Meteorologická psychrometrie: vlhkost v atmosféře a její technické využití

H-x diagram byl navržen pro klimatizační techniku, ale stejné fyzikální principy — závislost saturačního tlaku páry na teplotě, adiabatické procesy a kondenzace — platí i pro vzduch v atmosféře. Oblaky nejsou nic jiného než vzduch, jehož teplota klesla pod rosný bod. Föhn je psychrometrický jev popsatelný h-x diagramem. A klimatická data (EPW soubory) jsou psychrometrickým profilem lokality po celý rok a vstupem pro energetické simulace budov.

Kondenzační hladina a vznik oblaků

Vzduch stoupající nad ohřátým povrchem se adiabaticky ochlazuje. Dokud není nasycen, ochlazuje se suchým adiabatickým gradientem, a to přibližně 9,8 °C/km. Jakmile teplota klesne na rosný bod, začíná kondenzace. Tato výška se nazývá kondenzační hladina (LCL - Lifted Condensation Level) a odpovídá základně oblaků. Nad ní se vzduch ochlazuje pomaleji nasyceným adiabatickým gradientem (4–7 °C/km), protože kondenzace uvolňuje latentní teplo. Rozdíl mezi oběma gradienty je základem föhnového efektu.

V h-x diagramu vzduch začíná v bodě A, adiabaticky se ochlazuje podél izentalpy, dokud nedosáhne křivky nasycení. Teplota v tomto průsečíku odpovídá teplotě mokrého teploměru vstupního vzduchu.

Föhnový efekt a jeho psychrometrické vysvětlení

Föhn je teplý suchý vítr na závětrné straně pohoří - asymetrický adiabatický cyklus:

1. Návětrná strana: vzduch stoupá, nejprve se sucho-adiabaticky ochlazuje (9,8 °C/km), od kondenzační hladiny nasyceno-adiabaticky (=5 °C/km). Srážky odvedou část vlhkosti, takže $x$ klesá.
2. Přes hřeben: vzduch dosáhne vrcholu s nižším $x$ než na startu.
3. Závětrná strana: vzduch klesá sucho-adiabaticky (9,8 °C/km), protože je nenasycený - žádné srážky. Výsledkem je vzduch o stejné entalpii jako na startu, ale vyšší teplotě a nižší vlhkosti.

Příklad: vzduch na 500 m n. m. při 10 °C / 80 % RH stoupá přes hřeben 3 000 m. Na závětrné straně ve stejné výšce může mít 20–22 °C / 30–35 % RH - o 10 °C teplejší a výrazně sušší.

Mlha je kondenzace bez stoupání

Mlha je oblak na úrovni terénu. Vzniká, když se vzduch ochladí pod rosný bod bez vertikálního pohybu radiačním ochlazením v noci (radiační mlha), přítokem teplého vlhkého vzduchu nad studený povrch (advekční mlha) nebo smícháním dvou vzduchových hmot (srážková mlha). Ve všech případech jde o překročení křivky nasycení v h-x diagramu.

Měření vlhkosti v meteorologii

Meteorologické stanice měří teplotu suchého a mokrého teploměru aspiračním psychrometrem nebo kapacitním senzorem. Ze dvou hodnot se dopočítají všechny psychrometrické veličiny. Výškový profil atmosféry měří radiosonda, což je balonový přístroj se senzory teploty, vlhkosti a tlaku. Výsledkem je aerologický diagram (skew-T log-P), meteorologická varianta h-x diagramu.

EPW soubory jsou klimatická data pro simulace

Energetická simulace budovy (EnergyPlus, IDA ICE, DesignBuilder) potřebuje hodinová klimatická data po celý rok, tzv. TMY (Typical Meteorological Year). Standardním formátem je EPW (EnergyPlus Weather Format), který pro každou hodinu roku obsahuje teplotu suchého teploměru, rosný bod, relativní vlhkost, tlak, solární záření, vítr a další proměnné. Klíčovou psychrometrickou proměnnou je rosný bod a z něj a suché teploty software dopočítá entalpii, měrnou i relativní vlhkost pro každou hodinu.

Klimatická analýza v h-x diagramu

Vynesení celoročních hodinových dat do h-x diagramu (psychrometrický klimatický graf) okamžitě ukáže, jak velkou část roku jsou podmínky vhodné pro free cooling, evaporativní chlazení nebo pasivní větrání. Pro Prahu leží většina letních hodin v oblasti 15–28 °C / 40–75 % RH, tedy v pásmu příznivém pro pasivní a hybridní chlazení. Extrémní hodiny nad 30 °C tvoří jen 1–3 % roku. Zimní hodiny se soustředí do −5 až 5 °C / 70–90 % RH.

Časté dotazy

Proč se nasycený vzduch při stoupání ochlazuje pomaleji než suchý? Kondenzace vodní páry uvolňuje latentní teplo, které částečně kompenzuje ochlazování z expanze. Proto je nasycený gradient (4–7 °C/km) menší než suchý (9,8 °C/km).

Odkud vzít EPW data pro moji lokalitu? Z veřejných portálů (climate.onebuilding.org, energyplus.net), které pokrývají tisíce lokalit. Přesnost rosného bodu v EPW přímo ovlivňuje výsledky simulace spotřeby na klimatizaci.

Je aerologický diagram totéž co h-x diagram? Sdílejí fyziku, ale liší se osami. Aerologický (skew-T log-P) zobrazuje teplotu a rosný bod ve funkci tlaku (výšky), zatímco h-x diagram entalpii a měrnou vlhkost.