Naukowcy z Uniwersytetu Hawajskiego w Mānoa (UH Mānoa) opracowali nową, opartą na fizyce metrykę nazwaną „efektywnymi stopniodniami chłodzenia” (ECDD), która precyzyjniej określa zapotrzebowanie na energię w systemach klimatyzacji i chłodnictwa. Badanie, opublikowane w „Nature Communications”, wskazuje na fundamentalne braki stuletniej miary „stopniodni chłodzenia” (CDD), która nie uwzględnia rzeczywistych warunków pracy systemów.
Dlaczego tradycyjne stopniodni chłodzenia są niewystarczające?
Tradycyjne stopniodni chłodzenia, powszechnie stosowane w wielu branżach do szacowania zapotrzebowania na energię, opierają się na założeniu, że każdy stopień ciepła wymaga takiej samej ilości energii do schłodzenia, niezależnie od panujących warunków. Jednak w rzeczywistości systemy chłodnicze nie działają w ten sposób – ich efektywność maleje wraz ze wzrostem temperatury. Dodatkowo, wysoka wilgotność powietrza pogarsza sytuację, ponieważ system musi zużywać energię na osuszanie powietrza, a nie tylko na obniżanie jego temperatury.
Jake Casselman, badacz nauk atmosferycznych z UH Mānoa, podkreśla, że szacunki stopniodni chłodzenia są wykorzystywane przez przedsiębiorstwa energetyczne, operatorów sieci, planistów energetycznych i inżynierów do przewidywania zapotrzebowania na energię elektryczną. Jeśli używana miara jest obciążona błędem, decyzje planistyczne również będą nieprawidłowe. Może to prowadzić do budowy niewłaściwej mocy wytwórczej w niewłaściwym miejscu lub błędnej oceny ryzyka dla sieci podczas fal upałów.
Nowa metryka uwzględnia temperaturę i wilgotność
Casselman i profesor Christina Karamperidou z UH Mānoa połączyli wiedzę z zakresu nauk klimatycznych z inżynierią chłodniczą, aby opracować nową metrykę zapotrzebowania na chłodzenie. Ich podejście, „efektywne stopniodni chłodzenia”, jawnie uwzględnia, jak efektywność systemu chłodniczego zmienia się wraz z temperaturą i wilgotnością. Model zawiera uproszczoną reprezentację cyklu chłodniczego – tej samej fizyki, która rządzi każdą klimatyzacją i lodówką – aby oszacować, jak efektywnie system może usuwać ciepło w różnych warunkach atmosferycznych. Projekt został zrealizowany dzięki współpracy badaczy z inżynierami zarządzania ciepłem z Environmentally Applied Refrigerant Technology Hub, którego UH Mānoa jest kluczowym partnerem.
Spadek efektywności i regionalne różnice
Naukowcy zastosowali nową metrykę do 50 lat danych pogodowych (1971–2020) z Ameryki Północnej. Stwierdzili, że efektywność chłodzenia spadała o 2% do 4% na dekadę od 1971 roku. Okazało się, że stara metryka, oparta wyłącznie na temperaturze, błędnie oceniała zapotrzebowanie na chłodzenie w różnych regionach, zawyżając je w niektórych miejscach i zaniżając w innych.
Wpływ wilgotności wprowadził istotną zmianę w wynikach. W regionach suchych, takich jak pustynny Południowy Zachód, wysuszanie powietrza może rekompensować wyższe temperatury, utrzymując efektywność na stałym poziomie, a nawet ją poprawiając. Natomiast w regionach wilgotnych, ciepło i wilgoć wzajemnie się potęgują, co znacznie zwiększa obciążenie energetyczne w porównaniu do samego wzrostu temperatury. Casselman nazwał to zjawisko „przeciąganiem liny”, gdzie te dwa efekty działają w przeciwnych kierunkach na kontynencie – czego nie ujawniłby sam pomiar temperatury.
Prognozy na przyszłość i wpływ na sieć energetyczną
Analizę powtórzono, wykorzystując projekcje z 19 modeli klimatycznych w scenariuszu wysokich emisji, aby ocenić przyszłe zmiany. Wyniki naniesiono na mapę amerykańskiej sieci energetycznej, uwzględniając gęstość zaludnienia, aby zidentyfikować regiony i systemy energetyczne najbardziej narażone na największe zmiany w zapotrzebowaniu na chłodzenie.
Profesor Karamperidou wskazała, że regiony, które w przyszłości odnotują największy wzrost zapotrzebowania na chłodzenie, to Północny Zachód, Wielkie Jeziora i Środkowy Atlantyk. W niektórych regionach sieci energetycznej przewiduje się ponad dwukrotny wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną związaną z chłodzeniem do połowy stulecia w scenariuszu wysokich emisji. Podkreśla, że precyzyjne określenie zapotrzebowania na chłodzenie jest kluczowe dla planowania, wymiarowania i eksploatacji przyszłej infrastruktury energetycznej w obliczu zmian klimatycznych.
Opracowano na podstawie informacji rynkowych: HVAC / branża ogólna. Inspiracja źródłowa: ACHR News.
