WPŁYW ZMIAN KLIMATYCZNYCH NA TEMPERATURĘ WEWNĘTRZNĄ BUDYNKU. Changes in temperature in buildings in a response to a changing climate

Transkrypt

1 DOROTA BZOWSKA *1 WPŁYW ZMIAN KLIMATYCZNYCH NA TEMPERATURĘ WEWNĘTRZNĄ BUDYNKU Changes in teperature in buildings in a response to a changing cliate Streszczenie Abstract Zwiększona eisja dwutlenku węgla oże być przyczyną obserwowanego ocieplenia kliatu. Ziany te ogą istotnie wpłynąć na kofort cieplny poieszczeń. Artykuł przedstawia w skrócie etody prognozowania przyszłego, ocieplonego kliatu, a następnie wykorzystuje odianę tzw. scenariusza analogicznego do wyznaczenia przebiegu średniej iesięcznej teperatury zewnętrznej w ocieplony kliacie. Przebieg tych teperatur pozwolił na wyznaczenie teperatury wewnętrznej w przykładowy budynku o lekkiej konstrukcji. Stwierdzono nieal liniowy przyrost teperatury wewnętrznej wraz ze zianą teperatury zewnętrznej. Słowa kluczowe: ziana kliatu, budynek, przegrzanie wnętrza, teperatury It is sad that changes in cliate due to increase in carbon eission is observed. The ethodology for transforing weather files concerning abient teperatures into the future higher warer values of the paraeter is proposed in the paper. The transforing ethod is based on the so-called analogue scenarios. The tie history for the warer indoor teperatures in a building with partitions covered with lightweight aterials of high theral resistance were calculated. The building is equipped with natural ventilation. Keywords: adaptation cliate change, building overheating, teperature * Dr hab. inż. Dorota Bzowska, prof. PW, Instytut Budownictwa, Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrocheii, Politechnika Warszawska.

2 38 1. Wstęp Zaobserwowane w ciągu ostatnich dziesięcioleci ziany kliatu stały się powode poważnych badań nad ty problee. Powołane zostały zespoły naukowe oraz, iędzy innyi, Międzyrządowy Zespół ds. Ziany Kliatu (Intergovernental Panel on Cliate Change IPCC). Zgodnie z opublikowany w 2007 roku raporte grupy roboczej ICPP [7] stwierdzono, że rzeczywiście następuje globalna ziana kliatu, przy czy prawdopodobieństwo, że ziany te wywołane są przez czynniki naturalne wynosi około 5%, natoiast, z prawdopodobieństwe ponad 90%, ziany te są wynikie przeysłowej działalności człowieka związanej z eisją gazów cieplarnianych. Nieniej w środowisku naukowy brak wciąż jednoyślności nt. udziału wpływu działalności człowieka na ziany kliatu wywołane eisją gazów cieplarnianych. Ich przyrost w atosferze oże być wynikie głównie procesów naturalnych. W dalszy ciągu raportu stwierdzono, że w XXI wieku teperatura na świecie wzrośnie od 1,8 do 4 o C, a wręcz ożliwe są ziany od 1,1 do 6,4 o C. Te różnice w prognozowanych zianach teperatury są wynikie różnych założeń odnośnie przyszłego nasilenia się eisji gazów cieplarnianych do atosfery. Założenia te dotyczą tzw. scenariusza niskiej, średniej i wysokiej eisyjności. Rys. 1 przedstawia odchyłkę teperatury w ostatni tysiącleciu od wartości średniej z lat [8]. Na rysunku zobrazowane są także ziany teperatury w XXI wieku wg wsponianych trzech scenariuszy. Obecnie jedynie w krajach Unii Europejskiej prowadzone są działania na rzecz ograniczenia eisji gazów cieplarnianych, a więc ta, gdzie łączna ich eisja stanowi zaledwie 7% eisji światowej. Dane te poddają w wątpliwość wykorzystywanie scenariusza nisko eisyjnego. Niezależnie od przyczyn wzrostu teperatury, a nawet w sytuacji, gdy opracowywane scenariusze zian kliatycznych okażą się nieprawdziwe, zagadnienie ewentualnego wzrostu teperatury w środowisku naturalny winno być przediote zainteresowania projektantów. Projekt architektoniczny powinien uwzględniać wpływ przyszłych zian kliatycznych na kofort cieplny budynku. Jedny z ożliwych rozwiązań jest zastosowanie kliatyzacji, jednak z uwagi na energochłonność tych systeów wskazane jest również badanie innych rozwiązań o niższy spożyciu energii. Cele niniejszego artykułu jest próba wyznaczenia zian teperatury w budynku wywołanej ożliwyi zianai kliatycznyi dla danych eteorologicznych dotyczących Warszawy. Rys. 1. Odchyłka teperatury w ostatni tysiącleciu od wartości średniej z lat Fig. 1.Past and future teperature expressed as anoalies fro a average

3 2. Przegląd etod projektowania danych pogodowych 39 W literaturze przediotu obejującej szereg iędzynarodowych grantów [1, 3 6] podano etodologię projektowania przyszłych danych pogodowych. Zasadniczo stosowane są dwie etody. Pierwszą jest tzw. scenariusz analogiczny, drugą jest określenie przyszłego kliatu z odeli globalnej cyrkulacji. Metoda scenariusza analogicznego wykorzystuje obecne inforacje pogodowe z odległych iejsc, ale o podobny do rozpatrywanego położenia kliacie. Pewną trudnością tej etody jest konieczność znajdowania tych iejsc na tej saej szerokości geograficznej, z uwagi na występowanie identycznego oddziaływania proieniowania słonecznego. Metoda druga wykorzystuje istniejące odele cyrkulacji globalnej. Modele te (global cliate odel GCM) wykorzystują równania echaniki płynów oraz równania fizyki i cheii, które opisują procesy istotne z punktu widzenia zian kliatu i opisują jego zachowanie. Rozróżnia się odele globalnej cyrkulacji atosfery AGCM z uproszczony opise oceanu oraz odele oceanu (OGCM) z uproszczony opise atosfery. Modele AGCM zostały także rozszerzone o oduły uwzględniające cheię atosfery, czyli obejujące cykl obiegu węgla. Modele te uożliwiają opis eisji gazów cieplarnianych. Rozwiązanie nueryczne takiego odelu wyaga dyskretyzacji zarówno siatki położeń, jak i czasu. Typowa rozdzielczość AGCM to 1 5 stopnia szerokości i długości geograficznej, tj. około k. Angielskie Centru Hadleya opracowało odel HadAM3 na siatce 2,5 stopnia szerokości i 3,75 stopnia długości geograficznej co daje 73 x 96 punktów na powierzchni Ziei oraz 19 pozioów od powierzchni ziei do granic atosfery. Taka dyskredytacja daje w suie około 0,5 iliona punktów, w których określa się cztery podstawowe paraetry: dwie składowe pozioe prędkości wiatru, teperaturę i ciśnienie. Modele te wyagają jednak dalszego dopracowania, tj. tzw. skalowania w dół dla prognozowania kliatu w wybranej lokalizacji. Konieczne jest wprowadzenie znacznie gęstszej siatki położeń i krótszego kroku czasowego. Istnieje szereg etod osiągania skalowania w dół, jednak żadna z nich, z powodu ograniczonego dostępu do danych, nie będzie w pracy wykorzystywana. Z uwagi na dalsze prace w ty kierunku zostanie w skrócie przedstawiona jedna, być oże najbardziej obiecująca etoda, która przez analogię do techniki stosowanej w filach i aniacji koputerowej została nazwana orfingie. Technika ta polega na płynny przekształcaniu jednego obrazu w inny, a w przypadku przewidywania zian kliatycznych na płynnej zianie danych kliatycznych obecnych na przyszłe. W orfingu wykorzystuje się dane kliatyczne, prognozy pogodowe, dane uzyskane dzięki wsponiany wcześniej odelo globalnej cyrkulacji oraz regionalny odelo kliatu. Metoda ta charakteryzuje się szeregie dodatnich cech. Pierwszą jest jej wiarygodność, gdyż wykorzystywany w niej tzw. kliat bazowy to współcześnie zbierane dane kliatyczne. Po drugie otrzyywane wyniki są zgodne z wyogai eteorologii. Przestrzenne skalowanie w dół uzyskuje się dzięki serio danych pogodowych obserwowanych w danej lokalizacji. Istnieje jednak niebezpieczeństwo, że kliat w przyszłości oże ieć inny charakter niż obecny. Należy zadać pytanie, czy w przyszły ocieplony kliacie ocieplenie wystąpi we wszystkich iesiącach, czy jedynie w iesiącach letnich. Na to pytanie nie a chwilowo odpowiedzi. Pierwszy krokie orfingu jest wygenerowanie danych kliatu bazowego. Proces ten polega na uśrednieniu wszystkich danych zawartych w zbiorze eteorologiczny. Oznaczając każdą daną przez x 0 wartość średnią dla danego iesiąca, otrzyujey z następującej relacji:

4 40 x = d N lata ¹ ce dni iesi x (1) w której d to liczba dni w iesiącu, N liczba lat uśrednianego okresu. Zbiór średnich dla wszystkich iesięcy pełnych danych pogodowych stanowi kliat bazowy, na który opiera się orfing. Morfing zawiera trzy ogólne operacje: przesunięcie, rozciąganie, przesunięcie i rozciąganie. Przesunięcie o Δx do obecnej wartości kliatycznej x 0 pozwala wyznaczyć jej nową wartość: dla każdego iesiąca, gdzie Δx jest absolutną zianą średniej wartości obliczanej danej pogodowej, a nowa wartość średniej iesięcznej wyznaczana jest z poniższej zależności Rozciągnięcie o wartość α nowej wartości danej pogodowej x podaje zależność (4) gdzie α jest ułakową zianą średniej iesięcznej wartości dla iesiąca. Średnia iesięczna przyjie wartość Kobinację przesunięcia i rozciągnięcia oblicza się następująco stąd iesięczna średnia wyniesie x = x0 +Dx (2) x = x 0 +D x (3) x Tak więc dla każdej danej kliatycznej stosowana jest jedna z powyższych operacji, dla której współczynnik Δx lub α lub też oba naraz, dla operacji trzeciej, tj. przesunięcia i rozciągnięcia, wyznaczane są przy wykorzystaniu wyienionych powyżej zależności. x = a x0 (4) =α x0 (5) ( ) ( ) ( ) x = x +D x +α x - x = x +D x + 1 -α x - x (6) x = x 0 +D x (7) 3. Scenariusz analogiczny Obecnie, z braku danych uożliwiających wyznaczenie współczynników oówionych w punkcie 2, do dalszych obliczeń zostanie wykorzystana odiana scenariusza analogicznego. Z danych eteorologicznych z okresu został wybrany najcieplejszy rok, tj. rok o najwyższej średniej teperaturze otoczenia. Dodatkowo dane te posłużyły do wyznaczenie średniej wartości teperatur, które przedstawione są w tabeli 1. Średnia z całego dziesięcioletniego okresu wynosi 7,6 º C.

5 41 Średnie teperatury roczne w latach Tabela 1 Rok Średnie tep. 7,3 8,3 7,0 7,2 6,6 Rok Średnie tep. 7,8 8,5 9,1 7,9 6,7 Średnie iesięczne teperatury w ww. okresie oraz średnie iesięczne teperatury w roku 1983 Tabela 2 Miesiąc Średnie tep. cały okres Średnie tep Miesiąc Średnie tep. cały okres Średnie tep styczeń -3,0 3,2 lipiec 17,2 19,4 luty -3,3-2,6 sierpień 17,2 18,5 arzec 2,3 4,0 wrzesień 13,2 14,6 kwiecień 7,2 9,7 październik 8,4 8,7 aj 13,4 15,6 listopad 3,3 2,0 czerwiec 16,3 17,0 grudzień -0,8-0,8 Z tabeli 1 wynika, że najcieplejszy rokie w oawiany dziesięcioleciu był rok 1983, dla którego średnia teperatura jest wyższa o 1,5 o C od średniej dziesięcioletniej. Rok ten został przyjęty jako rok bazowy i dla niego wyznaczono przebiegi teperatur wewnątrz budynku. Średnie teperatury kolejnych iesięcy w ww. okresie oraz średnie teperatury z roku 1983 podane są w tabeli 2.Wyznaczone zostały współczynniki funkcji opisującej dobowy przebieg teperatury dla każdego iesiąca roku Zakłada się, że dobowe ziany paraetru opisane są funkcją trygonoetryczną [2]. Wartości współczynników funkcji podano w tabeli 3. Dla współczynników z tabeli 3 wyznaczono dobowe przebiegi teperatur wewnętrznych w czerwcu, lipcu i sierpniu rys. 2, 3, 4. Przebiegi teperatur wyznaczono wg algorytu obliczeniowego opisanego w [2]. Na wykresach rys. 2, 3, 4 sybole tw i tz oznaczają teperatury wewnętrzną i zewnętrzną odpowiednio. Natoiast ociepl. i śred. to teperatury w kliacie ocieplony i w średni kliacie z oawianego dziesięciolecia.

6 42 Wartości współczynników średnich iesięcznych teperatur w roku 1983 Tabela 3 Miesiąc T Śr A φ Miesiąc T Śr A φ styczeń 3,16-0,59 0,43 lipiec 19,39-4,73 0,80 luty -2,60-1,78 0,52 sierpień 18,48-5,31 0,88 arzec 4,03-2,09 0,76 wrzesień 14,57-3,58 0,89 kwiecień 9,67-4,00 0,84 październik 8,72-2,67 0,91 aj 15,61-4,47 0,84 listopad 2,03-1,26 0,84 czerwiec 17,00-4,94 0,89 grudzień -0,77-1,19 0,75 4. Wnioski Przedstawiona w punkcie 2 etoda orfingu wydaje się być najbardziej obiecującą techniką prognozowania zian kliatycznych. Metoda ta wyaga wykorzystania szeregu paraetrów pogodowych niedostępnych w literaturze przediotu. Zdecydowano się więc na przedstawiony w punkcie 3 scenariusz, który wydaje się nie odbiegać istotnie od scenariuszy analogicznych opisanych w punkcie 2. Szczupłość iejsca nie pozwala na przedstawienie obliczeń dla budynków o różnej charakterystyce cieplno-przepływowej. Przedstawione w artykule wyniki obliczeń dotyczą jedynie budynku o obudowie lekkiej. Opór Rys. 2. Teperatury otoczenia i przebiegi teperatur w budynku w czerwcu Fig. 2. Tie history of teperature inside and outside building in June

7 cieplny obudowy zewnętrznej przekracza 4 ( 2 K)/W, powierzchnia okien stanowi 15% powierzchni podłogi, a pojeność cieplna wynosi zaledwie 25% pojeności cieplnej budynku ciężkiego o identycznej kubaturze i grubości uru 0,6 [2]. Pokazane na rys. 2, 3 i 4 przebiegi teperatur wewnętrznych wskazują, że teperatura w poieszczeniu wzrasta średnio o wartość 0,55 C w czerwcu, 2,07 C w lipcu i 1,24 C w sierpniu. Otrzyane wyniki obliczeń i ostatnie dane zawarte w literaturze przediotu wskazują potrzebę analizy projektów architektonicznych w kontekście zaznaczającego się ocieplenia kliatu. 43 Rys. 3. Teperatury otoczenia i przebiegi teperatur w budynku w lipcu Fig. 3. Tie history of teperature inside and outside building in July Rys. 4. Teperatury otoczenia i przebiegi teperatur w budynku w sierpniu Fig. 4. Tie history of teperature inside and outside building in August

8 44 Literatura [1] Belcher S.E., Hacker J.N., Powell D.S., Constructing design weather data for future cliates, Building Serv. Eng. Res. Technol., 26, 1, 2005, [2] Bzowska D., Dynaika procesów wyiany ciepła I naturalnej wyiany powietrza w budynkach o różnej strukturze ateriałowej przegród, Prace IPPT 2/2007. [3] Coley D., Kershaw T., Changes in internal teperatures within the built environent as a response to a changing cliate, Building and Environent, 45, 2010, [4] Eaes M., Kershaw T., Coley D., On the creation of future probabilistic design weather years fro UKCP09, Building Serv. Eng. Res. Technol., 32, 2, 2011, [5] Eaes M., Kershaw T., Coley D., The creation of wind speed and direction data for the use in probabilistic future weather files, Building Serv. Eng. Res. Technol., 32, 2, 2011, [6] Tha Y., Muneer T., Leverowe G.J., Chow D., An exaination of UKCP09 solar radiation data sets for the UK cliate related to their use in building design, Building Serv. Eng. Res. Technol., 32, 3, 2011, [7] Intergovernental Panel on Cliate Change ( [8] UKCIP (