fotovoltaica en comparació amb l'energia renovable per al cas de Teheran. En aquest sentit, la relació més efectiva per a la fase d’execució se simplifica a 3:1 (PV:GR). En quart lloc, s'adopta una estratègia sinèrgica per considerar simultàniament reductors de contaminants optimitzats i edificis objectiu. Utilitzant el sistema d'informació geogràfica (GIS), l'estudi recomana centrar-se en edificis residencials de mitjana altura i mitjana escala de superfície. En cinquè i darrer lloc, la implementació de la CA optimitzada en edificis objectiu ofereix un potencial significatiu per reduir més del 9% del total de les emissions de PM i CO2 de totes les fonts i sectors a Teheran. A més, l'estudi revela la possibilitat de transformar grups seleccionats d'edificis residencials en edificis Zero-PM a la fase operativa. Aquesta dissertació proporciona informació valuosa sobre com abordar les tecnologies de reducció de contaminants de l'aire situades en terrats i també ofereix un enfocament sistemàtic que es pot adaptar a diversos contextos urbans. El marc desenvolupat, els models i els treballs futurs proposats poden ajudar els prenedors de decisions a seleccionar les estratègies més apropiades, contribuint a entorns urbans més nets, més sostenibles i resilients a tot el món.

(Español) La protección del medio ambiente es un principio de los Objetivos de Desarrollo del Milenio y del desarrollo sostenible, lo que evidencia cuestiones críticas como los gases de efecto invernadero, el calentamiento global y la contaminación del aire. Esta contaminación atmosférica es un desafío global con graves consecuencias para el medio ambiente. Por lo tanto, los gestores de las ciudades se enfrentan a una necesidad urgente de explorar las soluciones viables para mitigarla. Esta tesis doctoral aborda la reducción de la contaminación del aire a partir del potencial sin explotar de los tejados, centrándose en reductores de contaminantes y considerando las características específicas de los edificios urbanos. El estudio sigue cinco fases: investigación inicial, estudio de viabilidad, exploración de soluciones, evaluación de sostenibilidad y optimización a escala ciudad. El método de investigación propuesto en esta tesis se valida por primera vez en el contexto de Teherán, una megaciudad densamente poblada y altamente contaminada. Los logros clave de esta aplicación líder abarcan: alternativas viables, evaluación de la sostenibilidad, soluciones óptimas, grupos de edificios, e impacto a escala de ciudad. Primero, teniendo en cuenta la sostenibilidad, la eficacia y la viabilidad, el estudio identifica los tejados verdes (GR) y los sistemas fotovoltaicos (PV) como alternativas viables en tejados. En segundo lugar, se desarrollan nuevos modelos de evaluación de la sostenibilidad, que combinan métodos como el Modelo Integrado de Valor para una Evaluación Sostenible (MIVES), Fortalezas-Oportunidades-Debilidades-Amenazas (FODA), Proceso Analítico Jerárquico (AHP), Análisis de Ciclo de Vida (ACV) simplificado y análisis de sensibilidad. Estos modelos permiten evaluar los reductores de contaminantes en términos de su sostenibilidad ambiental, económica y social. Los resultados revelan que los tipos más adecuados de GR y PV son los tejados verdes semiintensivos (SIGR) y la energía fotovoltaica integrada en edificios (BAPV). El análisis de cuantificación revela que SIGR es capaz de reducir 4,8 kg/m2 de CO2 y 52,4 g/m2 de materia particulada (PM), y BAPV tiene el potencial de mitigar 211 kg/m2 de CO2 y 1,2 g/m2 de PM al año. En tercer lugar, se propone una alternativa compuesta (CA), que combina GR y PV, como solución óptima, superando las deficiencias individuales de estas tecnologías. La optimización, mediante patrones matemáticos, revela una mayor idoneidad de la energía fotovoltaica en comparación con la energía renovable para el caso de Teherán. En este sentido, la relación más efectiva para la fase de ejecución se simplifica a 3:1 (PV:GR). En cuarto lugar, se adopta una estrategia sinérgica para considerar simultáneamente reductores de contaminantes optimizados y edificios objetivo. Utilizando el sistema de información geográfica (GIS), el estudio recomienda centrarse en edificios residenciales de mediana altura y mediana escala de superficie. En quinto y último lugar, la implementación de la CA optimizada en edificios objetivo ofrece un potencial significativo para reducir más del 9% del total de las emisiones de PM y CO2 de todas las fuentes y sectores en Teherán. Además, el estudio revela la posibilidad de transformar grupos seleccionados de edificios residenciales en edificios Zero-PM en la fase operativa. Esta disertación proporciona información valiosa sobre cómo abordar las tecnologías de reducción de contaminantes del aire situadas en tejados y también ofrece un enfoque sistemático que puede adaptarse a diversos contextos urbanos. El marco desarrollado, los modelos y los trabajos futuros propuestos pueden ayudar a los tomadores de decisiones a seleccionar las estrategias más apropiadas, contribuyendo a entornos urbanos más limpios, más sostenibles y resilientes en todo el mundo.