Wilgotność powietrza wewnętrznego

Według normy PN-EN 16798-1:2019-06 [1] wilgotność względna (RH – Relative Humidity) wpływa zarówno na komfort termiczny i jakość powietrza wewnętrznego (np. zawartość ładunków elektrostatycznych w powietrzu), jak i ochronę konstrukcji budynku (skraplanie pary wodnej na przegrodach, rozwój pleśni itp.). Ma też wpływ na ogólne samopoczucie i zdrowie użytkowników pomieszczeń, co znajduje potwierdzenie w badaniach przeprowadzonych już w latach 80. ubiegłego wieku [2].

Zbyt niska wilgotność powoduje wysychanie oczu i błon śluzowych dróg oddechowych oraz zwiększone ryzyko infekcji, w tym tzw. infekcji sezonowych oraz chorób przenoszonych przez nowe wirusy, a także astmy i alergii [2–7]. W powietrzu o wilgotności poniżej 20–30% powstają warunki sprzyjające utrzymywaniu się jąder kondensacji zawierających wirusy, powstających po odparowaniu aerozolu wodnego emitowanego z górnych dróg oddechowych podczas kichania i kaszlu (a także innych aktywności) [8, 9].

Wilgotność poniżej 30–40% powoduje wyraźne zaburzenia w działaniu glikokaliksu – ochronnej warstwy błony śluzowej, złożonej z wielocukrów (glikanów). Wilgotność powietrza odpowiednia dla prawidłowego działania tej warstwy powinna wynosić ok. 50% w temperaturze pokojowej [6].

Z kolei zbyt wysoka wilgotność względna – powyżej 80% – zwiększa narażenie na grypę i ryzyko chorób reumatycznych, stwarza dobre warunki do utrzymywania się jąder kondensacji oraz rozwoju roztoczy, a także wyraźnie wpływa na zwiększoną emisję lotnych związków organicznych z materiałów budowlanych oraz rozwój grzybów pleśniowych ze wszystkimi tego następstwami [2, 8].

Wspólnym mianownikiem większości prac badawczych dotyczących wpływu wilgotności na zdrowie i samopoczucie użytkowników budynków jest wartość zalecana także przez normę PN-B-03421 [11], powołaną w Warunkach Technicznych [12]:

§ 149.4. W pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi, wentylowanych w sposób mechaniczny lub klimatyzowanych, wartości temperatury, wilgotności względnej i prędkości ruchu powietrza w pomieszczeniach należy przyjmować do obliczeń zgodnie z Polską Normą dotyczącą parametrów obliczeniowych powietrza wewnętrznego.

Według tej normy wilgotność względna w pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi latem powinna wynosić przy niskim i średnim poziomie metabolizmu 40–55%, a przy jego wysokim poziomie – 40–60%. Taką samą wartość (40–60%) powinna przybierać, niezależnie od aktywności użytkowników pomieszczeń, zimą.

Znaczenie wilgotności względnej dla warunków pracy i jej związek z prawidłową wentylacją akcentuje (choć w sposób ogólnikowy) rozporządzenie dotyczące BHP w miejscach pracy [13], które wskazuje, że:

§ 32.1. W pomieszczeniach pracy powinna być zapewniona wymiana powietrza wynikająca z potrzeb użytkowych i funkcji tych pomieszczeń, bilansu ciepła i wilgotności oraz zanieczyszczeń stałych i gazowych.

Norma PN-EN 16798-1:2019-06 [1] zaleca, żeby wilgotność bezwzględna nie była wyższa niż 12 g/kg – taką samą wartość wskazano w standardzie ASHRAE 55-2017 [14]. Podano w niej także projektowe wartości wilgotności względnej dla pomieszczeń z dodatkowymi wymaganiami – do których norma zalicza np. muzea czy wybrane obiekty opieki zdrowotnej – w przypadku stosowania nawilżania lub osuszania (tabela 1).

Jednocześnie norma wskazuje, że w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi i bez dodatkowych wymagań zwykle nie jest potrzebne nawilżanie lub osuszanie powietrza. Zgodnie z rekomendacją normy, w bardzo zimnym klimacie, jeśli zalecany strumień powietrza wentylacyjnego miałby spowodować wysuszenie powietrza, należy zastosować odzysk wilgoci.

Na rynku znaleźć można bogatą ofertę central wentylacyjnych wyposażonych w regeneracyjne lub entalpiczne wymienniki ciepła, które umożliwiają odzyskiwanie wilgoci nawet w mniejszych instalacjach wentylacyjnych.

Zobacz także: Wentylacja hal basenowych

Odzysk wilgoci dzięki wymiennikom regeneracyjnym

Wymienniki regeneracyjne są odmianą wymienników obrotowych, w których wirnik zbudowany jest z aluminium o wysokiej przewodności cieplnej pokrytego warstwą higroskopijną (sorpcyjną) – zapewniony jest dzięki temu odzysk zarówno ciepła jawnego, jak i utajonego (zawartego w wilgoci).

W przypadku regeneratora istotne jest gromadzenie (akumulowanie) ciepła i wilgoci z jednego strumienia powietrza, a następnie oddawanie zgromadzonej energii drugiemu strumieniowi. Dlatego konstrukcja wymiennika opiera się na tworzeniu tzw. masy akumulacyjnej. Wirnik wymiennika obraca się między strumieniem powietrza zewnętrznego (świeżego) i wywiewanego z pomieszczeń. Zimą powietrze zewnętrzne odbiera ciepło jawne i utajone (w postaci wilgoci) z jednej połowy masy akumulacyjnej (nagrzanej wcześniej przez strumień powietrza wywiewanego) – dzięki temu powietrze wywiewane oddaje ciepło jawne i utajone do podgrzania i nawilżenia powietrza zewnętrznego przed jego nawiewem do pomieszczeń. Latem proces ten jest odwrócony, dzięki czemu temperatura i wilgotność powietrza nawiewanego jest obniżana przed jego napływem do pomieszczeń.

Na sprawność odzysku ciepła jawnego wpływa lamelowa konstrukcja wymiennika. Grubość i wysokość lameli wpływają na powierzchnię wymiany ciepła (a więc sprawność wymiennika). Większą powierzchnię wymiany zapewniają małe wysokości lamel.

O odzysku wilgotności decyduje powłoka sorpcyjna, wykonywana najczęściej z żeli krzemionkowych lub zeolitów. Zeolity cechują się lepszą selektywnością niż krzemionka – dobrze przepuszczają wodę i parę wodną, a jednocześnie uniemożliwiają przechodzenie zanieczyszczeń między strumieniami powietrza (np. substancji odpowiedzialnych za zapachy). Im mniejsze są cząstki zeolitu tworzącego powłokę, tym większą selektywność, powierzchnię i szybkość wymiany wilgoci zapewnia powłoka, przy jednoczesnym zachowaniu małych oporów przepływu. Powłoka zeolitowa cechuje się też dobrą przyczepnością oraz odpornością na czyszczenie wymiennika, nawet pod wysokim ciśnieniem.

Wymienniki obrotowe znajdują bardzo szerokie zastosowanie – mają od 300 do 8000 mm średnicy (dane jednego z producentów), a ich całoroczna sprawność całkowita (odzysku entalpii) wynosi zwykle ok. 80–85%, przy czym dla urządzeń wysokiej klasy sprawność odzysku wilgoci może nawet przekraczać 90%. Pozostając w ruchu i odzyskując wilgoć, są one w bardzo małym stopniu narażone na szronienie czy zamarzanie, gdyż nie dochodzi w nich do powstawania kondensatu.

W wymienniku obrotowym występują tzw. przecieki między strumieniem powietrza nawiewanego i wywiewanego. Przyjmuje się, że bezpieczeństwo higieniczne zostaje zachowane, jeśli wartość EATR (współczynnik przenikania powietrza wywiewanego – Exhaust Air Transfer Ratio) wynosi od 0,5 do 5% [15]. Na EATR wpływa różnica ciśnienia powstająca na wymienniku między strumieniem powietrza nawiewanego i wywiewanego – zależna od warunków pracy – oraz prędkość obrotowa wirnika. Dlatego w przypadku centrali z wymiennikiem obrotowym bardzo ważne jest jej prawidłowe wyregulowanie. W ofercie producentów można także spotkać tzw. komory płuczące (śluzy powietrza) zapobiegające mieszaniu się strumieniu powietrza. W rozwiązaniu tym niewielka ilość świeżego powietrza kierowana jest do kanału wylotowego powietrza wywiewanego przy zachowaniu różnicy ciśnień między powietrzem świeżym i wywiewanym – nie następuje dzięki temu mieszanie się strumieni.

Płytowe wymienniki entalpiczne dla central domowych

Obok wymienników regeneracyjnych – popularnych w większych inwestycjach – coraz większa grupa producentów oferuje także wymienniki płytowe, zapewniające oprócz odzysku ciepła również odzysk wilgoci. Wymienniki takie, wykonywane ze specjalnie zaprojektowanych materiałów, noszą nazwę entalpicznych (ERV – enthalpy/energy recovery ventilation).

W płytowym wymienniku entalpicznym płyty aluminiowe lub kompozytowe zastąpione są przez lamele wykonane z materiału o odpowiedniej przewodności cieplnej, ale jednocześnie przepuszczalnego dla wody. Płyty wymiennika składają się z rdzenia (podłoża) i powłoki (membrany) zewnętrznej. Membrana musi być selektywna, dzięki czemu zapewnia swobodny transfer pary wodnej pod wpływem różnicy ciśnienia pary, ale podobnie jak w przypadku wymiennika regeneracyjnego nie przepuszcza innych substancji. Membrana taka powinna być jak najcieńsza, by nie zakłócać efektywnej wymiany ciepła jawnego [16]. W nowoczesnych wymiennikach entalpicznych stosuje się głównie tworzywa sztuczne, np. mikroporowate materiały z PE wypełnione krzemionką, materiały oparte na poliolefinach, a nawet PVC. Są one wytrzymałe mechanicznie i skuteczne pod względem przepuszczalności wilgoci. Wcześniej stosowano papier powlekany i celulozę – obecnie można je spotkać w tańszych wymiennikach. Z badań wynika, że w przypadku rdzenia wymiennika wykonanego z odpowiedniego kompozytu efektywność odzysku ciepła utajonego jest o ok. 60% wyższa niż dla klasycznego wymiennika wykonywanego z celulozy [17].

W wymienniku stosuje się często także dodatki biobójcze [16] zapobiegające pojawieniu się i wzrostowi pleśni i bakterii. Membrana selektywna może się składać z szeregu różnych polimerów, w tym: celulozy i jej pochodnych, polieterów, alkoholi winylowych, poliakryli, poliakryloamidów i kompozytów (kopolimerów). Wybór materiału jest kompromisem między przepuszczalnością, wytrzymałością mechaniczną i ceną określonego materiału (np. membrany laminowane znacznie zwiększają koszt wymiennika) – te o dobrych własnościach przepuszczalnych mają gorszą wytrzymałość mechaniczną i odwrotnie (pewnym rozwiązaniem może być stosowanie domieszek zwiększających wytrzymałość mechaniczną) [18]. Z użytkowego punktu widzenia cenna jest możliwość zmiany wymiennika klasycznego w już zamontowanym urządzeniu na entalpiczny – jeśli producent oferuje oba rodzaje wymienników, wymiana jest bardzo prosta.

Całkowita sprawność temperaturowa wymiennika entalpicznego jest niższa niż klasycznego, ale porównywalna z wymiennikiem regeneracyjnym i wynosi 80–85%. Strumień powietrza nawiewanego uzyskuje temperaturę niższą niż w wymienniku klasycznym ze względu na przyjmowanie dodatkowej masy pary wodnej, choć właśnie ten składnik jest nośnikiem ciepła utajonego. Jednocześnie zgodnie z zapisami normy badawczej PN-EN 13141-7 [19] ciepła utajonego nie uwzględnia się w wynikach pomiarowych efektywności odzysku, co jednak ma szansę się zmienić ze względu na rosnącą popularność tego rodzaju wymienników i konsultacje branżowe na poziomie europejskim [20].

W trakcie badań dotyczących odzysku ciepła w wymiennikach entalpicznych stwierdzono, że sprawność odzysku zarówno ciepła utajonego, jak i jawnego maleje razem ze wzrostem strumienia powietrza przepływającego przez wymienniki. Sprawność odzysku ciepła utajonego spada także wraz ze zwiększeniem wilgotności względnej strumienia powietrza nawiewanego [21, 22]. Rekuperatory z wymiennikami entalpicznymi zaleca się stosować w krajach o chłodniejszym i suchym klimacie. Wymiennik taki może też spełnić swoją funkcję w warunkach letnich, wspomagając działanie klimatyzacji lub gruntowego wymiennika ciepła – strumień ciepłego, wilgotnego powietrza może zostać wstępnie osuszony i ochłodzony. Im wyższa temperatura powietrza nawiewanego, tym większa sprawność transferu wilgoci, a więc osuszania powietrza. Ze względu na brak kondensatu znacznie ograniczone jest ryzyko szronienia wymiennika i spadku jego sprawności, co przyczynia się także do zwiększenia całorocznej sprawności centrali – w porównaniu do wymiennika klasycznego można oszczędzić ok. 85% energii potrzebnej na pracę nagrzewnicy wstępnej [4].

Nawilżanie powietrza wewnętrznego

W niektórych rodzajach budynków konieczne może się okazać zastosowanie nawilżania powietrza jako rozwiązania alternatywnego bądź uzupełniającego dla odzysku wilgoci. Połączenie tych dwóch rozwiązań oznacza obniżenie kosztów ponoszonych na nawilżanie powietrza. Powietrze można nawilżać centralnie poprzez sekcję nawilżania w centrali lub urządzenie kanałowe, a także lokalnie za pomocą urządzenia zamontowanego i działającego bezpośrednio w danym pomieszczeniu. W Polsce problem ze zbyt niską wilgotnością może wystąpić głównie zimą, szczególnie w okresie panowania mrozów.

Wymagania prawne dotyczące nawilżaczy koncentrują się na ich ochronie przed zanieczyszczeniami i na tym, by same te urządzenia nie stanowiły wtórnego źródła zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach. Zgodnie z § 154.6. i 154.7 Warunków Technicznych [12] nawilżacze muszą być zabezpieczone przed zanieczyszczeniami znajdującymi się w powietrzu zewnętrznym i ewentualnie obiegowym (filtrem klasy co najmniej F6) i nie mogą powodować ucieczki wody na zewnątrz czy do dalszej części wentylacji.

Na rynku dostępne są nawilżacze adiabatyczne i parowe. W adiabatycznych (ewaporacyjnych, wyparnych) zachodzi parowanie dyfuzyjne z powierzchni wody. Stosowane rozwiązania techniczne to: komory zraszania i złoża zraszane, rozpylanie mechaniczne – najczęściej przez dysze rozpylające, dostępne są także np. wirujące dyski – oraz generatory UV, w których parowanie zachodzi dzięki kawitacji (procesowi wrzenia w niskiej temperaturze, w wyniku którego powstaje wysoko rozproszona mgła). W nawilżaczach nie może dochodzić do powstawania zastoisk wody, żeby nie rozwijały się grzyby ani bakterie Legionella – z tego powodu w przypadku urządzeń rozpylających nie stosuje się obiegów zamkniętych z recyrkulacją wody. Urządzenia te powinny być cyklicznie opróżniane i płukane, a do ich zasilania należy stosować wodę zdemineralizowaną i zdezynfekowaną, np. w procesie odwróconej osmozy uzupełnionym zastosowaniem promieni UV lub jonów srebra (dodatkowa dezynfekcja).

Ciekawą formą stosowania nawilżaczy adiabatycznych jest wykorzystanie własnych zysków ciepła. Coraz częściej stosuje się je np. w centrach danych, gdzie ważne staje się nie tylko odebranie dużych zysków ciepła od urządzeń, ale też ich ekonomiczne wykorzystanie. Może być nim np. przekazanie energii do realizacji parowania wody w nawilżaczu adiabatycznym. Ponieważ wilgotność względna w centrum danych musi być monitorowana i regulowana, jej spadek poniżej określonej wartości powoduje kierowanie części powietrza obiegowego do nawilżacza (najczęściej złoże zraszane). Dla powietrza o temperaturze ok. 30°C wilgotność może wzrosnąć o 4–5 g/kg [23]. Proces nawilżania powietrza powoduje także jego schłodzenie.

W nawilżaczach parowych wytwornica pary produkuje suchą, sterylną parę wodną, wprowadzaną bezpośrednio do pomieszczeń. Zaletą tych urządzeń są szerokie możliwości regulacji i wysoka sterylność procesu, jednak wysokie zużycie energii przez wytwornicę pary zwiększa koszty ich eksploatacji. Większość technologii produkcji pary (wyjątkiem jest nawilżanie elektrodowe, gdzie konieczna jest odpowiednia przewodność wody) wymaga wody o niskiej twardości, co oznacza najczęściej konieczność jej demineralizacji i zmiękczania.

Literatura

1. PN-EN 16798-1:2019-06 – wersja angielska Charakterystyka energetyczna budynków. Wentylacja budynków. Część 1: Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego do projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków w odniesieniu do jakości powietrza wewnętrznego, środowiska cieplnego, oświetlenia i akustyki. Moduł M1-6

2. Arundel Anthony et al., Indirect health effects of relative humidity in indoor environments, „Environmental Health Perspectives” 65, 1986, p. 351–361, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1474709/pdf/envhper00436-0331.pdf (dostęp: 25.10.2022)

3. Wyon David et al., Impact of indoor air temperature and humidity in an office on perceived air quality, SBS symptoms and performance, „Indoor Air” 14, 7, 2004, p. 74-81, DOI: 10.1111/j.1600-0668.2004.00276.x

4. Kim Seoung Won et al., Effects of humidity and other factors on the generation and sampling of a coronavirus aerosol, „Aerobiologia” 23, 2007, p. 239–248, DOI: 10.1007/s10453-007-9068-9

5. Taylor Stephanie, Tasi Michael, Low indoor-air humidity in an assisted living facility is correlated with increased patient illness and cognitive decline, Proceedings of „Indoor Air” 2018, p. 1–8

6. Kudo Eriko, Son Eric, Yockey Laura et al., Low ambient humidity impairs barrier function, innate resistance against influenza infection, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 116(22), p. 10905–10910, DOI: 10.1073/pnas.1902840116

7. Anforderungen an die Raumluftfeuchtigkeit zur Reduktion des Infektionsrisikos über den Luftweg AHA + L + Feuchte, „Fachverband Gebäude-Klima e.V.” 404 – 04/2022, FGK-Status-Report 58 – Raumluftfeuchtigkeit und Infektionsrisiko

8. Hugentobler Walter., Our noses are our climate control units, https://www.condair.com.ro/opinion-doctor-air-humidification

9. Moriyama Miyu, Hugentobler Walter, Iwasaki Akiko, Seasonality of Respiratory Viral Infections, „Annual Review of Virology” 7/2020, https://doi.org/10.1146/annurev-virology-012420-022445

10. Rief Stefan, Jurecic Mitja, Air humidity in th office workplace. Study on the significance of air humidity in the office, Fraunhofer Institute For Industrial Engineering (IAO), Stuttgart 2014

11. PN-B-03421:1978 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi

12. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019, poz. 1065)

13. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (t.j. DzU 2003, nr 169, poz. 1650, z późn. zm.)

14. ANSI/ASHRAE, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy (Standard 55 2017), ASHRAE 2017

15. Limiting internal air leakages across the rotary heat exchanger, REHVA, 2020

16. Coated membranes for enthalpy exchange and other applications, opis patentu firmy CORE, https://patents.google.com/patent/US9255744B2/en (dostęp: 27.09.2022)

17. Zhang Li-Zhi, Heat and mass transfer in plate-fin enthalpy exchangers with different plate and fin materials, „International Journal of Heat and Mass Transfer”, 52, 11–12/2009, p. 2704-2713, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.12.014

18. Kozák Pavol, Košičanová Danica, Investigation of the use of various materials for the construction of an enthalpy exchanger, „Selected Scientific Papers – Journal of Civil Engineering” 15(2)/2020, p. 75–94, https://doi.org/10.1515/sspjce-2020-0021

19. PN-EN 13141-7 Wentylacja budynków. Badanie właściwości elementów/wyrobów do wentylacji budynków mieszkalnych. Część 7: Badanie właściwości urządzeń wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej (z odzyskiwaniem ciepła) do wentylacji mechanicznej budynków jednorodzinnych

20. Wymiennik entalpiczny, czyli jak usprawnić wentylację nie tylko zimą, https://strefainstalatora.pl/material-partnera/wymiennik-entalpiczny-czyli-jak-usprawnic-wentylacje-nie-tylko-zima (dostęp: 27.10.2022)

21. Kassai Miklos, Al-Hyari Laith, Investigation of Ventilation Energy Recovery with Polymer Membrane Material-Based Counter-Flow Energy Exchanger for Nearly Zero-Energy Buildings, „Energies” 12(9)/2019, https://doi.org/10.3390/en12091727

22. Liang Chang, Experiments Investigation of the Parallel-plates Enthalpy Exchangers, „Energy Procedia”, 61/2014, p. 2699-2703, https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.12.281

23. Pandelidis Demis, Pacak Anna, Nawilżanie powietrza a zużycie energii, „Rynek Instalacyjny” 5/2018, rynekinstalacyjny.pl

24. Materiały techniczne firm: Alnor, Carel, COLT, Condair, Core, Dantherm, Frapol, Klingenburg, Komfovent, Paul Heat Recovery, Pro-Vent, Ventia, Zehnder

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!