Změna klimatu a IPCC scenáře z hlediska potřeby tepla a chladu

10. srpna 2018

Partneři sekce:

Mezivládní panel pro změny klimatu (IPCC), vědecký mezivládní orgán založený v roce 1988 k vyhodnocování rizik změny klimatu, doposud publikoval během svého působení pět komplexních hodnotících zpráv, které shrnují nejnovější poznatky z klimatologie, a také hodnotí aspekty změny klimatu z hlediska vědeckého, technického a socio-ekonomického. IPCC také představil scénáře změny klimatu, které reflektují rozdílné způsoby ekonomického rozvoje naší planety. Hlavním cílem toho příspěvku je zhodnotit výzvy způsobené globální změnou klimatu, představit cíle udržitelného rozvoje a zkoumat dopad IPPC scénářů na budovy z hlediska potřeby tepla a chladu.

Změna klimatu, globální oteplování, je výraz, který se v současnosti používá pro razantní zvyšování průměrné teploty vzduchu a povrchových vod. Tento jev, jehož dopad je již nyní pozorovatelný, představuje významný a vážný problém naší generace a také generací nadcházejících. Ačkoli se změna klimatu děje tak rychle, že již způsobila přesun rostlinných a živočišných druhů, závažnost tohoto tématu je některými politiky, novináři či vědci podceňována, nebo i zcela opomíjena.

Zemské klima se bez pochyby měnilo v průběhu celé historie naší planety. Klimatické výkyvy započaté v období neogénu, označované jako glaciály a interglaciály, jsou následky malých změn precese a náklonu zemské osy a následné změny celkového množství slunečního záření, které naše planeta přijímá. Existují také další faktory, tzv. klimatické faktory (anglicky „climate drivers“), které mohou ovlivnit charakter zemského klimatu. Jedná se například o faktory související s vodou, jako jsou skleníkové plyny, změny mořských proudů, nebo změny poloh kontinentů, či faktory kataklyzmatické představující přírodní katastrofy a rozsáhlé přírodní děje spojené se zásadními změnami v přírodním prostředí.

Během posledních 650 000 let se uskutečnilo 7 cyklů dob ledových, poslední doba ledová skončila přibližně před 7 000 lety. Současný trend globálního oteplování je však zcela bezprecedentní [1]. Změna klimatu si již vybrala svoji daň v podobě ustupujících ledovců, ztráty mořského ledu, snížení ročního množství sněhu, a také v podobě krátkodobých extrémních přírodních událostí, jako jsou delší období veder, či přívalové deště [2].

Jednou ze změn, kterou takto rapidní globální oteplování vytváří, je ústup korálových útesů [3], které jsou kriticky důležité pro námořní tropické a subtropické národy. Proto jejich vážný úbytek (odhaduje se, že 30 % již bylo vážně poškozeno od dob průmyslové revoluce a téměř 60 % jich může do roku 2030 být zcela ztraceno) představuje pro tyto národy vážnou hrozbu. Při oteplení oceánu a změně jeho pH nastává tzv. bělení korálů, kdy dochází k vyloučení barevných řas, které zajištují korálům výživu. Přestože mnoho politiků a zástupců zemí světa popírá vazbu mezi skleníkovými plyny, změnou klimatu a bělením korálových útesů, významní vědci považují toto propojení za nesporné [4, 5]. Dopad lidské činnosti na stav korálových útesů je jen jedním z mnoha sledovaných témat Mezivládním panelem pro změny klimatu.

Mezivládní panel pro změny klimatu (IPCC)

Mezivládní panel pro změny klimatu (anglicky „Intergovernmental Panel on Climate Change“ – IPCC) je vědecký mezivládní orgán založený v roce 1988 Světovou meteorologickou organizací (WMO) a Programem OSN pro životní prostředí (UNEP) k získávání a shromažďování znalostí o všech aspektech problematiky změny klimatu a k poskytování objektivních zdrojů informací o jejích příčinách, o potencionálních environmentálních a socio-ekonomických dopadech globálního oteplování a o možnostech přizpůsobení se těmto důsledkům nebo o možnostech zmírnění jejich účinků [6].

Kromě speciálních zpráv ke konkrétním problémům týkajícím se globální změny klimatu IPCC vytváří a publikuje souhrnné hodnotící zprávy zpravidla v šesti- až sedmiletých intervalech. Do dnešního dne IPPC vypracoval pět hodnotících zpráv. Tyto souhrnné zprávy jsou vytvářeny souborem recenzované a publikované vědecké práce [7], IPCC totiž neprovádí vlastní originální výzkum a ani přímo nemonitoruje klimatické změny. IPCC zveřejnil svou První hodnotící zprávu (FAR) v roce 1990, Doplňkovou zprávu v roce 1992, Druhou hodnotící zprávu (SAR) v roce 1995, Třetí hodnotící zprávu (TAR) v roce 2001 a Čtvrtou hodnotící zprávu (AR4) v roce 2007. V letech 2013 a 2014 byly postupně zveřejněny jednotlivé části Páté hodnotící zprávy (AR5). Každá ze zpráv zmiňuje oblasti, ve kterých došlo k vědeckému pokroku od minulé zprávy a také oblasti, ve kterých je třeba další výzkum.

Doposud poslední hodnotící zpráva uvádí, že je extrémně pravděpodobné (tj. s minimálně 95% jistotou), že dominantní příčinou současného globálního oteplování je zvýšená koncentrace skleníkových plynů a že k navyšování koncentrací dochází v důsledku lidských aktivit. Jedním z nejvíce hojných skleníkových plynů v atmosféře Země je oxid uhličitý (CO₂), z hlediska celkového dopadu na skleníkový efekt je CO₂ dokonce hodnocen jako druhá nejvýznamnější sloučenina v atmosféře naší planety. Koncentrace atmosférického CO₂ dramaticky vzrostla od dob průmyslové revoluce (od poloviny 19. století) z tehdejších 280 ppm na dnešní hodnotu 407 ppm (roční průměr v roce 2017). První nárůst o 30 ppm se uskutečnil asi 200 let po průmyslové revoluci, avšak další nárůst o více než 95 ppm se udál během let 1958–2016 (Obr. 1). Roční průměrná hodnota koncentrace CO₂ je stanovena na základě měření na sopce Mauna Loa na Havaji, koncentrace CO₂ v období před rokem 1958 je zjištěna analýzou antarktického ledovce Vostok [8, 9].

Obr. 1 Spline roční koncentrace atmosférického CO2 od roku 0 do roku 2016

Scénáře IPCC

Ve Čtvrté hodnotící zprávě byly publikovány různé budoucí scénáře změny klimatu. Tyto projekce změny teploty (viz Obr. 2) se vztahují ke konci 21. století (2090–2099) ve srovnání s teplotami na konci století 20. (1980–1999). Horní a dolní limit představují tzv. pravděpodobný rozsah, tj. rozsah s více než 66% pravděpodobností. Rodina scénářů A1 popisuje budoucí svět s velmi rychlým hospodářským růstem a vývojem nových technologií. Růst světové populace dosáhne vrcholu v polovině 21. století a následně začíná lehce klesat. Tato skupina se dále dělí na 3 podskupiny dle rozdílného důrazu na zdroje energie: A1FI reprezentuje důraz fosilně intenzivní, scénář A1T důraz na nefosilní energetické zdroje a vyvážený scénář A1B rovnováhu napříč všemi zdroji (kde vyvážený je definován jako nevyužívající příliš jeden konkrétní zdroj energie). Scénář A2 představuje velmi heterogenní svět. Téma tohoto scénáře je zachování místních identit a sebejistoty místních orgánů s nepřetržitým nárůstem světové populace.

Technologické změny v tomto scénáři jsou pomalejší a více fragmentované než v případě ostatních scénářů. Scénář B1 popisuje stejný trend v celosvětové populaci jako scénář A1 s rychlou změnou ekonomiky směrem ke službám a informační struktuře, snižováním spotřeby materiálu a zaváděním čistých a energeticky účinných zdrojů. Základním tématem tohoto scénáře je důraz na globální řešení ekonomických, sociálních a environmentálních témat. Scénář B2 popisuje svět, ve kterém je kladen důraz na lokální (regionální) řešení ekonomické, sociální a environmentální udržitelnosti. Celosvětové zvýšení počtu obyvatel je v celém sledovaném období kontinuální, avšak nižší než v případě scénáře A2. Úroveň hospodářského a technologického rozvoje je v případě toho scénáře nižší a více diverzifikované než v případě scénářů A1 a B1.

V Páté hodnotící zprávě jsou projekce založeny na koncentraci CO₂ na konci hodnoceného období, tj. v roce 2100. Jednotlivé projekce se nazývají Reprezentativní směry vývoje koncentrací (RCP). Tyto projekce jsou označeny podle přibližného radiačního působení v roce 2100 v porovnání s rokem 1750: RCP 2.6 (koncentrace CO₂ dosahující v roce 2100 421 ppm), RCP 4.5 (koncentrace CO₂ 538 ppm), RCP 6.0 (koncentrace CO₂ 670 ppm) a RCP 8.5 (koncentrace CO₂ 936 ppm) [10].

Obr. 2 Projekce změny teploty na konci 21.století ve srovnání s teplotou na konci 20. století

IPCC scénáře z hlediska potřeby tepla a chladu

Záměrem tohoto příspěvku je analyzovat změnu potřeby tepla a chladu v průmyslové budově po uplatnění dvou scénářů IPCC ze Čtvrté hodnotící zprávy: scénáře A1B a scénáře A2. Zkoumaná budova se nachází v Brně v České republice a slouží pro výrobní účely firmy střední velikosti zabývající se výrobou, tiskem a prodejem propagačních předmětů a dárků spolu se souvisejícími službami. V nové potiskové hale a v přilehlých místnostech je několik tiskových operací a postupů, které vytvářejí nadměrné vnitřní zisky a zápach. Významnou část těchto vnitřních zisků tvoří tepelné zisky z technologií, zejména ze tří vozokomorových výpalových pecí na keramiku. Analýza těchto tepelných zatížení a kalibrace modelu pro simulace je uvedena v podrobné studii [11].

Simulační model

Geometrický model potiskové haly a přilehlých místností byl vytvořen v programu BSim 2002 pomocí grafického uživatelského rozhraní SimView a je znázorněn na Obr. 3a. Model střešních světlíků v potiskové hale byl vymodelován podrobně (viz. Obr. 3b) kvůli jejich velké ploše a z toho vyplývajících významných solárních zisků. Tepelné zisky a ztráty jsou pokryty VZT jednotkou. Horní hranice rozsahu vnitřní teploty v potiskové hale pro chlazení je 25 °C, dolní hranice rozsahu vnitřní teploty pro vytápění je 18 °C.

Rodina scénářů A1 popisuje budoucí svět s velmi rychlým hospodářským růstem a vývojem nových technologií. Růst světové populace dosáhne vrcholu v polovině 21. století a následně začíná lehce klesat. Tato skupina se dále dělí na 3 podskupiny dle rozdílného důrazu na zdroje energie: A1FI reprezentuje důraz fosilně intenzivní, scénář A1T důraz na nefosilní energetické zdroje a vyvážený scénář A1B rovnováhu napříč všemi zdroji (kde vyvážený je definován jako nevyužívající příliš jeden konkrétní zdroj energie). Scénář A2 představuje velmi heterogenní svět. Téma tohoto scénáře je zachování místních identit a sebejistoty místních orgánů s nepřetržitým nárůstem světové populace. Technologické změny v tomto scénáři jsou pomalejší a více fragmentované než v případě ostatních scénářů.

Scénář B1 popisuje stejný trend v celosvětové populaci jako scénář A1 s rychlou změnou ekonomiky směrem ke službám a informační struktuře, snižováním spotřeby materiálu a zaváděním čistých a energeticky účinných zdrojů. Základním tématem tohoto scénáře je důraz na globální řešení ekonomických, sociálních a environmentálních témat. Scénář B2 popisuje svět, ve kterém je kladen důraz na lokální (regionální) řešení ekonomické, sociální a environmentální udržitelnosti. Celosvětové zvýšení počtu obyvatel je v celém sledovaném období kontinuální, avšak nižší než v případě scénáře A2. Úroveň hospodářského a technologického rozvoje je v případě toho scénáře nižší a více diverzifikované než v případě scénářů A1 a B1.

Obr. 3 b) geometrický model světlíků potiskové haly

Obr. 3 a) geometrický model budovy, b) geometrický model světlíků potiskové haly

IPCC scénáře z hlediska potřeby tepla a chladu

Obr. 4 Průměrná měsíční potřeba energie na vytápění (vlevo) a chlazení ve zkoumaném objektu

Simulační model

Obr. 5 Roční spotřeba energie na vytápění a chlazení v potiskové hale a přilehlých místnostech

Závěr

Prezentované výsledky simulací ilustrují vliv změny klimatu na spotřebu chladu a tepla v průmyslové budově ve střední Evropě. Podle očekávání je potřeba na vytápění budovy nižší po uplatnění scénářů A1B a A2 než při použití klimatických dat na základě typického meteorologického roku, avšak potřeba energie na chlazení se výrazně zvýší. Již nyní provozovatel budovy řeší problém s přehříváním budovy, v případě razantního navýšení teplot by bylo pro provozovatele ještě obtížnějším úkolem dodržovat vhodné pracovní podmínky pro zaměstnance v prostoru potiskové haly a přilehlých prostor.

Pokud jde o změnu klimatu, stojí před lidstvem obrovská výzva. Úkolem naší generace a generací nadcházejících je změnit svět v průběhu několika následujících desetiletí tak, aby docházelo k průběžné dekarbonizaci naší planety, zatímco by se postupně eliminoval problém chudoby a hladu. Mnoho dopadů změny klimatu naší planety lze již nyní pozorovat, a pokud nebudou provedeny razantní změny co nejrychleji, její dopady budou ještě mnohem zásadnější. Vědecké studie potvrzují, že je technicky a ekonomicky proveditelné udržet hodnotu nárůstu globální teploty do 2 °C ke konci 21. století ve srovnání s teplotou na konci 20. století, avšak je nutné omezit koncentraci oxidu uhličitého v atmosféře na hodnotu 450 ppm do roku 2100. K dosažení tohoto důležitého cíle je mimo jiné nutné snížit emise do konce tohoto století až na hodnotu nulovou.

Ing. Jan Weyr
Autor působí na katedře TZB, Stavební fakulty VUT v Brně.

Obrázky: archiv autora

Literatura:
[1] GILLIS, Justin. Short answers to hard questions about climate change. The New York Times, 2015, 25.
[2] SANTER, Benjamin D., et al. A search for human influences on the thermal structure of the atmosphere. Nature, 1996, 382.6586: 39.
[3] HUGHES, Terry P., et al. Climate change, human impacts, and the resilience of coral reefs. Science, 2003, 301.5635: 929-933.
[4] HOEGH-GULDBERG, Ove, et al. Coral reefs under rapid climate change and ocean acidification. Science, 2007, 318.5857: 1737-1742.
[5] WATSON, R. T., et al. 3rd Assessment report of the inter-governmental panel on climate change. Climate Change 2001: synthesis report. 2001.
[6] WEART, Spencer. International Cooperation: Democracy and Policy Advice (1980s). The Discovery of Global Warming, 2014.
[7] Chapter 2: Evaluation of IPCC’s Assessment Processes, in IAC 2010, p. 16.
[8] KEELING, Charles D., et al. Atmospheric CO2 and 13CO2 exchange with the terrestrial biosphere and oceans from 1978 to 2000: Observations and carbon cycle implications. In: A history of atmospheric CO2 and its effects on plants, animals, and ecosystems. Springer, New York, NY, 2005. p. 83-113.
[9] MACFARLING MEURE, C., et al. Law Dome CO2, CH4 and N2O ice core records extended to 2000 years BP. Geophysical Research Letters, 2006, 33.14.
[10] IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change [online]. Geneva, 2018 [cit. 2018 03 07]. Dostupné z: https://www.ipcc.ch
[11] WEYR, Jan, ŠIKULA, Ondřej. Internal microclimate and heat accumulation assessment in industrial building. In INDOOR CLIMATE OF BUILDINGS 2016. Bratislava: Slovak Society of Environme

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 2/2018.