Zapotrzebowanie na energię do klimatyzacji na podstawie statystycznych danych klimatycznych – studium przypadku dla Wrocławia

Dane klimatyczne do obliczeń zapotrzebowania na energię

Zagadnienia związane z prawidłowym określaniem zapotrzebowania na energię w projektowanych i istniejących systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych są bardzo istotne z punktu widzenia opłacalności inwestycji, jak również efektywnego działania tych systemów w trakcie ich całorocznej eksploatacji. Zapotrzebowanie na energię do celów wentylacji i klimatyzacji oblicza się zazwyczaj w oparciu o statystycznie przygotowane dane klimatyczne, sporządzane na podstawie pomiarów wieloletnich. Powszechnie wykorzystywane do obliczeń charakterystyk energetycznych, sporządzania świadectw energetycznych, jak również w pracach projektowych i symulacjach energetycznych obiektów budowlanych są dane w postaci tzw. typowych lat meteorologicznych. Dane te są dostępne na rządowym portalu internetowym www.gov.pl [7]. Zamieszczono tam typowe lata meteorologiczne w postaci plików tekstowych, opracowane na podstawie wieloletnich pomiarów (najczęściej 30-letnich) dla 61 stacji meteorologicznych zlokalizowanych w różnych miejscach na terenie całego kraju.

Wrocław reprezentowany jest przez stację meteorologiczną nr 12 424 (Wrocław-Strachowice). Peryferyjna lokalizacja tej stacji, w odpowiedniej odległości od ścisłego centrum miasta, minimalizuje anomalie temperaturowe spowodowane tzw. miejską wyspą ciepła. Typowy rok meteorologiczny został statystycznie opracowany na podstawie trzydziestoletnich danych pomiarowych z lat 1971–2000, a więc z okresu sprzed dwóch i więcej dekad.

Nieco nowsze dane klimatyczne można uzyskać z innych źródeł. Jednym z nich jest globalna baza danych Meteonorm, dostępna na stronie internetowej meteonorm.com [8]. Uzyskanie danych klimatycznych w postaci typowych lat meteorologicznych wymaga jednak wykupienia licencji do programu (obecnie jest on oferowany w wersji 7.3). Meteonorm podaje dane klimatyczne z kilku tysięcy stacji meteorologicznych zlokalizowanych na całym świecie, w tym ze stacji Wrocław-Strachowice. Typowy rok meteorologiczny został opracowany na podstawie pomiarów z lat 1991–2010 dla promieniowania słonecznego i z lat 2000–2009 dla pozostałych parametrów pogodowych (w tym temperatury, wilgotności względnej, prędkości wiatru i ciśnienia atmosferycznego).

W artykule porównano dane z tych dwóch źródeł w aspekcie ich wykorzystania do obliczeń zapotrzebowania na energię do uzdatniania powietrza w klimatyzacji. W dalszej części stosowane będą skróty dotyczące pojęcia typowego roku meteorologicznego:

• TRM1 – opracowane na podstawie statystyk zamieszczonych w portalu www.gov.pl [7],
• TRM2 – opracowane na podstawie statystyk uzyskanych z licencjonowanego programu Meteonorm 7.2 [8].

Charakterystyka typowych lat meteorologicznych dla Wrocławia

Dane charakterystyczne dla typowego roku meteorologicznego pochodzące z dwóch wyżej opisanych źródeł zostały ujęte w tabelach 1 i 2. Przedstawione tam wartości poszczególnych parametrów opisujących klimat zewnętrzny istotnie różnią się między sobą, przy czym prawie wszystkie wykazują większą wartość dla TRM2 niż dla TRM1. Średnia roczna temperatura powietrza zewnętrznego jest dla TRM2 o 1,4 K wyższa, większe wartości wykazują także minimalna i maksymalna temperatura zewnętrzna dla całego roku. Należy również zwrócić uwagę na parametr wilgotnościowy – zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym, który cechuje znaczna odchyłka w stronę wartości większych (wartości maksymalne różnią się między sobą aż o 3,1 g/kg s.p.). Prędkość wiatru, która ma pewien wpływ na straty i zyski ciepła przez przegrody zewnętrzne, ma również nieco większe wartości dla RTM2. Znaczące różnice można zaobserwować także w odniesieniu do rocznego nasłonecznienia i usłonecznienia. W skali całego roku nasłonecznienie dla RTM2 w stosunku do RTM1 jest większe o ok. 9,2%, a usłonecznienie aż o ok. 38%, co jest bliższe wartościom podawanym przez inne źródła, np. [10].

Podobna tendencja w różnicy wartości poszczególnych parametrów opisujących klimat zewnętrzny Wrocławia występuje przy porównaniu wartości miesięcznych (tabela 3). Średnia wartość temperatury zewnętrznej jest w przypadku każdego miesiąca wyższa dla TRM2, a średnie wartości zawartości wilgoci, prędkości wiatru i nasłonecznienia są wyższe dla TRM2 przez zdecydowanie większą część roku. Wyjątek stanowi tutaj nasłonecznienie, które w miesiącach typowo zimowych (grudzień–luty) charakteryzuje się nieco mniejszymi wartościami. Natomiast w trakcie półrocza ciepłego (kwiecień–wrzesień), poza sierpniem, nasłonecznienie dla TRM2 wyraźnie przewyższa wartości dla TRM1.

Na wykresach h–x Moliera (rys. 1) zobrazowano średniogodzinowe wartości parametrów fizycznych powietrza zewnętrznego, co pozwala ocenić zakres występowania tych parametrów w skali całego roku. Można zauważyć większą rozbieżność parametrów dla TRM2 w porównaniu do TRM1, pomimo mniejszego zakresu występowania temperatur zewnętrznych. Znacząco większy czas występowania wyższych wartości zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym (np. dla xz > 12 g/kg s.p.) wymusza konieczność bardziej efektywnego osuszania powietrza w systemach klimatyzacyjnych. Częstość występowania poszczególnych temperatur i zawartości wilgoci powietrza zewnętrznego, które zaokrąglono do wartości całkowitych, pokazano na rys. 2. Z kolei w tabeli 4 przedstawiono częstość występowania temperatury i zawartości wilgoci powietrza zewnętrznego po przekroczeniu wartości progowych. Można zauważyć, że czas występowania temperatur i zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym powyżej wartości progowych, charakterystycznych głównie dla okresu ciepłego, jest znacząco większy (a przy wyższych wartościach progowych nawet wielokrotnie większy) dla TRM2. Są to istotne różnice z punktu widzenia pracy systemu klimatyzacyjnego, a w szczególności procesów ochładzania i osuszania powietrza.

Klasyfikacja termiczna typowego roku meteorologicznego

W klimatologii przyjmuje się różne metody służące do klasyfikacji termicznej pewnych okresów (np. lat, sezonów, miesięcy) [12]. Stosowaną m.in. przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) od 2003 roku metodą jest klasyfikacja termiczna według H. Lorenc [13]. Metoda ta bazuje na określeniu odchylenia standardowego od średnich wieloletnich wartości temperatury powietrza zewnętrznego i określa 11 klas, do których można przyporządkować analizowany okres czasu. IMGW przyjmuje jako okres referencyjny lata 1971–2000. Tabela 5 pokazuje skalę klasyfikacji termicznej i kryteria definiujące poszczególne klasy wraz z przyporządkowanymi im kolorami standardowymi [12, 13].

Z pomiarów meteorologicznych prowadzonych przez IMGW wynika, że w ostatnich latach występują znacznie częściej niż w okresie referencyjnym dodatnie anomalie temperatury powietrza zewnętrznego, zarówno w odniesieniu do poszczególnych miesięcy, jak i całego roku. I tak np. w ostatnim dziesięcioleciu (w latach 2009–2018) tylko jeden rok (2010) został sklasyfikowany jako lekko chłodny. Pozostałe 9 lat były cieplejsze od średniej z okresu 1971–2000, przy czym jeden rok (2017) oceniono jako anomalnie ciepły, a aż trzy inne (2014, 2015 i 2018) jako ekstremalnie ciepłe, co dla wysokich wartości, spełniających nierówność (t_z > t_zśr + 2,0 δ), stanowi aż 40% lat okresu ostatniego dziesięciolecia (por. tabela 6 i rys. 3) [13].

Przy obliczeniach zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza klimatyzującego bardzo istotna jest wartość temperatury powietrza zewnętrznego, szczególnie w miesiącach typowo letnich (maj–wrzesień), w których spodziewane jest zazwyczaj jej największe zużycie. Spośród tych miesięcy w ciągu ostatniego dziesięciolecia tylko trzy odznaczały się ujemnym odchyleniem temperatury w stosunku do okresu standardowego (wszystkie scharakteryzowane jako lekko chłodne), co stanowi zaledwie 6% całego okresu, a jako normalne sklasyfikowano 8 miesięcy (16% całego okresu). Pozostałe 39 miesięcy ostatniego dziesięciolecia miało dodatnie odchylenie temperatury zewnętrznej, z czego aż 10 było anomalnie lub ekstremalnie ciepłych (por. tabela 7).

Zmiany klimatyczne obserwowane w ostatnim czasie, z tendencją wzrostu temperatury zewnętrznej, pozwalają przypuszczać, że wszelkie wyniki obliczeń związane z określeniem zapotrzebowania na energię w urządzeniach HVAC będą w dużym stopniu uzależnione od okresu, dla którego zostały opracowane typowe lata meteorologiczne. Należy przypuszczać, że opierając się na bardziej aktualnych danych w obliczaniu zapotrzebowanie na energię, szczególnie do ochładzania i osuszania powietrza, można otrzymać wyniki charakteryzujące się większymi wartościami. Proste przykłady obliczeniowe zdają się potwierdzać tak sformułowaną sugestię.

Zapotrzebowanie na energię do uzdatniania powietrza klimatyzującego – wyniki przykładowych obliczeń

Obliczenia zapotrzebowania na energię do ogrzewania, oziębiania i nawilżania powietrza klimatyzującego oraz zapotrzebowania na wodę w procesie nawilżania parowego przeprowadzono dla czterech przykładów i dla każdej godziny typowego roku meteorologicznego TRM1 i TRM2.

Analizą objęto standardowe urządzenie klimatyzacyjne o niezmiennym strumieniu powietrza klimatyzującego z zastosowaniem typowego układu poszczególnych elementów służących do uzdatniania powietrza (po stronie powietrza nawiewanego: wymiennik do odzysku ciepła w postaci rekuperatora, nagrzewnica, chłodnica i nawilżacz parowy). Poszczególne rozwiązania różnią się od siebie funkcją zmiany temperatury powietrza nawiewanego w stosunku do temperatury powietrza w pomieszczeniu Δt (w dwóch z nich Δt jest stała w ciągu całego roku, w dwóch pozostałych zmienna) i czasem pracy samego urządzenia w ciągu doby, co zostało scharakteryzowane w tabeli 8.

Pozostałe założenia do obliczeń przyjęto w następujący sposób:

• strumień masowy powietrza klimatyzującego jest stały przez cały czas pracy urządzenia; dla wszystkich rozwiązań przyjęto m. = 1 kg/s;
• temperatura powietrza w pomieszczeniu t_p jest stała (t_p = 20°C), jeżeli temperatura zewnętrzna t_z ≤ 20°C, oraz jest zmienna t_p = (20 + t_z)/2, jeżeli t_z > 20°C;
• temperatura powietrza wywiewanego jest równa temperaturze powietrza w pomieszczeniu,
• średnia temperatura ścianki chłodnicy wynosi 10°C;
• sprawność temperaturowa odzysku ciepła jest zmienna, w zależności od aktualnych potrzeb; maksymalna wartość sprawności wynosi η = 73%;
• nie uwzględniono zmniejszenia sprawności temperaturowej odzysku ciepła w wyniku oszronienia wymiennika w okresie zimnym;
• nie uwzględniono przyrostu temperatury powietrza przepływającego przez sekcję wentylatorów;
• proces nawilżania parowego jest izotermiczny.

Rezultaty przeprowadzonych obliczeń bilansowych przedstawiono w tabelach 9–12, w których zamieszczono szereg wyników charakteryzujących poszczególne przypadki w przykładach obliczeniowych.

Zapotrzebowanie na energię w nagrzewnicy powietrza EN określono na podstawie wzoru:

gdzie:
i – kolejna godzina pracy nagrzewnicy;
τ – czas pracy nagrzewnicy w kolejnej godzinie, h;
Q_Ni = m. · (t_n – t_zw)_i – moc nagrzewnicy w kolejnej godzinie pracy (jeżeli t_n > t_zw), kWh;
t_n – temperatura powietrza nawiewanego, °C;
t_zw – temperatura powietrza za wymiennikiem do odzysku energii, °C.

Zapotrzebowanie na energię w chłodnicy powietrza ECH określono na podstawie wzoru:

gdzie:
i – kolejna godzina pracy chłodnicy;
τ – czas pracy chłodnicy w kolejnej godzinie, h;
Q_CHi = m. · (h_zw – h_n)_i – moc chłodnicy w kolejnej godzinie pracy (jeżeli t_n < t_zw), kWh;
h_zw – entalpia właściwa powietrza za wymiennikiem do odzysku energii, kJ/kg;
h_n – entalpia właściwa powietrza nawiewanego, kJ/kg.

Zapotrzebowanie na energię w nawilżaczu parowym ENP określono na podstawie wzoru:

gdzie:
i – kolejna godzina pracy nawilżacza parowego;
τ – czas pracy nawilżacza parowego w kolejnej godzinie, h;
Q_WPi = m. N_Pi · r – moc wytwornicy pary w kolejnej godzinie pracy, kWh;
m. N_Pi = m. · (x_n-x_zw)_i – wydajność nawilżacza parowego w kolejnej godzinie pracy (jeżeli x_n > x_zw), kg/s;
r – ciepło parowania wody, r = 2500 kJ/kg;
x_n – zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym, kg/kg s.p.;
x_zw – zawartość wilgoci w powietrzu za wymiennikiem do odzysku ciepła, kg/kg s.p.

We wszystkich analizowanych przypadkach zarówno zapotrzebowanie na energię do chłodzenia i osuszania powietrza (jednoczesny proces obniżania temperatury i zawartości wilgoci w powietrzu zachodzi w chłodnicy), jak i maksymalne wartości mocy chłodnicy są zdecydowanie większe, jeżeli obliczenia wykonuje się w oparciu o TRM2. Różnice w tych wartościach w stosunku do obliczanych na podstawie TRM1 mogą dochodzić nawet 60% (maksymalnej mocy chłodnicy dla rozwiązania 1A i zapotrzebowania na energię do oziębiania powietrza w przypadku rozwiązania 2A) – por. rys. 5. Jest to spowodowane przede wszystkim znacznie większą częstością występowania zarówno wysokich temperatur, jak i wysokich wartości zawartości wilgoci powietrza zewnętrznego (por. tabela 4 i rys. 2) dla TRM2 w porównaniu z TRM1.

Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania powietrza różni się w mniejszym stopniu. W przypadku rozwiązań 1A i 1B zapotrzebowanie to jest większe dla TRM2, a w przypadku rozwiązań 2A i 2B dla TRM1 (por. rys. 5). Różnice te wywołuje stosunkowo krótki czas pracy nagrzewnicy dla rozwiązania 1A i 1B, co wynika z niższej temperatury powietrza nawiewanego. W związku z tym nagrzewnica pracuje tylko przy najniższych temperaturach powietrza zewnętrznego (jedynie wówczas, gdy temperatura za wymiennikiem do odzysku ciepła jest niższa od wymaganej temperatury powietrza nawiewanego), a częstość występowania tych temperatur zewnętrznych jest większa dla TRM2. We wszystkich jednak przypadkach maksymalna moc nagrzewnicy wykazuje wyższe wartości (maksymalnie o 12,1% dla rozwiązania 1A – por. rys. 5), co jest spowodowane niższymi minimalnymi wartościami temperatur powietrza zewnętrznego okresu zimnego dla TRM1 (por. tabela 1 i 2).

Zarówno zapotrzebowanie na energię do nawilżania, jak i maksymalna moc nawilżacza parowego jest tylko nieznacznie większa dla TRM1. Powodem tego stanu rzeczy jest stosunkowo nieduża różnica zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym okresu zimnego dla rozpatrywanych typowych lat meteorologicznych (por. tabele 1 i 2). Różnice w zapotrzebowaniu na energię do nawilżania i w maksymalnej mocy wytwornicy pary nie przekraczają wartości 8,2%.

We wszystkich przykładowych rozwiązaniach normowana jest temperatura powietrza w pomieszczeniu oraz zapewniana minimalna wartość wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu na poziomie 40%. Górna granica wilgotności względnej w pomieszczeniu nie jest ograniczana i każdorazowo jest wypadkową parametrów powietrza zewnętrznego oraz procesu oziębiania powietrza do wymaganej temperatury powietrza nawiewanego. W związku z tym występują pewne okresy (charakterystyczne dla półrocza ciepłego), w trakcie których parametry wilgotnościowe powietrza w pomieszczeniu przekraczają wartości uznawane za progowe w większości pomieszczeń bytowych. W tabeli 13 przedstawiono obliczone dla poszczególnych rozwiązań oraz na podstawie TRM1 i TRM2 sumaryczne czasy przekroczenia progowych wartości tych parametrów.

Z uwagi na znacznie częstsze występowanie wyższych wartości parametrów wilgotnościowych (por. tabela 4) dla TRM2 w stosunku do TRM1 czas niedotrzymania tych parametrów w powietrzu wewnętrznym jest wyraźnie większy dla TRM2. O ile maksymalna wartość wilgotności względnej φmax jest stosunkowo rzadko przekraczana (a dla TRM1 praktycznie nigdy), o tyle niedotrzymanie zawartości wilgoci jest już znacznie częstsze, bo dla TRM2 i rozwiązania 2A zbliża się do 10% sumarycznego czasu pracy urządzenia w ciągu całego roku.

Podsumowanie i wnioski

Wybór danych klimatycznych w postaci typowych lat meteorologicznych ma istotne znaczenie dla obliczeń bilansowych w wentylacji i klimatyzacji. W artykułach [4, 5, 6] zwrócono uwagę na ryzyko popełnienia dużego błędu w obliczeniach zapotrzebowania na energię do chłodzenia powietrza określanego w oparciu o tzw. krzywe klimatyczne. Różnice w obliczeniach mogą się okazać znacznie większe, jeżeli wyniki takich obliczeń porówna się z wynikami określonymi na podstawie nowszych danych klimatycznych lub danych pomiarowych z konkretnego roku kalendarzowego.

W obliczu zmian klimatycznych należy przypuszczać, że obliczenia oparte na danych klimatycznych określonych z okresów bardziej nam współczesnych będą dawać wyniki zwiększające przede wszystkim zapotrzebowanie na energię do oziębiania powietrza. W związku z tym statystycznie opracowany na podstawie danych pomiarowych z lat 1971–2000 typowy rok meteorologiczny (TRM1) wydaje się mało przydatny przy określaniu zapotrzebowania na energię do uzdatniania powietrza klimatyzującego, przede wszystkim w odniesieniu do energii do chłodzenia.

Wpływ wyboru danych klimatycznych na określenie obliczeniowej mocy nagrzewnicy jest stosunkowo niewielki, bo uzależniony od minimalnej temperatury powietrza zewnętrznego. Temperatura ta nieznacznie odbiega od wartości obliczeniowej dla konkretnej strefy klimatycznej – dla drugiej strefy, w obrębie której leży Wrocław, temperatura ta wynosi –18°C [15].

Dane klimatyczne, z których korzystano, nie mają również większego wpływu na moc wytwornicy pary, gdyż jej wartość uzależniona jest od minimalnych zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym. Wartości te, uzyskane z typowych lat meteorologicznych oraz z tzw. krzywych klimatycznych, w niewielkim stopniu odbiegają od siebie.

Maksymalna moc chłodnicy jest w bardzo dużym stopniu uzależniona od zastosowanych do obliczeń danych klimatycznych. Przy jej obliczaniu istotna jest bowiem wartość entalpii właściwej powietrza zewnętrznego, co przy porównaniu dwóch analizowanych typowych lat meteorologicznych skutkowało wartościami w wynikach tych obliczeń przekraczających nawet 60%. Należy jednak zaznaczyć, że wielkość chłodnicy rzadko dobiera się na maksymalną moc obliczoną na podstawie szczegółowych danych klimatycznych.

Analizą powyższą objęto jedynie wybrane przypadki dla klimatu zewnętrznego, charakterystycznego dla Wrocławia. Dla innych lokalizacji na terenie Polski korelacje w wynikach obliczeń zapotrzebowania na energię do uzdatniania powietrza przy wykorzystaniu różnych źródłowych danych klimatycznych mogą przedstawiać się inaczej.

Literatura

1. Pełech Aleksander, Wentylacja i klimatyzacja – Podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.
2. Pełech Aleksander, Klimat w Polsce. Parametry powietrza zewnętrznego w projektowaniu urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, „Instal” 1/2013, s. 21–27.
3. Pełech Aleksander, Oszczędność energii w wentylacji i klimatyzacji. Rozważania nad wyborem obliczeniowych parametrów powietrza zewnętrznego, „Instal” 2/2013, s. 30–38.
4. Kwiecień Dariusz, Moce nagrzewnicy i chłodnicy powietrza wyznaczane w oparciu o dane klimatyczne, „Rynek Instalacyjny” 5/2013, s. 45–49, rynekinstalacyjny.pl.
5. Kwiecień Dariusz, Całoroczne zapotrzebowanie energii do uzdatniania powietrza wentylującego obliczane w oparciu o dane klimatyczne, „Rynek Instalacyjny” 6/2013, s. 62–64, rynekinstalacyjny.pl.
6. Kwiecień Dariusz, Moc chłodnicy a zapotrzebowanie energii do oziębiania powietrza w różnych rejonach Polski, „Instal” 10/2016, s. 28–33.
7. Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków, https://www.gov.pl/web/inwestycje-rozwoj/dane-do-obliczen-energetycznych-budynkow (dostęp: 15.10.2019).
8. meteonorm.com (dostęp: 15.10.2019).
9. agrometeo.pogodynka.pl/danehistoryczne/tendencje_zmian (dostęp: 15.10.2019).
10. solargis.info (dostęp: 15.10.2019).
11. www.wunderground.com/history/monthly/pl/wroc%C5%82aw/EPWR/date/2019-4 (dostęp: 15.10.2019).
12. Czernecki Bartosz, Miętus Mirosław, Porównanie stosowanych klasyfikacji termicznych na przykładzie wybranych regionów Polski, „Przegląd Geograficzny” nr 56, z. 3–4/2011, s. 201–233.
13. Biuletyn Państwowej Służby Hydrologiczno-Meteorologicznej z lat 2009–2018, dane.imgw.pl/data/dane_pomiarowo_obserwacyjne/Biuletyn_PSHM (dostęp: 15.10.2019).
14. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1253/2014 z dnia 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych (Dz.Urz. UE L 337/8 z 25.11.2014).
15. PN-B-03420:1976 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego.