Psihrometrija za HVAC inženjere: jednostavno o složenome

Autor: tehnički odjel Mycond

Zamislite vrući ljetni dan u Splitu: izvadite iz hladnjaka čašu hladne vode i već nakon nekoliko minuta primijetite da se na vanjskoj površini čaše stvaraju kapljice vode. Odakle su se pojavile? To nije voda koja je “procurila” kroz stijenke čaše — to je vodena para iz zraka koja se kondenzirala na hladnoj površini. Upravo ste promatrali psihrometrijsku pojavu koja ima golemo značenje za inženjere sustava grijanja, ventilacije i klimatizacije.

Što je psihrometrija i čemu služi

Psihrometrija je znanost o svojstvima i ponašanju vlažnog zraka. Jednostavno rečeno, to su “upute za uporabu” za zrak koji sadrži vodenu paru. Za HVAC inženjera razumijevanje psihrometrije važno je poput znanja matematike za računovođu — bez toga je nemoguće učinkovito projektirati sustave i rješavati probleme.

U svakodnevnoj praksi inženjeri koriste psihrometriju za rješavanje sljedećih zadataka:

• Izračun količine kondenzata koji nastaje na rashladnim postrojenjima supermarketa u Zagrebu
• Određivanje optimalne temperature i vlage za uredske prostore u Rijeci
• Objašnjenje zašto je zimi u stanovima Osijeka zrak toliko suh da pucaju usne
• Sprječavanje stvaranja plijesni u kupaonicama obalnih kuća Dubrovnika
• Izračun energije potrebne za odvlaživanje zraka u farmaceutskoj proizvodnji

Sedam ključnih parametara vlažnog zraka

Kako bismo u potpunosti opisali stanje zraka, potrebno je poznavati nekoliko karakteristika. Zamislimo 1 kilogram zraka u nevidljivoj kutiji iz tipične stambene sobe u Zagrebu: temperatura 21°C, relativna vlaga 50%. Razmotrimo osnovne parametre koji karakteriziraju to stanje.

1. Temperatura suhog termometra (Dry Bulb Temperature)

To je uobičajena temperatura zraka koju mjerimo običnim termometrom. Označava se kao t ili T, mjeri u °C. Kada kažemo: “u sobi je +21°C”, mislimo upravo na temperaturu suhog termometra. Na psihrometrijskom dijagramu to je vodoravna os na dnu, temperatura raste slijeva nadesno.

Praktično značenje: osnovni parametar toplinske ugode. Čovjek se najbolje osjeća pri 20–24°C zimi te 23–26°C ljeti (osobito važno za vruća hrvatska ljeta).

2. Relativna vlažnost (Relative Humidity)

To je postotak od maksimalno moguće količine vode koju zrak može zadržati pri zadanoj temperaturi. Važna značajka: naziv “relativna” znači da parametar ovisi o temperaturi — to je izvor mnogih nesporazuma. Označava se kao RH ili φ, mjeri se u %.

Zamislite spužvu: pri 21°C spužva može primiti najviše 100 jedinica vode (100% vlage), ako je trenutačno 50 jedinica — to je 50% RH. Zagrijte spužvu na 30°C — sada može primiti 200 jedinica, ali je vode ostalo 50, stoga je RH sada 50/200=25%.

Na dijagramu: zakrivljene linije od dolje-lijevo prema gore-desno, najviša linija 100% RH — linija zasićenja ili krivulja zasićenja.

Ugodan raspon relativne vlažnosti je 40–60%. Ispod 30% zrak je presuh (suha koža, statički elektricitet), iznad 70% — previše vlažan (idealni uvjeti za plijesan, osjećaj zagušljivosti).

3. Omjer vlage (Humidity Ratio, Specific Humidity)

Omjer vlage ili specifična vlažnost — to je stvarna fizikalna količina vodene pare u gramima na kilogram suhog zraka. Označava se kao d, w ili x, mjeri se u g/kg. Najvažnija značajka: za razliku od relativne vlažnosti, omjer vlage ne ovisi o temperaturi — to je apsolutna veličina.

U našem primjeru: temperatura 21°C, RH 50%, omjer vlage 7,8 g/kg. To znači da 1 kg suhog zraka sadrži 7,8 g vodene pare. Ako zagrijemo na 30°C — omjer vlage ostat će 7,8 g/kg, ali RH će se smanjiti na ~27%.

Praktična primjena: izračun vode koju treba ukloniti odvlaživačem. Formula: Količina vode (kg/h) = Protok zraka (kg/h) × Razlika omjera vlage (g/kg) / 1000.

Tipične vrijednosti omjera vlage: suh zimski dan u Zagrebu 2–4 g/kg, ugodan dan 6–9 g/kg, vlažan ljetni dan na hrvatskoj obali 12–18 g/kg.

4. Temperatura rosišta (Dew Point Temperature)

Rosište je temperatura na koju treba ohladiti zrak da bi postao zasićen (100% RH) i da bi započela kondenzacija vlage. Označava se kao Td, mjeri se u °C.

Vratimo se na primjer s čašom: kada se temperatura površine čaše spusti ispod rosišta sobnog zraka, para se kondenzira na čaši. U našem primjeru: zrak 21°C, 50% RH, 7,8 g/kg — rosište +10°C. To znači da će se na svakoj površini s temperaturom +10°C ili nižom stvarati kondenzat.

Kritična važnost za inženjere: ako je temperatura stakla zimi +8°C, a rosište zraka +10°C — na prozorima će biti kondenzat i s vremenom se može pojaviti plijesan.

Pojednostavljena formula za izračun rosišta: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). Primjer: T=21°C, RH=50%, Td ≈ 21 - ((100-50)/5) = 21-10 = 11°C (točna vrijednost +10,2°C, pogreška manja od 1°C).

5. Tlak vodene pare (Vapor Pressure)

To je parcijalni tlak koji stvaraju molekule vodene pare. Označava se kao pv, mjeri se u Pa ili kPa. Fizikalno značenje: svaka molekula vode “gura” okolinu, što je više molekula — to je veći tlak pare.

Zašto je to važno? Vlaga se kreće od područja visokog tlaka pare prema niskom (kao zrak iz probušene gume). Zimi je u sobi toplo i vlaga 40% (tlak pare ~1000 Pa), vani -10°C i 80% RH (tlak pare ~200 Pa) — razlika od 800 Pa potiskuje vlagu kroz zid prema van.

6. Entalpija zraka (Enthalpy)

Entalpija je ukupna energija zraka, koja uključuje toplinu samog zraka (osjetna toplina) i toplinu utrošenu na isparavanje vode (latentna toplina). Označava se kao h ili i, mjeri se u kJ/kg.

U našem primjeru: temperatura 21°C, omjer vlage 7,8 g/kg, entalpija 41 kJ/kg, od toga osjetna toplina ~21 kJ/kg, latentna toplina ~20 kJ/kg.

Praktična primjena: izračun opterećenja klima-uređaja. Rashladni učin (kW) = Protok zraka (kg/s) × Razlika entalpija (kJ/kg).

7. Temperatura vlažnog termometra (Wet Bulb Temperature)

To je temperatura koju pokazuje termometar omotan vlažnom tkaninom kroz koju struji zrak. Označava se kao Tw, mjeri se u °C.

Fizika procesa: voda iz tkanine isparava, oduzimajući toplinu, čime hladi termometar. Što je zrak suši — to je isparavanje intenzivnije — to je niža temperatura vlažnog termometra. U našem primjeru: suha temperatura 21°C, RH 50%, temperatura vlažnog termometra 15°C.

Praktična primjena — hlađenje isparavanjem: temperatura vlažnog termometra je minimalna temperatura do koje se zrak može ohladiti isparavanjem vode bez mehaničkog hlađenja. U vrući dan u Splitu (35°C, 30% RH, temperatura vlažnog termometra 22°C) orošavanjem zraka vodom može se ohladiti na 22–24°C bez klima-uređaja.

Psihrometrijski dijagram — karta vlažnog zraka

Svih sedam parametara međusobno su povezani, a psihrometrijski dijagram (Mollierov dijagram) — grafički je alat koji istodobno prikazuje sve te veze. Glavno pravilo korištenja: ako znate bilo koja DVA parametra, možete pronaći sve ostale.

Primjer korištenja dijagrama: znamo T=21°C i RH=50%. Na vodoravnoj osi pronalazimo 21°C, povlačimo okomitu liniju prema gore, pronalazimo presjek s linijom 50% RH. Ta točka daje nam sva svojstva zraka: d=7,8 g/kg, Td=10°C, h=41 kJ/kg, Tw=15°C.

Praktični primjeri za HVAC inženjere

Primjer 1 — Hlađenje i odvlaživanje zraka klima-uređajem

Zadatak: vanjski zrak u Splitu (32°C, 70% RH) potrebno je ohladiti na 18°C. Prema dijagramu određujemo početne parametre: d₁=21 g/kg, h₁=85 kJ/kg, Td₁=26°C.

Proces hlađenja: zrak prolazi kroz isparivač s temperaturom površine +8°C. Najprije se hladi pri istom omjeru vlage, pri dosezanju rosišta (26°C) započinje kondenzacija, zatim se hladi duž linije 100% RH.

Količina kondenzata: d₁−d₂ = 21−6,5 = 14,5 g/kg. Pri protoku 1200 kg/h nastat će 17,4 litara kondenzata na sat. Potreban rashladni učin klima-uređaja: 21 kW.

Primjer 2 — Zašto je zimi u stanovima suho

Tipična zimska situacija u Zagrebu: vani -5°C, 80% RH (d₁=2,2 g/kg). Taj zrak ulazi u stan kroz ventilaciju i zagrijava se na 21°C. Pri zagrijavanju omjer vlage se ne mijenja, ali relativna vlažnost pada na 14% — vrlo suho!

Razlog: nije vanjska vlažnost niska (tamo je 80% RH!), nego hladan zrak fizički sadrži malo vode. Pri zagrijavanju ta mala količina raspoređuje se u većem obujmu toplog zraka.

Rješenje: za održavanje ugodne vlažnosti 45% potrebno je dodati 4,8 g/kg vode, što za tipičan stan znači oko 7 litara vode na dan!

Primjer 3 — Sušenje zraka desikantom

Farmaceutska proizvodnja u Zagrebu zahtijeva zrak s rosištem -10°C pri temperaturi 21°C (RH=15%, d=1,6 g/kg). Ljeti pripusni zrak ima parametre: 28°C, 65% RH, d₁=15,5 g/kg.

Potrebno je ukloniti Δd = 15,5 − 1,6 = 13,9 g/kg vlage. Pri protoku 500 kg/h: 6,95 kg/h vode.

Običan klima-uređaj ne odgovara, jer bi se za postizanje d=1,6 g/kg hlađenjem moralo ohladiti do -10°C, ali pri temperaturi ispod +4°C kondenzat se ledi na izmjenjivaču topline. Rješenje: adsorpcijski odvlaživač Mycond DESS, koji radi pri bilo kojoj temperaturi i postiže rosišta do -40°C.

Česta pitanja

Što je psihrometrija jednostavnim riječima?

Psihrometrija je znanost o svojstvima vlažnog zraka koja pomaže razumjeti kako zrak interagira s vodom pri različitim temperaturama i tlakovima.

Zašto relativna vlažnost ne pokazuje stvarnu količinu vode u zraku?

Relativna vlažnost pokazuje samo postotak “popunjenosti spremnika”, a ne apsolutnu količinu vode. Pri različitim temperaturama jednaka relativna vlažnost znači različitu količinu vode.

Kako brzo odrediti rosište bez dijagrama?

Koristite formulu: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). Na primjer, pri 25°C i 60% RH: rosište ≈ 25 - ((100-60)/5) = 25-8 = 17°C.

Koja je razlika između osjetne i latentne topline?

Osjetna toplina mijenja temperaturu zraka, a latentna toplina — mijenja fazno stanje vode (isparavanje/kondenzacija) bez promjene temperature.

Kako, znajući dva parametra, odrediti sve ostale?

Koristite psihrometrijski dijagram: pronađite točku presjeka linija koje odgovaraju poznatim parametrima i očitajte ostale parametre s odgovarajućih skala.

Zaključci — zašto je HVAC inženjeru potrebna psihrometrija

Razumijevanje psihrometrije ključno je za HVAC inženjera iz četiri osnovna razloga:

1. Projektiranje sustava: bez psihrometrije nije moguće izračunati rashladni učin klima-uređaja, učinak odvlaživača, snagu ovlaživača za objekte u Hrvatskoj.
2. Ušteda energije: dijagram omogućuje odrediti optimalnu strategiju obrade zraka, pronaći mogućnosti besplatnog hlađenja/odvlaživanja, procijeniti učinkovitost rekuperatora.
3. Sprječavanje problema: razumijevanje rosišta sprječava kondenzaciju u ventilacijskim sustavima, smrzavanje zidova, razvoj plijesni, osobito u obalnim područjima Hrvatske s visokom vlagom.
4. Kontrola kvalitete zraka: pravilna kombinacija temperature i vlažnosti osigurava udobnost ljudi, očuvanje materijala i opreme, te poštivanje tehnoloških zahtjeva.

Psihrometrija nije apstraktna teorija, već svakodnevni alat inženjera koji pomaže donositi ispravne odluke, štedjeti energiju i novac klijenata, stvarati ugodne i sigurne uvjete u prostorima diljem Hrvatske, od kontinentalnog Zagreba do obalnog Dubrovnika.