Nawilżanie powietrza w przemyśle i budynkach użyteczności publicznej – optymalizacja kosztów

Odpowiednia wilgotność powietrza ma duże znaczenie np. w przemyśle papierniczym (zachowanie parametrów produkowanego papieru), meblarskim (wilgotność wpływa np. na wiązanie klejów) czy farmaceutycznym (wspomaganie zachowania jakości powietrza, zachowanie własności leków), a także np. w serwerowniach (wiązanie ładunków elektrostatycznych) czy muzeach (bezpieczeństwo konserwatorskie eksponatów).

Nawilżaczom nie stawia się szczególnych wymagań prawnych. Zgodnie z § 154.6 i § 154.7 Warunków Technicznych [1] mają być one zabezpieczone przed zanieczyszczeniami znajdującymi się w powietrzu zewnętrznym i ewentualnie obiegowym (filtrem klasy co najmniej F6) i nie powodować uciekania wody na zewnątrz czy do dalszej części wentylacji. Ich wydajność nie jest określona prawnie i zależy od wilgotności wymaganej dla danego procesu.

W normie PN-B-03421 dotyczącej parametrów obliczeniowych powietrza wewnętrznego [2] wskazane są odpowiednie wartości wilgotności względnej z punktu widzenia komfortu cieplnego przebywających w pomieszczeniu osób. Jeśli w instalacji są nawilżacze, wartość wilgotności względnej powinna wynosić 40–60% (tylko latem przy małej aktywności fizycznej 40–55%).

W poszukiwaniu tańszego nawilżania

Nawilżanie jest procesem energochłonnym. Jest to związane z pochłanianiem dużej ilości energii w procesie odparowania wody (2257 kJ na 1 kg wody). Decyzja o wyborze konkretnego nawilżacza i sposobie jego eksploatacji powinna uwzględnić także analizę ekonomiczną kosztów eksploatacji, powiązaną z przeznaczeniem budynku, procesami technologicznymi oraz wymaganiami i ograniczeniami.

Na koszty te składają się: przygotowanie i zużycie wody, energii i powietrza (np. do systemów sprężonego powietrza) oraz czynności serwisowe. Koszty systemu nawilżania można optymalizować poprzez dobór odpowiedniej metody nawilżania, zastosowanie automatyki regulującej wydajność i poprawiającej żywotność systemu nawilżania czy stosowanie odzysku ciepła (jawnego i utajonego).

Techniczne rozwiązania nawilżaczy

Na rynku znaleźć można szereg rozwiązań technicznych nawilżaczy.

Nawilżacze powietrza adiabatyczne (wodne) nawilżają powietrze w procesie parowania dyfuzyjnego (wymiana masy i ciepła) z powierzchni wody. Wśród rozwiązań technicznych można znaleźć urządzenia samodzielne (kanałowe) oraz stanowiące sekcję centrali klimatyzacyjnej:

1. komory zraszania (nawilżanie z parowaniem dyfuzyjnym) i nawilżacze kontaktowe (złoża zraszane), stosowane głównie jako moduły w instalacjach klimatyzacyjnych;
2. nawilżacze dyszowe (rozpylające): nisko- i wysokociśnieniowe, pracujące jako jednoczynnikowe (woda) lub dwuczynnikowe (woda i sprężone powietrze);
3. nawilżacze mechaniczne (woda jest rozkraplana np. poprzez wirujący dysk);
4. nawilżacze ultradźwiękowe, pracujące w oparciu o mechanizm kawitacji (wrzenie w niskiej temperaturze dzięki działaniu elementu piezoelektrycznego).

W przypadku nawilżaczy adiabatycznych dodatkową zaletą, którą można wykorzystać do optymalizacji kosztów (odpowiednio projektując cały system HVAC), jest chłodzenie powietrza, do którego podawana jest woda w postaci kropel lub mgły.

Odparowanie każdego kilograma wody może zapewnić moc chłodniczą odpowiadającą 640 W. Według jednego z producentów, nawilżacze adiabatyczne mogą spowodować obniżenie temperatury w pomieszczeniu o nawet 2–5°C. Nawilżacze parowe wprowadzają bezpośrednio do powietrza suchą, sterylną parę wodną. Pod względem rozwiązań technicznych występują:

1. nawilżacze z elektrodami izotermicznymi, w których napięcie podawane na elektrody podgrzewa wodę do zagotowania;
2. nawilżacze grzałkowe elektryczne, podgrzewające wodę do zagotowania;
3. nawilżacze gazowe, wykorzystujące do podgrzewania wody palnik gazowy;
4. nawilżacze z wymiennikiem ciepła zasilanym gorącą wodą o temperaturze >115°C.

Nawilżacze parowe cechują się sterylnością oraz bardzo dobrymi możliwościami regulacji wydajności procesu nawilżania. Są natomiast kosztowne ze względu na zużycie energii przez źródło generujące parę.

Nawilżanie a woda

Woda wykorzystywana do procesów nawilżania powinna zostać odpowiednio przygotowana. Musi spełniać odpowiednie wymogi higieniczne – sterylność, brak zanieczyszczeń mikrobiologicznych i warunków do ich rozwoju. W przypadku większości technologii (wyjątkiem jest np. nawilżanie parowe elektrodowe, które wymaga odpowiedniej przewodności wody) musi także cechować się odpowiednio niską twardością, co oznacza konieczność demineralizacji i zmiękczania. Z jednej strony jest to bardziej kosztochłonne (konieczność przygotowania wody), ale z drugiej (choćby ze względu na minimalizację osadzania kamienia kotłowego) zmniejszone są koszty bieżącej konserwacji i serwisu.

W procesach uzdatniania wody do nawilżania najczęściej wykorzystuje się proces odwróconej osmozy, zwykle wspierany dodatkową metodą dezynfekcji (np. z wykorzystaniem promieni UV lub jonów srebra). Oprócz dużej skuteczności, proces odwróconej osmozy wymaga stosunkowo niewielkiego zużycia energii, powoduje też niezbyt duże straty wody – do 80% wody doprowadzonej do uzdatniania kierowane jest do nawilżania.

Metody nawilżania a zużycie energii

Przy porównaniu wszystkich dostępnych sposobów nawilżania powietrza pod względem ekonomicznym najlepiej wypadają złoża zraszane. Stanowią one moduł centrali klimatyzacyjnej i nie występują w urządzeniach kanałowych. Należą do grupy systemów adiabatycznych, które cechują się stosunkowo niskim zużyciem energii, spośród nich wyróżniają się zapotrzebowaniem na małe ciśnienie wody (nie jest więc konieczne zużycie energii na przygotowanie wody pod dużym ciśnieniem, jak ma to miejsce np. w systemie dyszowym wysokociśnieniowym), a po stronie powietrznej występują małe opory przepływu. Złoża zraszane bardzo dobrze sprawdzają się w systemach chłodzenia wyparnego, stosowanego uzupełniająco w centrach danych.

Pod względem efektywności energetycznej lepsze są systemy dysz wysokociśnieniowych jednoczynnikowe (rozpylana woda) niż dwuczynnikowe (woda i sprężone powietrze). W przypadku systemu dwuskładnikowego na bilans energetyczny wpływa zużycie energii na przygotowanie sprężonego powietrza, a na koszty dodatkowo serwis i konserwacja sprężarek. System dysz wysokociśnieniowych może być wyposażony w tzw. pompę pulsacyjną (pobór mocy 700 W), która jest sterowana przetwornicą częstotliwości, co optymalizuje zużycie energii.

Najmniej korzystnie pod względem ekonomicznym wypadają nawilżacze parowe, ze względu na energochłonność źródła ciepła do wytwarzania pary. Według oszacowań różnych producentów, zużycie przez nie energii jest o ok. 90% większe niż w przypadku nawilżaczy adiabatycznych dyszowych wysokociśnieniowych. W materiałach producentów znaleźć można także informacje dotyczące poboru mocy przez nawilżacze w odniesieniu do wydajności: dla systemów adiabatycznych wysokociśnieniowych są to 4 W/(kg∙h), a dla nawilżaczy parowych – 750 W/(kg∙h).

W przypadku nawilżaczy parowych źródłem ciepła jest najczęściej energia elektryczna, która wciąż stanowi w Polsce najbardziej kosztowny nośnik energii. Inwestor, który jest chociażby ze względów technologicznych zainteresowany zastosowaniem nawilżaczy parowych, może rozważyć zastosowanie innego źródła ciepła. Może nim być np. gaz, jeśli do zakładu doprowadzona jest sieć gazownicza, albo wymiennik z gorącą wodą, jeśli w zakładzie jest łatwy dostęp do wody o temperaturze >115°C – ciepłowniczej lub pochodzącej z procesów technologicznych i nadającej się do zastosowania w kolejnych procesach. Drugą możliwością jest dla inwestora skorzystanie z tzw. czystej energii, pochodzącej z własnej instalacji fotowoltaicznej – tym bardziej że przybywa rządowych zachęt finansowych do realizacji takich inwestycji, także dla przedsiębiorców.

Możliwości regulacji nawilżaczy parowych

Jeśli niezbędne jest zastosowanie nawilżaczy parowych, należy zwrócić uwagę, by były one wyposażone w prawidłowy system regulacji, umożliwiający nie tylko optymalizację wydajności pracy, ale też jej bezpieczeństwo. Na przykład nawilżacze elektrodowe wymagają systemu automatyki kontrolującego ilość wody w nawilżaczu. Musi być jej odpowiednio dużo, by substancje potencjalnie korozyjne nie uległy na skutek parowania zatężeniu, a jednocześnie jej zużycie musi się utrzymywać na możliwie niskim poziomie.

Podobnie jest w przypadku nawilżacza grzałkowego – choć w tym wypadku urządzenie pracuje na wodzie zdemineralizowanej, grzałka musi być cały czas zanurzona, by nie doszło do przegrzania urządzenia. Nawilżacz grzałkowy jest bardziej skomplikowany niż pozostałe rozwiązania nawilżaczy parowych, ale umożliwia najbardziej precyzyjną regulację wydajności generacji pary, dlatego znajdzie zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie konieczna jest dokładna kontrola wilgotności (muzea, laboratoria, pomieszczenia czyste), jakość wody jest zmienna lub problematyczna, ale z drugiej strony – dzięki możliwości zastosowania wody zdemineralizowanej częstotliwość przeglądów zmniejszona jest do minimum.

Nawilżacze gazowe dobrze sprawdzą się nie tylko w obiektach, w których można skorzystać z niskiej ceny gazu, ale też przy dużych wydajnościach. Płomień w nawilżaczu gazowym (czyli także wytwarzanie pary) jest kontrolowany przez wentylator powietrza spalania – na podobnej zasadzie, jak ma to miejsce w kotłach gazowych.

Wykorzystać ciepło z pomieszczenia

Do obniżania kosztów nawilżania powietrza można zastosować odzysk wilgoci z powietrza wywiewanego, z zastosowaniem recyrkulacji oraz wymienników ciepła – higroskopijnego wymiennika obrotowego lub wymiennika membranowego.

Wymienniki natomiast zwykle instalowane są jako moduł centrali klimatyzacyjnej. Ponieważ na części czynnej takiego wymiennika może dojść do szronienia, konieczne jest zabezpieczenie go przed tym zjawiskiem (np. podgrzew wstępny).

Ciekawą formą kontrolowania wilgotności jest wykorzystanie własnych zysków ciepła, stosowane coraz chętniej np. w centrach danych. Pracujące w tych pomieszczeniach serwery generują dużą ilość ciepła, które musi być skutecznie odebrane ze względu na ich bezpieczeństwo. Może ono stanowić źródło energii dla procesu parowania wody w nawilżaczu adiabatycznym. Jeśli w centrum danych wilgotność spadnie poniżej wartości zadanej, odpowiedni strumień powietrza obiegowego kierowany jest do nawilżacza (najczęściej złoża zraszanego z materiału higroskopijnego – ze względów ekonomicznych, czyli podawanie wody o niskim ciśnieniu i przy niewielkich oporach przepływu), gdzie proces nawilżania powietrza powoduje także jego schłodzenie. Dla powietrza o temperaturze ok. 30°C wilgotność może wzrosnąć o 4–5 g/kg [3].

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019, poz. 1065).
2. PN-B-03421:1978 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi.
3. Pandelidis Demis, Pacak Anna, Nawilżanie powietrza a zużycie energii, „Rynek Instalacyjny” 5/2018.
4. Materiały techniczne firm: Carel, Condair, Klingenburg i Swegon.