Autor: departamentul tehnic Mycond.
Proiectarea sistemelor de control al umidității este unul dintre cele mai ambigue aspecte ale ingineriei HVAC, în care apar frecvent contradicții între diferite cerințe. Procesele tehnologice, conservarea materialelor, confortul oamenilor și eficiența energetică solicită adesea parametri diferiți ai umidității, iar deciziile inginerești greșite duc la condens, coroziune, înmulțirea microorganismelor și deteriorarea structurilor de construcție. Acest articol are scopul de a reduce incertitudinea de calcul în proiectarea sistemelor de control al umidității aerului pentru diverse tipuri de clădiri.
Introducere
Umiditatea aerului este un parametru fundamental care influențează starea clădirilor, procesele și confortul oamenilor. Există două moduri principale de exprimare a conținutului de umiditate în aer: umiditatea absolută și umiditatea relativă. Umiditatea absolută (g/m³ sau g/kg) reprezintă cantitatea efectivă de vapori de apă din aer, în timp ce umiditatea relativă (%) este raportul dintre conținutul curent de vapori de apă și cel maxim posibil la o anumită temperatură.
Fenomenul fizic cheie în analiza umidității este punctul de rouă – temperatura la care aerul devine saturat cu vapori de apă și începe condensarea. De exemplu: aerul la 23°C cu o umiditate relativă de 60% are un punct de rouă de aproximativ 14,8°C. Aceasta înseamnă că orice suprafață din încăpere a cărei temperatură este sub 14,8°C va deveni loc de formare a condensului. Astfel de calcule sunt necesare pentru a preveni condensul pe conducte, structuri de construcție și sisteme de ventilație.
Umiditatea influențează semnificativ diferite materiale. Materialele higroscopice, precum lemnul, hârtia și textilele, absorb și cedează umiditate, modificându-și dimensiunile și proprietățile. Conform practicii inginerești, lemnul își poate schimba dimensiunile liniare cu 0,2–0,3% pentru fiecare 10% modificare a umidității relative, deși valorile concrete depind de esență și de condițiile de prelucrare. Metalele sunt predispuse la coroziune la umiditate ridicată, în special în prezența poluanților. Componentele electronice sunt vulnerabile la electricitatea statică la umiditate scăzută și la condens la umiditate ridicată.
Cadrul normativ
Proiectarea sistemelor de control al umidității se bazează pe o serie de standarde internaționale și naționale. Conform EN 16798-1:2019, care a înlocuit EN 15251, parametrii microclimatului sunt împărțiți în patru categorii. Pentru categoria I (nivel ridicat de așteptări), standardul stabilește un interval al umidității relative de 30–50% în perioada de iarnă și 30–50% în perioada de vară. Categoria II (nivel normal de așteptări) permite un interval mai larg.
Standardul ASHRAE 55-2020 utilizează conceptul de confort adaptiv, recunoscând că percepția confortului se schimbă în funcție de sezon. Conform ISO 7730, parametrii de umiditate sunt de asemenea corelați cu confortul termic și sunt luați în considerare în calculele PMV (Predicted Mean Vote) și PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied).
Pentru a ilustra influența temperaturii asupra umidității: aerul la 20°C și 50% umiditate relativă conține aproximativ 7,3 g/kg de umiditate, iar când același aer este încălzit la 25°C, umiditatea relativă scade la aproximativ 37%, deși conținutul absolut de umiditate nu se schimbă. Aceasta demonstrează importanța controlului umidității absolute în proiectarea sistemelor de ventilație.
La alegerea parametrilor de calcul, proiectanții folosesc adesea metode statistice, cum ar fi asigurarea condițiilor confortabile pentru 95% sau 98% din timpul de exploatare, în funcție de destinația clădirii și de factorii economici.
Cerințe pentru clădiri comerciale
În practica de proiectare pentru spațiile de birouri se iau frecvent în considerare intervale ale umidității relative de 30–60%, limitele precise fiind stabilite de proiectant în funcție de documentele normative, echipamentele disponibile și specificul de exploatare al clădirii. La umiditate scăzută (sub 30%), utilizatorii pot resimți uscăciunea pielii, iritații ale ochilor și disconfort respirator, iar nivelul de electricitate statică este crescut, aspect deosebit de critic pentru echipamente. La umiditate ridicată (peste 60%) crește riscul dezvoltării microorganismelor.
Pentru a ilustra metodologia de calcul a sarcinilor de umiditate, să considerăm un birou ipotetic cu o suprafață de 500 m² și 50 de angajați. Emisia de umiditate de la o persoană în activitate ușoară este de aproximativ 50–70 g/oră. Astfel, emisia totală de la persoane va fi de 2500–3500 g/oră. Dacă sistemul de ventilație introduce 2500 m³/oră de aer exterior cu un conținut de umiditate de 6 g/kg și evacuează aer cu 9 g/kg, atunci sistemul îndepărtează 2500×(9-6)×1,2 = 9000 g/oră de umiditate, unde 1,2 este densitatea aproximativă a aerului. Acest exemplu demonstrează că, în birouri, sarcina principală de umiditate este adesea creată de aerul exterior.
Centrele comerciale se caracterizează prin diferențe zonale semnificative – secțiunile alimentare necesită o umiditate mai redusă pentru a preveni aburirea vitrinelor frigorifice, în timp ce în zonele de alimentație publică se observă emisii sporite de umiditate.
În hoteluri, sarcinile de umiditate variază semnificativ: de la ridicate în bucătării și spălătorii, la moderate în camere. Sălile de conferințe necesită o atenție specială din cauza densității variabile a ocupanților.
Cerințe pentru obiective industriale
Controlul umidității în producția farmaceutică este critic pentru asigurarea calității produselor. Conform GMP Annex 1 2020, pentru camerele curate de clasă ISO 5 (fostă clasa 100) se stabilesc cerințe stricte privind stabilitatea umidității. În practica producției farmaceutice se întâlnesc toleranțe ale umidității relative de ±5%, parametrii specifici fiind determinați de procesul tehnologic.
Controlul umidității este deosebit de critic la lucrul cu pulberi higroscopice, care își pot schimba proprietățile prin absorbția umidității. Pentru a ilustra calculul încărcării de umiditate, să considerăm un spațiu curat cu suprafața de 100 m² și volumul de 300 m³, în care lucrează 5 persoane în echipament special. La o emisie de 50 g/oră de la o persoană, emisia totală de la personal va fi de 250 g/oră. Dacă sistemul de ventilație asigură un schimb de aer de 15 ori pe oră, atunci la o diferență de umiditate absolută între aerul introdus și cel evacuat de 1 g/kg, sistemul va îndepărta 300×15×1×1,2 = 5400 g/oră de umiditate. Acest calcul demonstrează metodologia de determinare a capacității necesare a sistemelor de dezumidificare, însă într-un proiect real toate datele se preiau din caietul de sarcini.
Cerințele de umiditate în spațiile de depozitare depind semnificativ de tipul produselor. Pentru a preveni deteriorarea materialelor higroscopice, este importantă menținerea umidității sub nivelul la care începe dezvoltarea microorganismelor. În camerele frigorifice, controlul punctului de rouă este critic pentru prevenirea formării gheții.
În producția de electronică, în special în procesele de fotolitografie, chiar și abaterile minore ale umidității pot conduce la rebuturi cu impact economic semnificativ. La umiditate scăzută crește și riscul avariilor cauzate de electricitatea statică.
În industria textilă, umiditatea influențează rata de rupere a fibrelor – la aer prea uscat fibrele devin fragile, iar la aer prea umed își pierd rezistența.
În industria prelucrării lemnului, este critică noțiunea de umiditate de echilibru a lemnului, care depinde direct de umiditatea relativă a aerului din secție.
Cerințe pentru obiective instituționale
În spitale, în special în sălile de operație, cerințele privind umiditatea aerului se bazează pe standarde medicale. Conform ANSI/ASHRAE/ASHE Standard 170-2017, pentru sălile de operație se stabilesc intervale ale umidității relative de 20–60%. În practica de proiectare spitalicească pentru sălile de operație se întâlnesc intervale mai înguste, determinate de proiectant în funcție de normele țării și de tipul intervențiilor.
Alegerea parametrilor de umiditate în sălile de operație se bazează pe echilibrul mai multor factori: o umiditate prea scăzută crește riscul de electricitate statică și de deshidratare a țesuturilor, în timp ce o umiditate ridicată favorizează dezvoltarea microorganismelor. De exemplu: o sală de operație de 50 m², cu un schimb de aer de 25–30 volume pe oră și o diferență a umidității absolute de 2 g/kg între aerul introdus și cel evacuat, va necesita ca sistemul de dezumidificare să trateze aproximativ 9000–10800 g/oră de umiditate.
Pentru muzee și arhive, parametrii de umiditate sunt esențiali pentru conservarea exponatelor. Conform principiilor de conservare muzeală, pentru hârtie, textile și artefacte din lemn, cele mai periculoase sunt fluctuațiile umidității relative, care generează tensiuni ciclice în materiale. Diferite tipuri de exponate au cerințe distincte de umiditate: artefactele metalice necesită umiditate mai scăzută pentru a preveni coroziunea, iar materialele organice – o umiditate medie stabilă.
Condițiile pentru dezvoltarea mucegaiului apar la umiditate relativă peste 70% pentru perioade îndelungate, la temperaturi de 10–32°C, motiv pentru care în muzee și arhive prevenirea unor astfel de condiții este o prioritate a sistemelor HVAC.
Cerințe pentru obiective sportive
În practica de proiectare a piscinelor interioare se întâlnesc intervale ale umidității relative de 50–65%, deși valorile concrete depind de tipul echipamentului, cerințele normative ale țării și factorii economici. Procesul fizic principal care determină sarcina de umiditate este evaporarea apei de la suprafața piscinei.
Pentru a ilustra metodologia de calcul a sarcinii de umiditate, să considerăm o piscină cu suprafața de 250 m², temperatura apei de 28°C și temperatura aerului de 30°C. Evaporarea aproximativă conform formulei se poate calcula astfel: W = A × (Pвп - Pвз) × F, unde W – cantitatea de apă evaporată (kg/oră), A – suprafața apei (m²), Pвп – presiunea vaporilor de apă saturați la temperatura apei (kPa), Pвз – presiunea parțială a vaporilor de apă în aer (kPa), F – un coeficient empiric care depinde de nivelul de activitate din piscină. Această metodologie se aplică utilizând datele reale ale proiectului specific.
Pentru a preveni condensul pe suprafețele reci (ferestre, structuri metalice), este necesar ca temperatura acestora să fie peste punctul de rouă al aerului din încăpere. Acest lucru este deosebit de important pentru a preveni coroziunea elementelor portante.
În sălile sportive și zonele SPA trebuie avute în vedere cerințe diferite privind parametrii microclimatului. Arene le de gheață constituie un caz aparte, unde este necesară menținerea unei umidități absolute scăzute pentru a minimiza sarcina asupra sistemelor de răcire.
Cerințe pentru centre de date
Conform ASHRAE TC 9.9 2021, pentru centrele de date se stabilesc intervale recomandate și admise ale umidității, exprimate atât prin umiditate relativă, cât și prin punct de rouă. În practica de proiectare a centrelor de date, parametrii de umiditate sunt selectați individual în funcție de cerințele specifice ale echipamentelor.
Problemele principale asociate abaterilor umidității în centrele de date: la umiditate scăzută – riscuri de electricitate statică și avarii ale componentelor electronice; la umiditate ridicată – condens pe suprafețele reci, care poate conduce la scurtcircuit.
Sistemele de control al umidității în centrele de date trebuie să asigure fiabilitatea funcționării echipamentelor, menținând totodată eficiența energetică. Acest lucru este deosebit de important, având în vedere că centrele de date sunt consumatori semnificativi de energie.
Cerințe pentru clădiri rezidențiale
Pentru clădirile rezidențiale, în practica de proiectare se iau în considerare intervale ale umidității relative de 30–60%, deși parametrii concreți depind de documentele normative ale țării, zona climatică și particularitățile sezoniere.
Influența umidității asupra sănătății locatarilor se manifestă în mai multe moduri: o umiditate prea scăzută poate provoca iritații ale căilor respiratorii, uscăciunea pielii și a mucoaselor, în timp ce umiditatea ridicată favorizează dezvoltarea microorganismelor (bacterii, fungi, acarieni), care pot provoca reacții alergice.
Condensul pe suprafețele reci (ferestre, pereți exteriori) este cauza fizică a apariției mucegaiului și ciupercilor. Prevenirea sa necesită menținerea unui regim de temperatură adecvat al tuturor suprafețelor, peste punctul de rouă.
Principalele surse domestice de umiditate în spațiile rezidențiale sunt gătitul, spălarea și uscarea rufelor, dușul și baia, respirația și transpirația locatarilor, precum și plantele de interior.
Metodologia de calcul
La calculul sistemelor de control al umidității este important să se respecte ierarhia cerințelor: procesele tehnologice au cea mai mare prioritate, apoi urmează cerințele privind conservarea materialelor și a structurilor, iar abia apoi parametrii de confort.
Calculul sarcinilor de umiditate include determinarea tuturor surselor de aport de umiditate (persoane, procese, aer exterior) și a mecanismelor de îndepărtare (ventilație, condensare, dezumidificare). Formula bilanțului de umiditate are forma:
Woameni + Wprocese + Winf = Wvent + Wdezumid ± Wcond
unde W este exprimat în g/oră sau kg/oră.
Capacitatea sistemelor de dezumidificare se alege ținând cont de coeficienți de rezervă, care depind de gradul de incertitudine al datelor inițiale și de criticitatea menținerii parametrilor setați. În procesele tehnologic importante, coeficientul de rezervă poate fi 1,3–1,5.
În proiectarea sistemelor trebuie avut în vedere că performanța dezumidificatoarelor de aer depinde puternic de parametrii de intrare – temperatura și umiditatea aerului, de aceea este necesară analizarea funcționării echipamentului în toate regimurile posibile.
Erori tipice și consecințe în exploatare
Una dintre cele mai răspândite erori în proiectarea sistemelor de control al umidității este aplicarea unor abordări universale fără a ține cont de specificul obiectivului. O altă eroare tipică este subestimarea sarcinilor de umiditate de vârf, în special la obiective cu densitate mare de persoane sau cu procese tehnologice cu emisii intense de umiditate.
În exploatare, se întâlnesc frecvent erori de măsurare a umidității din cauza poziționării incorecte a senzorilor sau a calibrării insuficiente a acestora.
Umiditatea excesivă în încăperi conduce la o serie de consecințe negative: formarea condensului pe suprafețele reci, dezvoltarea coroziunii elementelor metalice, favorizarea creșterii microorganismelor (bacterii, fungi, mucegai), care pot provoca boli sau agravarea stării de sănătate.
Umiditatea insuficientă are, de asemenea, consecințe negative: disconfort pentru persoane din cauza uscăciunii mucoaselor, creșterea nivelului de electricitate statică, ce poate avaria echipamentele electronice, deteriorări mecanice ale materialelor din cauza uscării excesive și pierderii elasticității.
Consecințele economice ale controlului incorect al umidității pot fi semnificative: de la creșterea consumului de energie al sistemelor HVAC până la deteriorarea mărfurilor, scurtarea duratei de viață a structurilor de construcție și a echipamentelor.
Sisteme de control și eficiență energetică
Sistemele eficiente de control al umidității se bazează pe senzori fiabili, care asigură măsurarea precisă a parametrilor. Senzorii moderni de umiditate au o eroare de ±2% până la ±5% umiditate relativă și necesită calibrare periodică pentru menținerea acurateței.
Reglarea sistemelor de dezumidificare și umidificare trebuie realizată ținând cont de inerția proceselor. Pentru a preveni oscilațiile ciclice se folosesc frecvent algoritmi cu zonă moartă sau regulatoare PID.
Din perspectiva eficienței energetice, cele mai economice sunt abordările care țin cont de necesitățile reale și asigură parametrii minimi necesari ai umidității. Utilizarea recuperării căldurii și a sistemelor de control în cascadă permite reducerea semnificativă a consumului de energie.
Erori inginerești tipice și concepții greșite
1. Eroare: „Un singur interval de umiditate se potrivește tuturor încăperilor din clădire”.
Realitatea: Diferite zone ale clădirii necesită adesea parametri diferiți ai umidității, în funcție de destinație, încărcare și materiale.
2. Eroare: „Controlul temperaturii asigură automat controlul umidității”.
Realitatea: Sistemele de răcire pot elimina o parte din umiditate, dar la sarcini termice scăzute și sarcini de umiditate ridicate sunt necesare sisteme specializate de dezumidificare.
3. Eroare: „Sistemul de dezumidificare trebuie dimensionat după sarcinile medii, nu după cele de vârf”.
Realitatea: Capacitatea insuficientă a sistemului la sarcini de vârf poate conduce la consecințe critice pentru procesele tehnologice sau pentru structurile de construcție.
4. Eroare: „Condensul pe ferestre este doar o problemă estetică”.
Realitatea: Condensul persistent duce la deteriorarea ramelor, dezvoltarea mucegaiului și deteriorarea proprietăților termoizolante.
5. Eroare: „Creșterea temperaturii este o metodă eficientă de reducere a umidității relative”.
Realitatea: Deși fizic este corect, această abordare este ineficientă energetic și nu schimbă conținutul absolut de umiditate din aer.
Concluzii
Alegerea parametrilor de umiditate pentru diferite tipuri de clădiri este o sarcină inginerească complexă, care necesită analiza multor factori: de la procesele tehnologice la impactul asupra sănătății oamenilor și conservării materialelor.
La proiectarea sistemelor de control al umidității este necesară respectarea unei ierarhii clare a cerințelor: cerințele tehnologice au prioritate, urmate de cerințele privind conservarea structurilor de construcție, iar apoi – parametrii de confort ai oamenilor.
Recomandări practice pentru elaborarea proiectelor sistemelor HVAC:
- Efectuați o analiză detaliată a surselor de emisie de umiditate și a cerințelor de umiditate pentru fiecare zonă a clădirii.
- Prevedeți coeficienți de rezervă rezonabili, mai ales pentru procesele critic importante.
- Utilizați zonarea și parametri diferențiați pentru diferite părți ale clădirii.
- Asigurați fiabilitatea sistemelor de control prin redundanța componentelor critic importante.
- Luați în considerare schimbările sezoniere și regimurile de exploatare în calculul sistemelor.
Sistemele de control al umidității proiectate corect asigură nu doar condiții confortabile pentru oameni și conservarea materialelor, ci și eficiența energetică a exploatării clădirii.
