О «национальных особенностях» микроклимата в Российской Федерации
С наступлением морозов относительная влажность воздуха в помещениях начинает снижаться, что сопровождается жалобами наших клиентов, использующих термогигрометры для контроля относительной влажности в помещениях и наблюдающих значительное расхождение в показаниях гигрометров психрометрических ВИТ (около 40% относительной влажности) и термогигрометров ИВА-6 (около 15% относительной влажности).
Низкие показания наших приборов никак не устраивают Пользователей, поскольку нормативные документы не разрешают работу при таких низких значениях влажности.
Бремя просветительской работы, которое наши сотрудники несут уже много лет, тяжело, поскольку даже у «профессионалов» в области гигрометрии имеются проблемы с пониманием причин снижения относительной влажности в помещениях в зимний период. Вот как объясняют этот процесс некоторые из них:
Вот что происходит на самом деле:
Напомним, что относительная влажность воздуха - это отношение парциального давления водяного пара e к давлению насыщенного пара Ew(t') (над водой) или Ei(t') (над льдом) при данных значениях давления и температуры газа t', %.
Относительная влажность воздуха в помещении RHIN при температуре tIN и на улице RHOUT при температуре tOUT выражаются следующим образом:
RHIN = 100 e/ Ew(tIN)
RHOUT = 100 e/ Ei(tOUT)
Предполагаем, что воздух в помещение поступает только с улицы и давление воздуха в помещении и на улице одинаково. В этом случае и парциальное давления водяного пара в воздухе e на улице и в помещении одинаково и составляет
e = RHIN Ew(tIN)/ 100 в помещении,
e = RHOUT Ei(tOUT)/ 100 на улице.
Приравнивая эти два выражения, получаем взаимосвязь между относительной влажностью воздуха в помещении и на улице:
RHIN = fw(tIN,tOUT) RHOUT для RHOUT над водой
RHIN = fi(tIN,tOUT) RHOUT для RHOUT над льдом, где
fi(tIN,tOUT) = Ei(tOUT)/Ew(tIN)
fw(tIN,tOUT) = Ew(tOUT)/Ew(tIN)
Таким образом, относительная влажность воздуха при нагреве при постоянном давлении (изобарическом) уменьшается пропорционально отношению давлений насыщенного пара при начальной и конечной температуре процесса.
Учитывая, что зависимость давления насыщенного пара от температуры близка к экспоненциальной (график зависимости давления насыщенного пара от температуры в полулогарифмическом масштабе можно посмотреть на диаграмме состояния воды), величина отношения f(tIN,tOUT) весьма значительна, что наглядно иллюстрируется таблицей.|
tOUT |
Ei(tOUT) |
Ew(tOUT) |
tIN |
Ew(tIN) |
fi |
fw |
1/fi |
1/fw |
|
-60 |
0,011 |
0,02 |
23 |
28,1 |
0,0004 |
0,0007 |
2556 |
1406 |
|
-50 |
0,039 |
0,07 |
23 |
28,1 |
0,0014 |
0,0023 |
721 |
433 |
|
-40 |
0,128 |
0,19 |
23 |
28,1 |
0,0046 |
0,0068 |
220 |
147 |
|
-30 |
0,379 |
0,51 |
23 |
28,1 |
0,0135 |
0,0182 |
74 |
55 |
|
-20 |
1,032 |
1,26 |
23 |
28,1 |
0,0367 |
0,0447 |
27,2 |
22,4 |
|
-10 |
2,599 |
2,87 |
23 |
28,1 |
0,0924 |
0,1020 |
10,8 |
9,8 |
|
0 |
6,116 |
6,12 |
23 |
28,1 |
0,2175 |
0,2175 |
4,6 |
4,6 |
|
10 |
12,29 |
23 |
28,1 |
0,4370 |
2,3 |
|||
|
20 |
23,40 |
23 |
28,1 |
0,8322 |
1,2 |
В последних двух столбцах для наглядности приведены обратные значения функций fi и fw. Их значения описывают во сколько раз уменьшается относительная влажность наружного воздуха при попадании в отапливаемое помещение. В 2500 (две тысячи пятьсот) раз при наружной температуре -60°С и комнатной 23°С!
Основываясь на многолетнем опыте общения с недоумевающими собеседниками мы выработали стандартную схему ответа на вопрос о причине расхождения показаний, позволяющая убедить большинство клиентов. Вот его схема:
Первым делом мы спрашиваем, есть ли в помещении, в котором контролируется относительная влажность, система увлажнения воздуха. Еще ни разу мы не получали положительный ответ на этот вопрос. Наверное, потому, что при наличии такой системы Пользователи значительно лучше представляют особенности климатических параметров и смысл понятия относительная влажность.
Мы интересуемся значениями наружной и комнатной температуры и предлагаем произвести мысленный эксперимент, воспользовавшись нашим калькулятором. Например, пусть температура наружного воздуха составляет -10°С, относительная влажность 100% по воде (это очень тяжелый случай - все предметы на улице покрыты растущей коркой льда), а комнатная температура +20°С. Предполагая, что в помещение поступает только воздух с улицы (откуда же еще?), рассчитываем какого значения достигнет его относительная влажность при нагреве до комнатной температуры.
Получаем 12,3%.
Спрашиваем, откуда 40% по психрометру ВИТ?
Иногда получаем ответ - надышали, полили, помыли полы и т.д. Тогда решаем еще одну задачу, приведенную в Примере 1.
Пример 1. Определить какое количество влаги необходимо испарить в помещении с относительной влажностью воздуха 13% и температурой 20ºС, чтобы повысить относительную влажность до 50%. Габариты помещения 5x8x4 м. Считаем помещение герметичным и предполагаем, что влага не поглощается предметами и стенами помещения.
1. Определяем по таблице в Приложении 2, что в 1 м3 воздуха при температуре 20ºС и относительной влажности 100% содержится 17,3 г воды.
2. Находим количество влаги в 1 м3 воздуха при температуре 20ºС и относительной влажности 13%:
А(13%)=0,13x17,3=2,25 г.
3. Находим количество влаги в 1 м3 воздуха при температуре 20ºС и относительной влажности 50%:
А(50%)=0,50x17,3=8,65 г.
4. Находим количество влаги, которое необходимо добавить в 1 м3 воздуха при температуре 20ºС, чтобы увеличить его относительную влажности с 13% до 50%:
m=А(50%)-А(13%)=8,65-2,25=6,4 г.
5. Находим объем помещения:
V=5x8x4=160 м3
6. Определяем общее количество влаги М:
М=mV=6,4x160=1024 г.
При этом не учитывается тот факт, что значительное количество воды из воздуха поглощается различными материалами, присутствующими в помещении. Существует понятие равновесной влажности материала, устанавливающее соответствие между относительной влажностью воздуха и весовым содержанием воды в материале, длительное время хранящимся при этой влажности. Так, например, равновесная влажность бумаги при относительной влажности 40% составляет около 4%, соответственно при относительной влажности 10% - около 1%. Это означает, что 1 кг бумаги, пришедший в равновесие со средой при относительной влажности 10%, при повышении влажности в помещении до 40 %, поглотит из воздуха 30 г воды. Аналогичная ситуация наблюдается и с древесиной, штукатуркой, пластиками и многими другими материалами.
В реальных помещениях воздух постоянно обновляется либо за счет естественного воздухообмена, либо с помощью приточно-вытяжной вентиляции. Для понимания влияния воздухообмена на микроклимат в помещении решаем еще одну задачу:
Пример 2. Определить какое количество влаги необходимо испарять в помещении с температурой 20°С при температуре наружного воздуха -10°С и относительной влажности 100%, чтобы поддерживать в нем относительную влажность на уровне 40% при кратности воздухообмена 4 (промышленное помещение с приточно-вытяжной вентиляцией). Габариты помещения 5х8х4 м.
Определяем по калькулятору, что в 1 м3 воздуха при температуре -10°С и относительной влажности 100% содержится 2,1 г воды.
Определяем по калькулятору, что в 1 м3 воздуха при температуре 20°С и относительной влажности 40% содержится 6,9 г воды.
Находим количество влаги, которое необходимо добавить в 1 м3 наружного воздуха нагретого до температуры 20°С, чтобы его относительная влажность равнялась 40%:
m=A(40%) - A(100%)=6,9 - 2,1=4,8 г.
Находим объем помещения:
V=5x8x4=160 м3
Определяем общее количество добавленной влаги М:
M=mV=4,8x160=768 г.
Определяем количество влаги М4, которое необходимо испарять в помещении в час при кратности воздухообмена равном 4.
M4=Mx4=768x4=3072 г,
в сутки
24 х 3072 =73,7 кг
Таким образом, для поддержания в помещении, оборудованном приточно-вытяжной вентиляцией с кратностью воздухообмена 4 относительной влажности 40% в зимний период, необходимо испарять в сутки около семи ведер воды. Приведенный выше расчет количества воды, необходимый для поддержания заданной влажности в помещении верен только в том случае, когда такое увлажнение происходит непрерывно - круглосуточно. Иначе стены, потолок, полы, мебель и другие предметы в помещении быстро «усыхают» и при включении увлажнения забирают большую часть воды в себя.
Возвращаясь к показаниям так называемого «гигрометра психрометрического ВИТ» мы обращаем внимание на строку в описании типа и руководстве по эксплуатации, в которой указано, что «...предел допускаемого значения абсолютной погрешности гигрометра при скорости воздуха от 0,5 до 1 м/с составляет от 5 до 7%». Это условие, видимо, предполагает наличие у пользователя системы принудительного обдува с анемометром для контроля скорости воздуха. Но устройство, снабженное такой системой называется аспирационным психрометром. Такой прибор, например, МВ-4-2М, содержит вентилятор с механическим приводом и стоит уже около 30000 рублей. На возражения о том, что прибор ВИТ поверен, мы сообщаем собеседнику о том, что поверяются только термометры.
На заключительном этапе беседы мы разделяем недоумение собеседника требованиями различных нормативных документов к величине относительной влажности в рабочих помещениях 30-80% в зимний период и отмечаем, что стоимость эффективной системы увлажнения воздуха существенно превышает стоимость системы поддержания температуры.
В заключение приведем график температуры и влажности в помещении нашего офиса (Москва, Зеленоград) за период с середины августа 2007 года по конец января 2008 года. У нас нет системы увлажнения, поэтому этот график весьма типичен для любого аналогичного помещения в нашем регионе. Измерения осуществлялись термогигрометром ИВА-6Н-КП, график сформирован программой Data Logger. На этой ссылке приведены эти же данные, представленные графиком температуры и точки росы. Из этого графика можно оценить температуру наружного воздуха. Новогодние каникулы оказались самым холодным временем за отчетный период.
Пример 2. Относительная влажность воздуха при температуре 20ºС составляет 55%. Определить точку росы воздуха.
1. Определяем давление насыщенного водяного пара при температуре 20ºС, используя таблицу в Приложении 1.2. Получаем 2340 Па.
2. Определяем парциальное давление водяного пара в воздухе e:
e = Ew(t') RHw /100 = 2340x55/100 = 1287 Па.
3. Из таблицы в Приложении 1.2 находим, что значению 1287 Па соответствует температура около 10,5ºС.
Таким образом, точка росы воздуха с относительной влажностью 55% при температуре 20ºС составляет около 10,5ºС.
В помещении с относительной влажностью воздуха 55% и температурой 20ºС запотевание оконных стекол начинается при температуре внутренней поверхности стекол около 10,5ºС.
Необходимо отметить, что приведенный выше расчет точки росы (инея) справедливы только для изобарических процессов, т.е. процессов, протекающих при постоянном давлении. Температура, при которой начинается конденсация водяного пара из воздуха в изохорических условиях (в замкнутом постоянном объеме) будет ниже, чем в изобарических (в замкнутом объеме с «мягкими» стенками), поскольку в процессе охлаждения давление воздуха и, следовательно, парциальное давление водяного пара в замкнутом постоянном объеме будет снижаться.
На графике (ниже) приведена зависимость точки росы газа от его относительной влажности при температуре газа 20ºС. Эта зависимость иллюстрирует, с одной стороны, температуру стекол в помещении при которой начинается их запотевание, а с другой стороны, показывает, какая максимальная относительная влажность может быть в отапливаемом помещении, в которое подается наружный воздух без увлажнения. При этом предполагается, что относительная влажность наружного воздуха 100% (по воде) и в помещении не происходит влаговыделения или влагопоглощения. Отсюда видно, что при наружной температуре воздуха -10ºС и его относительной влажности 100% относительная влажность воздуха в отапливаемом помещении с температурой 20ºС составит около 13%.
Зависимость точки росы газа от его относительной влажности при температуре газа 20ºС.
Как отмечалось в предыдущем разделе, относительная влажность воздуха в таком помещении при наружной температуре -10°С и относительной влажности 100% составит 13%. При наружной температуре -20°С -4,4%. Уже к середине зимы стены, мебель, бумага отдают накопленную в летний период влагу (а это могут быть десятки килограмм) и становятся мощными насосами, выкачивающими водяной пар из воздуха при потеплениях или попытках единовременного повышения влажности в помещении путем полива, испарения или разбрызгивания воды.