Zarządzanie wilgotnością w budynku

Zarządzanie wilgotnością – osuszanie i nawilżanie powietrza.

Podczas tegorocznego okresu wakacyjnego większości nam dała się we znaki nadmierna wilgotność powietrza. Przyczynia się do odczuwanego przez nas uczucia duszności, a także spadku wydajności pracy. Z drugiej strony każdy z nas kiedyś odczuł działanie nadmiernie niskiej wilgotności, co skłania do tego, aby pochylić się nad tym tematem dużo wcześniej przed sezonem grzewczym. Zagadnienie kontroli wilgotności jest szczególnie istotne w budynkach biurowych, w których użytkownicy spędzają co najmniej 1/3 doby. Dlatego najemcy oczekują odpowiedniego mikroklimatu wewnętrznego, który przekłada się na komfort i efektywność pracowników. Niestety, utrzymanie właściwego mikroklimatu jest bardzo kosztowne.

 Podstawowe informacje:

Podstawowymi mierzalnymi i regulowanymi w systemach HVAC parametrami komfortu powietrza są temperatura powietrza, stężenie dwutlenku węgla i oczywiście wilgotność względna (Relative Humidity). Tę ostatnią mierzy się w procentach maksymalnego nasycania parą wodną powietrza w danej temperaturze. Oznacza to, że takie samo powietrze w przy różnych temperaturach będzie miało różną wartość wilgotności. Przykładowo wilgotność względna mroźnego( przy temperaturach ujemnych) powietrza może wynosić 100%, ale po jego podgrzaniu – poniżej 20%.

W naszym klimacie wilgotność powietrza bez nawilżania/osuszania latem może dochodzić do 80–90%, a zimą do 10–20%. Najbardziej komfortowe dla człowieka parametry wilgotności powietrza zawierają się okolicach 40–60%, jednak w okresie zimowym nie więcej jak 50%. Wartości, których lepiej przekraczać, to 30–65%, Oczywiście nie są to krytyczne granice. Jednak długotrwałe ich przekraczanie znacząco odbija się na odczuwalnym przez człowieka komforcie, a nawet na zdrowiu. Każdy z nas chyba odczuł na własnej skórze, jak bardzo koncentracja i wydajność pracy spada, kiedy np. latem jest bardzo duszno, co wynika zarówno z temperatury, jak i nadmiernej wilgotności.

Konsekwencje zbyt suchego powietrza:

Wysuszona skóra, podrażnienie spojówek, uczucie suchości w gardle i nosie. Śluzówka nadmiernie wysycha już przy wilgotności poniżej 30–40%. W konsekwencji podrażnienia śluzówki obniża się odporność na infekcje i pogarsza się praca systemu immunologicznego, skutkując zwiększeniem absencji pracowników.

Konsekwencje zbyt wilgotnego powietrza:

Gdy wysokiej temperaturze powietrza towarzyszy wysoka wilgotność, występuje uciążliwe dla człowieka zjawisko „parności”. Wówczas oddawanie ciepła przez drogi oddechowe i skórę jest utrudnione, a układ termoregulacji jest nadmiernie obciążony. Taki stan powietrza jest źle tolerowany przez układ krążenia, ale powoduje przede wszystkim złe samopoczucie i spadek wydajności oraz wzrost wrażliwości zapachowej. Ogólnie za duża wilgotność znacząco wpływa na efektywność pracy. Zbyt niska poza wysuszeniem skóry i obniżeniem komfortu – sprzyja również zwiększeniu absencji w pracy z względu na obniżoną odporność wynikającą głównie z wysuszenia i podrażnienia śluzówki.

Nawilżanie – potrzebne praktycznie tylko w okresie grzewczym (zimowym). Zwiększenie wilgotności odbywa się przez dostarczenie pary wodnej do powietrza. Z powodów ekonomicznych i higienicznych obecnie najpopularniejsze jest wykorzystanie nawilżaczy parowych lub mniej popularnych adiabatycznych. Nawilżanie może odbywać się lokalnie lub centralnie w centralach wentylacyjnych, co jest najpopularniejszym rozwiązaniem w nowoczesnych instalacjach HVAC.

Nawilżacze parowe (elektrodowe lub grzałkowe) – nieco upraszczając, generują parę przy wrzeniu wody. Jest to rozwiązanie najpopularniejsze, najbardziej higieniczne, najprostsze i najtańsze z punktu widzenia inwestycyjnego, a zarazem najdroższe w eksploatacji, głównie ze względu na bardzo duże  zużycie energii elektrycznej. Dodatkowo nawilżacze parowe bywają problematyczne przy wysoko zmineralizowanej wodzie ze względu na zakamienianie się kotłów i elektrod. W wielu przypadkach jest  konieczny comiesięczne czyszczenia. Wymiana elektrod lub kotłów z elektrodami  jest często konieczna  nawet 2 razy w roku.

Nawilżanie adiabatyczne

Polega na odparowaniu wody w komorach zraszających lub przez coraz popularniejsze rozpylenie mgły wodnej pod wysokim ciśnieniem. Mgła wodna to Niezwykle drobne kropeleki wody nawet o średnicy rzędu milionowych części metra. Te kropelki mają ogromną powierzchnię, co sprawia, że woda momentalnie odparowuje. Cechują się bardzo niskim zużyciem energii elektrycznej kosztem zwiększania zużycia energii cieplnej. Dzieje się tak, gdyż proces odparowania rozpylonej wody obniża temperaturę powietrza (przemiana adiabatyczna). Jednakże w dużym uproszczeniu energia cieplna jest ok 2,5 razy tańsza od energii elektrycznej. W przeszłości nawilżaczy adiabatycznych nie stosowano tam, gdzie wymagany był wysoki poziom higieny. Dzisiaj bardziej zaawansowane nawilżacze adiabatyczne są wyposażone w rozwiązania zapewniające spełnienie wymagania higienicznych i z dużym powodzeniem są stosowane np. w budynkach biurowych. Obecnie uważam ta metodę nawilżania za najbardziej efektywną energetycznie. Według moich szacunków  potwierdzonych   informacjami od serwisantów koszty inwestycyjne nawilżania adiabatycznego zwracają się w ok  2 lata.

Nadmierna wilgotność

W obliczu okresowych, niemal tropikalnych warunków klimatycznych powszechne jest zjawisko nadmiernej wilgotności, które okazuje się krytycznym zagadnieniem w wielu obiektach. Coraz częściej, głównie za sprawą certyfikacji BREEAM, LEED, Green Building Standard (GBS), WELL Building Standard słusznie stosuje się ekologiczne materiały wykończeniowe z zawartością biokomponentów. Te materiały często nie tolerują długotrwałych ekspozycji na nadmiernie wysoką wilgotność. W skrajnych przypadkach nadmiernej wilgotności materiały te mogą emitować zazwyczaj nieszkodliwy, lecz nieprzyjemny zapach. Wiele budynków nie ma instalacji przystosowanej do kontroli górnej granicy wilgotności poprzez typowe osuszanie, więc trzeba podejmować kroki zaradcze.

Osuszanie powietrza

Czyli zmniejszanie wilgotności następuje poprzez skraplanie wody na chłodnicach podczas chłodzenia powietrza. Typowe osuszanie jest praktycznie potrzebne tylko latem i polega na celowym przechłodzeniu, a następnie podgrzaniu nagrzewnicą wtórną powietrza do komfortowej dla człowieka temperatury. Tak proces skutecznie zmniejsza wilgotność, lecz jest bardzo kosztowny. Większość obiektów nie ma funkcjonalności wtórnego podgrzewu przechłodzonego powietrza. Możliwość zmniejszenia ogranicza się do wykraplania się wilgoci przy chłodzeniu powietrza do komfortowej temperatury.

Zmniejszanie wilgotności zatem występuje również przy lokalnym chłodzeniu w klimakonwektorach, klimatyzatorach czy chłodnicach centrali wentylacyjnych.  By wspomóc ten proces, trzeba zapewnić temperaturę wody lodowej znacznie poniżej punktu rosy, by proces wykraplania był intensywniejszy. Jednakże powszechna niska jakość doboru i/lub wykonania izolacji instalacji chłodniczych daje się we znaki kapaniem skroplonej wody w niepożądanych miejscach.  Dodatkowo  potęguje wycieki niedbałe wykonanie odprowadzenia skroplin z klimakonwektorów. Dlatego tak ważny jest nadzór nad inwestycją czy commissioning (Cx) na etapie projektu i wykonawstwa, by eksploatacja nie była tak uciążliwa dla użytkowników.

Optymalizacja zużycia energii i poprawa efektywności energetycznie procesu nawilżania powietrza w 4 punktach:

1. Zadbanie o stan automatyki, czujników i algorytmów sterujących. Przykładowo fałszujące wyniki pomiarów czujników czy błędy w algorytmach mogą prowadzić do nieefektywnego zarządzania wilgotnością, np. nadmiernego nawilżania powietrza. Na rynku są rozwiązania monitorujące w wielu punktach budynku komfort bezpośrednio w przestrzeni użytkownika oraz wprowadzające korekty w sterowaniu urządzeniami – uzupełniające automatykę BMS.
2. Przy osuszaniu z nagrzewnicą wtórną (podgrzanie przechłodzonego powietrza) warto nastawiać w takich przypadkach możliwe niską znośną temperaturę nawiewu.  Wykonujemy to by nie podgrzewać zbędnie powietrza. Ewentualnie można wykorzystać instalacje CT do odzysku chłodu. Pisałem o tym (kliknij w link). Generalnie, ze względu na wysokie koszty osuszania warto ograniczyć je tylko do dni, gdy jest to konieczne, w czym pomagają wcześniej wspomniane systemy monitorujące komfort i sterujące instalacją.
3. Dbałość o sprawność obrotowych odzysków ciepła, chłodu i wilgoci, dzięki czemu możemy odzyskać część wilgoci oraz wstępnie wspomóc proces osuszania.
4. W skrajnych przypadkach, kiedy instalacja nie nadąża nawilżyć/osuszyć powietrza, lepiej ograniczyć ilość zewnętrznego wilgotnego lub suchego powietrza i zwiększyć udział recyrkulacji, jeżeli to możliwe. W takim przypadku obróbka mniejszej ilości zewnętrznego powietrza jest tańsza i skuteczniejsza.