Meteorologická psychrometria: vlhkosť v atmosfére a jej technické využitie

H-x diagram bol navrhnutý pre klimatizačnú techniku, ale rovnaké fyzikálne princípy – závislosť saturačného tlaku pary od teploty, adiabatické procesy, kondenzácia – platia aj pre vzduch v atmosfére. Oblaky nie sú nič iné než vzduch, ktorého teplota klesla pod rosný bod. Föhn je psychrometrický jav opísateľný h-x diagramom. A klimatické dáta (EPW súbory) sú psychrometrickým profilom lokality po celý rok a vstupom pre energetické simulácie budov.

Kondenzačná hladina a vznik oblakov

Vzduch stúpajúci nad ohriatym povrchom sa adiabaticky ochladzuje. Kým nie je nasýtený, ochladzuje sa suchým adiabatickým gradientom, a to približne 9,8 °C/km. Akonáhle teplota klesne na rosný bod, začína kondenzácia. Táto výška sa nazýva kondenzačná hladina (LCL – Lifted Condensation Level) a zodpovedá základni oblakov. Nad ňou sa vzduch ochladzuje pomalšie nasýteným adiabatickým gradientom (4–7 °C/km), pretože kondenzácia uvoľňuje latentné teplo. Rozdiel medzi oboma gradientmi je základom föhnového efektu.

V h-x diagrame vzduch začína v bode A, adiabaticky sa ochladzuje pozdĺž izentalpy, kým nedosiahne krivku nasýtenia. Teplota v tomto priesečníku zodpovedá teplote mokrého teplomera vstupného vzduchu.

Föhnový efekt a jeho psychrometrické vysvetlenie

Föhn je teplý suchý vietor na záveternej strane pohoria – asymetrický adiabatický cyklus:

1. Náveterná strana: vzduch stúpa, najprv sa sucho-adiabaticky ochladzuje (9,8 °C/km), od kondenzačnej hladiny nasýteno-adiabaticky (=5 °C/km). Zrážky odvedú časť vlhkosti, takže $x$ klesá.
2. Cez hrebeň: vzduch dosiahne vrchol s nižším $x$ než na štarte.
3. Záveterná strana: vzduch klesá sucho-adiabaticky (9,8 °C/km), pretože je nenasýtený – žiadne zrážky. Výsledkom je vzduch s rovnakou entalpiou ako na štarte, ale vyššou teplotou a nižšou vlhkosťou.

Príklad: vzduch na 500 m n. m. pri 10 °C / 80 % RH stúpa cez hrebeň 3 000 m. Na záveternej strane v rovnakej výške môže mať 20–22 °C / 30–35 % RH – o 10 °C teplejší a výrazne suchší.

Hmla je kondenzácia bez stúpania

Hmla je oblak na úrovni terénu. Vzniká, keď sa vzduch ochladí pod rosný bod bez vertikálneho pohybu radiačným ochladením v noci (radiačná hmla), prítokom teplého vlhkého vzduchu nad studený povrch (advekčná hmla) alebo zmiešaním dvoch vzduchových hmôt (zrážková hmla). Vo všetkých prípadoch ide o prekročenie krivky nasýtenia v h-x diagrame.

Meranie vlhkosti v meteorológii

Meteorologické stanice merajú teplotu suchého a mokrého teplomera aspiračným psychrometrom alebo kapacitným senzorom. Z dvoch hodnôt sa dopočítajú všetky psychrometrické veličiny. Výškový profil atmosféry meria rádiosonda, čo je balónový prístroj so senzormi teploty, vlhkosti a tlaku. Výsledkom je aerologický diagram (skew-T log-P), meteorologická varianta h-x diagramu.

EPW súbory sú klimatické dáta pre simulácie

Energetická simulácia budovy (EnergyPlus, IDA ICE, DesignBuilder) potrebuje hodinové klimatické dáta po celý rok, tzv. TMY (Typical Meteorological Year). Štandardným formátom je EPW (EnergyPlus Weather Format), ktorý pre každú hodinu roka obsahuje teplotu suchého teplomera, rosný bod, relatívnu vlhkosť, tlak, solárne žiarenie, vietor a ďalšie premenné. Kľúčovou psychrometrickou premennou je rosný bod a z neho a suchej teploty softvér dopočíta entalpiu, mernú aj relatívnu vlhkosť pre každú hodinu.

Klimatická analýza v h-x diagrame

Vynesenie celoročných hodinových dát do h-x diagramu (psychrometrický klimatický graf) okamžite ukáže, ako veľkú časť roka sú podmienky vhodné pre free cooling, evaporatívne chladenie alebo pasívne vetranie. Pre Prahu leží väčšina letných hodín v oblasti 15–28 °C / 40–75 % RH, teda v pásme priaznivom pre pasívne a hybridné chladenie. Extrémne hodiny nad 30 °C tvoria len 1–3 % roka. Zimné hodiny sa sústreďujú do −5 až 5 °C / 70–90 % RH.

Časté otázky

Prečo sa nasýtený vzduch pri stúpaní ochladzuje pomalšie než suchý? Kondenzácia vodnej pary uvoľňuje latentné teplo, ktoré čiastočne kompenzuje ochladzovanie z expanzie. Preto je nasýtený gradient (4–7 °C/km) menší než suchý (9,8 °C/km).

Odkiaľ vziať EPW dáta pre moju lokalitu? Z verejných portálov (climate.onebuilding.org, energyplus.net), ktoré pokrývajú tisíce lokalít. Presnosť rosného bodu v EPW priamo ovplyvňuje výsledky simulácie spotreby na klimatizáciu.

Je aerologický diagram to isté čo h-x diagram? Zdieľajú fyziku, ale líšia sa osami. Aerologický (skew-T log-P) zobrazuje teplotu a rosný bod vo funkcii tlaku (výšky), zatiaľ čo h-x diagram entalpiu a mernú vlhkosť.