O kontroli wilgotności, czyli infiltracji i współczynniku temperaturowym

Na komfort cieplny składa się nie tylko właściwa temperatura powietrza. Należy również pamiętać o pozostałych czynnikach tj.: prędkości przepływu powietrza w pomieszczeniu, średniej temperaturze promieniowania przegród oraz wilgotności względnej. Wilgotność – często pomijana i zaniedbywana może być powodem złego samopoczucia, alergii, ale również rozsychania się mebli, podłóg, wykwitów na ścianach, a co się z tym wiąże powolnego niszczenia zdrowia i budynków.

Komfort cieplny a wilgotność
Stopień wilgotności powietrza może być
bezpośrednio wyrażony w różnej formie,
a więc jako:
• wilgotność bezwzględna – masa pary
wodnej zawartej w 1 m³ powietrza wilgotnego,
• wilgotność względna – wyrażona w procentach,
• wilgotność właściwa – ilość pary wodnej
przypadającej na 1 kg suchego powietrza,
• stopień nasycenia – jest to stosunek
wilgotności właściwej do wilgotności
właściwej powietrza nasyconego.
Z punktu widzenia komfortu cieplnego
najbardziej istotna jest wilgotność względna,
ponieważ ważne są możliwości absorpcyjne
powietrza w danych warunkach,
a nie bezwzględna zawartość wilgoci. Wilgotność
względna to stosunek rzeczywistej
zawartości pary wodnej
znajdującej się w powietrzu do maksymalnej,
jaką może zawierać powietrze
w określonej temperaturze bez
jej skroplenia (stan nasycenia). Wskazuje
ona, w jakim stopniu stan powietrza
jest odległy od stanu nasycenia, czyli
określa zdolność powietrza do pochłaniania
wilgoci.
Kiedy w pomieszczeniach panuje zbyt
mała wilgotność względna mogą pojawić
się częste infekcje dróg oddechowych,
pieczenie oczu, będące następstwem wysychania
błon śluzowych, przesuszenie
skóry i włosów. Kłopoty mogą też sprawiać
ładunki elektrostatyczne utrzymujące się na wykładzinach i ubraniach.
Jeśli zawartość wilgoci będzie zbyt wysoka
wystąpić może uczucie duszności
i parności. Nadmiar wilgoci będą absorbowały drewniane meble. Skroplona para
wodna pojawi się również na szybach,
rurach, czy ścianach. Konsekwencją takiego
zjawiska może być rozwój grzybów
i pleśni.
Zimowe nawilżenie
Wilgotność względna jest wartością stałą
jedynie w określonych parametrach.
W zimie, kiedy powietrze zewnętrzne infiltruje
do pomieszczeń lub jest do nich
nawiewane może okazać się, iż jest ono
bardziej suche niż powietrze pustynne.

Fragment wykresu Mollier’a dla wilgotnego
powietrza
– zmiana wilgotności względnej na skutek ogrzania powietrza
Na przykład dla tej samej zawartości pary
wodnej w powietrzu, w temperaturze
-13°C wilgotność względna może wynosić
100%, a w temperaturze +20°C będzie
równa 10%.
Za duża infiltracja
Takie zjawisko pojawiało się często, kiedy
konstrukcja stolarki okiennej sprawiała, że duże ilości powietrza infiltrowały
do mieszkań, obniżając w nich wilgotność
względną. Efekt ten był częściowo
bilansowany w sposób naturalny – wilgoci
dostarczamy podczas wykonywania codziennych
czynności domowych (prania,
suszenia, gotowania, zmywania czy kąpieli). Nie należy również zapominać
o zanieczyszczeniach związanych z metabolizmem
osób, zwierząt domowych i roślin.
Jednak nie zawsze ta naturalna kompensacja
była wystarczająca, toteż często
montowano nawilżacze.
Niewystarczająca infiltracja
Tendencja ta uległa zmianie. Nieszczelna,
stara stolarka okienna wymieniana
jest na nową, najczęściej bardzo szczelną.
Przynosi to oszczędności w sezonie
grzewczym, niestety zbyt szczelne okna
sprawiają, że naturalna cyrkulacja powietrza
jest zachwiana. Polskie przepisy
i normy [8] zakładają, że nawiew świeżego
powietrza do domów jednorodzinnych
i mieszkań odbywa się właśnie przez infiltrację
powietrza zewnętrznego nieszczelnościami
w drzwiach i oknach
(wentylacja naturalna). Za jego usuwanie
zaś odpowiedzialne są kanały wentylacji
grawitacyjnej, które wykorzystując różnicę
gęstości powietrza o różnej temperaturze,
wywiewają zużyte powietrze. Jeśli
brakuje świeżego powietrza kompensacyjnego,
wentylacja grawitacyjna nie
spełnia swojej roli. Wytwarza się jedynie
niewielkie podciśnienie w pomieszczeniu,
a przepływ powietrza jest pomijalnie
mały i można uznać, że praktycznie nie
istnieje. Brak wymiany powietrza jest to
zamknięcie drogi ewakuacji nie tylko dla
pary wodnej, ale również dwutlenku węgla,
rozpuszczalników farb, formaldehydów
z mebli, roztoczy i innych zanieczyszczeń.
Jeżeli para wodna nie jest
usuwana jej ilość wzrasta w czasie, gdyż
jest dostarczana podczas codziennych
czynności.
Szacunkowe zyski wilgoci w obiektach
mieszkalnych [6]:
- rośliny doniczkowe: 7-15 g/h,
- kąpiel w wannie: 1000-1100 g/h,
- kąpiel pod prysznicem: 1500-2000 g/h,
- gotowanie na jeden posiłek: 1000-2000 g/h,
- zmywarka naczyń: 200 g/zmywanie,
- pralka: 200-350 g/pranie,
- suszenie bielizny: 2000 g/h,
- mieszkańcy – sen 50 g/h, prace lekkie
90 g/h, prace ciężkie 340 g/h.

Izolacja termiczna podwójnie szklonego okna [3]

Rozkład wartości współczynnika temperaturowego
w przekroju całego okna [3]
Jeśli przyjąć czteroosobową rodzinę przygotowującą i spożywającą posiłek to wygeneruje
ona około 625 g wody. Zakładając,
że przed przygotowaniem posiłku parametry
powietrza to 20°C i 30% wilgotności
względnej, a powierzchnia pomieszczenia
20 m2 otrzymuje się ok. 10 g wody
na każdy kg powietrza, co przy całkowitym
braku wentylacji, daje średni wzrost
wilgotności do 95%. W rzeczywistości
rozkład zawartości wilgoci w pomieszczeniu
jest bardzo nierównomierny i w niektórych
miejscach może osiągnąć wartość
nawet 100%.
Kiedy zawartość wilgoci w powietrzu jest
zbyt duża może nastąpić kondensacja pary
wodnej. Proces ten jest wynikiem przekroczenia
temperatury tzw. punktu rosy
podczas zetknięcia powietrza z chłodniejszymi
powierzchniami. Temperatura powietrza
w pomieszczeniach jest najczęściej
wyższa od temperatury powierzchni
ścian. Różnica ta może wynieść kilkanaście
stopni, jeśli będzie brana pod uwagę
temperatura powierzchni okna (zwłaszcza
w okresie zimy).

Graniczna wartość wilgotności
względnej w zależności od temperatury
powietrza zewnętrznego,
dla której rozpoczyna się
kondensacja pary wodnej
na szybie [1].
Pionowe
linie na wykresie wyznaczają konkretne wartości
współczynnika temperaturowego,
które zostały
wybrane jako reprezentatywne
dla dwóch typów
okien – 0,55
dla okna
z podwójną szybą oraz
0,22 dla okna z szybą
pojedynczą
Ciepłe, wilgotne powietrze w momencie
zetknięcia się z taką chłodną powierzchnią jest bardzo szybko schładzane, a co za
tym idzie jego zdolność absorpcji wody
gwałtownie maleje. Wilgotność względna
takiego powietrza rośnie, aż do osiągnięcia
wartości 100% (powietrze osiągnęło temperaturę
punku rosy). W przypadku schłodzenia
powietrza do temperatury niższej
niż temperatura punktu rosy następuje
kondensacja wilgoci zawartej w tym powietrzu.
Jest to efekt m.in. niewystarczającej wentylacji, który obserwuje się na
zroszonych oknach, rurach i ścianach.
Okno – wskaźnik wilgotności
Zwykle powierzchnia okna ma najniższą
temperaturę i jest najlepszym wskaźnikiem
dopuszczalnego poziomu wilgotności
względnej z uwagi na temperaturę
punktu rosy. Jeśli w pomieszczeniach
utrzymywane będą parametry powietrza,
dla których temperatura punktu rosy będzie
niższa niż temperatura powierzchni
tafli szkła, wilgoć zawarta w tym powietrzu
nie wykropli się. W latach 60. zostały przeprowadzone badania charakterystyki
okien [1] właśnie pod kątem wykraplania
się wilgoci. Aby zobrazować wyniki
został wprowadzony tzw. współczynnik
temperaturowy (KO), który jest definiowany
zależnością:

gdzie:

t – temperatura powierzchni wewnętrznej
szyby [°C],
to – temperatura powietrza zewnętrznego[°C],
ti – temperatura powietrza wewnętrznego[°C].
Jak wynika z powyższego wzoru, większa
wartość współczynnika świadczy o korzystniejszej
charakterystyce termicznej
okna. W rezultacie tych testów otrzymano
charakterystyki różnego rodzaju okien.
Przykładowo współczynnik temperaturowy
dla dolnej części podwójnie szklonego
okna z izolacją termiczną wyniósł od 0,55
do 0,57 z uwzględnieniem naturalnej
konwekcji wewnątrz pomieszczenia.

Wpływ wartości
wilgotności względnej
na rozwój
mikroorganizmów
i ryzyko reakcji
alergicznych [4]
W zależności od miejsca i rodzaju okna
współczynnik temperaturowy zmieniał
się. Jego wartość dla podwójnie szklonego
okna wahała się w granicach 0,33-0,48
w miejscu łączenia szkła z ościeżnicą
w zależności od jej konstrukcji. Do
25 mm powyżej tego łączenia współczynnik
rósł do wartości ponad 0,53.

Maksymalna wartość wilgotności względnej,
dla której
nie następuje zjawisko kondensacji
na powierzchni szyb
dla temperatury wewnętrznej
23,3°C [1]
Zlokalizowanie grzejnika pod rozpatrywanym
oknem poprawiało parametry termiczne
i współczynnik temperaturowy
zwiększał się do wartości 0,6-0,7. Prowadzone
badania umożliwiły wyznaczenie
zależności pomiędzy współczynnikiem
temperaturowym, wilgotnością względną
oraz warunkami temperaturowymi, w których
rozpoczyna się kondensacja pary
wodnej na szybach. Na podstawie zestawienia
zostały wyznaczone graniczne
wartości wilgotności względnej dla temperatury
w pomieszczeniach ok. 23°C,
dla których nie powstaje zjawisko kondensacji
(tabela).

Krzywa parnooeci [10]
Wilgotność a jakość powietrza
Wpływ wilgotności powietrza na jego jakość
jest przedmiotem wielu badań. Obserwowane
są nie tylko parametry związane z rozwojem mikroorganizmów czy
skłonnością do alergii, ale również wpływające na późniejsze uszkodzenia konstrukcji
samego budynku. Do tych bardziej
technicznych zagadnień dochodzi
też zagadnienie subiektywnego odczuwania
jakości powietrza przez człowieka.
Te wszystkie punkty składają się na zalecany,
optymalny zakres wilgotności
względnej w granicach 30-60%.
Aby uniknąć problemów związanych ze
skrajnymi wartościami wilgotności należy pamiętać o kilku warunkach, które zapewnią odpowiednią wentylację, a tym
samym usuwanie nadmiaru wilgoci znajdującej się w powietrzu. Należy zapewnić
odpowiednią wymianę powietrza, tak
aby nadmiar pary wodnej zawartej w powietrzu
był usuwany z pomieszczeń.
Zwłaszcza w okresie zimowym, nieszczelności
w oknach i drzwiach są niezbędne,
aby zapewnić dopływ powietrza
kompensacyjnego. Kiedy są już zainstalowane
okna o dużej szczelności powinno
montować się nawiewniki zapewniające
napływ świeżego powietrza lub zdecydować
się na nawiewniki higrosterowalne,
które będą kontrolowały ilość świeżego
powietrza w zależności od panującej
w pomieszczeniu wilgotności względnej.
Uwagę należy również zwrócić na pomieszczenia
łazienek. Są to miejsca,
w których zyski wilgoci są duże, a nie zawsze
jest tam odpowiednia wymiana powietrza.
Częstym błędem jest zaplanowanie
wentylacji mechanicznej w miejscu
grawitacyjnej, która włączana jest
przez oddzielny przełącznik dość przypadkowo
i nieregularnie, a przez większość
czasu utrudnia grawitacyjny przepływ powietrza. Wtedy wskazana jest albo
praca ciągła, albo połączenie wentylacji
z przełącznikiem światła i z włącznikiem
czasowym.
Szczelne okna – raczej nie!
Wcześniej wspomniana wymiana okien na bardzo szczelne ma oczywiście swoje podłoże ekonomiczne. Ogranicza bowiem koszty ogrzewania infiltrującego powietrza. Jednak uszczelnienie okien i utrzymywanie temperatury powietrza na poziomie 18-20°C może powodować niewskazany, wysoki
poziom wilgotności. Powietrze o parametrach 20°C i 60% wilgotności względnej daje takie same odczucie komfortu, jak powietrze o wilgotności 30%
za to o temperaturze 22°C, co przekłada się na różnicę 4 g wody/kg powietrza (średnio ok. 0,6 litra wody dla powierzchni około 20 m2). Oznacza to,
że skuteczna wentylacja i minimalnie wyższa temperatura powietrza wewnątrz zapewni mieszkańcom porównywalny komfort, a prawdopodobieństwo
rozwoju niepożądanych mikroorganizmów praktycznie nie będzie istnieć.
Innym argumentem przemawiającym w sposób pośredni przeciwko stosowaniu bardzo szczelnych okien są badania, które dowodzą, że utrzymanie
w pomieszczeniach nieco wyższej wilgotności w okresie zimowym skutkować będzie ograniczeniem naturalnej infiltracji przez szczeliny okienne nawet
do 50% w sezonie grzewczym. Efekt ten jest skutkiem wypełniania szczelin okiennych szronem.
Okres letni w polskich warunkach klimatycznych nie jest tak kłopotliwy jak warunki zimowe. Polskie normy [9] zakładają parametry powietrza zewnętrznego
w okresie letnim (dla II strefy) 30°C i 52% wilgotności względnej. Wartość wilgotności przez większość okresu letniego ulega nieznacznym wahaniom
w stosunku do wartości obliczeniowej podanej w normie. Okresowe zwiększenie wartości wilgotności obserwuje się przed burzami lub innymi
opadami atmosferycznymi. Jest to jednak w odniesieniu do całego okresu ciepłego chwilowy wzrost, który nie jest tak niekorzystny jak permanentnie
utrzymująca się wysoka wilgotność. Również zyski wilgoci wynikające z codziennych prac domowych nie będą tak uciążliwe, jak w zimie, bo przez większość
lata okna są otwarte. Coraz częściej stosowane są klimatyzatory typu split zapewniające nie tylko schłodzenie powietrza, ale również osuszenie
go na wymienniku parownika.
Kłopot mogą sprawiać pomieszczenia bez okien jak na przykład łazienka. Ilość wilgoci tam wydzielanej jest dość znaczna i pojawia się systematycznie.
Ciepłe wilgotne powietrze gromadzi się pod sufitem, gdzie, jeśli nie zostanie zapewniona odpowiednia wymiana powietrza, może następować wykroplenie
się pary wodnej.
Autor: mgr inż. Marta Chludzińska, Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechnika Warszawska

Literatura
[1] ASHRAE Handbook 2004 HVAC Systems and equipment
[2] J. Ferencowicz, Wentylacja i Klimatyzacja.
Arkady 1964 r.
[3] irc.nrc-cnrc.gc.ca
[4] superior-air.com/Humiweb.pdf
[5] www.epa.gov/mold/
[6] www.domy-kanadyjskie.pl/wentylacja.html
[7] www.wentylacja.org.pl
[8] PN-83/B-03430/Az3 Wentylacja w budynkach
mieszkalnych zamieszkania
zbiorowego i użyteczności publicznej.
Wymagania.
[9] PN-76/B-03420 Wentylacja i klimatyzacja.
Parametry obliczeniowe powietrza
zewnętrznego.
[10] Materiały pomocnicze do projektowania
procesów klimatyzacyjnych, Instytut
Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki
Warszawskiej 1982 r.
Źródło: