Fizika neujednačene vlažnosti u prostorima: znanstveno utemeljenje za postavljanje kontrolnih senzora

Autor: tehnički odjel Mycond

Neispravno postavljanje senzora vlažnosti jedna je od najčešćih projektantskih pogrešaka koja dovodi do ozbiljnih operativnih problema u sustavima mikroklime. Neujednačenost vlažnosti u prostoru prirodna je fizikalna pojava koju nije moguće potpuno izbjeći, ali se njome može upravljati pravim inženjerskim rješenjima. Jedan senzor u velikom prostoru ne može prikazati stvarnu sliku polja vlažnosti, što dovodi do lokalne kondenzacije čak i pri normalnim pokazateljima središnjeg senzora.

Fundamentalni mehanizmi prijenosa mase vlage u zraku

Raspodjelu vlažnosti u prostoru određuju dva osnovna mehanizma: konvektivni prijenos i molekularna difuzija. Konvektivni prijenos nastaje kretanjem zračnih masa i dominira u prisutnosti ventilacije. Brzina izjednačavanja vlažnosti pri tome je izravno proporcionalna intenzitetu izmjene zraka.

Molekularna difuzija je spontan proces premještanja molekula vode s područja više koncentracije na područja niže koncentracije prema Fickovu zakonu. Maseni tok vodene pare J može se odrediti formulom:

J = -D * grad(c)

gdje je D koeficijent difuzije vodene pare u zraku (otprilike 2.6 * 10^-5 m²/s pri 20°C), a grad(c) gradijent koncentracije pare.

Stratifikacija zraka i vertikalni gradijent sadržaja vlage

Gustoća vlažnog zraka ovisi o temperaturi i sadržaju vlage u skladu sa zakonom idealnog plina. Topao i vlažan zrak ima manju gustoću od hladnog i suhog, što stvara uvjete za stratifikaciju. Vertikalni profil sadržaja vlage formira se u prisutnosti izvora topline i vlage na različitim visinama.

Stabilna stratifikacija nastaje kada se topao vlažan zrak diže prema gore, a hladan suh ostaje dolje. Vertikalni gradijent vlažnosti može iznositi 5–15% relativne vlage po svakom metru visine u prostorima sa slabom izmjenom zraka. Te vrijednosti značajno ovise o snazi izvora vlage, geometriji prostora i režimu ventilacije.

Razbijanje stratifikacije postiže se prisilnom ventilacijom s dostatnim količnikom izmjene zraka ili upotrebom uređaja za miješanje (ventilatori, destratifikatori).

Utjecaj sustava ventilacije na ujednačenost parametara

Postoje tri osnovne vrste razdiobe zraka koje različito utječu na formiranje polja vlažnosti:

• Mješovita ventilacija s dovodom u gornju zonu – osigurava intenzivno miješanje zraka i najbolju ujednačenost parametara, ali zahtijeva veće energetske troškove;
• Istiskujuća ventilacija s dovodom u donju zonu – stvara vertikalni gradijent parametara, ali osigurava čišći zrak u radnoj zoni;
• Kombinirane sheme – spajaju prednosti oba pristupa za specifične zadatke.

Potrebni količnik izmjene zraka za osiguranje zadane ujednačenosti može se izračunati kroz bilancu prijenosa mase, no važno je razumjeti da visoki količnik ne jamči ujednačenost ako je razdioba zraka neispravno organizirana.

Lokalni izvori emisije vlage i zone rizika

Tehnološki izvori vlage stvaraju zone povišenog sadržaja vlage, čiji radijus ovisi o intenzitetu izvora i učinkovitosti ventilacije. Glavni izvori uključuju:

• Otvorene vodene površine (isparavanje je proporcionalno površini);
• Tehnološke procese s isparavanjem;
• Disanje i znojenje ljudi (80–150 g/h po osobi).

Posebnu pozornost treba posvetiti hladnim površinama: ogradnim konstrukcijama, rashladnoj opremi, cjevovodima. One su zone nastanka kondenzata, gdje lokalna temperatura može biti niža od točke rosišta čak i pri normalnoj srednjoj vlažnosti u prostoru.

Metodologija određivanja broja i položaja senzora vlažnosti

Postupak korak po korak za ispravno postavljanje senzora:

1. Analizirati tlocrt prostora i identificirati sve izvore emisije vlage i hladne površine;
2. Odrediti tip sustava ventilacije i smjerove glavnih zračnih tokova;
3. Izdvojiti karakteristične zone: aktivne ventilacije, tehnološke opreme, mogućeg zastoja, uz hladne površine;
4. Za svaku zonu odrediti potrebu za zasebnim senzorom prema kriteriju: ako u zoni postoji lokalni izvor vlage, ili hladna površina, ili udaljenost od zone aktivne ventilacije prelazi 5–7 m, tada je potreban zaseban senzor;
5. Odrediti visinu ugradnje senzora ovisno o tipu ventilacije;
6. Provjeriti da nijedan senzor nije postavljen neposredno uz dovod ili odsis.

Tipične pogreške pri projektiranju sustava mjerenja vlažnosti

Najčešće pogreške uključuju:

• Uporabu jednog senzora za cijeli volumen prostora neovisno o njegovoj veličini;
• Postavljanje senzora neposredno u mlaz dovodnog ili odsisnog zraka;
• Zanemarivanje temperaturne stratifikacije i postavljanje senzora na visini koja ne odgovara kritičnoj zoni;
• Nedostatak senzora uz hladne površine;
• Ugradnju senzora samo na mjestima dostupnima za montažu bez uvažavanja strukture zračnih tokova.

Operativne posljedice neispravnog postavljanja senzora

Tri tipična scenarija problema:

1. Senzor u zoni aktivne izmjene zraka: prikazuje normalnu vlažnost, ali je u stajaćim zonama povišena i dolazi do kondenzacije. Razlika može dosegnuti 15–20% relativne vlage. Posljedice: oštećenje proizvoda, korozija konstrukcija, razvoj mikroorganizama.
2. Senzor pokraj lokalnog izvora vlage: stalno prikazuje povišene vrijednosti, sustav odvlaživanja radi na maksimalnoj snazi. Posljedice: prekomjerna potrošnja energije, prekomjerno isušivanje drugih zona.
3. Senzor na pogrešnoj visini: ne odražava parametre u kritičnoj zoni, što dovodi do neučinkovitog rada sustava kontrole mikroklime.

Ograničenja primjene standardnih pristupa

Postoje uvjeti u kojima navedene metodologije zahtijevaju korekciju:

• Prostori velikog volumena (više od 5000 m³) zahtijevaju dodatni sustav nadzora;
• Pri niskim temperaturama (ispod -20°C) točnost mjerenja vlažnosti opada, potrebni su posebni senzori;
• U prostorima s intenzivnim izvorima prašine ili agresivnih tvari standardni kapacitivni senzori brzo otkazuju;
• Pri sezonskim promjenama režima eksploatacije može biti potrebna rekalibracija ili promjena položaja senzora.

Česta pitanja o postavljanju senzora vlažnosti

Zašto se pri normalnim pokazanjima središnjeg senzora na zidovima stvara kondenzat?

To je klasičan primjer neujednačenosti polja vlažnosti. Središnji senzor pokazuje prosječnu vrijednost, ali uz hladne površine lokalna temperatura može biti niža od točke rosišta, što dovodi do kondenzacije. Rješenje: ugradnja dodatnih senzora uz hladne površine i zone rizika.

Na kojoj visini postaviti senzor vlažnosti?

Visina ovisi o tipu ventilacije i ciljevima nadzora. Za mješovitu ventilaciju – na razini radne zone (1,5–1,8 m), za istiskujuću – na visini maksimalnog rizika kondenzacije, za višerazinske objekte – na svakoj razini zasebno.

Jesu li potrebni zasebni senzori za svaku zonu velikog prostora?

Da, ako zone imaju različite uvjete: različite izvore vlage, različitu izmjenu zraka, različitu temperaturu površina. Minimalan broj senzora određuje se prema načelu: jedan senzor za svaku zonu s jedinstvenim parametrima plus dodatni senzori u zonama povišenog rizika.

Zaključci

• Analizirati strukturu zračnih tokova prije određivanja kontrolnih točaka;
• Uvažavati lokalne izvore vlage i hladne površine;
• Ne štedjeti na broju senzora ako je to opravdano veličinom i složenošću objekta;
• Periodično provjeravati korelaciju između očitanja različitih senzora radi otkrivanja anomalija.

Primjena ovih načela omogućuje učinkovito funkcioniranje sustava kontrole vlažnosti, sprječavanje nastanka kondenzacije i s njom povezanih oštećenja, kao i optimizaciju potrošnje energije za odvlaživanje zraka.