Автор: технически отдел Mycond
Неравномерността на влажността в помещенията е един от най-недооценените проблеми в сферата на микроклимата. Използването на един датчик за влажност за контрол на голямо пространство често води до критични проектни грешки, когато системите за изсушаване работят неефективно дори при формално нормални показатели. Това се случва поради локално образуване на конденз в зони с повишена влажност, които остават извън обсега на централния датчик. Разбирането на физическите механизми на разпределение на влагата и правилното разполагане на датчиците е ключът към решаването на този проблем.
Механизми на масопренос на водни пари във въздуха
Влажността в помещението се разпределя по два основни механизма: конвективен пренос и молекулна дифузия. Конвективният пренос се осъществява чрез движение на въздушни маси под влияние на температурни разлики или принудителна вентилация. Молекулната дифузия е следствие от градиент на концентрацията на водни пари — молекулите на водата се движат от зона с по-висока концентрация към зона с по-ниска.
Скоростта на изравняване на влажността зависи пряко от интензивността на въздухообмена и се определя от коефициента на дифузия на водните пари D, който за въздуха при нормални условия е около 2,6·10^-5 м²/с. При това скоростта на масопренос V може да се опише с формулата: V = D·(C₁-C₂)/L, където C₁ и C₂ — концентрациите на водни пари в две точки, а L — разстоянието между тях.
Геометрията на помещението съществено влияе върху структурата на въздушните потоци. В удължени помещения с високи тавани може да се формира вертикално разслояване, а в сложни конфигурации с прегради или складово оборудване се образуват зони на застой, където въздухът почти не се движи. За оценка на структурата на потоковете се използва метод за визуализация с димогенератори или анализ на топлинното поле чрез термография.
Стратификация на въздуха и вертикален градиент на влагосъдържанието
Плътността на влажен въздух зависи от температурата и влагосъдържанието съгласно формулата за идеален газ: ρ = (P·M)/(R·T)·(1 + x·(Mв/Mс)), където P — налягане, M — моларна маса на сухия въздух, R — газова константа, T — абсолютна температура, x — влагосъдържание, Mв и Mс — моларни маси на водата и сухия въздух.
Вертикалният профил на влагосъдържанието се формира при наличие на източници на топлина и влага на различни височини. Топлият влажен въздух, имащ по-ниска плътност, естествено се издига нагоре, създавайки стабилна стратификация. Вертикалният градиент на влажността може да достигне 5-15% относителна влажност на всеки метър височина в помещения с ограничена вентилация.
Стабилна стратификация възниква, когато топъл влажен въздух се концентрира под тавана, а студеният сух остава долу. Такова състояние може да бъде разрушено чрез принудителна вентилация с кратност на въздухообмена не по-малка от 3-5 обмена на час, в зависимост от височината на помещението и интензивността на източниците на влага.
Влияние на вентилационната система върху равномерността на параметрите
Съществуват три основни типа въздухоразпределение, които по различен начин влияят на равномерността на влажността. Смесителната вентилация с подаване на въздух в горната зона осигурява активно смесване и по-равномерни параметри, но може да създава зони с повишено движение на въздуха. Изместителната вентилация с подаване в долната зона формира възходящ поток, който ефективно отстранява замърсяванията, но създава вертикален градиент на параметрите. Комбинираните схеми се стремят да съчетаят предимствата и на двата типа.
За изчисляване на необходимата кратност на въздухообмена N за осигуряване на зададена равномерност се използва формулата за баланс на масопреноса: N = ln(ΔC₀/ΔC₁)/(τ·ε), където ΔC₀ и ΔC₁ — начална и допустима разлика в концентрациите, τ — необходимото време за изравняване, ε — коефициент на ефективност на въздухообмена (0,3-0,8 в зависимост от схемата на вентилация).
Важно е да се разбира, че високата кратност на въздухообмена не гарантира равномерни параметри, ако въздухоразпределението е организирано некоректно. При неправилно разположение на приточните и изпускателните устройства могат да се формират „къси съединения“ на въздушните потоци, когато приточният въздух се отвежда веднага, без ефективно обслужване на работната зона.
Локални източници на отделяне на влага и рискови зони
Технологичните източници на влага създават локални зони с повишено влагосъдържание. Откритите водни повърхности генерират влага със скорост 0,1-0,3 кг/м²·ч в зависимост от температурата и подвижността на въздуха. Технологични процеси с изпарение могат да отделят до 1-5 кг/ч влага с локализация в радиус 2-3 м от източника. Хората отделят 0,05-0,2 кг/ч влага в зависимост от активността.
Особено внимание трябва да се обърне на студени повърхности — ограждащи конструкции, хладилно оборудване, тръбопроводи. По тези повърхности може да се случи кондензация, ако тяхната температура е по-ниска от точката на оросяване на околния въздух. Зоната на риск от кондензация обикновено се простира на 0,5-1 м от студената повърхност.
Взаимодействието на локални източници и общата вентилация се описва с понятието ефективност на отстраняване на замърсявания (Е): Е = (Cв-Cп)/(Cлок-Cп), където Cв — концентрация на замърсителя във въздуха на изпускателната вентилация, Cп — в приточния въздух, Cлок — в зоната на локалния източник. Оптимална ефективност (E > 0,8) се постига при правилно разполагане на изпускателните устройства спрямо източниците на отделяне на влага.
Методика за определяне на броя и разполагането на датчици за влажност
За правилен контрол на влажността е необходимо да се приложи системен подход към определянето на броя и разполагането на датчиците. Предлагаме стъпкова методика:
1. Анализирайте разпределението на помещението и идентифицирайте всички източници на отделяне на влага и студени повърхности. Създайте карта на отделянето на влага с отбелязване на мощността на източниците.
2. Определете типа на вентилационната система и посоките на основните въздушни потоци. Използвайте аеродинамични изчисления или практически тестове с димогенератори.
3. Отделете характерни зони: зона на активна вентилация, зона на технологично оборудване, зона на възможен застой, зона до студени повърхности.
4. За всяка зона определете необходимостта от отделен датчик по критерия: ако в зоната има локален източник на влага, студена повърхност или разстоянието от зоната на активна вентилация превишава характерната дължина на смесване (L = 3-5√A, където A — площта на напречното сечение на въздухоразпределителното устройство), тогава е необходим отделен датчик.
5. Определете височината на монтаж на датчика: за помещения със смесителна вентилация — на височината на работната зона (1,5-1,8 м); за помещения с изместителна вентилация — на височината на максималния риск от кондензация; за многоетажни складове — на всеки етаж поотделно.
6. Уверете се, че нито един датчик не е разположен непосредствено до приток или изпускател на разстояние по-малко от три диаметъра на въздуховода или по-малко от един метър.
Пример: за складово помещение с размер 24×18×6 м с две портални врати, система за смесителна вентилация и зона за хладилно съхранение са нужни минимум 4 датчика: един в централната зона на височина 1,8 м, един до вратите на същата височина, един в зоната на хладилното оборудване на височина 1,5 м и един под тавана на височина 5,5 м за контрол на горната зона.
Типични грешки при проектирането на системи за измерване на влажност
При проектирането на системи за контрол на влажността често се допускат типични грешки, които водят до некоректна работа на оборудването:
1. Използване на един датчик за целия обем на помещението независимо от размера му. Тази грешка е особено критична за помещения с площ над 100 м² или с височина на тавана над 4 м, където пространствената неравномерност на влажността може да достигне 15-25%.
2. Разполагане на датчика непосредствено в струята на приточния или изпускателния въздух. Такъв датчик показва параметрите на подавания или отвеждания въздух, а не средните параметри в помещението.
3. Игнориране на температурната стратификация и монтиране на датчика на височина, която не съответства на критичната зона. Например, датчик под тавана може да показва с 15-20% по-висока относителна влажност, отколкото в работната зона.
4. Липса на датчици до студени повърхности, където рискът от кондензация е най-голям. Разликата между общата влажност в помещението и локалната до студени повърхности може да бъде 30-40% по относителната скала.
5. Монтиране на датчици само на места, удобни за монтаж, без отчитане на структурата на въздушните потоци. Това води до нерепрезентативни данни и некоректна работа на системите за изсушаване.
Експлоатационни последици от некоректно разполагане на датчиците
Неправилното разполагане на датчици за влажност води до сериозни експлоатационни проблеми. Нека разгледаме три типични сценария:
Сценарий 1: Датчикът е разположен в зона на активен въздухообмен и показва нормална влажност (45-55%), но в застойни зони влажността е повишена (65-80%) и се образува конденз. Последствия: повреда на продукцията, корозия на метални конструкции, развитие на плесени и други микроорганизми. Отклоненията между показанията на датчика и реалните параметри в критични зони могат да достигнат 20-30% по относителната скала.
Сценарий 2: Датчикът е разположен до локален източник на влага и постоянно показва завишени стойности (65-75%). Системата за изсушаване работи на максимална мощност, което води до свръхразход на енергия с 30-50% и пресушаване на други зони (до 25-35% относителна влажност).
Сценарий 3: Датчикът е разположен на неправилна височина, например под тавана в помещение с изместителна вентилация. Той показва повишена влажност (60-70%), макар че в работната зона тя е нормална (45-55%). Резултат — безполезна работа на изсушителя и свръхразход на енергия до 40-60%.
Ограничения и изключения при използване на методиките
Описаните методики имат определени ограничения и условия, при които се нуждаят от корекции:
1. При много големи обеми на помещенията (над 5000 м³) дори правилно разположените точкови датчици може да не осигурят пълен контрол. В такива случаи се препоръчва допълнителна система за мониторинг с използване на разпределена мрежа от датчици или системи за сканиране на параметрите.
2. При екстремално ниски температури (под -20°C) точността на измерване на влажността рязко намалява за повечето капацитивни датчици. Необходими са специални датчици, проектирани за ниски температури, или системи за непряко измерване на влагосъдържанието.
3. В помещения с интензивни източници на прах или агресивни вещества стандартните капацитивни датчици бързо се повреждат. Необходимо е използване на защитни кожуси с филтри или алтернативни технологии за измерване, например оптични хигрометри.
4. При сезонни промени в режима на експлоатация може да се наложи прекалибриране или промяна в разположението на датчиците. Системата за мониторинг трябва да бъде достатъчно гъвкава за адаптация към различни режими на работа.
FAQ
Защо при нормални показания на централния датчик по стените се образува конденз?
Това е класически проявление на локална неравномерност на влажността. Централният датчик показва средна стойност на относителната влажност в помещението (например 55%), но до студени повърхности локалната относителна влажност може да е значително по-висока (до 80-90%) поради по-ниската температура. Ако температурата на повърхността е под точката на оросяване, настъпва кондензация. За решаване на проблема е необходимо да се постави допълнителен датчик директно в зоната на риск, на разстояние 0,3-0,5 м от студената повърхност.
Колко датчици трябва да се монтират в склад с площ 500 м²?
Броят датчици се определя не само от площта, но и от геометрията, вентилационната система и наличието на локални източници на влага. За склад с площ 500 м² минималният брой датчици се изчислява по формулата: N = 1 + nзони + nизточници + nповърхности, където nзони — брой отделени вентилационни зони, nизточници — брой мощни локални източници на влага, nповърхности — брой зони със студени повърхности. Типичен склад с такъв размер изисква 3-6 датчици.
На каква височина да се монтира датчик за влажност?
Височината на монтаж зависи от типа вентилация и характера на технологичния процес. При смесителна вентилация основният датчик се монтира на височина 1,5-1,8 м в централната зона. При изместителна вентилация — на височината на работната зона или технологичния процес (0,8-1,5 м). За контрол на стратификацията във високи помещения (над 4 м) допълнителни датчици се разполагат на различни нива с интервал 2-3 м по височина.
Може ли датчик да се монтира до врати или прозорци?
Монтирането на датчици до врати или прозорци е нежелателно поради влиянието на инфилтрацията — неконтролирано постъпване на външен въздух. Зоната на инфилтрация обикновено се простира на разстояние до 3-5 м от големи врати и 1-2 м от прозорци. Датчикът трябва да се разполага извън тази зона, освен ако контролът на инфилтрацията не е специална задача на мониторинга.
Заключения
Равномерният контрол на влажността в помещенията не е просто въпрос на комфорт, а критично важна инженерна задача, от която зависят съхранението на продукцията, енергийната ефективност на системите и дълготрайността на конструкциите. Правилното разполагане на датчиците за влажност е ключов аспект на тази задача.
Основни принципи, които трябва да се вземат предвид при проектирането на системи за контрол на влажността:
1. Винаги анализирайте структурата на въздушните потоци преди определяне на контролните точки.
2. Отчитайте локалните източници на влага и студените повърхности като зони с повишен риск.
3. Не пестете от броя на датчиците, ако това е оправдано от размера и сложността на обекта.
4. Периодично проверявайте корелацията между показанията на различни датчици за откриване на аномалии.
5. Помнете за вертикалната стратификация на влажността във високите помещения.
Инвестициите в правилна система за мониторинг на влажността се изплащат чрез предотвратяване на повреди по продукцията, намаляване на енергийната консумация от системите за изсушаване и увеличаване на експлоатационния живот на строителните конструкции и технологичното оборудване.
