Klimatyzacja pomieszczeń o wymaganej niskiej wilgotności powietrza

W artykule omówiono sposób rozwiązania klimatyzacji pomieszczeń technologicznych, w których wymagana jest niska temperatura i niska wilgotność względna. Problem wymaga zastosowania niekonwencjonalnych metod osuszania powietrza. Rozwiązanie przedstawiono na przykładzie klimatyzacji magazynów zbiorów TVP w Warszawie przy ul. Woronicza, gdzie przechowywane są filmy, taśmy DVC, Betacam digital itp.

Rozwój nowych technologii oraz sięganie do coraz lepszych jakościowo rozwiązań w elektronice i akustyce pociąga za sobą coraz większe wymagania co do utrzymania odpowiednich parametrów powietrza, jego temperatury, wilgotności i czystości w pomieszczeniach produkcyjnych, eksploatacyjnych i magazynowych. W czasie opracowywania projektu budynku zbiorów TVP jeden z trudniejszych do osiągnięcia warunków postawiono w części magazynowej, gdzie przechowywane zbiory mogą być składowane przez kilkadziesiąt lat.
Wymagania były wysokie, ponieważ w zależności od rodzaju taśm i filmów należało utrzymać temperaturę 5 lub 15oC, przy wilgotności względnej na poziomie 25-30%. Zawartość wilgoci wynosi wówczas 1,2-3,0 g pary wodnej na 1 kg powietrza. W naturze takie warunki (parametry wilgotności powietrza) występują tylko przy dużych mrozach, statystycznie 5-6 dni w roku. Stałe utrzymanie tak niskich wilgotności w pomieszczeniach wymaga przeprowadzenia procesu osuszania powietrza, a więc zastosowania specjalnych urządzeń. Zwłaszcza że największych problemów można spodziewać się w okresie letnim, gdy zawartość wilgoci w powietrzu atmosferycznym sięga nawet 11,5 g na 1 kg powietrza.
Sposoby osuszania powietrza
Rozróżniamy dwa podstawowe systemy osuszania powietrza:
• ochłodzenie w chłodnicy i podgrzanie do żądanej temperatury w nagrzewnicy,
• przepuszczenie przez warstwę materiału pochłaniającego np. żelu krzemionkowego.
Pierwsza metoda jest w miarę prosta, stosowana w klimatyzacji pomieszczeń przeznaczonych do pobytu ludzi, utrzymująca wilgotność w granicach komfortu cieplnego, tzn. nie przekraczając maksymalnie 60% wilgotności względnej. Metoda ta, polegająca na znacznym przechłodzeniu powietrza, ma ograniczone możliwości. Praktycznie w okresach letnich może zmniejszać zawartość wilgoci do wartości 6 g na 1 kg powietrza, czyli około 40% wilgotności względnej. W naszych warunkach klimatycznych nie możemy łatwo uzyskać niższych wartości. Wymaga to użycia większych urządzeń chłodniczych, a efekty są ograniczone, ponieważ ten sposób może być teoretycznie stosowany do temperatury powierzchni chłodnicy równej 0oC. Poniżej tej temperatury następuje oszronienie powierzchni wymiennika czego konsekwencją jest blokada przepływu powietrza przez chłodnicę.
Druga metoda polega na zastosowaniu masy pochłaniającej (higroskopijnej) - najczęściej w postaci koła o grubości 0,2-0,3 m. Koło to, zwane rotorem, obraca się między strefą, gdzie przepływa powietrze, z którego należy wchłonąć wilgoć, a strefą regeneracji, gdzie wilgoć usuwana jest z rotora. Rotor, stanowiący zasadniczą część bloku osuszania, przedstawiono na fotografii. Wydajność osuszania zależy od temperatury powietrza wlotowego: im niższa temperatura, tym większa efektywność metody. W czasie osuszania masa higroskopijna pochłania wilgoć w postaci ciekłej. Ciepło przemiany fazowej przechodzi do powietrza i w rezultacie otrzymujemy powietrze suche, ale o podwyższonej temperaturze. Dlatego ten sposób osuszania wymaga również chłodzenia powietrza na chłodnicach przeponowych.

Widok rotora z kołem wypełnionym silikażelem (Fot. DST)
Do strefy regeneracji, gdzie następuje usuwanie wilgoci, należy doprowadzić powietrze gorące o temp. w granicach 60-120oC, w zależności od typu i konfiguracji urządzenia.
Jakkolwiek proces ten jest skomplikowany, a urządzenie bardzo kosztowne, to w niektórych procesach produkcyjnych jest to rozwiązanie niezbędne, szczególnie w pomieszczeniach służących produkcji farmaceutycznej lub - jak we wspomnianym na wstępie magazynie - do przechowywania cennych przedmiotów.
Rozróżniamy kilka sposobów włączenia rotora w układ klimatyzacji pomieszczeń - w zależności od obiegu powietrza regeneracyjnego. Jednym z częściej stosowanych jest system przedstawiony na rys. 1, gdzie powietrze pobierane z zewnątrz (C) przepływa przez część obwodu koła rotora, ochładzając masę pochłaniającą (D). Następnie powietrze to przechodzi przez system wymienników ciepła, gdzie podgrzewa się do żądanej temperatury (E), i przemieszcza się przez kolejną część rotora (F), asymilując wilgoć z masy pochłaniającej. Powietrze osuszane (A) przepływa już przez chłodniejszy rotor (B) i tym sposobem do ponownego ochłodzenia powietrza klimatyzacyjnego potrzebujemy mniej energii.

Rys. 1. Schemat układu osuszania powietrza z przebiegiem procesu na wykresie Moliera (Rys. DST)
Przykład z praktyki
Poniżej przedstawiono zastosowanie metody osuszania powietrza przez absorpcję wilgoci na przykładzie projektu uzdatniania powietrza w magazynach zbiorów TVP przy ul. Woronicza w Warszawie. Wymagane parametry powietrza w poszczególnych pomieszczeniach, w zależności od rodzaju zbiorów, przedstawiono w tabeli 1.

Dla zobrazowania skrajności zadanych parametrów powietrza w magazynach zbiorów można porównać je z wymaganymi parametrami powietrza w pomieszczeniach przeznaczonych do pobytu ludzi, a więc tam gdzie mamy do czynienia z klimatyzacją komfortu. Najkorzystniejsze parametry powietrza w pomieszczeniach dla ludzi to zapewnienie temperatury pomiędzy 20-26oC a wilgotności względnej w granicach 35-65%, w zależności od pory roku pogody i indywidualnych upodobań.
Jednym z warunków utrzymania zadanych parametrów powietrza jest wyeliminowanie wahania zysków i strat ciepła w pomieszczeniach zależnych od parametrów powietrza zewnętrznego i zmieniających się w ciągu dnia i pory roku. Aby to osiągnąć, należało tak zlokalizować magazyny w budynku, aby pomieszczenia nie miały przegród zewnętrznych, a ściany i stropy wewnętrzne stanowiły dobrą izolację dla przenikania ciepła z pomieszczeń sąsiednich. Warunki takie spełniają przegrody o współczynniku przenikania ciepła mniejszym od 0,2 W/m²K. Zalecono także, by magazyny wyposażyć w przedsionki i śluzy, które zabezpieczą przed niekontrolowanym przepływem powietrza z korytarzy, a tym samym przed niekontrolowaną zmianą parametrów powietrza w magazynach.
Parametry powietrza wymagane w magazynach są zróżnicowane, dlatego zaprojektowano dwa zespoły klimatyzacyjne, jeden obsługujący magazyny o wymaganej temperaturze 5oC, drugi dla pomieszczeń z temperaturą 15oC. Na rys. 2 pokazano schemat instalacji klimatyzacyjnej dla dwóch grup omawianych magazynów.

Rys. 2. Schemat instalacji klimatyzacyjnej w magazynach zbiorów TVP
Przykład z praktyki
Dla magazynów o wymaganej temperaturze 15oC przyjęto dwa stopnie uzdatniania powietrza. Do osuszania dobrano urządzenia firmy DST. Pierwszy stopień - układ N1 - stanowi centrala klimatyzacyjna, wspólna dla wszystkich magazynów i wstępnie uzdatniająca tylko powietrze świeże. Ilość powietrza wynika z minimalnej wymaganej ilości powietrza zewnętrznego tj. 0,5 wymiany powietrza na godzinę. Centrala wyposażona jest w bloki filtracji, chłodnicę wodną I stopnia, nagrzewnicę wodną, blok osuszania (wypełniony żelem krzemionkowym), wentylator i chłodnicę II stopnia. Dodatkowym układem jest blok regeneracji sorbentu: nagrzewnica wodna, nagrzewnica elektryczna i wentylator. Nagrzewnica elektryczna jest konieczna ze względu na niskie parametry zasilania nagrzewnicy wodnej (90/70oC), nie gwarantującej wysokiej temperatury powietrza regeneracyjnego. Kolejny stopień uzdatniania powietrza - układy N2, N3 i N5 - to indywidualne centrale klimatyzacyjne dla każdego magazynu. Zapewniają odpowiednią ilość powietrza klimatyzującego, jego temperaturę i wilgotność. Układy te pracują z recyrkulacją powietrza, wyposażone są w nagrzewnice, chłodnice, nawilżacze i wentylatory.


W przypadku magazynów o temperaturze 5oC zastosowano również dwa stopnie uzdatniania powietrza. Pierwszy to przygotowanie powietrza - układ N5 - w centrali klimatyzacyjnej wspólnej dla wszystkich magazynów. Centrala ta jest skonfigurowana tak jak centrala wstępna dla magazynów o wymaganej temperaturze 15oC. Dodatkowe wyposażenie to komora mieszania i wentylator wywiewny. Drugi stopień uzdatniania powietrza odbywa się już w magazynach i polega na zastosowaniu chłodnic z bezpośrednim odparowaniem freonu, które regulują temperaturę powietrza w każdym pomieszczeniu, uwzględniając zmianę zysków ciepła.
Przedstawiona instalacja klimatyzacyjna dla magazynów zbiorów TVP łączy w sobie cztery funkcje obróbki powietrza: grzanie, chłodzenie, osuszanie i nawilżanie. Instalacja jest skomplikowana, a każdą grupę magazynów wymagającą innych parametrów powietrza trzeba potraktować indywidualnie. Bardzo starannie należało zaprojektować system automatycznej regulacji, gdyż od tego w dużym stopniu zależy prawidłowość działania instalacji i utrzymanie zadanych parametrów powietrza w pomieszczeniach. Konieczność zastosowania tak rozbudowanych metod uzdatniania powietrza, jak w przypadku omawianych magazynów zbiorów TVP, występuje rzadko, najczęściej w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym czy zakładach graficznych.
Wojciech Mazurkiewicz, Grażyna Wołejszo