Dylematy nawilżania, czyli …nawilżacze skuteczne i ekonomiczne

Proces nawilżania powietrza jako jeden z etapów obróbki powietrza można rozwiązać na wiele sposobów. Czy i kiedy jednak nawilżać powietrze? Jakie czynniki  determinują ten proces? …zacznijmy jednak od początku, a więc kilka zdań odnośnie wilgotności powietrza i parametrów komfortu.

Powietrze nawilżone, co to znaczy…

O każdej porze roku w powietrzu zawarta jest woda w postaci pary. Ilość tej pary wiąże się z temperaturą powietrza i czym jego temperatura jest wyższa, tym więcej wilgoci w powietrzu „się zmieści”. Masa pary wodnej wyrażona w gramach na m³ powietrza jest zwana wilgotnością  bezwzględną. Większość z nas kojarzy jednak częściej wilgotność względną, czyli wyrażony w procentach stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej zawartej w powietrzu do prężności pary wodnej nasyconej nad płaską powierzchnią czystej wody w tej samej temperaturze. Tyle mówią definicje, ale dla wyjaśnienia prosty przykład:
W powietrzu o temperaturze  -15°C znajduje się 1 gram pary na kg powietrza suchego (1 m³ powietrza). Wilgotność względna tego powietrza wynosi 100%.
W powietrzu o temperaturze +30°C znajduje się 13,5 grama pary na kg powietrza suchego (1 m³ powietrza). Wilgotność względna tego powietrza wynosi 50%.
Właśnie z tego powodu powietrze zewnętrzne podgrzane w zimie od -15°C do temperatury +21°C jest bardzo suche – wilgotność względna poniżej 10%.  Zaczynają się wtedy problemy zarówno ze zdrowiem mieszkańców, jak i z otaczającą nas częścią techniki. Nam wysycha śluzówka, która staje się podatna na infekcje. Sprzęty wokół nas szczególnie sztuczne oraz elektronika zaczyna się elektryzować i „kopie”, nic groźnego, ale i mało przyjemne. Dla serwerów i niektórych urządzeń takie warunki nie są najlepsze i mogą prowadzić do awarii. Człowiek za to wytrzyma wszystko.

Poniższy wykres przedstawia strefy komfortu człowieka w określonych warunkach temperatury i wilgotności.

Jak widać względny komfort zachowujemy w dość szerokim zakresie 18-27°C oraz 20-80% wilgotności względnej, a warunki komfortu to 19-24°C oraz 40-70%. Komfort też jest pojęciem względnym i każdy odczuwa go inaczej, ale większość w powyższych granicach się mieści.

W jakich obiektach nawilżamy powietrze?

W domach, mieszkaniach…
….wilgotność powietrza zmienia się tak, jak pory roku i nie mamy na to przeważnie wpływu. W zimie dostarczamy do powietrza wilgoci z każdym naszym oddechem, coś gotując lub biorąc prysznic. Dlatego najczęściej w domach nasze powietrze ma 20-30% wilgotności względnej.

W biurach lub przemyśle…
…sytuacja wygląda inaczej. Tam powietrze dostarczają centrale wentylacyjne mające za zadanie utrzymać określone parametry powietrza w pomieszczeniach.  W obiektach, gdzie zachodzą procesy technologiczne nikt nie dyskutuje, czy nawilżać powietrze, czy nie, taki jest wymóg np. produkcji leków. Inaczej sprawa wygląda w biurach. W biurowcach klasy A nawilżanie jest w niższych klasach, zdarza się lub nie ma.

Jak nawilżać? Nawilżacze,  obliczenia, ceny urządzeń…

W powietrzu wywiewanym z pomieszczeń znajduje się więcej wilgoci niż w tym zewnętrznym (cały czas mówimy o okresie zimowym).
W przypadku pomieszczeń wentylowanych mechanicznie przez centralę wentylacyjną nawiewno-wywiewną zgodnie z przepisami musimy stosować odzysk ciepła (wymiennik obrotowy, wymiennik płytowy czy też wymienniki z czynnikiem pośrednim).
Jeżeli możemy zastosować wymiennik obrotowy do odzysku ciepła w centrali, to taki wymiennik odzyska też część wilgoci z powietrza wywiewanego i przekaże go do powietrza nawiewanego.

Rozważny odpowiednio różne warianty wymienników, w kolejności przekazywania wilgoci: rotor standardowy, z odzyskiem wilgoci i sorbcyjny. 

Dla naszych warunków przyjmijmy, że mamy centralę nawiewno-wywiewną, Vn = Vw = 10 000 m³/h, powietrze zewnętrzne -15°C, φ= 100%; powietrze wywiewane 20°C, φ= 40%:

1. dla wymiennika krzyżowego lub z czynnikiem pośrednim nie odzyskujemy wilgoci. tn= 20°C, φ= 22%
2. dla rotora standardowego temperatura po odzysku 14,4°C, φ= 39%, przy tn= 20°C, φ= 28%
3. dla rotora z odzyskiem wilgoci temperatura po odzysku 14,4°C, φ= 42% przy tn= 20°C, φ= 30%
4. dla rotora sorbcyjnego temperatura po odzysku 14,6°C, φ= 52,7% przy tn= 20°C, φ= 37%

Aby osiągnąć wilgotność powietrza nawiewanego  ϕ= 40% przy tn = 20°C, musimy odpowiednio dostarczyć następującą ilość wilgoci, w g/m³ powietrza:

1. dla wymiennika krzyżowego lub z czynnikiem pośrednim 2,7 g/m³  x 10 000 m³/h = 27 kg/h
2. dla rotora standardowego 1,9 g/m³  x 10000m³/h = 19 kg/h
3. dla rotora z odzyskiem wilgoci 1,7 g/m³ x 10 000 m³/h = 17 kg/h
4. dla rotora sorbcyjnego 0,7 g/m³ x 10 000 m³/h = 7 kg/h

W zależności więc od zastosowanego rodzaju odzysku ciepła musimy stosować nawilżacze o odpowiedniej wydajności. Możemy zastosować nawilżacze różnego rodzaju.

1. Nawilżacz parowy – najbardziej higieniczny. Nawilżanie odbywa się gorącą parą doprowadzaną z nawilżacza np. do lanc kanałowych lub poprzez swobodny wydmuch przy zastosowaniu specjalnych nasadek. Para powstaje wskutek zagotowania wody w zbiorniku nawilżacza.
   Ze względu z kolei na sposób podgrzewania wody wyróżniamy nawilżacze:
   – elektrodowe – elementem grzejnym są elektrody, pomiędzy którymi przepływa prąd elektryczny. Wymagana jest twarda woda zasilająca. Nawilżacz tego typu o wydajności 24 kg pary/h pobiera około 18 kW mocy elektrycznej (koszt nawilżacza około 1500 euro);
   – rezystancyjne – elementem grzejnym jest grzałka elektryczna. Nawilżacz tego typu o wydajności 20 kg pary/h pobiera około 15 kW mocy elektrycznej (koszt nawilżacza około 3000 euro);
   – z palnikiem gazowym – elementem grzejnym jest palnik podgrzewający wodę w zbiorniku. Wydajność nawilżaczy tego typu rozpoczyna się od około 50 kg pary/h przy zużyciu gazu około 4 m³/h (koszt nawilżacza około 10 000 euro). Koszt eksploatacji takiego nawilżacza jest 2 razy niższy niż nawilżaczy z elektrycznym elementem grzejnym.
2. Nawilżacz  wodny – woda przepływa przez złoże w centrali prostopadle do przepływu powietrza. Woda powinna być uzdatniona (miękka). Nawilżacz, w którym odparowuje około 20 litrów wody/h kosztuje około 6000 euro. Pobór mocy elektrycznej przez pompę wody około 1 kW.
3. Nawilżacz  wysokociśnieniowy (adiabatyczny) – woda jest rozpylana dyszami pod wysokim ciśnieniem. Woda powinna być uzdatniona (miękka). Nawilżacz adiabatyczny o wydajności około 20 kg pary/h – koszt nawilżacza około 16 000 euro. Pobór mocy elektrycznej przez pompę wody około 1 kW.

Kilka uwag do nawilżaczy, czyli zanim wybierzemy urządzenie

Jak widać z porównania na pierwszy rzut oka koszt eksploatacji nawilżaczy z elektrycznym elementem grzejnym jest około 18-krotnie wyższy niż np. nawilżacza adiabatycznego. Przy nawilżaczu adiabatycznym należy jednak podgrzać powietrze do wyższej temperatury, gdyż rozpylona w dyszach woda schładza powietrze.
Efekt schładzania powietrza w nawilżaczu adiabatycznym można również wykorzystać w okresie letnim. W centrali wentylacyjnej, stosując taki nawilżacz po stronie powietrza wywiewanego przed sekcją odzysku ciepła, możemy schłodzić powietrze wywiewane poniżej 20°C, a następnie odzyskać „chłód”, czyli schłodzić powietrze zewnętrzne. Zmniejsza nam się w ten sposób zapotrzebowanie na chłód np. z agregatu wody lodowej, która jest dostarczana do chłodnic w centralach klimatyzacyjnych.

Stosowanie nawilżania w układach klimatyzacyjnych jest konieczne, jeżeli wymagają tego np. procesy technologiczne. Dla obiektów biurowych nie zawsze będzie to niezbędne. Każdy przypadek, jak i rodzaj zastosowanych nawilżaczy będzie inny. Jest to kwestia wymagań technicznych, wymagań inwestora oraz kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, a także możliwości zastosowania danego rozwiązania (szczególnie dla obiektów modernizowanych).