שינוי האקלים מחייב תכנון עדכני של מיזוג אוויר

כדי לתכנן באופן אופטימלי מערכות מיזוג אוויר באזור שלנו, שבו הטמפרטורות עולות באופן מתמיד, יש לעשות שימוש בנתונים עדכניים ובמדדים אקלימיים * מאמר זה מציג תחזיות עדכניות שעשויות להשפיע על העתיד של כולנו

ד״ר יצחק יוסף

הטמפרטורה העולמית ככלל וזו של מזרח אגן הים התיכון בפרט נמצאת בעליה מתמדת מאז תחילת המאה שעברה וביתר שאת בארבעת העשורים האחרונים. האזור בו שוכנת מדינת ישראל מוגדר כ-hot spot, אזור בעל רגישות גבוהה לשינויי אקלים, בו שיעור העליה בטמפרטורה הינו כפול מהגידול בטמפרטורה העולמית. בשל שינויים אלו ואלו החזויים יש לעשות שימוש בנתונים עדכניים לצורך תכנון אופטימאלי של מערכות מיזוג אוויר. תכנון כזה יוביל לשיפור בקביעת גודלן ואופיין של המערכות, התאמתן לתפקידן ובנוסף גם יחסוך באנרגיה ועלויות.

פרסום

מגמות עבר ועתיד בטמפרטורה בישראל

הטמפרטורה הממוצעת בישראל משנות ה-50 של המאה הקודמת ועד שנת 2020 עלתה באופן משמעותי בשיעור של כ-0.25 מעלת צלסיוס (מ״צ) לכל עשור. בשלושת העשורים האחרונים (1991- 2020), כבר נמדדה עליה חדה ומובהקת בשיעור של כ-0.6 מ״צ/עשור. איור 1 מתאר את השינוי בטמפרטורה בישראל בתקופה 2020-1950, ניתן לראות שהעליה בטמפרטורה אינה מונוטונית וכי שנות ה-60-50 של המאה הקודמת היו יחסית חמות, אחר כך היתה ירידה מסוימת והתייצבות הטמפרטורה סביב שנות ה-80-70. לקראת סוף שנות ה-80 ותחילת שנות ה-90 של המאה הקודמת החלה עליה חדה ועקבית בטמפרטורה.

איור 2 מתאר את התחזיות על-פי המודלים האקלימיים (מודלים פיזיקליים המורצים עבור תרחישי פליטת גזי חממה שונים על גבי מחשבי על). האיור מציג שני תרחישים שונים להשפעה על הטמפרטורה, האחד מתאר מצב בו האנושות מגיעה לשיא פלטות פחמן דו-חמצני לקראת שנת 2050 ואחר כך ישנה ירידה בשיעור הפליטות (RCP4.5 – בירוק), זהו התרחיש המתון. התרחיש השני הינו תרחיש חמור יותר בו האנושות אינה עושה דבר לצמצום פליטת גזי חממה ("business as usual" – RCP8.5 באדום). ניתוח שני תרחישים אלו מעלה כי מגמת ההתחממות צפויה בלאו הכי להימשך עד אמצע המאה. במקרה של התרחיש החמור יותר, הטמפרטורה הממוצעת באזורנו צפויה להמשיך ולעלות כך שלקראת סוף המאה הטמפרטורה תעלה בשיעור של כ-5 מ״צ מעל לממוצע תקופת הייחוס 1961-1990.

שינויים אלו מובילים לכך שכבר נצפתה עליה מובהקת בתדירות במספר הלילות והימים החמים (בהם הטמפרטורה חוצה את אחוזון 90) לצד ירידה במספר הלילות והימים הקרים (בהם הטמפרטורה יורדת מתחת לאחוזון 10). בנוסף, קיימת מגמת עליה מובהקת בטמפרטורת המינימום הלילית הגבוהה ביותר בשנה וכן התארכות בולטת במשך גלי החום. לשינויים אלו נודעת חשיבות מכרעת בבואנו לערוך תכנון אופטימאלי של מערכות מיזוג אוויר בהתאם לסוג המבנה ויעודו (מעבדות, משרדים, בתי עסק, תעשיה קלה/כבדה וכד׳). איור 1 מציג את טווח השנים של הפרסום הקודם מול הפרסום המעודכן. ניתן לראות שהפרסום המעודכן נמצא בתקופה חמה יותר באופן ברור, מהתקופה בה יצא הפרסום הקודם. לאור זאת, מצאנו לנכון בשירות המטאורולוגי לעדכן את הפרסום הקודם של מדדים אקלימיים לתכנון מיזוג אוויר, בו הנתונים התייחסו בעיקר לתקופה 1999-1985.

מדדים לתכנון – פרסום מעודכן 2019-2005

העבודה הנוכחית מציגה תשתית מעודכנת של נתוני אקלים, של מעל ל-60 תחנות מטאורולוגיות מאזורים מייצגים בישראל, לצורך תכנון מערכות חימום, קירור ואוורור, בתקופה 2019-2005. העבודה מבוססת על גרסת 2001 של ASHRAE האמריקאית, שאומצה על-ידי אימק״ם, האיגוד הישראלי של מהנדסי קירור ומיזוג אוויר. על פי גרסה זו חושבו אחוזונים על בסיס שנתי של טמפרטורה יבשה עם ממוצע בו-זמני של טמפרטורה לחה; אחוזונים של טמפרטורה לחה עם ממוצע בו-זמני של טמפרטורה יבשה ואחוזונים של טמפרטורת נקודת הטל (מ״צ) ויחס הערוב (החזק אדים – גר׳/ק״ג) וממוצע בו-זמני של טמפרטורה יבשה (מ״צ). כמו כן, מוצגים ממוצעים וסטיות תקן של טמפרטורות קיצון שנתיות על-בסיס תקופה ארוכה יותר 2019-1990. נתוני הקיצון מיועדים להבטיח המשך פעולה של מתקני הקירור והחימום גם בתנאים קיצוניים (אם כי בתפוקה מוקטנת). נתוני האקלים לתקופה האחרונה, מאפשרים למהנדס ולמתכנן שימוש מיטבי בהתאם לצורך הפרטני של הפרויקט באתר נתון.

הבדלים מהפרסום הקודם

א. רזולוציית מכשירי המדידה ומספר התחנות המייצגות

כאמור, המדדים בעבודה הקודמת חושבו לתקופה 1999-1985. בתקופה זו רב המדידות המטאורולוגיות בוצעו בצורה ידנית על-ידי מתנדבים שהוכשרו לכך. מטבע הדברים, בתקופה זו לא היו מדידות רציפות של נתונים וקצב המדידה בזמן נע משתי מדידות ביום בלבד ועד למדידה מדי שלוש שעות. התקינה של ASHRAE קובעת כי יש לעשות שימוש בנתונים שעתיים (8760 שעות בשנה) ולכן היה צורך לשערך כמות גדולה של נתונים כדי לחשב את המדדים האקלימיים בפרסום הקודם. בעבודה הנוכחית נעשה שימוש רק בתחנות מטאורולוגיות אוטומטיות המודדות מגוון של אלמנטים מטאורולוגיים מדי 10 דקות ולכן לא היה צורך לשחזר ערכים שעתיים ומכאן עבודה זו מדויקת יותר. כמו כן, עבודה זו מכילה יותר תחנות תצפית מקודמתה (62 מול 56).

ב. טמפרטורה מקסימלית ומינימאלית יומית

בחלק הקודם ראינו את הגידול המובהק בטמפרטורה וההבדל המאוד בולט בין שתי התקופות. חשוב לציין כי השינוי לא בא לידי ביטוי רק בערך הממוצע אלא גם בזנבות ההתפלגות אשר עשויים להיות מאוד קריטיים לתכנון מערכות מיזוג אוויר. איור 3 מתאר לדוגמה את התפלגות נתוני טמפרטורת המינימום והמקסימום היומית בתחנת בית דגן (נמצאת בסמוך לראשון לציון ומייצגת את אזור מישור החוף), של הפרסום הקודם ושל זה המעודכן. הזחת ההתפלגות ימינה לערכי טמפרטורה גבוהים יותר בפרסום המעודכן ניכרת מאוד. שינוי זה הוביל ככלל גם לעליות בזנבות אם כי בשיעור שונה בין הזנב הימני לשמאלי ובין אם מדובר בטמפרטורת המקסימום או המינימום וכן תלוי באזור הגיאוגרפי. באיור 3א׳ ו-3ב׳ ניתן להבחין בגידול משמעותי של כ-1.5 מ״צ בממוצע באחוזונים הגבוהים יחד עם עליה מתונה יותר של כ-0.7 מ״צ באחוזונים הנמוכים בטמפרטורת המינימום. העליה ניכרת גם בטמפרטורת המקסימום היומית, איור 3ג׳ ו-3ד׳, עם גידול ברור של כ-0.8 מ״צ בממוצע באחוזונים הנמוכים יחד עם גידול ממוצע של כ-0.3 מ״צ באחוזונים הגבוהים.

ככלל, קיים גידול באחוזונים הקיצוניים בשני קצוות ההתפלגות, של טמפרטורת המקסימום והמינימום היומית בכלל הארץ. כך למשל באזור ההרים (תחנת ירושלים) קיימת עליה יחסית דומה בקרב כלל האחוזונים בשיעור ממוצע של כ-0.8 מ״צ, באזור הנגב (תחנת באר שבע) נמדדה עליה ממוצעת של כמעלה בזנב הימני של טמפרטורת המינימום ועליה של כחצי מעלה בזנבה השמאלי, יחד עם עליה בטמפרטורת המקסימום היומית בשיעור של כ-0.7 מ״צ בממוצע באחוזונים השונים.

ג. מגמות באחוזונים הקיצוניים של הטמפרטורה השעתית

המדדים האקלימיים לתכנון מיזוג אוויר המפורסמים, מבוססים על נתונים שעתיים של טמפרטורה יבשה וטמפרטורה לחה לסדרת זמן ארוכה (המלצת ASHRAE היא ל-12 שנים לפחות). במקרה שלנו החישוב בוצע לתקופה 2019-2005 (ושל העבודה הקודמת 1999-1985). כאמור, האקלים הנוכחי אינו סטציונארי ומתאפיין במגמת עליה מתמדת בטמפרטורה. מכאן, המדדים לתכנון יהיו גבוהים ככל שמשקל השנים המאוחרות יהיה גדול יותר. לאור זאת, מצאנו לנכון להתמקד ב-15 השנים האחרונות על פני תקופה ארוכה יותר. עם זאת, כדי לאמוד את שיעור השינוי שחל באחוזונים יש צורך בבחינת סדרות זמן ארוכות. איור 4 וטבלה 1 מתארים את מגמת השינוי בטמפרטורה השעתית היבשה, באחוזונים הקיצוניים הנמצאים בשני קצוות ההתפלגות, בטווח פרסום העבודה הקודמת עד הנוכחית, 2019-1985. כך לכל שנה חושבו ערכי האחוזונים השונים מהם הוכנו סדרות הזמן (איור 4 בצבע אפור). המגמות לסדרות אלו, חושבו לבית דגן המייצגת את אזור מישור החוף ולירושלים המייצגת את אזור ההרים. חישוב המגמה וקביעת מובהקותה (ברמה של 5%), בוצעו באמצעות Mann-Kendall ו- Sen’s slope estimator, אלו שיטות סטטיסטיות אפרמטריות, הנחשבות ליותר רובסטיות ופחות מושפעות מערכים קיצוניים. המגמות חושבו למדדי התכנון עבור שני קצוות ההתפלגות לאחוזונים 99.6 (0.4), 99 (1), 98 (2) על פי 8760 שעות שנתיות. שהם, 35, 88 ו-175 שעות בממוצע בשנה (בהתאם לאחוזון), בהם ערכי הטמפרטורה יהיו גבוהים או שווים (או נמוכים או שווים) מערך האחוזון.

מניתוח זה עולה כי חלה עליה ברורה ומובהקת באחוזונים הקיצוניים של הזנב הימני (98, 99, 99.6) של הטמפרטורה השעתית היבשה. במישור החוף שיעור העליה הממוצע באחוזוני קצה אלו, עומד על כחצי מעלה לעשור (איור 4א׳) ובהרים על כ-0.4 מ״צ/עשור (איור 4ג׳). באחוזונים הנמצאים בצד השמאלי של התפלגות (2, 1) חלה עליה מובהקת בטמפרטורה באזור מישור החוף בשיעור של כ-0.4 מ״צ/עשור (איור 4ב׳), למעט המגמה באחוזון 0.4 שלא נמצאה מובהקת ברמת ביטחון של 95% (p-value=0.053). שיעור ההתחממות באזור ההרים באחוזוני הקצה של הזנב השמאלי עומד על כ-0.3 מ״צ/עשור, אך מגמות אלו לא נמצאו מובהקות (טבלה 1). המשמעות היא שלמרות החימום הכללי המובהק, עדיין יתכנו אירועים קרים מאוד שלא שונים בצורה מובהקת מהעבר.

טבלה 1. מגמות הטמפרטורה (מ״צ/עשור), עם רווחי הסמך ברמת ביטחון של 95% ומידת המובהקות בתחנת בית דגן (ירוק) וירושלים (צהוב), בתקופה 2019-1985.

ד. הבדלים במדד תכנון קירור ובקרת לחות

בדומה לעבודה הקודמת גם בעבודה זו הוגדרו מספר מדדים המבוססים על ערכים שעתיים של טמפרטורה יבשה, טמפרטורה לחה וטמפרטורת נקודת הטל. רק התנודה היומית של הטמפרטורה בחודש החם וממוצע הערך השנתי הקיצוני מבוססים על מדידות יומית של טמפרטורת המקסימום ומינימום. בחלק זה נציג דוגמה למדדים אקלימיים לתכנון עבור קירור ובקרת לחות בחלוקה לשתי קבוצות. קבוצה 1 מיועדת למערכות מיזוג אוויר שבהן מרכיב הטמפרטורה הלחה הוא קטן, למשל מערכות עם כמות קטנה של אוויר צח, או מתקני אוורור. קבוצה 2 מיועדת למרבית מערכות מיזוג האוויר הביתיות.

פרסום

טבלה 2 מציגה את הנתונים כפי שהם מופיעים בטבלאות של הפרסום הנוכחי והפרסום הקודם יחד עם טבלה נוספת המציגה את ההפרשים בין הערכים. איור 5 מציג את ערכי ההפרשים לכל אחד ממדדים אלו. בדומה להבדלים בטמפרטורה היומית ולמגמות באחוזונים השונים של הטמפרטורה השעתית, כפי שראינו בסעיפים הקודמים, גם כאן ניתן לראות שהטמפרטורה היבשה עלתה ביותר ממעלה בתחנות המייצגות אזורים שונים באחוזונים הקיצונים של הזנב הימני של ההתפלגות (כ-1.2 מ״צ בממוצע בתחנות אלו). גם הטמפרטורה הלחה נמצאת בעליה באחוזונים הנבחנים, עם שיעור גידול ממוצע של כ-0.9 מ״צ.

סיכום

האקלים שלנו אינו קבוע בזמן ומאופיין במגמת עליה ברורה ודי קבועה בטמפרטורה כבר כארבעה עשורים. העליה בערך הממוצע של הטמפרטורה משפיעה גם על העליה בתדירותם של ערכי הקיצון. כך מספר הימים והלילות החמים עולה בעוד שמספר הימים והלילות הקרים יורד, תדירותם ועוצמתם של גלי חום נמצא בעליה אף הוא. בעבודה זו הראנו כי מגמת העליה בטמפרטורה קיימת בצורה מובהקת גם באחוזונים הקיצוניים, בשיעור ממוצע של 0.5-0.4 מ״צ/עשור, בפרט באלו של הזנב הימני החם. עליית ערך הטמפרטורה הקיצונית הנמוכה, נמצאה מובהקת באזור מישור החוף ולא מובהקת סטטיסטית בהרים. מכאן, שחרף ההתחממות עדיין יכולים להתרחש אירועי קיצון קרים מאוד.

למהנדס ולמתכנן מערכות מיזוג אוויר חשוב להכיר את שיעור השינוי. כמו כן, מומלץ להביא בחשבון שעל פי כלל התחזיות האקלימיות השונות (המתונות והחמורות), אנו צפויים להמשך ההתחממות, לפחות גם בשני העשורים הקרובים. שכן רק מאמצע המאה הנוכחית קיים שוני בולט בין התחזיות השונות, בהתאם לשיעור פליטות גזי החממה והמסלול בו תבחר האנושות. תכנון מערכות מיזוג בעידן של שינויי אקלים הינו מאתגר ועשוי להיות קריטי לאור ההקצנה ההולכת וגוברת, לכן נושא זה חייב להיות לנגד עיניו של כל מתכנן.

ד"ר יצחק (איציק) יוסף הוא מנהל תחום קלימטולוגיה סטטיסטית בשירות המטאורולוגי. אחראי על ניהול התכנון והביצוע של המחקר הקלימטולוגי באגף אקלים. עוסק במחקר וניתוח של מגוון נושאים אקלימיים ככלל וכאלו הקשורים לשינויי אקלים בעבר ובעתיד בישראל בפרט. בוגר החוג לגיאופיזיקה באוניברסיטת תל-אביב, עם התמחות במדעי האטמוספירה ובעל מספר גדול של פרסומים מקומיים ופרסומים בכתבי עת בין לאומיים

המאמר באדיבות התאגדות מהנדסי החשמל והאלקטרוניקה