Nawilżanie i osuszanie powietrza w obiektach komfortu cieplnego

Problem zapewnienia odpowiedniej wilgotności względnej powietrza wewnętrznego nie dotyczy wyłącznie obiektów przemysłowych, gdzie jej poziom wymuszony jest reżimem technologicznym. Wilgotność względna to również jeden z podstawowych czynników komfortu w pomieszczeniach przeznaczonych do przebywania ludzi. Właściwy jej poziom decyduje nie tylko o dobrym samopoczuciu i zdrowiu ludzi korzystających z pomieszczeń wentylowanych, ale również wpływa na trwałość materiałów wyposażenia wnętrz i przedmiotów użytkowych, estetykę pomieszczenia, niezawodność działania urządzeń elektronicznych itd.

Jaka wilgotność?
Dla zapewnienia warunków komfortu
przyjmuje się graniczne wartości wilgotności
względnej w przedziale 30÷65%.
Ten zakres jest jednak zbyt szeroki zarówno
w odniesieniu do górnej, jak i dolnej
wartości.
Badania naukowe przeprowadzone m.in.
w duńskim instytucie Fangera [1] wykazały, że niska wilgotność przekłada się na
poprawę oceny warunków panujących
w pomieszczeniu przez użytkowników.
Jednak dla wilgotności powietrza poniżej
30% zdecydowanie wzrasta ryzyko infekcji
dróg oddechowych, reakcji astmatycznych
i alergicznych. Pojawiają się również
problemy z dobrym samopoczuciem wywołane przez większą ilość ładunków
elektrostatycznych.
Wraz ze wzrostem poziomu wilgotności
względnej powyżej 50% podnosi się natomiast
ryzyko zachorowań na przeziębienia
i grypę, a użytkownicy takich
pomieszczeń mają uczucie duszności.
W warunkach wysokiej wilgotności dobrze
rozwijają się bakterie i grzyby pleśniowe,
których toksyny są bardzo niebezpieczne
dla ludzkiego organizmu [2].
Powietrze wewnątrz budynku charakteryzujące się dużą wilgotnością może doprowadzić
do uszkodzenia i odbarwień
konstrukcji oraz wyposażenia domu, gdy
zaś wilgotne powietrze wejdzie w kontakt
z zimnymi powierzchniami np.
okien czy ścian, wykraplać się będzie para
wodna.
Obecnie istnieje tendencja do przesuwania
optymalnego zakresu wilgotności
50÷65% w kierunku wartości 40÷50%
i w świetle powyższych argumentów, ten
zakres wydaje się być optymalny (rys. 1).


Jak utrzymać wymagany poziom
wilgotności?
Jak wynika z przeprowadzonych powyżej
rozważań, w celu zapewnienia pełnego
komfortu cieplnego pomieszczeń klimatyzowanych,
a co za tym idzie utrzymanie
dobrego samopoczucia i zdrowia ich
użytkowników, niezbędne jest przeprowadzenie,
w zależności od aktualnych
wymagań, podczas procesów przygotowania
powietrza jego nawilżania lub
osuszania. Obecnie stosowana technika
klimatyzacji oferuje cały szereg urządzeń służących dostosowaniu wilgotności
wewnątrz obiektów mieszkalnych
i użyteczności publicznej do potrzeb
przebywających w nich osób.

Nawilżanie powietrza
W budynkach z pełną wentylacją, gdzie
jest duża liczba wymian powietrza, często
można spotkać się z niebezpiecznym
spadkiem poziomu wilgotności. Problem
dotyczy szczególnie okresów zimowych,
kiedy w nawiewanym powietrzu zewnętrznym
mamy do czynienia z niską
zawartością wilgoci. W jednym z nowo
powstałych warszawskich biurowców,
gdzie nie zastosowano nawilżaczy powietrza
w sezonie grzewczym zmierzona wilgotność
powietrza wyniosła niespełna
10%! Przykład ten wskazuje jednoznacznie
na konieczność stosowania w procesie
przygotowania powietrza urządzeń
nawilżających.
W celu podniesienia poziomu wilgotności
powietrza można zastosować różne
odmiany nawilżaczy parowych (elektrodowych,
oporowych i zasilanych gazem)
oraz wodnych (rozpylających lub
zraszających).

...parowe
Wśród nawilżaczy parowych najbardziej
popularne są nawilżacze elektrodowe,
wykorzystujące zjawiska przewodności
elektrycznej wody. O ich szerokim
stosowaniu decyduje wysoka niezawodność
w połączeniu z dużą łatwością
montażu. Najistotniejszą jednak zaletą
urządzeń tego typu – w odróżnieniu od
nawilżaczy wyposażonych w dysze nadmuchowe
rozpylające i nawilżaczy ultradźwiękowych
– jest brak konieczności
odpowiedniego uzdatniania wody
w celu otrzymania sterylnie czystej pary
wodnej.
Innym ciekawym rozwiązaniem jest nawilżacz parowy wykorzystujący gaz
jako energię napedową. Podstawową
zaletą urządzenia tego typu – według
danych producenta – jest możliwość
ograniczenia kosztów eksploatacyjnych
wynikających z różnicy w cenie energii
nawet do 70%. Bazując na tym założeniu
oraz przyjmując 12-godzinny czas
pracy nawilżacza, można określić, że
koszty inwestycyjne mogą zwrócić się po
15 miesiącach eksploatacji.

...wodne
Z szerokiej gamy nawilżaczy wodnych
należy zwrócić uwagę na nawilżacze
hybrydowe, w których wykorzystuje się
zarówno rozpylanie, jak i odparowanie
dyfuzyjne. Urządzenia tego typu cechuje
bardzo wysoka sprawność dochodząca do
95% i ekonomiczna eksploatacja (straty
wody nie przekraczają 15%).
Ciekawą metodą nawilżania powietrza
jest tzw. nawilżanie adsorpcyjne, czyli
proces, w którym powietrze jest nawilżane bez wytwarzania kropel wody. Parowanie
przebiega na specjalnie do tego
celu zaprojektowanym porowatym
materiale, który nieustannie nasycany
jest wodą. Powietrze przepływające
przez panele nawilżające przyjmuje
tylko taką ilość wilgoci, którą potrafi
zasymilować. Nie ma więc ryzyka osiągnięcia niepożądanej wysokiej wilgotności.
Panele nawilżające w systemach
klimatyzacyjnych, które wykorzystują
tę technologie osiągająca sprawność
95%. Omawiany system znalazł zastosowanie
głównie w pomieszczeniach
magazynowych.


Osuszanie powietrza
Sposób osuszania powietrza za pośrednictwem
instalacji wentylacji i ogrzewania,
polegający na wymianie i podgrzaniu
powietrza w pomieszczeniu ma
znacznie ograniczoną skuteczność w zależności od pory roku. W zależności od
wilgotności powietrza zewnętrznego
proces osuszania może przebiegać wolniej
lub szybciej, ale możliwe są również
przypadki, gdy nie będziemy w stanie
osuszyć powietrza w stopniu wystarczającym lub wcale. Zjawisko takie będzie
miało miejsce, kiedy zawartość wilgoci
w powietrzu wprowadzanym do pomieszczenia
będzie równa zawartości
wilgoci w powietrzu wewnętrznym.
Omawiany sposób osuszania powietrza
jest również bardzo mało ekonomiczny,
ponieważ cała energia dostarczana celem
ogrzania powietrza jest tracona
wskutek pracy w obiegu ze 100% zawartością świeżego powietrza.
Zdecydowanie bardziej efektywnym rozwiązaniem w walce z nadmiarem wilgoci
jest stosowanie kondensacyjnych lub
sorpcyjnych osuszaczy powietrza.

Rys. 2 Zasada działania osuszacza kondensacyjnego
Osuszacze kondensacyjne, wykorzystujące zjawisko skraplania wody podczas
chłodzenia powietrza do temperatury poniżej punktu rosy mają skuteczność uzależnioną jedynie od warunków wewnątrz
pomieszczenia. Konstrukcja urządzenia
nie pozawala na jego działanie w całym
przedziale temperatury. Przykładowo
można go stosować, kiedy chcemy uzyskać
parametry powietrza, dla którego punkt
rosy leży poniżej 5°C.
Ograniczenia takiego nie mają osuszacze
adsorpcyjne, w których wykorzystuje się
zjawisko adsorbowania wilgoci na rotorze
powleczonym silnie higroskopijnym krzemem
metalicznym. Podobnie jak w osuszaczach
kondensacyjnych skuteczność urządzeń tego typu uzależniona jest jedynie od
parametrów wewnętrznych pomieszczenia,
jednak ich wydajność jest znacznie większa.
Największy zakres wydajności urządzeń kondensacyjnych pokrywa się z najmniejszym
urządzeń adsorpcyjnych.

Rys. 2 Proces osuszania może przebiegać wolniej lub szybciej, w zależności od wilgotności powietrza
zewnętrznego

Alternatywne rozwiązanie
dla domów mieszkalnych –
wentylacja higrosterowana
Jeżeli jako wyznacznik stanu zanieczyszczenia
powietrza wewnętrznego przyjmie
się poziom wilgotności, wówczas
można zastosować w budynku system automatycznego
sterowania wentylacją za
pośrednictwem materiałów, które reagują na zmiany wilgotności względnej powietrza
(materiałem takim jest poliamid,
który powiększa swoją objętość wraz ze
wzrostem wilgotności, a kurczy się kiedy
wilgotność spada). Powyższe założenie
stało się w latach 80. ubiegłego wieku,
punktem wyjścia do stworzenia systemów
wentylacji higrosterowanej, jako
rozwiązania problemu niedostatecznej
wentylacji budynków mieszkalnych.

Rys. 3 Sorpcyjny osuszacz powietrza

Rys. 4 Nawiewnik higrosterowany EMM
Istota działania całego systemu jest niezwykle
prosta. Jako element sterujący wykorzystuje
się taśmę poliamidową połączoną
z dźwignią korygującą stopień otwarcia
przepustnicy na przewodzie wentylacyjnym.
Wraz ze wzrostem wilgotności, spowodowanym
np. większą aktywnością użytkowników
pomieszczenia, higrosterowane
nawiewniki i kratki wyciągowe zwiększają
stopień otwarcia, co powoduje zwiększenie
intensywności przepływu świeżego powietrza
i usunięcie nadmiaru pary wodnej.
Omawiane rozwiązanie ma szereg praktycznych
zalet. Nawiewniki, normalnie
przymknięte do minimalnego poziomu,
otwierają się tylko podczas aktywności
użytkowników danego pomieszczenia,
a więc trzeba ogrzać tylko tę ilość powietrza,
która jest akurat potrzebna (jest to
rozwiąanie tańsze od rekuperacji ciepła). Urzązenia higrosterowane działją
samoczynnie, bez elektrycznych elementów
napędowych, przez co sąciche
i znacznie bardziej niezawodne.
dr inż. Grzegorz Kubicki
Instytut Ogrzewnictwa
i Wentylacji, Politechnika Warszawska
Literatura:
[1] Fang L.; Wyon D.P.; Clausen G.; Fanger P.O. Sick
building syndrome symptoms and performance
in e field laboratory study at different levels of
temperature and humidity Proceedings of Indoor
Air 2002; Monterey; California 2002
[2] Kosińka J. „Grzyby w powietrzu pomieszczeńa zagrożenia zdrowotne”; Problemy jakośi powietrza
wewnętrznego w Polsce’97 Wydawnictwo Instytutu
Ogrzewnictwa i Wentylacji; Warszawa; 1998
[3] System wentylacji higrosterowanej, RI 9/03
Źródło: nr 04/2004
Zobacz, o czym pisano w "Polskim Instalatorze" nr 04/2004