Klimaberegninger

Til konserveringssiden

Innhold

Forord

Kjennskap til klimaet kan øke forståelsen for nedbrytningen og dermed legge et godt grunnlag for bevaring og konservering. Når man driver med klimastyring er det også fordelaktig å ha god oversikt over klimaet. Etter å ha målt klimaet er det ofte nødvendig å gjøre utregninger for å finne verdier som ikke lar seg måle direkte. Beregninger kan også vise hva som skjer om man endrer en av klimafaktorene eller man kan finne ut hva som må til for å få et ønsket klima. Til slike beregninger finnes det tabeller og diagrammer, men disse er tungvinte når man har store mengder måledata. Behovet for å gjøre utregningene med kalkulator eller regneark er i dag stort siden mange gjør sine klimamålinger med dataloggere.
Det prøves derfor her å gi museumsmedarbeidere uten dyptgående kunnskaper om matematikk og data muligheter til å få mer ut av sine klimamålinger. Grunnleggende kunnskaper om klimamåling og databehandling er likevel nødvendig. Her følger litt klimateori, utregningsformler og til slutt hvordan få dette inn i et regneark.
Alt i artiklen er basert på anerkjente klimatekniske og matematiske teorier. Jeg kommer ikke med noe nytt, men prøver å anskueliggjøre litt kompliserte oppgaver.

Til innhold

Klimateori

Med klima menes lufttemperaturen og luftens fuktinnhold. Temperaturen (t) måles i grader Celsius (°C). Fuktinnholdet i luften kan måles på to måter. Absolutt luftfuktighet (AF) måles i gram vann per kubikkmeter luft (g/m3) eller gram vann per kilogram luft (g/kg). Relativ luftfuktighet måles i prosent (%) og angir metningsgraden av vanndamp i luft. I sammenheng med nedbrytning og bevaring er det relativ luftfuktighet som er interessant, absolutt fuktighet brukes ved klimaforståelse og klimastyring.
Den relative luftfuktighet forteller oss hvor mye vanndamp det er i luften i forhold til hvor mye det er når luften er mettet. Relativ luftfuktighet er temperaturavhengig, ved høyere temperaturer kan mer vanndamp absorberes og den relative luftfuktighet synker såfremt den absolutte luftfuktighet er konstant. Når luften er 100% mettet ligger luften på duggpunktet.

Enhetene som brukes er:

For å ikke blande verdier med like enheter nummereres de med senkete tall (t1). Ønsker man å endre på klimaet benevnes utgangsenhetene med 1 og enhetene etter endring med 2. Eksempel: før (t1), (RF1) og etter (t2), (RF2). Settes en ligning med unummererte enheter inn i en ligning med nummererte enheter får alle enheter i den ligningen som settes inn samme nummer som enheten den erstatter.

Til innhold

Klimaberegninger

Utgangspunktet for klimaberegningene er to forhold. Det ene er forholdet mellom metningsdamptrykket til vanndamp i luft (pm) og temperaturen (t), se ligning 1. Dette forholdet er gitt ved en ligning som er empirisk utarbeidet. Den gjelder kun for temperaturer over 0°C. Vil man regne ut metningsdamptrykket ved temperaturer under 0°C må man korrigere med en annen formel. Her vil jeg kun bruke ligningen for temperaturer over 0°C da det er mest relevant. Det andre forholdet er mellom relativ fuktighet (RF) og metningsdamptrykk (pm), se ligning 2. Til orientering vil jeg forklare de matematiske tegnene for de som ikke er familiæe med dem. EKSP(x) betyr det naturlige tall opphøyd i x. Det vil si at EKSP(x)=ex. LN(x) betyr den naturlige logaritmen til x, altsådet motsatte av EKSP(x). De fire regneartene er slik; plus (+), minus (-), multiplisere (*), dividere (/).
Forholdet mellom temperatur og metningsdamptrykk:
ligning 1

pm=610,78*EKSP((t*17,2694)/(t+238,3))

Forholdet mellom metningsdamptrykk (pm) og relativ luftfuktighet (RF):
ligning 2

RF1/RF2=pm2/pm1

Til innhold

Relativ luftfuktighet (RF)

Ønsker vi å vite den relative luftfuktigheten på en mengde luft etter en temperaturendring der vi kjenner den relative luftfuktighet før (RF1), temperaturen før (t1) og temperaturen etter (t2) isolerer vi RF2 fra ligning 2:
ligning 3

RF2=RF1*pm1/pm2

Ligning 1 i ligning 3 og erstatter pm1 og pm2 :
ligning 4

RF2=RF1*(610,78*EKSP((t1*17,2694)/(t1+238,3)))/ (610,78*EKSP((t2*17,2694)/(t2+238,3)))

En forenkling an ligning 4 blir slik:
ligning 5

RF2=RF1*EKSP(((t1/(t1+238,3))-(t2/(t2+238,3)))*17,2694)

Til innhold

Temperatur (t)

Er temperaturen (t2) ukjent slik som når vi ønsker å vite hvilken temperatur luften må ha hvis den skal ha en gitt relativ fuktighet må vi vite den relative luftfuktighet før (RF1) og etter (RF2) og temperaturen før (t1). Vi begynner med å isolere t i ligning 1 og kaller den t2, pm blir da pm2:
ligning 6

t2=(ln(pm2/610,78)*238,3)/(17,2694-ln(pm2/610,78))

Deretter isolerer vi pm2 fra ligning 2:
ligning 7

pm2=pm1*RF1/RF2

Så erstatter vi pm2 i ligning 6 med pm2 i ligning 7 og vi får da at:
ligning 8

t2=((ln((pm1*RF1)/(610,78*RF2)))*238,3)/ (17,2694-ln((pm1*RF1)/(610,78*RF2)))

Ligning 1 settes inn i ligning 8 og vi erstatter t med t1 og får:
ligning 9

t2=((ln((610,78*EKSP((t1*17,2694)/(t1+238,3))*RF1)/(610,78*RF2)))*238,3)/ (17,2694-ln(610,78*EKSP((t1*17,2694)/(t1+238,3))*RF1)/(610,78*RF2)))

Forkortet blir den slik:
ligning 10

t2=ln((EKSP(t1/(t1+238,3)*17,2694)*RF1)/RF2)*238,3/ (17,2694-ln((610,78*EKSP(t1/(t1+238,3)*17,2694)*RF1)/RF2))

Til innhold

Duggpunktet (td)

For å finne duggpunktet (td) går man ut fra det aktuelle damptrykket (pa) til vanndamp ved den gitte temperatur (t). Siden vi vet at forholdene mellom de relative luftfuktigheter og metningsdamptrykkene er proporsjonale (ligning 2) vil det aktuelle damptrykket (pa) være:
ligning 11

pa=pm*RF/100

Hvis den relative fuktighet (RF) er 100 % vil pa være lik pm og duggpunktet være det samme som temperaturen. Synker luftfuktigheten (RF) vil også det aktuelle damptrykket (pa) synke. Så regner vi ut duggpunktet ved å finne ut hvilken temperatur damptrykket (pa) ville gitt hvis det var metningsdamptrykket (pm) og dermed duggpunktet (td) også. Vi setter derfor inn pa i ligning 11 som pm i ligning 6 og kaller t for td:
ligning 12

td=(ln(pm*RF/610,78*100)*238,3)/ (17,2694-ln(pm*RF/610,78*100))

Så settes pm fra ligning 1 inn i ligning 12:
ligning 13

td=(ln(610,78*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF/610,78*100)*238,3)/ (17,2694-ln(610,78*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF/610,78*100))

Forkortet er ligningen slik:
ligning 14

td=(ln(0,01*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF)*238,3)/ (17,2694-ln(0,01*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF))

Til innhold

Absolutt luftfuktighet (AF)

Kjenner vi temperaturen og den relative luftfuktighet kan vi beregne hvor mye vann det er per volumenhet luft. Vi går ut fra ligningen:
ligning 15

p=n*R*t/V

Hvor:

Dette gir:
ligning 16

(m/18g)/V=pa/R*t

Isolerer vi massen (m) og kaller den (mg/m3) får vi:
ligning 17

mg/m3=2,166*pa/(t+273,16)

Så settes ligning 11 inn i ligning 17:
ligning 18

mg/m3=2,166*pm*(RF/100)/(t+273,16)

Så settes ligning 1 inn i ligning 18:
ligning 19

mg/m3=2,166*610,78*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694) *(RF/100)/(t+273,16)

Forkortet blir det:
ligning 20

mg/m3=13,23*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)* RF/(t+273,16)

Når man driver med klimastyring måles den absolutte fuktighet oftest i gram vann per kilo luft (g/kg). Vanndampens masse kaller vi da (mg/kg). Tørr luft har en mol masse på 0,029 kg/mol og vanndamp har en molmasse på 0,018 kg/mol som er lik 18g/mol. Det totale lufttrykket er p (100000 Pascal, Pa), partialtrykket til vanndamp er pa og partialtrykket til tørr luft er da p- pa. Vanndampens masse blir da:
ligning 21

mg/m3=gram vanndamp/kilogram tørr luft=18g*pa/0,29*(p-pa)

Forkorter vi og setter inn 100000 Pa for p får vi:
ligning 22

mg/m3=621*pa/(100000Pa-pa)

Hvis vi anser at pa under brøkstreken blir forsvinnende liten i forhold til p kan vi forkorte enda mer:
ligning 23

mg/m3=0,00621*pa

Setter vi pa fra ligning 11 inn i ligning 23 får vi:
ligning 24

mg/m3=0,00621*pm*(RF/100)

Og setter vi inn pm fra ligning 1 inn i ligning 24 får vi:
ligning 25

mg/m3=0,00621*610,78*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*(RF/100)

Forkortet blir den slik:
ligning 26

mg/m3=0,0379294*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF

Til innhold

Psykrometermåling

Ved måling av klima med psykrometer tar man utgangspunkt i de to temperaturene som avleses. Den ene er lufttemperaturen (t) og den andre er temperaturen til vann som fordamper (tv). Jo tørrere luften er, dessto hurtigere fordamper vannet og dessto lavere blir (tv). Differansen mellom tørr og våt temperatur stiger når det blir tørrere. Er den relative luftfuktigheten 100 % vil ikke noe vann fordampe, og temperaturene er like. Ut fra ligning 11 får vi:
ligning 27

RF=100*pa/pm

Forholdet mellom damptrykkene og temperaturene er definert ved konstantene P og A som til sammen er 63 over 0°C og 56 under 0°C, pv er metningsdamptrykket til den våte temperatur(tv). Likningen er slik:
ligning 28

pv-pa=PA*(t-tv)

Hvis vi isolerer pa får vi:
ligning 29

pa=pv-(63*(t-tv))

Setter vi inn ligning 1 og 29 inn i ligning 27 får vi:
ligning 30

RF=100*(pv-(63*(t-tv)))/(610,78*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694))

Og setter vi inn ligning 1 i ligning 30 får vi:
ligning 31

RF=100*((610,78*EKSP(tv/(tv+238,3)*17,2694))-(63*(t-tv)))/ (610,78*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694))

Til innhold

Hvordan gjøre klimaberegninger i et regneark

For å gjøre utregninger på en enkel og effektiv måte anbefales det bruk av regneark. Regneark er særlig aktuelt hvis man har mange målinger slik man ofte har når brukes datalogger. Utregningene kan også gjøres med en kalkulator, i så fall helst en programmerbar.
De metodene og eksemplene jeg viser her er gjeldene for Microsoft Excel. Benytter man et annet regneark må formlene tilpasses derefter. Et regneark er et program som er laget hovedsakelig for utregninger av forskjellig art. Regnearket består av et uendelig antall felter i et rutemønster. Disse feltene ligger i rader (horisontale rekker) og kolonner (vertikale rekker), radene har numerisk benevning (1, 2, 3, osv.) og kolonnene har alfanumerisk benevning (A, B, C, osv.). Hvert felt har et navn ut fra hvilken rad og kolonne den ligger i. F. eks. B2 eller C4. Feltene kan fylles med bokstaver og tall, f. eks. forklaringstekst og måledata.

A

B

C

D
1 T °C pm    
2 15,0 6110    
3        
4        

For å få laget en utregning setter man de verdiene som inngår i hver sitt felt, og i det feltet der man ønsker svaret skriver man ligningen. For å kunne bruke formlene i et regneark må de skrives slik at regnearket forstår dem. Regneartene har andre tegn enn man normalt bruker og formelen skrives kun på en linje. Man skriver ikke inn enheten for det man ør å regne ut, men skriver bare "=" og formelen, se nedenfor. De regneartene som vi skal bruke her som er forskjellige er multiplikasjon /, divisjon * og eksponenten til det naturlige tall EKSP(x). Ligning 1 vil f. eks. skrives slik:
ligning 1

pm=610,78*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)

Da regnearket ikke vet hvilke enheter hvilke tall har, settes navnet på feltet inn isteden for enheten:

pm=610,78*EKSP(B2/(B2+238,3)*17,2694)

Når ligningen skal inn i feltet skriver man lik tegnet og deretter resten og avslutter med å trykke enter. Svaret vil da vises i feltet hvis alt er gjort riktig:

=610,78*EKSP(B2/(B2+238,3)*17,2694) + enter

Ønsker man å bruke den samme formelen i flere rader gjør man feltet aktivt for deretter å dra i feltets nedre høyre hjørne. Formelen vil da kopieres til de aktive felter og rad numrene vil endres slik at de er riktige.

A

B

C

D
1 T °C RF % Td °C H2O g/m3
2 18,0 28,0 -0,8 4,3
3        
4        

Skal man lage mer avanserte utregninger er det bare å følge samme prosedyre. Hvis man som i dette tilfelle skal regne ut duggpunktet (td) og absolutt fuktighet (H2O g/m3) setter vi formlene inn i respektive felter. For duggpunktet bruker vi ligning 14 og skriver den slik:

td=LN(0,01*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF)*238,3/
(17,2694- LN(0,01*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF))

Det som skal skrives inn i felt for duggpunkt er:

=LN(0,01*EKSP(A2/(A2+238,3)*17,2694)*B2)*238,3/(17,2694- LN(0,01*EKSP(A2/(A2+238,3)*17,2694)*B2))

For den absolutte fuktighet bruker vi ligning 20, og ligningen blir da:

mg/m3=(13,23* EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF)/(t+273,16)

Og i feltet skrives da følgende for absolutt fuktighet:

=(13,23* EKSP(A2/(A2+238,3)*17,2694)*B2)/(A2+273,16)

Til innhold

Oppsett og tolkning

Et eksempel på hvordan et oppsett kan være er dette:

A B C D E F G H I J K L M
1 Klima 1 Klima1b Klima1c Klima 2 1-2
2 T°C RF% Td°C g/m3 T°C RF% T°C RF% T°C RF% Td°C g/m3 D-L g/m3
3 inn inn ut ut inn ut ut inn inn inn ut ut ut
4 18,0 28,0 -0,8 4,3 20,0 24,7 7,7 55 10 75 5,8 7,0 -2,7
5 18 28 -0,8 4,3 15,0 33,9 8,8 51,0 20,0 55,0 10,7 9,5 -5,2

Her kan man sette inn måledata eller fiktive data og simulere klimaforandringer. Man kan endre en av faktorene og se hvordan de andre forandrer seg. I de kolonnene der det står «inn» er det meningen å fylle i sine klimadata, og i kolonnene det står «ut» kommer beregningene automatisk frem.
I feltene A4 og B4 setter man inn data fra et klima, f. eks inneklimaet (klima 1). Felt C4 viser da duggpunktet (Td) og felt D4 viser den absolutte fuktighet. Ønsker man å vite hva som skjer med den relative fuktighet når temperaturen (T) på inneklimaet (klima 1) endres, settes den fiktive temperaturen inn i felt E4. Den relative fuktigheten vises da i felt F4. Vi har nå et fiktivt inneklima vi kaller klima 1b. Ønsker man å vite hvilken temperatur vi må ha inne for å oppnå en spesifikk relativ fuktighet, settes den ønskede fuktighet inn i felt H4 og temperaturen vises i felt G4. Vi har nå det fiktive inneklimaet klima 1c. Har vi et annet klima vi vil sammenligne med klima 1, f.eks. et uteklima, settes det inn i feltene I4 og J4. Vi kaller det klima 2. Duggpunktet og den absolutte fuktighet vises da i feltene K4 og L4. Nå kan vi sammenligne duggpunktene og den absolutte fuktighet ute og inne. Felt M4 viser differansen på de absolutte fuktigheter. Duggpunktet og den absolutte fuktighet er interessante fordi de skal i prinsippet være like ute og inne såfremt man tar høyde for fjerning eller tilføring av fukt og klimatreghet.
En annen måte å bruke oppsettet på er å sette inneklimaet i feltene A5 og B5 (klima 1) og et ønsket inneklima i feltene I5 og J5 (klima 2). Man kan da lese ut av felt M5 om det er for mye eller for lite fukt i luften og handle deretter.

For ikke miste oversikten viser jeg her en liste over hvilke felter som bruker hvilke i utregningene:

Et eksempel som forklarer nytten av beregninger.

I overgangen mellom inneklima og ytterklima har man ofte fuktproblemer. Hvis det er kjøligere ute enn inne vil inneluften avkjøles ved dårlig isolerte vinduer, dører og vegger eller hvis inneluften siver ut gjennom utettheter. Når luften avkjøles vil den relative luftfuktighet stige, og blir den over 100% vil det dannes kondens. For å få en oversikt kan man da sammenlikne duggpunkts temperaturen inne med temperaturen ute. Hvis duggpunktet er litt lavere enn temperaturen er det som oftest problemfritt. Er temperaturene nær hverandre eller like betyr det at inneluften kan bli så fuktig at det nærmer seg duggpuktet hvis bygningen er dårlig isolert eller utett. Kommer fuktigheten over 65% RF kan man få fuktskader. Hvis duggpunktet er høyere enn temperaturen er faren for fuktproblemer og kondens stor. Det sees som kondens eller rim på vinduer og beslag. Er bygningen ikke riktig konstruert kan slik fukt også oppstå på eller inne i veggen og gi råteskader.
Vil man ha enda bedre oversikt kan man måle overflate temperaturen på vegg eller vindu og beregne hvilken relativ fuktighet inne luften vil ha der. Til det kan man bruke «klima 1b» rubrikken. Eller man kan beregne hvilken relativ fuktighet inneluften ville hatt hvis den ble avkjølt til utetemperatur. Blir den relative luftfuktighet over 100%RF i utregningen vil det bli kondens. Luften kan ikke ha mer enn 100 %RF.

Til innhold

Fra datalogger til regneark

Arbeides det på en PC med Windows eller en Mac kan man bruke kopier og lim inn funksjonene såfremt det ikke er altfor store mengder data. Er datamengden stor kan det være nødvendig å Fremgangsmåten er følgende:

Nå er det to til fire kolonner med tall i regnearket (avhengig av loggertype). Først kommer dato og tid, som oftest i hver sin kolonne og deretter måledataene. Har man en kombinert logger kommer temperatur og fuktighet i hver sin kolonne. Er det enkle loggere man har må man hente inn både temperatur og fuktighetsmålingene hver for seg. Man må da passe på at målinger på samme tid kommer på samme rekke. Man kan også slette de ekstra dato og tid kolonnene.

Til innhold

Lage et diagram

Neste skritt er å lage et diagram ut fra dataene. Det er her det begynner å bli interessant og brukbart. Man får tidsaspektet inn, og det er mulig å oppdage forhold det ellers ikke er lett å oppdage. Et diagram over den absolutte fuktighet ute og inne kan fortelle ganske mye: F.eks. om fuktkilder og om klimatreghet.
Før man går i gang med å lage diagram bør man redigere regnearket slik at resultatet blir mer leselig.

A

B

C

D
1 Utstilling      
2 mai 1997      
3 Dato-tid T °C RF % Td °C
4 01.05.97-12:00 18,0 28,0 -0,8

Det viktigste er kanskje å få dato og tid i en kolonne. Det gjør man ved å lage en fri kolonne foran måledataene som man kaller Dato tid. I samme rekke som første måling skriver du bokstaven til datokolonnen to ganger med kolon mellom og + og bokstaven til tidskolonnen to ganger med kolon mellom. deretter trykker du return eller enter. Eks: «F:F+G:G» og entertast. For å få dette til å gjelde alle radene må man gjøre feltet aktivt for så å trekke i knappen i nedre høyre hjørne.
Deretter gjør du kolonnen aktiv og gir den dato tid formatet «dd.mm.åå tt:mm». Så er det bare å lage diagram.
Om hvordan man lager et diagram ut fra sine data kan man få greie på i hjelpemenyen i programmet. Lykke til.

Til innhold

Formelliste

Her følger en liste over de aktuelle formlene skrevet til bruk i Excel regneark.
  • Relativ luftfuktighet. Ligning 5:
    RF2= RF1 *EKSP(((t1/(t1+238,3))- (t2/(t2+238,3)))*17,2694)
  • Temperatur. Ligning 10:
    t2=LN((EKSP(t1/(t1+238,3)*17,2694)* RF1)/RF2)*238,3/
    (17,2694-LN((EKSP(t1/(t1+238,3)*17,2694)*RF1)/ RF2))
  • Duggpunkt. Ligning 14:
    td=LN(0,01*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF)*238,3/
    (17,2694- LN(0,01*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF))
  • Absolutt luftfuktighet per volumenhet luft. Ligning 20:
    mg/m3=(13,23* EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF)/(t+273,16)
  • Absolutt luftfuktighet per masseenhet luft. Ligning 26:
    mg/kg=0,0379294* EKSP(t/(t+238,3)*17,2694)*RF
  • Relativ luftfuktighet ut fra psykrometermåling. Ligning 31:
    RF=100*((610,78*EKSP(tv/(tv+238,3)*17,2694))-((t-tv)*63))/
    (610,78*EKSP(t/(t+238,3)*17,2694))

  • Til innhold

    Litteratur

    R.G.Wylie & T.Lalas
    "Accurate psychrometer coefficients for wet and ice covered cylinders in laminar transverse air streams" side 37 - 56 fra Moisture and Humidity, utgitt av Instrument Society of America 1985.

    Tim Padfield
    "Moisture in air" 1993. upublisert artikkel

    Tim Padfield er tilsatt ved Bevaringsavdelingen ved Nationalmuseet i København.
    Bevaringsavdelingens hjemmeside kan du finne mer interesant om museumsklima.

    Hvis det ønskes utfyllende opplysninger og forklaringer ta da gjerne kontakt med meg, Sander Solnes. Det går også an å få tilsendt en regnearkfil med formlene ferdig oppsatt.

    Jeg kan nåes på:

  • E-mail: sander@swipnet.se
  • Telefon: + 46 40 974794
  • Eller på min adresse: Kristianstadsgatan 35b, 21435 Malmö
  • Her kommer du tilbake til toppen av siden eller til Sanders hovedside.