Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad
METEOROLOGICKÁ MĚŘENÍ V OKOLÍ BUDOVY UCEEB Michal Sněhota1, 2, Vladimíra Jelínková2, Jan Šácha1, 2, Vojtěch Bareš1, 2, Tomáš Vogel1, 2 1)
Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství, Fakulta stavební, ČVUT v Praze, Thákurova 7, 166 29 Praha 6 2) Architektura a interakce budov s životním prostředím, UCEEB, ČVUT v Praze, Třinecká 1024, 273 43 Buštěhrad ANOTACE V areálu Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB) byla založena experimentální plocha monitorující meteorologické veličiny. Měření je prováděno na dvou pozemních meteostanicích a jedné stanici umístěné na střeše budovy. Kontinuální měření teploty vzduchu, relativní vlhkosti vzduchu, solární radiace, rychlosti a směru větru a srážek je v činnosti of druhé poloviny roku 2014. SUMMARY The experimental site was established at the research facility of the University Centre for Energy Efficient Buildings (UCEEB) in Bustehrad, Czech Republic to monitor relevant meteorological variables. It comprises two ground level and one rooftop weather stations. Continuous monitoring of air temperature, air relative humidity, solar radiation, wind speed, wind direction, and precipitation, has been in operation since the second half of 2014. ÚVOD Výstavba, ať urbánní nebo mimoměstká, vždy ovlivní místní klimatické poměry a to napříč různými měřítky. Vazby, spojující různá měřítka, jsou obousměrné a důležité ve smyslu územního plánování, udržitelného rozvoje, zdraví ap. Změna místních klimatických podmínek může být dále posílena globálními změnami klimatu. V těchto podmínkách stále silněji vyvstává potřeba řešení, která budou dopad zvyšující se extremality meteorologických jevů v zastavěném území tlumit a zlepšovat tak v zastavěném území podmínky pro život. Ke konkrétním výzvám můžeme řadit např. řešení problematiky městských tepelných ostrovů nebo energetické náročnosti budov. Pro modelování energetických bilancí při vývoji nových postupů, přístupů, stavebních prvků a materiálů ve stavebníctví je zapotřebí detailně monitorovat meterologické veličiny v zájmových lokalitách. Cílem příspěvku je představit soustavu prvků pro meterologická měření v okolí budovy Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB), Českého vysokého učení technického v Praze. METODIKA Pro UCEEB zajišťujeme podrobný monitoring hydrometeorologických podmínek v okolí budovy na třech automatizovaných stanicích. Na dvou pozemních a jedné střešní stanici měříme množství srážek, teploty půdy a vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, atmosferický tlak, rychlost a směr větru a solární radiaci (Obr. 1, Tab. 1). Horní hrany srážkoměrů jsou umístěny ve výšce 1.0 m nad příslušným povrchem. Radiace, teplota a relativní vlhkost vzduchu, rychlost a směr větru se zaznamenává ve výšce přibližně 2 m, přízemní teplota vzduchu se také měří ve výšce 7 cm nad povrchem.
271
Pozemní meteostanice umístěná v severovýchodní části areálu („North-East“, 50°09'26.2"N 14°10'10.5"E) byla zprovozněna 4. září 2014. Nachází se na terénní zatravněné vlně v nadmořské výšce 357 m. Na stanoviště je možno nahlížet jako na referenční plochu s nízkým vlivem okolní zástavby V jihozápadní části areálu byla pozemní meteostanice („South-West“, 50°09'21.8"N 14°10'08.4"E) instalovaná 29. srpna 2014 nad povrchem tvořeným plastovými zatravňovacími dlaždicemi. Tato plocha je uvažována jako testovací a je možné ji pro výzkumné účely měnit (strukturní, funkční změny). Je umístěna v nadmořské výšce okolního upraveného terénu – 355 m. Střešní meteostanice („Green roof“, 50°09'25.0"N 14°10'12.1"E) je umístěna na extenzivní zelené střeše, která je součástí budovy UCEEB v nejvyšší úrovni 365,3 m n.m. Je nejlépe vybavenou a nejdéle sledovanou stanicí. Zprovozněna byla 3. července 2014. Měření na této meteostanici podporuje kromě jiného výzkumné aktivity zaměřené na výzkum toků vody a energie v zelených střechách [1].
Obr. 1 Polohy meteostanic na střeše v okolí budovy UCEEB. Kromě tří pevných stanic je dispozici jedna mobilní radiační stanice (využita např. při studiu prostorové variability výparu na extenzivní zelené střeše [2]), která není trvale instalována a může být nasazena operativně v rámci řešení projektů UCEEBu. Mobilní stanice může být dále vybavena standardními meteočidly. U každé z pevných meteostanic zajišťují napájení datových záznamníků (datalogerů) místní elektrické rozvody a tím umožňují vysokou frekvenci měření. Zároveň je ale u všech datalogerů zajištěno záložní bateriové napájení na desítky až stovky hodin provozu, takže případné výpadky elektrické energie v objektu nezpůsobí výpadek v datech. Data jsou zaznamenávána v minutových intervalech pomocí datalogerů CR1000 a CR3000 (Cambell Scientific, Logan, USA). Datalogery jsou vybaveny programovatelným jazykem CRBasic umožňujícím pružné přizpůsobení programu měření, např. přidání dalších čidel nebo
272
upravení četnosti měření pro mobilní radiační/meteo/stanici bez stálého připojení k elektrické síti. Následně jsou data pomocí ethernetové sítě UCEEBu každých 15 minut automaticky zálohována na virtuálním serveru v serverech UCEEBu. Odtud jsou data dvakrát denně publikována na web pomocí programu Vista Data Vision (Vista Engineering, Reyjkavik, Island), kde jsou data ukládána v MySQL databázi a autorizovaní uživatelé mají možnost získat datové řady jednotlivých měřených veličin za zvolené časové období. Tab. 1 Popis čidel používaných pro měření meteorologických veličin na třech stálých (1, 2 a 3) meteostanicích v areálu budovy UCEEB a jedné mobilní stanici (4). Veličina
Specifikace čidla
Srážky1,2,3
Překlopný srážkoměr 52202 (R M Young), vyhřívaný, měření dešťových i sněhových srážek, plocha 200 cm2, rozlišení 0.1 mm
Teplota vzduchu (≈7cm) 1,2,3
Radiace1,4
UV odolné, vodotěsné, univerzální teplotní čidlo CS107 s operační teplotou v rozmezí od -55°C do +70°C a přesností 0.08°C, s radiačním krytem MET20 Komponentní CNR4 Net radiometr (Kipp & Zonen) vybavený dvojicí pyranometrů pro měření krátkovlnného dopadajícího a odraženého záření a dvojicí pyrgeometrů pro měření dlouhovlnného dopadajícího a vyzářeného záření, spektrální rozsah pyranometrů 300 – 2800 nm, pyrgeometrů 4500 – 42000 nm
Radiace1
Snímač globální radiace pyranometr CMP11 (spektrální rozsah 285 – 2800 nm) se stínícím prstencem CM121 (Kipp & Zonen) pro stínění umístěného čidla od přímého záření během roku umožňující exaktní měření difúzního záření
Radiace2,3
Net radiometr NR Lite 2 (Kipp & Zonen) pro přímé měření čisté radiace
Směr a rychlost větru1,2,3
Anemometr A100R s větrnou směrovou korouhví W200P (Vector Instruments Ltd.)
Teplota a vlhkost vzduchu (2m)1,2,3
Univerzální čidlo pro měření teploty a relativní vlhkosti vzduchu CS215 s radiačním krytem MET20
Barometrický tlak1
Čidlo barometrického tlaku CS100 včetně pouzdra pro měření v rozmezí tlaků 600 – 1100 mb
CS… Campbell Scientific Ltd., 1… střešní stanice „Green roof“, 2… pozemní stanice „South-West“, 3… pozemní stanice „North-East“, 4… mobilní stanice
273
VÝSLEDKY A DISKUZE Od zprovoznění jednotlivých stanic probíhá měření bez přerušení a byla tak dosud získána řada meteodat v trvání jednoho roku. Data byla dosud zpřístupněna několika výzkumným skupinám UCEEBu převážně prostřednictvím rozhranní Vista Data Vision (náhled viz obr. 2). V dalším textu jsou uvedeny ukázky dosud naměřených dat.
A)
S
V
Z
B)
S
J
J
S
S
V
Z
C)
V
Z
ws… [m s-1]
V
Z
ws… [m s-1]
J
J
S
S
V
Z
V
Z
ws… [m s-1]
J
ws… [m s-1]
ws… [m s-1]
ws… [m s-1]
J
Obr. 2 Větrné růžice pro meteostanice „Green roof“ – (A), pro „North-East“ (B) a pro „SouthWest“ (C) v roce 2014 (vlevo) a 2015 (vpravo). Rychlost větru je zaznamenána jako průměrná rychlost měřená za období 1 minuty. Obr. 2 znázorňuje formou větrných růžic četnosti výskytu větru o daném směru a velikosti. Je patrné že na všech meteostanicích převládá jihozápadní směr větru s nejčastější rychlostí od 1 do 3 m s-1. Vyjímku tvoří stanice „South-West“, kde se v roce 2014 často vyskytoval severovýchodní vítr rychlosti 1 – 2 m s-1. Četnosti rychlostí jsou ve větrných růžicích pro lepší přehlednost kumulativně načítány. 274
Obr. 3 a 4 představují ukázky dat naměřených pozemní a střešní stanici.
Obr. 3 Průběh teplot vzduchu naměřených meteostanicí „Green roof“ v období od 1.1.2015 do 9.9.2015. Na pravé ose je znázorněn kumulativní úhrn srážek v jednotlivých dnech.
Obr. 4 Příklad dat teplot vzduchu ve výšce 7 cm a 200 cm nad povrchem a dat relativní vlhkosti vzduchu z pozemní meteostanice „North-East“ v průběhu pěti dnů v letním období 2015. ZÁVĚR Tři meteostanice na střeše a v okolí budovy UCEEB jsou plně funkční a zajistily získání roční řady měření základních meteorologických veličin. Do budoucna je cílem skupiny, udržet monitorovací systém v plném provozu tak, aby mohl poskytovat výzkumným týmům UCEEBu, nebo komerčně externím odběratelům, spolehlivá meterologická data surová, nebo na vyžádání zpracovaná. V současnosti jsou datové řady přístupné na adrese http://147.32.99.42/vdv/vdv.php (přístupové údaje na vyžádání). Okamžité hodnoty meteodat jsou nově volně dostupné na adrese http://147.32.99.40:5001/index.html. Měření v areálu UCEEB bude dále rozšiřováno o měření teploty půdy a vodního potenciálu v různých hloubkách u pozemních stanic a měření vlhkosti substrátu zelené střechy. PODĚKOVÁNÍ Děkujeme P. Moravcikovi, který se podílel na tvorbě volně dostupné webové stránky prezentující okamžitá data. Tato práce vznikla za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
275
LITERATURA [1] JELÍNKOVÁ V., DOHNAL M., PICEK T.: Green roof segment for monitoring hydrological and thermal behavior of anthropogenic soil systems. Soil and Water Research (in print) [2]
DOHNAL M., JELÍNKOVÁ V., URBAN L. a MÜLLER J.: Vyhodnocení prostorové variability výparu na extenzivní zelené střeše. Sborník UCEEB 2015.
276
