Wpływ temperatury powietrza w 2018 r. na zużycie energii na ogrzewanie i chłodzenie budynków w Warszawie Józef Dopke

Transkrypt

1 Wpływ temperatury powietrza w 218 r. na zużycie energii na ogrzewanie i chłodzenie budynków w Warszawie Józef Dopke Słowa kluczowe: temperatura powietrza, średnia miesięczna temperatura, średnia roczna temperatura, liczba stopniodni grzania, liczba stopniodni chłodzenia, temperatura bazowa, zużycie energii, ogrzewanie, chłodzenie, Streszczenie: Na rysunku przedstawiono średnią roczną, średnią roczną bez lata (czerwca, lipca i sierpnia) i średnią roczną bez okresu od 1 maja do 3 września temperaturę powietrza w wieloleciu dla Warszawy Okęcia. Podano średnie miesięczne temperatury powietrza w wieloleciu oraz roczną i roczną bez lata liczbę stopniodni grzania Sd(15 o C) dla temperatury bazowej 15 o C dla Warszawy Okęcia w wieloleciu Na rysunku przedstawiono miesięczna liczbę stopniodni grzania Sd(15 o C) w wieloleciu oraz liczbę stopniodni grzania dla temperatury bazowej od 12 o C do 2 o C w najzimniejszym 21 r. w wieloleciu Przedstawiono na rysunkach średnie temperatury powietrza w okresach klimatyzacji (chłodzenia powietrza) i liczbę stopniodni chłodzenia SdCh(15 o ): roczną, w miesiącach od 1 kwietnia do 3 września oraz w miesiącach od 1 maja do 31 sierpnia dla Warszawy Okęcia w wieloleciu Podano miesięczną liczbę stopniodni chłodzenia SdCh(t b ) dla temperatury bazowe od 12 o C do 25 o C dla Warszawy Okęcia w 21 r. i 218 r. Wstęp Średnia roczna temperatura powietrza w Warszawie w 218 r. była jedną z najwyższych w historii pomiarów meteorologicznych, podobnie jak w 215 r. W połowie roku wiele gazet informowało, że średnie miesięczne temperatury powietrza w Warszawie w kwietniu i maju były najwyższe w historii pomiarów meteorologicznych. Anomalie pogodowe nie są zjawiskami występującymi tylko w ostatnich latach. Jeszcze przed systematycznymi pomiarami meteorologicznymi w Rzeczypospolitej Obojga Narodów w pamiętnikach można znaleźć opis różnych anomalii pogodowych. Poniżej omówiony zostanie wpływ średnich temperatur powietrza w poszczególnych miesiącach roku na zużycie energii na ogrzewanie i chłodzenie (klimatyzację) pomieszczeń w budynkach. Temperatury powietrza w miesiącach grzewczych w Warszawie Okęciu w wieloleciu Zazwyczaj przyjmuje się, że sezon grzewczy w Polsce rozpoczyna się 15 września a kończy 15 maja. I tak w 217 r. nie ogrzewano budynków między 16 maja i 17 wrześniem. Najwyższa średnia roczna temperatura powietrza w wieloleciu wystąpiła w 215 r. i 218 r. W 218 r. średnia dzienna temperatura powietrza była wyższa od 15 o C między 28 kwietnia a 25 września i w tym okresie 15 dni nie ogrzewano budynków. W 215 r. ten okres nie wymagający ogrzewania rozpoczynał się 22 maja a kończył 24 września i był o 25

2 dni krótszy. W najzimniejszym 21 r. można było nie ogrzewać budynków od 21 maja do 3 sierpnia, to jest przez 99 dni. Na rys. 1 przedstawiono średnie roczne temperatury powietrza, roczne bez miesięcy czerwiec, lipiec, sierpień oraz roczne bez miesięcy od 1 maja do 3 września dla Warszawy Okęcia w wieloleciu Ta ostatnia średnia temperatura odpowiada najlepiej okresowi grzewczemu w przypadku bardzo ciepłych lat. Najwyższa średnia temperatura powietrza dla tego okresu grzewczego wystąpiła w 2 r. (5,9 o C), następnie w 215 r. (4,98 o C), 28 r. (4,91 o C), 214 r. (4,46 o C), 27 r. (4,29 o C), 218 r. (4,7 o C), 217 r. (3,93 o C), 216 r. (3,91 o C), 1999 r. (3,39 o C) i 211 r. (3,38 o C). W tym rankingu występuje pięć ostatnich lat od 214 do 218, w których wystąpiło najmniejsze zużycie energii na ogrzewanie budynków. Najniższe temperatury w omawianym okresie wystąpiły w 21 r. (1,395 o C) a następnie w 23 r. (1,85 o C), 212 r. (2,4 o C), 26 r. (2,54 o C) i 21 r. (2,56 o C). W roku 21 r. najniższe temperatury powietrza w wieloleciu (rys. 1) wystąpiły w styczniu (-8,11 o C), maju (13,55 o C), wrześniu (12,33 o C), październiku (6,8 o C) i grudniu (-5,4 o C) roczna roczna bez miesięcy VI-VIII roczna bez miesięcy V-IX Warszawa Średnia temperatura powietrza ( o C) Rys. 1. Średnia temperatura powietrza: roczna, roczna bez okresu od 1 czerwca do 31 sierpnia i roczna bez okresu od 1 maja do 3 września dla Warszawy Okęcia w wieloleciu [1] Na rys. 2 podano średnie miesięczne temperatury powietrza w wieloleciu w Warszawie Okęciu. Najzimniejszy styczeń wystąpił w 26 r. a następnie w 21 r. Najzimniejszy luty wystąpił w 212 r. a grudzień w 21 r. Najcieplejszy lipiec wystąpił w 26 r. a sierpień w 21 r.

3 25 Średnia miesięczna temeperatura powietrza ( o C) r. 27 r. 28 r. 29 r. 21 r. 211 r. 212 r Miesiąc roku (-) Rys. 2. Średnie miesięczne temperatury powietrza w wieloleciu w Warszawie Okęciu Najwyższa średnia roczna temperatura powietrza wystąpiła w 215 i 218 r., jednak średnia temperatura roczna bez miesięcy od 1 maja do 3 września była najwyższa w 215 r. Można się więc spodziewać, że zużycie energii na ogrzewanie budynków będzie w 218 r. większe niż w 215 r. Stopniodni grzania Sd(15 o C) Miesięczną liczbę stopniodni grzania Sd(t b ) dla temperatury bazowej t b obliczono z definicji [2] ze średnich dobowych temperatur powietrza t śr (i) [1]: Sd(t b )= n [ tb tśr ( i)]... dla.. tśr ( i) tb i= 1 (1)... dla.. t ( i) > t śr b Domy jednorodzinne wolnostojące mają temperaturę bazową od 12 o C do 18 o C w zależności od izolacyjności przegród. Małe kotłownie gazowo-olejowe mają temperaturę bazową uśrednioną dla ogrzewanych budynków. Uśrednioną rzeczywistą temperaturę bazową t b dla obszaru dostaw gazu ziemnego można wyznaczyć z zależności między zużyciem gazu przez odbiorców komunalnych a temperaturą zewnętrzną powietrza. Dla obszaru obsługiwania Polskiego Górnictwa Naftowego i Gazownictwa S. A. [3] wynosiła ona 18,5 o C w 1987 r. i 15,2 o C w 1998 r. Duże osiedla domów wielopiętrowych ocieplonych styropianem o grubości 1 mm i ogrzewanych osiedlowymi ciepłowniami rozpoczynają ogrzewanie przy średniej temperaturze dobowej t b =15 o C. Dalej założono temperaturę bazową 15 o C, przy której średnio rozpoczynano ogrzewanie większości mieszkań w Polsce (rys. 3). W 21 r. o największej rocznej liczbie stopniodni grzania, zimny był styczeń o Sd(15 o C)=89,5 o Cdni (rys. 4), maj o liczbie 123,9 o Cdni, wrzesień o liczbie 16,7 o Cdni, październik o 369,6 o Cdni i grudzień o 725,3 o Cdni.

4 35 Warszawa roczna 3 roczna bez lata Liczba stopniodni grzania Sd(15 o C) ( o Cdni) Rys. 3. Roczna i roczna bez lata liczba stopniodni grzania Sd(15 o C) dla temperatury bazowej 15 o C dla Warszawy Okęcia w wieloleciu Miesięczna liczba stopniodni grzania Sd(15 o C) ( o Cdzień) r. 27 r. 28 r. 29 r. 21 r. 211 r. 212 r Miesiąc roku (-) Rys. 4. Miesięczna liczba stopniodni grzania Sd(15 o C) dla temperatury bazowej 15 o C dla Warszawy Okęcia w wieloleciu Obliczenie stopniodni grzania z wzoru Hitchin a

5 Nie zawsze dane są średnie dzienne temperatury powietrza, aby można obliczyć liczbę stopniodni grzania z definicji. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej oraz [1] publikuje średnie miesięczne temperatury powietrza. Ze średniej miesięcznej temperatury można obliczyć liczbę stopniodni grzania dla wybranej temperatury bazowej korzystając z wzoru Hitchin a [1, 2]: tb tśr Sd( tb) = L (2) 1 exp[ k( t t )] b śr gdzie: t b wybrana temperatura bazowa; t śr średnia temperatura dla analizowanego okresu; k stała; L liczba dni w analizowanym okresie. 2,5 k = (3) σ gdzie: σ odchylenie standardowe średniej dziennej temperatury w analizowanym miesiącu. Aby poprawnie obliczyć miesięczną liczbę stopniodni grzania z wzoru Hitchin a należy z meteorologicznych danych historycznych oszacować najlepszą wartość stałej k, która najdokładniej szacuje stopniodni grzania Sd(t b ). W Wielkiej Brytanii przyjmuje się wartość stałej k [2] we wzorze Hitchin a od,66 dla Heathrow i Birmingham,,7 dla Manchester,,74 dla Glasgow,,78 dla Cardiff i średnio,71 dla całego terytorium. Na rys. 5 podano miesięczne liczby stopniodni grzania w 21 r. obliczone metodą Hitchin a dla Warszawy Okęcia. Miesięczna liczba stopniodni grzania Sd(t b ) ( o Cdzień) r., Sd(12oC) Sd(13oC) Sd(14oC) Sd(15oC) Sd(16oC) Sd(17oC) Sd(18oC) Sd(18,3oC) Sd(19oC) Sd(2oC) Miesiąc 21 r. roku (-) Rys. 5. Miesięczna liczba stopniodni grzania Sd(t b ) dla temperatury bazowej od 12 o C do 2 o C dla Warszawy Okęcia w najzimniejszym 21 r. w wieloleciu Zużycie energii w domach mieszkalnych i budynkach użyteczności publicznej można przedstawić w postaci modelu [2]:

6 E = a + b Sd(t b ) + e (4) gdzie: E - zużycie energii, a, b - współczynniki, Sd(t b ) - liczba stopniodni w zależności od t b, t b - bazowa temperatura zewnętrzna, powyżej której praca systemu grzewczego nie jest wymagana [3-5], e błąd metody. Przedstawiona zależność dotyczy wszystkich paliw stosowanych w domach mieszkalnych i budynkach użyteczności publicznej. Wielkość a określa stałe zużycie energii na grzanie wody, przygotowanie posiłków, suszenie odzieży i bielizny. Wielkość b Sd(t b ) jest zmiennym zużyciem energii na ogrzewanie budynków zależnym od przebiegu pogody. Temperatury powietrza w okresach chłodzenia w Warszawie Okęciu w wieloleciu W okresie od 1 kwietnia do 3 września najwyższa średnia temperatura powietrza wystąpiła w 218 r. (rys. 6) i wynosiła 18,18 o C [1]. Następnymi latami w tym rankingu były: 22 r. (16,42 o C), 216 r. (16,29 o C), 215 r. (16,27 o C) i 26 r. (16,16 o C). Najzimniejszym był 24 r. z średnią temperaturą w analizowanym okresie 14,25 o C, następnie 2 r. (14,88 o C) i 21 r. (14,93 o C). W krótszym okresie od 1 maja do 31 sierpnia najwyższa średnia temperatura powietrza wystąpiła również w 218 r. (rys. 7) i wynosiła 2,19 o C [1]. Następnymi latami w tym rankingu były: 22 r. (19,24 o C), 215 r. (18,76 o C), 216 r. (18,72 o C) i 26 r. (18,49 o C). Najzimniejszym był 24 r. z średnią temperaturą w analizowanym okresie 16,19 o C. Następnymi latami w tym rankingu były: 2 r. (16,97 o C), 1999 r. (17,28 o C), 211 r. (17,41 o C), 21 r. (17,47 o C) i 214 r. (17,58 o C). W okresie od 1 czerwca do 31 sierpnia najwyższa średnia temperatura powietrza wystąpiła również w 218 r. (rys. 8) i wynosiła 2,81 o C [1]. Następnymi latami w tym rankingu były: 215 r. (2,53 o C), 26 r. (19,94 o C), 22 r. (19,84 o C) i 21 r. (19,82 o C). Najzimniejszym był 2 r. z średnią temperaturą w analizowanym okresie 17,5 o C. Następnymi latami w tym rankingu były: 24 r. (17,58 o C), 25 r. (18,11 o C) i 29 r. (18,19 o C).

7 Średnia temperatura powietrza w okresie od 1 kwietnia do 3 września ( o C) Rys. 6. Średnia temperatura powietrza w okresie od 1 kwietnia do 3 września dla Warszawy Okęcia w wieloleciu Średnia temperatura powietrza od 1 maja do 31 sierpnia ( o C) Rys. 7. Średnia temperatura powietrza w okresie od 1 maja do 31 sierpnia dla Warszawy Okęcia w wieloleciu

8 22 21 Średnia temperatura powietrza w okresie od 1 czerwca do 31 sierpnia ( o C) Rys. 8. Średnia temperatura powietrza w okresie od 1 czerwca do 31 sierpnia dla Warszawy Okęcia w wieloleciu Stopniodni chłodzenia SdCh(15 o C) Miesięczną liczbę stopniodni chłodzenia SdCh(t b ) dla temperatury bazowej t b obliczono z definicji [2] ze średnich dobowych temperatur powietrza t śr (i) [1]: SdCh(t b )= n [ tśr ( i) tb]... dla.. tb tśr ( i) i= 1 (5)... dla.. t > t ( i) b śr Ze średniej miesięcznej temperatury można obliczyć liczbę stopniodni chłodzenia dla wybranej temperatury bazowej korzystając z wzoru Hitchin a [1, 2]: tśr tb SdCh( tb) = L (6) 1 exp[ k( t t )] śr b gdzie: t b wybrana temperatura bazowa; t śr średnia temperatura dla analizowanego okresu; k stała; L liczba dni w analizowanym okresie. 2,5 k = (7) σ gdzie: σ odchylenie standardowe średniej dziennej temperatury w analizowanym miesiącu.

9 Aby poprawnie obliczyć miesięczną liczbę stopniodni grzania z wzoru Hitchin a należy z meteorologicznych danych historycznych oszacować najlepszą wartość stałej k, która najdokładniej szacuje stopniodni chłodzenia SdCh(t b ). Na rys. 9 podano liczbę stopniodni chłodzenia SdCh(15 o ): roczną, w miesiącach od 1 kwietnia do 3 września oraz w miesiącach od 1 maja do 31 sierpnia dla Warszawy Okęcia w wieloleciu obliczoną z definicji. Miesięczną liczbę stopniodni chłodzenia SdCh(t b ) dla temperatury bazowej od 12 o C do 25 o C w 21 r. i w najcieplejszym 218 r. podano na rys. 1 i roczna w miesiacach IV-IX w miesiącach V-VIII Liczba stopniodni chłodzenia SdCh(15 o C) ( o Cdzień) Rys. 9. Liczba stopniodni chłodzenia SdCh(15 o ): roczna, w miesiącach od 1 kwietnia do 3 września oraz w miesiącach od 1 maja do 31 sierpnia dla Warszawy Okęcia w wieloleciu

10 r., Miesięczna liczba stopniodni chłodzenia SdCh(t b ) ( o Cdzień) SdCh(12oC) SdCh(13oC) SdCh(14oC) SdCh(15oC) SdCh(16oC) SdCh(17oC) SdCh(18oC) SdCh(19oC) SdCh(2oC) SdCh(22oC) SdCh(25oC) Miesiąc 218 r. (-) Rys. 1. Miesięczna liczba stopniodni chłodzenia SdCh(t b ) dla temperatury bazowej od 12 o C do 25 o C dla Warszawy Okęcia w najcieplejszym 218 r r., Miesięczna liczba stopniodni chłodzenia SdCh(t b ) ( o Cdzień) SdCh(12oC) SdCh(13oC) SdCh(14oC) SdCh(15oC) SdCh(16oC) SdCh(17oC) SdCh(18oC) SdCh(19oC) SdCh(2oC) SdCh(22oC) SdCh(25oC) Miesiąc 21 r. (-) Rys. 11. Miesięczna liczba stopniodni chłodzenia SdCh(t b ) dla temperatury bazowe od 12 o C do 25 o C dla Warszawy Okęcia w 21 r. Wnioski Średnia roczna temperatura powietrza nie odzwierciedla zużycia energii ani na ogrzewanie ani na chłodzenie powietrza w budynkach. Różne liczby stopniodni grzania oraz różne

11 liczby stopniodni chłodzenia w 215 i 218 r. wystąpiły przy identycznej średniej rocznej temperaturze powietrza (rys. 12). Aby poprawnie ocenić zużycie energii na ogrzewanie budynków należy wyznaczyć liczbę stopniodni grzania. W celu oszacowania zużycia energii na chłodzenie należy wyznaczyć liczbę stopniodni chłodzenia. W klimacie Polski o zużyciu energii na ogrzewanie decydują temperatury powietrza od 15 września do 15 maja a o zużyciu energii na chłodzenie budynków decydują temperatury od 1 czerwca do 1 września. Tegoroczne bardzo wysokie średnie miesięczne temperatury powietrza w Warszawie w kwietniu i maju, najwyższe w historii pomiarów meteorologicznych, nie miały decydującego wpływu na spadek zużycie energii na ogrzewanie. Jedynie w maju wzrosło zużycie energii na chłodzenie powietrza. 35, wielolecie Roczna liczba stopniodni ( o Cdzień) Sd(15oC) SdCh(15oC) y = -283,66x + 525,1 R 2 =,8945 y = 91,17x - 337,14 R 2 =, ,5 8 8,5 9 9,5 1 1,5 11 Średnia roczna temperatura powietrza (oc) Rys. 12. Proste regresji rocznej liczby stopniodni grzania Sd(15 o C) i chłodzenia SdCh(15 o C) dla temperatury bazowej 15 o C względem średniej rocznej temperatury powietrza dla Warszawy Okęcia w wieloleciu Literatura [1] Ogimet. [2] Degree-days: theory and application TM41:26. The Chartered Institution of Building Services Engineers 222 Balham High Road, London SW129BS. [3] M. Błaziak, M. Reszczyńska. Magazyn Polski Gaz i Nafta PGNiG S. A [4] Dopke J.: Obliczanie miesięcznej liczby stopniodni grzania r., r. [5] Dopke J.: Wyznaczanie temperatury bazowej budynku i prognozowanie zużycia gazu. GWiTS, 214 nr 6 str Mgr inż. Józef Dopke jozefdopke@wp.pl r.