Автор: технічний відділ Mycond
Повітря, з яким ми щодня взаємодіємо, — це не просто механічна суміш азоту, кисню та інших газів. Це складна термодинамічна система, що містить водяну пару, стан якої безпосередньо впливає на наш комфорт, енергоспоживання обладнання та довговічність будівельних конструкцій. Саме параметри вологого повітря визначають усі процеси в системах опалення, вентиляції та кондиціонування (ОВіК) — від розрахунку теплових навантажень до проектування систем осушення.
Знання та вміння оперувати параметрами вологого повітря становлять фундамент професійної діяльності інженера ОВіК. Без цих знань неможливо правильно розрахувати потужність кондиціонера, підібрати вентиляційну установку або визначити причину конденсації на поверхнях. Розглянемо сім ключових параметрів, що визначають стан вологого повітря та їх практичне застосування.
1. Температура сухого термометра
Температура сухого термометра (позначається T або Tdry) — це звичайна температура повітря, яку ми вимірюємо побутовим термометром, виражена в градусах Цельсія (°C). Вона називається «сухою», оскільки вимірюється термометром, на показники якого не впливає випаровування вологи.
Для забезпечення теплового комфорту в житлових приміщеннях рекомендована температура сухого термометра становить 20–22 °C у зимовий період та 23–25 °C у літній. Для офісних приміщень оптимальний діапазон трохи вужчий — 21–23 °C.
На психрометричній діаграмі температура сухого термометра розташована по горизонтальній осі, що робить її відправною точкою для більшості розрахунків стану повітря.
2. Відносна вологість
Відносна вологість (RH або φ) визначається як відсоткове відношення фактичного вмісту водяної пари в повітрі до максимально можливого вмісту при даній температурі. Вимірюється у відсотках (%). Ключова особливість відносної вологості — її сильна залежність від температури повітря.
Розглянемо приклад: зимове повітря при температурі -5 °C з відносною вологістю 80% містить незначну кількість водяної пари. Але коли це ж повітря нагрівається до +21 °C (наприклад, потрапляючи в опалюване приміщення), його відносна вологість падає до 20% при тій самій абсолютній кількості води. Це пояснює, чому взимку в приміщеннях так сухо, хоча на вулиці вологість висока.
Комфортний діапазон відносної вологості для людини становить 40–60%. При показниках нижче 30% виникає відчуття сухості слизових оболонок, а при значеннях вище 70% — відчуття задухи та надмірного потовиділення.
На психрометричній діаграмі лінії відносної вологості мають вигнуту форму, що відображає нелінійність залежності між температурою та максимальним вмістом вологи в повітрі.
3. Вологовміст
Вологовміст (d, w або x) — це фізична кількість водяної пари, що міститься в повітрі, виражена в грамах на кілограм сухого повітря (г/кг). На відміну від відносної вологості, цей параметр не залежить від температури повітря, тому він ідеально підходить для розрахунків процесів осушення та зволоження.
Типові значення вологовмісту:
- Сухий зимовий день: 2–4 г/кг
- Комфортні умови в приміщенні: 6–9 г/кг
- Вологий літній день: 12–18 г/кг
- Тропічний клімат: понад 20 г/кг
Для розрахунку кількості видаленої вологи використовується формула: W = G × (d1 - d2), де W — кількість видаленої вологи (кг/год), G — витрата повітря (кг/год), d1 і d2 — вологовміст на вході та виході з осушувача (г/кг).
На психрометричній діаграмі вологовміст представлений горизонтальними лініями, зі шкалою, розташованою справа.
4. Температура точки роси
Температура точки роси (Td) — це температура, до якої необхідно охолодити повітря при постійному тиску, щоб водяна пара почала конденсуватися. Вимірюється в градусах Цельсія (°C).
Фізичний зміст точки роси надзвичайно важливий: якщо температура будь-якої поверхні нижча за точку роси навколишнього повітря, на цій поверхні з'явиться конденсат. Класичним прикладом є «запотіла» склянка з холодною водою в теплому приміщенні.
Для приміщення з параметрами 21 °C і 50% RH точка роси становить близько 10 °C. Це означає, що будь-яка поверхня з температурою нижче 10 °C почне «збирати» вологу. Саме тому взимку на недостатньо утеплених вікнах утворюється конденсат, а в товщі недостатньо утеплених стін може накопичуватися волога.
Практична рекомендація: для запобігання конденсації температура поверхонь повинна бути не менше ніж на 2–3 °C вища за точку роси.
На психрометричній діаграмі точка роси визначається перетином горизонтальної лінії вологовмісту з кривою насичення (лінією 100% відносної вологості).
5. Парціальний тиск водяної пари
Парціальний тиск водяної пари (pv) — це тиск, який створювала б водяна пара, якби займала весь об'єм суміші при тій самій температурі. Вимірюється в Паскалях (Па) або кілоПаскалях (кПа).
Фізично це означає, що молекули водяної пари «штовхають» навколишнє середовище, і ця сила може бути виміряна. Цей параметр особливо важливий для розуміння процесів дифузії вологи через будівельні конструкції, оскільки волога рухається від зони з вищим парціальним тиском до зони з нижчим.
Наприклад, у зимовий період парціальний тиск водяної пари в опалюваному приміщенні (21 °C, 40% RH) становить приблизно 990 Па, тоді як зовні (-10 °C, 80% RH) — лише близько 260 Па. Ця різниця в 730 Па створює потужний потік вологи зсередини назовні, який необхідно контролювати за допомогою правильно спроектованої пароізоляції.
Парціальний тиск водяної пари прямо пов'язаний із вологовмістом, тому на психрометричній діаграмі його шкала розташована паралельно шкалі вологовмісту.
6. Ентальпія вологого повітря
Ентальпія (h або i) — це повна енергія вологого повітря, що включає «відчутне» тепло (пов'язане з температурою) та «приховане» тепло (енергія, затрачена на випаровування води). Вимірюється в кілоджоулях на кілограм (кДж/кг).
Для розуміння складу ентальпії розглянемо приклад: при температурі 21 °C і вологовмісті 7,8 г/кг загальна ентальпія повітря становить близько 41 кДж/кг. З цієї величини приблизно 21 кДж/кг припадає на відчутне тепло (безпосередньо пов'язане з температурою), а 20 кДж/кг — на приховане тепло випаровування.
Важливо знати, що для випаровування 1 кг води потрібно близько 2500 кДж енергії. Саме тому при розрахунках потужності кондиціонерів так важливо враховувати вологовидалення, адже на нього може припадати до половини всього навантаження на систему охолодження.
Потужність охолодження або нагрівання розраховується за формулою: Q = G × (h1 - h2), де Q — потужність (кВт), G — витрата повітря (кг/с), h1 і h2 — ентальпія на вході та виході (кДж/кг).
На психрометричній діаграмі лінії ентальпії мають діагональний напрям і розташовані під кутом, зі шкалою в верхньому лівому куті діаграми.
7. Температура мокрого термометра
Температура мокрого термометра (Tw) — це показник термометра, чутливий елемент якого обгорнутий вологою тканиною, через яку проходить повітря. Вимірюється в градусах Цельсія (°C).
Фізичний принцип вимірювання ґрунтується на випаровуванні води з тканини, яке забирає тепло та охолоджує термометр. Чим сухіше повітря, тим інтенсивніше випаровування і тим нижчою буде температура мокрого термометра порівняно з температурою сухого.
Для повітря з параметрами 21 °C і 50% RH температура мокрого термометра становить близько 15 °C. У граничному випадку, коли відносна вологість досягає 100%, випаровування стає неможливим, і температура мокрого термометра дорівнює температурі сухого.
Практичне застосування температури мокрого термометра:
- Вимірювання вологості повітря за допомогою простого психрометра-слінга
- Оцінка потенціалу випарного охолодження без використання механічного холоду
Наприклад, при спекотній погоді 35 °C з відносною вологістю 30% температура мокрого термометра становить близько 22 °C. Це означає, що за допомогою простого адіабатичного зволоження можна охолодити повітря на 10–11 °C без використання компресорів. Цей принцип використовується в градирнях, випарних охолоджувачах та системах адіабатичного зволоження.
На психрометричній діаграмі лінії температури мокрого термометра майже паралельні лініям ентальпії, але мають дещо інший нахил.
Психрометрична діаграма як інструмент інженера
Психрометрична діаграма — це графічне представлення взаємозв'язку всіх семи параметрів вологого повітря. Її головна перевага полягає в тому, що, знаючи будь-які два параметри, можна визначити всі інші.
Найчастіше використовувані комбінації параметрів:
- Температура сухого термометра + відносна вологість — найпростіші для вимірювання
- Температура сухого термометра + точка роси — для контролю конденсації
- Температура сухого термометра + вологовміст — для розрахунків осушення
Як читати психрометричну діаграму? Знайдіть перетин відомих вам параметрів (наприклад, T і RH), і з цієї точки ви зможете визначити всі інші параметри, рухаючись по відповідних лініях.
Практичний приклад: Охолодження зовнішнього повітря
Розглянемо типову задачу охолодження зовнішнього повітря з температурою 32 °C і відносною вологістю 70% до 22 °C.
Крок 1: Визначаємо початковий стан повітря на психрометричній діаграмі.
Знаходимо точку перетину T = 32 °C та RH = 70%.
З діаграми визначаємо: вологовміст d1 = 22 г/кг, ентальпія h1 = 88 кДж/кг, точка роси Td1 = 26 °C.
Крок 2: Визначаємо кінцевий стан повітря після охолодження.
При охолодженні повітря до 22 °C частина вологи конденсується, оскільки 22 °C нижче початкової точки роси (26 °C).
На діаграмі проводимо горизонтальну лінію від початкової точки до перетину з кривою насичення, а потім вертикальну лінію вниз до T = 22 °C.
Отримуємо: вологовміст d2 = 16 г/кг, відносна вологість RH2 ≈ 95%, ентальпія h2 = 64 кДж/кг.
Крок 3: Розрахунок кількості сконденсованої вологи.
При витраті повітря 1000 кг/год:
W = 1000 × (22 - 16) / 1000 = 6 кг/год вологи.
Крок 4: Розрахунок потужності кондиціонера.
Q = 1000 × (88 - 64) / 3600 = 6,67 кВт
Цей приклад показує, наскільки важливо враховувати вологість при розрахунку навантаження на кондиціонер. Майже половина енергії витрачається на конденсацію вологи (приховане тепло), а не просто на зниження температури.
Типові помилки та їх наслідки
У роботі з параметрами вологого повітря інженери часто припускаються таких помилок:
- Ототожнення відносної вологості з абсолютною кількістю води — призводить до неправильної оцінки необхідності зволоження або осушення
- Ігнорування зміни RH при нагріванні повітря — причина непередбаченої сухості в опалювальний період
- Недооцінка різниці парціальних тисків пари — може викликати проблеми з пароізоляцією
- Неврахування прихованого тепла в розрахунках — призводить до недостатньої потужності обладнання
Експлуатаційні наслідки таких помилок можуть бути серйозними:
- Конденсація на вікнах, трубах та інших холодних поверхнях
- Накопичення вологи в будівельних конструкціях та їх поступова деградація
- Недостатня потужність обладнання для охолодження та осушення
- Дискомфорт мешканців через неправильний вологісний режим
Поширені запитання (FAQ)
1. Чому взимку в квартирі сухо, хоча на вулиці висока вологість?
Це пов'язано з різницею між відносною вологістю та абсолютним вологовмістом. Холодне зимове повітря при -5 °C з відносною вологістю 80% містить лише близько 2,5 г/кг вологи. Коли це повітря нагрівається в приміщенні до 21 °C, його максимальна ємність зростає до 15 г/кг, але кількість вологи залишається тією самою. В результаті відносна вологість падає до 20%, створюючи відчуття сухості.
2. Як швидко визначити точку роси без приладів?
Для житлових приміщень з нормальною температурою (20–22 °C) можна використовувати спрощене правило: при відносній вологості 50% точка роси приблизно на 10 °C нижче температури повітря, при 40% — на 12 °C нижче, при 60% — на 8 °C нижче.
3. Що таке приховане тепло і чому воно важливе?
Приховане тепло — це енергія, яка витрачається на зміну агрегатного стану води (випаровування або конденсацію) без зміни температури. Воно надзвичайно важливе для розрахунку потужності кондиціонерів, оскільки на конденсацію вологи може витрачатися до 50% загальної енергії охолодження. Ігнорування цієї складової призводить до недостатньої потужності обладнання.
4. Чим відрізняється вологовміст від відносної вологості?
Вологовміст (г/кг) показує реальну фізичну кількість водяної пари в повітрі та не залежить від температури. Відносна вологість (%) показує ступінь насичення повітря водяною парою та сильно залежить від температури. При нагріванні повітря вологовміст залишається незмінним, а відносна вологість знижується.
5. Чому для розрахунків осушення використовують вологовміст, а не відносну вологість?
Вологовміст є прямим показником кількості води в повітрі, тому дозволяє безпосередньо розрахувати кількість вологи, яку необхідно видалити. Відносна вологість змінюється при зміні температури навіть без додавання або видалення вологи, що робить її незручною для таких розрахунків.
6. Що означає крива насичення на психрометричній діаграмі?
Крива насичення (лінія 100% відносної вологості) показує максимальну кількість вологи, яку може утримувати повітря при різних температурах. При досягненні цієї межі починається конденсація. Ця крива також відображає температуру точки роси для різних станів вологого повітря.
Висновки
Кожен із семи розглянутих параметрів вологого повітря є незамінним інструментом для вирішення конкретних інженерних задач:
- Температура сухого термометра — основний параметр для забезпечення теплового комфорту
- Відносна вологість — ключовий показник для оцінки комфорту та захисту матеріалів
- Вологовміст — базовий параметр для розрахунку процесів осушення та зволоження
- Температура точки роси — незамінний інструмент для запобігання конденсації
- Парціальний тиск водяної пари — визначальний фактор для проектування пароізоляції
- Ентальпія — основа для енергетичних розрахунків та оцінки потужності обладнання
- Температура мокрого термометра — показник для оцінки потенціалу випарного охолодження
Ґрунтовне розуміння цих параметрів та вміння оперувати ними за допомогою психрометричної діаграми дозволяє інженерам ОВіК проектувати ефективні системи з оптимальним енергоспоживанням та максимальним комфортом для користувачів.
