Regulacja wilgotności w klimatyzacji

Temperatura i wilgotność powietrza w pomieszczeniach klimatyzowanych decydują o komforcie i zdrowiu osób w nich przebywających. Brak optymalnej wilgotności wywołuje dyskomfort. Zbyt suche powietrze powoduje wysychanie śluzówki oczu i gardła nosa, sprzyja też powstawaniu infekcji dróg oddechowych. Zbyt wilgotne z kolei sprzyja rozwojowi zarodników pleśni i grzybów, co także niekorzystnie wpływa na zdrowie. Pomieszczeniami o szczególnie wysokich wymaganiach dotyczących wilgotności powietrza są sale operacyjne. Regulacja wilgotności ma również duże znaczenie w pomieszczeniach, w których prowadzi się procesy technologiczne – np. produkcję z użyciem materiałów higroskopijnych czy elementów elektronicznych. Ważna jest też w muzeach, magazynach oraz pomieszczeniach laboratoryjnych. Nawilżanie powietrza ma znaczący wpływ na zużycie energii w budynku, dlatego dużą uwagę należy poświęcić określeniu optymalnych wartości zadanych wilgotności względnej w pomieszczeniach.

Regulatory, czujniki i higrostaty

Wilgotność reguluje się w zakresie od 20 do 70% i proces ten należy do trudniejszych w klimatyzacji. Do regulacji wilgotności używa się różnych regulatorów. Stałowartościowe mają za zadanie utrzymanie stałej zadanej wilgotności pomieszczenia. Są też regulatory dedykowane przeznaczone do regulacji określonej grupy aplikacji, np. central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Dostępne są w nich gotowe aplikacje regulowanych obiektów z możliwością ich modyfikacji oraz algorytmy P, PI, PID. Wyposażono je w wejścia i wyjścia umożliwiające obsługę sygnałów oraz sterowanie elementami wykonawczymi. Mają możliwości: programowania czasowego, sterowania układami odzysku ciepła, regulacji wilgotności, funkcji monitorujących, wykorzystania bloków optymalizacyjnych, komunikacji z innymi regulatorami i stanowiskiem zarządzającym, obsługi zarówno lokalnej, jak i przez stanowisko operatorskie.

Przykładem regulatorów dedykowanych są regulatory RLU. To regulatory uniwersalne, przeznaczone do stosowania w prostych i złożonych instalacjach wentylacji, klimatyzacji oraz wody lodowej. Mogą sterować temperaturą, wilgotnością, ciśnieniem, jakością powietrza i jego przepływem, a także entalpią. Zawierają kilkadziesiąt zaprogramowanych aplikacji standardowych z możliwością ich adaptacji do konkretnej instalacji, jak również swobodnego programowania algorytmu regulacji. Można je obsługiwać poprzez oprogramowanie ACS. Dostępne są w wykonaniach różniących się liczbą obsługiwanych wejść i wyjść oraz obwodów regulacyjnych.

Do pomiaru wilgotności stosuje się czujniki i higrostaty. Do współpracy zarówno z regulatorami, jak i sterownikami swobodnie programowalnymi stosowane są czujniki wilgotności wykorzystujące zmianę pojemności elektrycznej elementu pomiarowego. Wilgotność zostaje przekazana w postaci sygnału napięciowego o zakresie pomiarowym 0–10 V. Czujniki te wymagają zasilania 24 V AC. Dla branż o bardzo wysokich wymaganiach (np. farmacji) dostępne są czujniki o wysokiej dokładności i z certyfikatem kalibracji. Dostępne są czujniki samej wilgotności, jak i wilgotności oraz temperatury w jednej obudowie (fot. 1). Takie zespolone czujniki są dostępne także w wersji kanałowej. 

Higrostaty służą do dwustawnej regulacji wilgotności lub zabezpieczenia instalacji z nawilżaczem na wypadek awarii czujnika wilgotności nawiewu. W zależności od nastawionej wilgotności zadanej dają zmianę stanu styku elektrycznego po przekroczeniu w dół lub w górę zadanej wartości. Dostępne są wersje kanałowe i pomieszczeniowe. Temperatura wraz z wilgotnością należą do najważniejszych parametrów decydujących o odczuwaniu komfortu cieplnego. W układach klimatyzacji stosuje się dwa typy nawilżania – za pomocą wody lub pary wodnej. Każde z tych rozwiązań polega na rozpraszaniu wody lub pary wodnej bezpośrednio w strumieniu przepływającego powietrza w komorach albo kanałach. Poniżej przedstawiono najczęściej stosowane metody regulacji. Sposób regulacji wilgotności zależy od przyjętej technologii centrali klimatyzacyjnej, jej wyposażenia i dostępności pary wodnej lub wody.

Regulacja wilgotności w centrali z nawilżaczem wodnym poprzez regulację temperatury punktu rosy

Ta metoda regulacji związana jest z obecnością w centrali klimatyzacyjnej nawilżacza wodnego. Ze względu na obniżenie temperatury powietrza towarzyszące odparowaniu wody konieczne jest jego ogrzanie w nagrzewnicy wtórnej, z wyjątkiem sytuacji, gdy wewnętrzne zyski ciepła w pomieszczeniu mogą wystarczająco podgrzać powietrze. Na rys. 1 przedstawiono centralę klimatyzacyjną z nawilżaczem wodnym i regulacją temperatury punktu rosy oraz temperatury pomieszczenia.

Regulacja punktu rosy w powyższym układzie przebiega następująco: system regulacji temperatury punktu rosy działa z wykorzystaniem regulatora R, czujnika temperatury powietrza T3 umieszczonego bezpośrednio za nawilżaczem wodnym. Regulator R steruje w układzie kaskadowym poprzez sygnały Y1, Y2, Y3 odzyskiem ciepła przez recyrkulację nagrzewnicą wstępną i chłodnicą w celu utrzymania zadanej temperatury pomieszczenia T1. Wykorzystując czujnik temperatury punktu rosy T3, umieszczony za nawilżaczem wodnym, regulator porównuje temperaturę z czujnika z wartością zadaną i na podstawie uchybu włącza lub wyłącza sygnałem Q1 pompę nawilżacza.

Ponieważ proces nawilżania ma charakter adiabatyczny, towarzyszy mu spadek temperatury powietrza. W celu utrzymania właściwej temperatury nawiewu T2, która wynika z algorytmu regulacji kaskadowej temperatury pomieszczenia T1, regulator R steruje poprzez sygnał Y4 stopniem otwarcia zaworu nagrzewnicy wtórnej. Nastawa wartości zadanej wilgotności względnej dokonywana jest poprzez nastawę wartości temperatury punktu rosy. Możliwe jest wprowadzenie regulacji nadążnej, w której zadana temperatura punktu rosy zależy od innej wartości, np. temperatury zewnętrznej, co umożliwia uzyskanie oszczędności w kosztach energii zużywanej przez budynek. Rys. 2 przedstawia przemiany parametrów powietrza przy nawilżaniu wodnym.

Regulacja wilgotności w centrali klimatyzacyjnej z nawilżaczem parowym

W regulatorze takiego układu klimatyzacyjnego działają obwody regulacji temperatury i wilgotności. Zarówno w klimatyzowanym pomieszczeniu, jak i w przewodzie nawiewnym muszą zostać umieszczone czujniki wilgotności oraz temperatury (rys. 3). Zamiast w pomieszczeniu, czujniki T1 i H1 mogą zostać umieszczone w przewodzie wywiewnym.

Regulator R wylicza, na podstawie odchyłki temperatury pomieszczenia T1 od wartości zadanej, wymaganą temperaturę nawiewu T2, co zgodnie z zasadą działania regulacji kaskadowej decyduje o sygnałach sterujących do siłowników nagrzewnicy oraz chłodnicy. W zależności od odchyłki wartości wilgotności H1 w stosunku do wartości zadanej regulator R wyznacza wymaganą wilgotność względną nawiewu H2, a na podstawie tego sygnał sterujący do siłownika zaworu nawilżacza albo chłodnicy powietrza. Wybierając punkt montażu czujnika wilgotności nawiewu, należy uwzględnić tzw. długość drogi nawilżania (mierzoną od nawilżacza), co zapewnia umieszczenie czujnika wilgotności w miejscu pełnego zaabsorbowania przez nawiewane powietrze pary wodnej, a dzięki temu dokładny pomiar [3].

Przy określaniu długości drogi nawilżania należy się stosować do wytycznych producenta nawilżacza. Higrostat H chroni przed zbyt wysoką wilgotnością nawiewu w przypadku awarii układu regulacyjnego. Przyjmuje się, że jego nastawa nie powinna być większa niż 80%. Nawilżanie powietrza odbywa się przy użyciu nawilżacza parowego. Chłodnica ma w tym przypadku dwa zadania: osuszanie powietrza (gdy wilgotność jest zbyt duża) oraz chłodzenie powietrza (gdy potrzebne jest schłodzenie pomieszczenia). Ponieważ na chłodnicę mają wpływ dwa obwody regulacyjne, w regulatorze R dokonywany jest wybór silniejszego sygnału do sterowania chłodnicą. Przemiany podczas nawilżania przedstawia rys. 4.

W przypadku nawilżania parą nasyconą przemiana przebiega praktycznie równolegle do izotermy, dlatego nawilżanie parowe jest bardzo efektywne i łatwiejsze do regulacji, choć znacząco zwiększa koszty eksploatacji budynku. W okresie letnim, kiedy temperatura powietrza oraz wilgotność są wysokie, konieczne jest użycie chłodnicy do osuszenia powietrza. Wówczas w początkowej fazie zarówno obwód regulacji temperatury, jak i wilgotności generują swoje sygnały sterujące, spośród których regulator wybiera silniejszy. Sygnał ten jest następnie sygnałem sterującym dla chłodnicy. Odebraniu ciepła na chłodnicy powietrza, oprócz wykroplenia wilgoci, towarzyszy spadek temperatury powietrza. Jeżeli spowoduje to spadek temperatury nawiewu poniżej wartości wymaganej dla regulacji temperatury, regulator wysyła sygnał sterujący, powodujący otwieranie się zaworu regulacyjnego na nagrzewnicy w celu utrzymania wymaganej temperatury nawiewanego powietrza. Jeżeli nie ma możliwości regulowania wilgotności pomieszczenia lub wywiewu (np. gdy centrala jest elementem poprzedzającym przygotowanie powietrza poprzez indywidualne nagrzewnice lub chłodnice strefowe albo gdy pomieszczenie ma małą objętość i wysoki stopień wymiany powietrza), regulować można tylko wilgotność nawiewu (rys. 5). Koniecznym elementem jest higrostat ograniczający wilgotność nawiewu H1 [3].

Literatura

1. Romanowski Andrzej, Systemy regulacji automatycznej w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, Grupa MEDIUM, Warszawa 2019.
2. Siemens, materiały informacyjno-techniczne firmy.
3. Swegon, materiały informacyjno-techniczne firmy.
4. IV Produkt, materiały informacyjno-techniczne firmy.