Okres grzewczy często wiąże się z odczuciem wysuszenia powietrza, co może prowadzić do szeregu nieprzyjemnych dolegliwości, jak np. dolegliwości oddechowe, czy wysychanie oczu, a także wpływać na procesy technologiczne w przemyśle. W niniejszym artykule omówimy, skąd bierze się suchość powietrza zimą, jakie ma to konsekwencje i jak można jej zapobiegać.

Wstęp – powietrze suche, czyli jakie?

Powietrze jest uznawane za zbyt suche, jeśli jego wilgotność względna spada poniżej 30% – jest to dolna granica komfortu dla większości ludzi. W takich warunkach nasza skóra, błony śluzowe oraz drogi oddechowe są narażone na podrażnienia i wysuszenie, co zwiększa ryzyko infekcji oraz uczucie dyskomfortu. Optymalna wilgotność względna dla zdrowia człowieka powinna wynosić między 40 a 60%.

Z kolei w zakładach przetwórstwa spożywczego optymalna wilgotność zależy od rodzaju produktu i procesu jego przetwarzania, jednak, ale zwykle mieści się w przedziale 50–70% w celu zachowania odpowiednich warunków produkcji i magazynowania. Zbyt niska wilgotność wiąże się z ryzykiem wysychania i utraty masy produktów.

Przyjrzyjmy się kilku produktom i ich wilgotności:

Papier: 4-7%

Tytoń w papieroach: 13-16%

Suszona kiełbasa: 20-35%

Suchy chleb: 5-20%

Miód: 17-18%

Wilgotność względna i bezwzględna

Aby zrozumieć, dlaczego powietrze staje się suche, należy zrozumieć przede wszystkim różnicę między wilgotnością względną a bezwzględną:

  • Wilgotność bezwzględna określa rzeczywistą ilość pary wodnej w powietrzu, najczęściej wyrażaną w g/m³ (lub w g/kg jak na wykresie Molliera). Wilgotność bezwzględna jest niezależna od temperatury.
  • Wilgotność względna to stosunek ilości pary wodnej w powietrzu do maksymalnej ilości, jaką to powietrze mogłoby pomieścić przy danej temperaturze. Wyrażana jest w procentach i zmienia się wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury powietrza.

W procesie ogrzewania powietrza ilość pary wodnej zawarta w powietrzu jest stała. Jednocześnie jednak wraz ze wzrostem temperatury wzrasta potencjał powietrza do utrzymania większej ilości pary wodnej.

Teoria ogrzewania powietrza a uczucie suchości

Często mówi się, że ogrzewanie „wysusza” powietrze, co jest tylko częściowo prawdą. Proces ogrzewania nie wpływa bowiem na ilość pary wodnej (wilgotność bezwzględną), lecz zmienia wilgotność względną. Dzieje się tak, ponieważ im wyższa temperatura, tym więcej pary wodnej może pomieścić powietrze. Jeśli podgrzewamy powietrze o tej samej wilgotności bezwzględnej, jego wilgotność względna automatycznie spada, przez co odczuwamy powietrze jako suche.

Najłatwiej zrozumieć tę zależność patrząc na wykres Molliera.

Przyjmijmy 2 punkty na tym wykresie: punkt początku grzania: P1 i końca grzania P2, oraz punkt pomocniczy P3.

W punkcie P1 na poniższym diagramie mamy temperaturę 0*C i wilgotność 100%, czyli powietrze jest nasycone (leży na krzywej o maksymalnej wilgotności 100%). Zawartość pary wodnej w tym punkcie wynosi 3,77 g/kg. Gęstość powietrza w temperaturze 0*C wynosi 1,29 kg/m3, a więc mnożąc ilość pary wodnej przez gęstość wiemy, że w 1 m3 powietrza w punkcie P1 mamy 4,86 g pary wodnej.

Ogrzewając powietrze ilość bezwzlględna pary wodnej nie zmienia się, czyli po podgrzaniu będzie jej tyle samo – nadal będzie jej 3,77 g w 1kg powietrza.

Jednak zmianie ulegają 2 parametry:

  • po pierwsze gęstość powietrza spada, przy 20*C wynosi 1,2 kg/m3, zatem w 1m3 powietrza o temperaturze 20*C będzie już tylko 4,5 g pary wodnej,
  • po drugie wzrasta maksymalna, potencjalna, możliwa do utrzymania ilość pary wodnej w tej temperaturze. Wzrasta do wartości przecięcia linii temperatury 20*C z krzywą nasycenia, co ma miejsce w pomocniczym punkcie P3 na wysokości zawartości pary wodnej 14,69 g.

Jednym słowem ilość pary wodnej pozostała stała, ale prawie 4-krotnie wzrósł potencjał powietrza w kwestii utrzymania pary wodnej, co oznacza równocześnie prawie 4-krotny spadek wilgotności względnej, wilgotność względna w punkcie P2 wynosi tylko 26,1%.

Jak zapobiegać wysuszaniu powietrza wentylacyjnego?

Centrale wentylacyjne zapobiegające wysuszaniu powietrza

Aby zapobiegać wysuszaniu powietrza wentylacyjnego należy stosować urządzenia, które pomagają w minimalizowaniu efektu suchego powietrza w sezonie grzewczym. Niestety najczęściej stosowany obecnie sposób odzysku ciepła z zastosowaniem wymienników przeciwprądowych jest jednocześnie tym, które najbardziej wysusza powietrze. Strumień powietrza nawiewnego i wywiewnego są od siebie całkowicie oddzielne szczelnymi przegrodami, jakimi są płyty wymiennika i nie przepuszczają wilgoci z powietrza wywiewanego do nawiewu. W takim wypadku jeśli zależy nam na utrzymaniu preferowanego poziomu wilgotności jedynym sposobem jest zastosowanie nawilżaczy, mogą to być nawilżacze zintegrowane z centralą i będące jej częścią (nawilżacze parowe, adiabatyczne, wyparne, które wkrótce omówimy), lub niezależnie nawilżacze pomieszczeniowe. Najskuteczniejszym wymiennikiem ciepła zapobiegającym wysychaniu powietrza są wymienniki obrotowe, które umożliwiają odzysk ciepła i wilgoci.

Centrale wentylacyjne z wymiennikiem obrotowym

Wymiennik obrotowy to rotor, który obraca się między strumieniami powietrza nawiewanego i wywiewanego. Część wilgoci z powietrza wywiewanego osadza się na powierzchni rotora i jest transportowana do strumienia nawiewanego, gdzie jest ponownie oddawana. Dzięki temu część wilgoci zostaje „odzyskana” i trafia z powrotem do wnętrza budynku.

Wadą rotorów jest możliwość przenikania pewnej ilości powietrza z części wywiewnej do części nawiewnej (maksymalnie kilka procent powietrza). Aby ograniczyć to zjawisko wentylatory nawiewny i wywiewny powinny być umieszczone po przeciwnych stronach rotora, wówczas tworzy się korzystny układ ciśnień na rotorze minimalizujący to zjawisko.

Zatem wymienniki obrotowe nie powinny być stosowane w pomieszczeniach, gdzie nie jest dopuszczalne jakiekolwiek przenikanie powietrza wywiewanego do nawiewu, czyli np. w szpitalach.

Rotory sorpcyjne to specjalne typy rotora, jeszcze bardziej wydajne w odzyskiwaniu wilgoci. Posiadają specjalne materiały, które maksymalizują ilość pary wodnej osadzającej się na rotorze. W efekcie możliwe jest zachowanie wyższego poziomu wilgotności w pomieszczeniu bez konieczności stosowania dodatkowych nawilżaczy.

Szczególnym rodzajem rotora sorpcyjnego jest rotor stosowany w osuszaczach adsorpcyjnych. Rotory takie pracują na odwróconym obiegu i magazynują parę wodną, która po drugiej stronie rotora jest wydmuchiwana z niego gorącym powietrzem zapewniając „regenerację” rotora i bardzo skuteczne osuszanie powietrza.

obrotowy wymiennik ciepła (rotor)

Podsumowanie

Odzysk wilgoci w centralach wentylacyjnych odgrywa istotną rolę w poprawie jakości powietrza w okresie grzewczym, zapobiegając jego nadmiernemu osuszaniu, co jest korzystne zarówno dla zdrowia użytkowników, jak i dla przemysłu. Wymienniki obrotowe, a zwłaszcza rotory sorpcyjne, to efektywne technologie, które pozwalają na przenoszenie wilgoci z powietrza wywiewanego do nawiewanego.