Autor: technické oddělení Mycond
Systémy řízení mikroklimatu často narážejí na kritický problém: přestože centrální snímač ukazuje normální vlhkost, v jednotlivých zónách prostoru vzniká kondenzace a nadměrná vlhkost. Tento problém má fyzikální základ — nerovnoměrné rozložení vlhkosti v objemu prostoru, které vyžaduje inženýrský přístup k umístění kontrolně-měřicích přístrojů. Podívejme se na fyzikální příčiny tohoto jevu a metodiky správného rozmístění snímačů.
Mechanismy přenosu hmoty vodní páry
V prostorách se vodní pára přenáší dvěma základními mechanismy: konvektivním přenosem a molekulární difuzí. Konvektivní přenos probíhá díky pohybu vzduchových hmot — ventilaci, přirozené cirkulaci vlivem rozdílu teplot. Molekulární difuze působí přes koncentrační gradient — molekuly vodní páry se přesouvají z oblastí s vyšší koncentrací do oblastí s nižší.
Rychlost vyrovnávání vlhkosti v prostoru závisí na intenzitě výměny vzduchu a teplotním poli. Klíčový význam má koeficient difuze vodní páry D, který pro vzduch činí přibližně 2.4×10^-5 m²/s při 20°C, ale s teplotou se mění podle vztahu: D = D₀·(T/T₀)^1.8, kde D₀ je koeficient difuze při teplotě T₀.
Geometrie prostoru výrazně ovlivňuje strukturu proudění vzduchu. V podlouhlých prostorech s vysokými stropy se vytvářejí zóny stagnace, kde k vyrovnávání parametrů dochází pomaleji. Pro odhad vlivu geometrie na čas vyrovnání parametrů lze použít poměr charakteristického rozměru prostoru L ke koeficientu výměny vzduchu K: τ ≈ L²/(K·D), kde τ je charakteristický čas vyrovnání koncentrace.
Stratifikace vzduchu a vertikální gradient vlhkostního obsahu
Hustota vlhkého vzduchu závisí na teplotě a vlhkostním obsahu podle rovnice ideálního plynu: ρ = P/(R·T)·(1 - x·(1 - Mv/Ma)), kde ρ — hustota vzduchu (kg/m³), P — atmosférický tlak (Pa), R — univerzální plynová konstanta, T — absolutní teplota (K), x — vlhkostní obsah (kg/kg), Mv — molární hmotnost vody, Ma — molární hmotnost vzduchu.
Vertikální profil vlhkostního obsahu se vytváří kvůli rozdílné hustotě vzduchu s rozdílným obsahem vlhkosti. Teplý a vlhký vzduch je při stejné teplotě lehčí než suchý, proto stoupá vzhůru a vytváří gradient vlhkosti po výšce prostoru. Při přítomnosti zdrojů tepla a vlhkosti v různých výškách vznikají složité vertikální profily vlhkostního obsahu.
Stabilní stratifikace vzniká, když je teplý vlhký vzduch nahoře a studený suchý dole. Vertikální gradient vlhkosti může dosahovat 0.5–2.0 g/kg na metr výšky v závislosti na výkonu zdrojů vlhkosti a tepla. Rozrušení stratifikace je možné prostřednictvím nuceného větrání s dostatečnou intenzitou mísení, které zajistí výměnu vzduchu nejméně 6–8 objemů za hodinu.
Vliv systému větrání na rovnoměrnost parametrů
Existují tři základní typy rozvodu vzduchu, z nichž každý odlišně ovlivňuje rozložení vlhkosti:
1. Mísicí větrání s přívodem vzduchu do horní zóny zajišťuje aktivní promíchávání, ale může vytvářet stagnující zóny u podlahy a v rozích prostoru.
2. Vytěsňovací větrání s přívodem vzduchu do spodní zóny vytváří vzestupný proud, který účinně odvádí znečištění, ale vytváří vertikální gradient parametrů.
3. Kombinované schémata se snaží spojit výhody obou přístupů a minimalizovat jejich nevýhody.
Pro každé schéma rozvodu vzduchu jsou typické vlastní zóny aktivního mísení a zóny možného stagnačního proudění. Potřebná výměna vzduchu pro zajištění požadované rovnoměrnosti se počítá přes bilanci přenosu hmoty: n = (G·K)/(V·ΔC), kde n — výměna vzduchu (h⁻¹), G — uvolňování vlhkosti (kg/h), K — koeficient nerovnoměrnosti, V — objem prostoru (m³), ΔC — přípustný rozdíl koncentrací (kg/m³).
Je důležité chápat, že vysoká výměna vzduchu nezaručuje rovnoměrné rozložení vlhkosti, pokud je rozvod vzduchu organizován nesprávně. Efektivní rozvod vzduchu vyžaduje analýzu konkrétních podmínek každého prostoru.
Lokální zdroje uvolňování vlhkosti a zóny zvýšeného rizika
Technologické zdroje vlhkosti vytvářejí lokální zóny zvýšené vlhkosti, jejichž dosah závisí na intenzitě uvolňování vlhkosti a výměně vzduchu. Mezi hlavní zdroje patří:
- Otevřené vodní hladiny: odpar závisí na ploše hladiny, teplotě vody a rychlosti vzduchu nad hladinou.
- Technologické procesy s odparem: intenzita je dána specifiky procesu.
- Lidé: jedna osoba uvolňuje 40–70 g/h vlhkosti v závislosti na aktivitě.
Zvláštní pozornost je třeba věnovat studeným povrchům: obvodovým konstrukcím, chladicímu zařízení, potrubím. Na nich může vznikat kondenzát, když je místní teplota povrchu nižší než teplota rosného bodu vzduchu. K tomu dochází i při normální průměrné vlhkosti kvůli lokálním odchylkám parametrů.
Interakce lokálních zdrojů vlhkosti a celkového větrání je dána účinností odstranění znečištění, kterou lze vyjádřit jako: E = (Ce - Cs)/(Cr - Cs), kde E — účinnost odstranění, Ce — koncentrace ve vzduchu na odtahu, Cs — koncentrace v přiváděném vzduchu, Cr — koncentrace v pracovním prostoru.
Metodika stanovení počtu a rozmístění snímačů vlhkosti
Pro správné umístění snímačů vlhkosti doporučujeme dodržet následující algoritmus:
1. Analyzujte dispoziční řešení prostoru a identifikujte všechny zdroje uvolňování vlhkosti a studené povrchy.
2. Určete typ systému větrání a směry hlavních proudů vzduchu.
3. Vyčleňte charakteristické zóny: zónu aktivního větrání, zónu technologického vybavení, zónu možného stagnačního proudění, zónu u studených povrchů.
4. Pro každou zónu zvažte potřebu samostatného snímače podle kritéria: pokud je v zóně lokální zdroj vlhkosti, studený povrch, nebo vzdálenost od zóny aktivního větrání přesahuje charakteristickou délku mísení (přibližně 5–7 m pro typické prostory), je zapotřebí samostatný snímač.
5. Určete výšku instalace snímače: pro prostory s mísicím větráním — ve výšce pracovního prostoru (1.5–1.8 m), pro prostory s vytěsňovacím větráním — ve výšce maximálního rizika kondenzace, pro vícepatrové sklady — na každé úrovni zvlášť.
6. Ověřte, že žádný snímač není umístěn přímo u přívodu nebo odtahu ve vzdálenosti menší než trojnásobek průměru vzduchovodu nebo menší než jeden metr.
Například pro skladový prostor o rozměrech 30×15×6 m s mísicím větráním, dvěma nakládacími vraty, technologickým zařízením v jednom rohu a chladicí komorou v druhém jsou zapotřebí minimálně 4 snímače: jeden v centrální zóně aktivní výměny vzduchu, jeden u vrat pro kontrolu infiltrace, jeden u technologického zařízení a jeden u chladicí komory.
Typické chyby při návrhu systémů měření vlhkosti
Hlavní chyby, kterých se dopouští při umístění snímačů vlhkosti:
1. Instalace jednoho snímače pro celý objem prostoru bez ohledu na jeho velikost. Kvůli prostorové nerovnoměrnosti takový přístup vede k nesprávnému řízení.
2. Umístění snímače přímo do proudu přívodního nebo odtahového vzduchu. Takový snímač měří parametry přívodu či odtahu, nikoliv průměrné parametry v prostoru.
3. Ignorování teplotní stratifikace a umístění snímače ve výšce, která neodpovídá kritické zóně.
4. Absence snímačů u studených povrchů, kde je nejvyšší riziko kondenzace.
5. Instalace snímačů pouze na místech snadno dostupných pro montáž bez zohlednění struktury proudění vzduchu.
Provozní důsledky nesprávného umístění snímačů
Nesprávné umístění snímačů vede k následujícím problémům:
1. Snímač v zóně aktivní výměny vzduchu ukazuje normální vlhkost (45–55 %), ale v stagnujících zónách je vlhkost zvýšená (70–90 %) a dochází ke kondenzaci. Následek: poškození produktů, koroze konstrukcí, rozvoj mikroorganismů.
2. Snímač u lokálního zdroje vlhkosti trvale ukazuje zvýšené hodnoty (65–75 %), systém odvlhčování pracuje na maximální výkon. Následek: nadměrná spotřeba energie o 30–50 %, přesušení jiných zón (na 25–30 %).
3. Snímač v nesprávné výšce (například pod stropem v prostoru s vytěsňovacím větráním) ukazuje zvýšenou vlhkost (60–70 %), ačkoliv v pracovním prostoru je normální (40–50 %). Následek: zbytečný provoz odvlhčovače s přebytkem spotřeby energie až o 40 %.
Omezení a korekce v systémech měření vlhkosti
I při správném umístění snímačů existují omezení:
1. V prostorech o objemu nad 5000 m³ nemusí ani správně umístěné snímače zajistit úplnou kontrolu — je zapotřebí doplňkový monitorovací systém s větším počtem kontrolních bodů.
2. Při teplotách nižších než -10°C se přesnost měření relativní vlhkosti výrazně snižuje — jsou potřeba speciální snímače s ohřevem citlivého prvku.
3. V prostorech se zdroji prachu nebo agresivních látek standardní kapacitní snímače rychle selhávají — jsou nutné ochranné kryty nebo jiné typy senzorů.
4. Při sezónních změnách režimu provozu může být nutná rekalibrace nebo změna umístění snímačů.
FAQ
Proč se na stěnách tvoří kondenzát, i když centrální snímač ukazuje normální hodnoty?
Tento jev souvisí s lokální nerovnoměrností rozložení vlhkosti. Centrální snímač může ukazovat 50–55 % relativní vlhkosti, ale u studených stěn může být skutečná vlhkost o 15–20 % vyšší kvůli nižší teplotě a omezené cirkulaci vzduchu. Pokud je teplota stěny nižší než teplota rosného bodu, kondenzace je nevyhnutelná. Řešení: instalovat dodatečné snímače u kritických povrchů nebo zajistit lepší cirkulaci vzduchu s výměnou alespoň 4–6 objemů za hodinu.
V jaké výšce instalovat snímač vlhkosti?
Výška závisí na typu větrání. U mísicího větrání je optimální výška 1.5–1.8 m (úroveň pracovního prostoru). U vytěsňovacího větrání je třeba snímače umisťovat ve výšce kritických procesů nebo zařízení. V prostorech s vertikálním teplotním gradientem (více než 0.5°C/m) se doporučuje instalovat snímače na několika úrovních: u podlahy, v pracovní zóně a pod stropem.
Kolik snímačů je třeba instalovat ve skladovém prostoru 1000 m²?
Počet snímačů se určuje podle algoritmu: základní počet — 1 snímač na 250–300 m² při výšce do 6 m a rovnoměrné výměně vzduchu. Dodatečné snímače se instalují: u každých vrat/dveří pro venkovní vzduch, u každého významného zdroje vlhkosti, u každého studeného povrchu s rizikem kondenzace, v každé zóně s odlišným režimem větrání. Pro sklad 1000 m² jsou tedy potřeba minimálně 4 základní snímače plus další pro kritické zóny.
Závěry
Správné umístění snímačů vlhkosti není formální požadavek, ale inženýrská nutnost vyplývající z fyziky přenosu hmoty vodní páry. Nerovnoměrné rozložení vlhkosti v prostoru je objektivní jev způsobený procesy konvekce, difuze a stratifikace.
Praktická doporučení pro projektanty:
1. Před určením kontrolních bodů vždy analyzujte strukturu proudění vzduchu.
2. Při umístění snímačů zohledňujte lokální zdroje vlhkosti a studené povrchy.
3. Nešetřete na počtu snímačů, pokud to odůvodňují rozměry a složitost objektu.
4. Pravidelně kontrolujte korelaci mezi údaji různých snímačů pro odhalení anomálií.
5. Používejte systémový přístup zahrnující všechny aspekty mikroklimatu: vlhkost, teplotu, pohyb vzduchu a provozní specifika prostoru.
Dodržování těchto principů umožní zajistit efektivní kontrolu vlhkosti, zabránit kondenzaci na kritických površích a optimalizovat provoz systémů odvlhčování vzduchu.
