Autors: Mycond tehniskā nodaļa
Iedomājieties: karsta vasaras diena, jūs izņemat no ledusskapja glāzi auksta ūdens. Pēc dažām minūtēm pamanāt, ka uz glāzes ārējās virsmas izveidojušies ūdens pilieni. No kurienes tie radušies? Tā nav ūdens “noplūde” caur glāzes sieniņām — tā ir ūdens tvaika kondensācija no apkārtējā gaisa. Tieši šādas parādības pēta psihrometrija.
Kas ir psihrometrija un kāpēc tā vajadzīga
Psihrometrija ir zinātne par mitrā gaisa īpašībām un uzvedību. Būtībā tā ir “lietošanas instrukcija” gaisam ar ūdens tvaiku. HVAC (apkure, ventilācija un kondicionēšana) inženieriem psihrometrijas izpratne ir tikpat svarīga kā matemātika grāmatvedim.
Ar parādībām, kuras pēta psihrometrija, mēs sastopamies ik dienu. Tās ir aizsvīduši logi aukstajā sezonā, kondensāts uz ūdensvadu caurulēm, pārlieku sauss gaiss apsildītās telpās ziemā.
Speciālisti izmanto psihrometrijas zināšanas praktisku uzdevumu risināšanai:
- Cik daudz ūdens kondensēsies uz lielveikala aukstuma iekārtām?
- Kāda temperatūra un mitrums ir viskomfortablākie biroja telpām?
- Kāpēc ziemā dzīvoklī ir tik sauss, ka plaisā lūpas?
- Kā novērst pelējuma veidošanos vannas istabā?
- Cik daudz enerģijas vajag, lai sausinātu gaisu farmaceitiskajā ražošanā?
Septiņi galvenie mitrā gaisa parametri
Lai pilnībā raksturotu gaisa stāvokli, jāzina vairākas īpašības. Iedomāsimies 1 kilogramu gaisa neredzamā kastē no tipiskas dzīvojamās telpas: temperatūra 21°C, relatīvais mitrums 50%. Apskatīsim pamatparametrus, kas raksturo šo gaisu.
1. Sausā termometra temperatūra (Dry Bulb Temperature)
Tā ir parastā gaisa temperatūra, ko mēra ar parastu termometru. Apzīmē t vai T, mērvienība °C. Kad sakām “telpā +21°C”, mēs domājam tieši sausā termometra temperatūru. Psihrometriskajā diagrammā tā atrodas apakšējā horizontālajā asī, un temperatūra pieaug no kreisās uz labo.
Praktiskā nozīme: galvenais siltuma komforta parametrs. Cilvēks vislabāk jūtas pie 20–24°C ziemā un 23–26°C vasarā.
2. Relatīvais mitrums (Relative Humidity)
Tas ir procentuāls daudzums no maksimāli iespējamā ūdens daudzuma, ko gaiss pie dotās temperatūras var saturēt. Svarīga īpatnība: nosaukums “relatīvais” nozīmē, ka parametrs ir atkarīgs no temperatūras — tā ir daudzu pārpratumu sakne. Apzīmē RH vai φ, mērvienība %.
Vienkāršs piemērs ar sūkli: pie 21°C sūklis var saturēt maksimums 100 vienības ūdens (100% mitruma), ja šobrīd tajā ir 50 vienības — tas ir 50% RH. Uzsildiet sūkli līdz 30°C — tagad tas var saturēt 200 vienības, bet ūdens kā bija 50, tā arī palika, tātad RH tagad ir 50/200=25%.
Psihrometriskajā diagrammā tās ir izliektas līnijas no apakšas pa kreisi uz augšu pa labi. Augstākā līnija 100% RH — tā ir piesātinājuma līnija jeb piesātinājuma līkne.
Komforta diapazons relatīvajam mitrumam ir 40–60%. Zem 30% gaiss ir pārāk sauss (ādas sausums, statiskā elektrība), virs 70% — pārāk mitrs (labvēlīga vide pelējumam, smacīguma sajūta).
3. Mitrumattiecība (Humidity Ratio, Specific Humidity)
Tas ir reālais ūdens tvaika daudzums gramos uz kilogramu sausā gaisa. Apzīmē d, w vai x, mērvienība g/kg. Svarīgi: atšķirībā no relatīvā mitruma mitrumattiecība nav atkarīga no temperatūras — tā ir absolūta vērtība.
Mūsu piemērā: temperatūra 21°C, RH 50%, mitrumattiecība 7.8 g/kg. Tas nozīmē, ka 1 kg sausā gaisa ir 7.8 g ūdens tvaika. Ja sildām gaisu līdz 30°C, mitrumattiecība paliks 7.8 g/kg, bet RH samazināsies līdz ~27%.
Tipiskas mitrumattiecības vērtības: sausa ziemas diena 2–4 g/kg, komfortabla diena 6–9 g/kg, mitra vasaras diena 12–18 g/kg, tropi virs 20 g/kg.
4. Rasas punkta temperatūra (Dew Point)
Tā ir temperatūra, līdz kurai jādzesē gaiss, lai tas kļūtu piesātināts (100% RH) un sāktu kondensēties mitrums. Apzīmē Td, mērvienība °C.
Mūsu piemērā: gaiss 21°C, 50% RH, 7.8 g/kg — rasas punkts +10°C. Tas nozīmē, ka, ja virsmas temperatūra ir +10°C vai zemāka (piemēram, auksta caurule), uz tās kondensēsies mitrums.
Vienkāršota formula rasas punkta aprēķinam: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). Piemēram, T=21°C, RH=50%: Td ≈ 21 - ((100-50)/5) = 21-10 = 11°C (precīza vērtība +10.2°C, kļūda mazāka par 1°C).
5. Tvaika spiediens (Vapor Pressure)
Tas ir daļējais spiediens, ko rada ūdens tvaika molekulas. Apzīmē pv, mērvienība Pa vai kPa. Katra ūdens molekula “stumj” apkārtējo vidi; jo vairāk molekulu, jo lielāks tvaika spiediens.
Mūsu piemērā: mitrumattiecībai 7.8 g/kg atbilst tvaika spiediens 1240 Pa = 1.24 kPa.
Praktiskā nozīme: mitrums pārvietojas no zonas ar augstu tvaika spiedienu uz zemu. Piemēram, ziemā telpā ir silts un relatīvais mitrums 40% (tvaika spiediens ~1000 Pa), ārā -10°C un 80% RH (tvaika spiediens ~200 Pa). Atšķirība 800 Pa “spiež” mitrumu caur sienu uz āru.
6. Gaisa entalpija (Enthalpy)
Tā ir gaisa kopējā enerģija, kas ietver jūtamo siltumu pašā gaisā un slēpto siltumu, kas iztērēts ūdens iztvaikošanai. Apzīmē h vai i, mērvienība kJ/kg.
Mūsu piemērā: temperatūra 21°C, mitrumattiecība 7.8 g/kg, entalpija 41 kJ/kg, no tās jūtamais siltums ~21 kJ/kg, slēptais siltums ~20 kJ/kg.
Praktisks pielietojums: kondicionētāja slodzes aprēķins. Formula: Aukstumjauda (kW) = Gaisa plūsma (kg/s) × Entalpiju starpība (kJ/kg).
7. Mitrā termometra temperatūra (Wet Bulb Temperature)
Tā ir temperatūra, ko rāda termometrs, kas aptīts ar mitru audumu, caur kuru plūst gaiss. Apzīmē Tw, mērvienība °C.
Procesa fizika: ūdens no auduma iztvaiko, aiznesot siltumu, kas atdzesē termometru. Jo sausāks gaiss, jo intensīvāka iztvaikošana un jo zemāka mitrā termometra temperatūra.
Mūsu piemērā: sausā temperatūra 21°C, RH 50%, mitrā termometra temperatūra 15°C.
Praktisks pielietojums: iztvaikošanas dzesēšana. Mitrā termometra temperatūra ir minimālā temperatūra, līdz kurai var atdzesēt gaisu ar ūdens iztvaikošanu bez mehāniskās dzesēšanas.
Psihrometriskā diagramma — mitrā gaisa karte
Psihrometriskā diagramma (Moljē diagramma) ir grafisks instruments, kas vienlaikus parāda visas sakarības starp mitrā gaisa parametriem. Tā ļauj, zinot jebkurus divus parametrus, noteikt visus pārējos.
Piemērs lietošanai: zinām T=21°C un RH=50%. Uz horizontālās ass atrodam 21°C, novelkam vertikālu līniju uz augšu, atzīmējam krustpunktu ar 50% RH līniju. Šis punkts dod visus citus parametrus: d=7.8 g/kg, Td=10°C, h=41 kJ/kg, Tw=15°C.
Cits piemērs: zinām T=30°C un Td=20°C. Uz horizontālās ass atrodam 30°C (velkam vertikālu līniju uz augšu), uz piesātinājuma līnijas atrodam 20°C (velkam horizontālu līniju uz labo pusi). Šo līniju krustpunktā iegūstam: RH≈57%, d≈13 g/kg, h≈63 kJ/kg.
Praktiski piemēri HVAC inženieriem
Piemērs 1: Gaisa dzesēšana un sausināšana ar kondicionieri
Uzdevums: ārējais gaiss 32°C 70% RH jāsadzesē līdz 18°C.
- Nosakām sākotnējos parametrus: T₁=32°C, RH₁=70%, pēc diagrammas d₁=21 g/kg, h₁=85 kJ/kg, Td₁=26°C.
- Dzesēšanas process: gaiss iet caur iztvaicētāju ar virsmas temperatūru +8°C. Sākumā gaiss atdziest pie nemainīgas mitrumattiecības (vertikāla līnija uz leju), sasniedzot rasas punktu (26°C → 100% RH) sākas kondensācija, tālāk atdziest pa 100% RH līniju.
- Kondensāta daudzuma aprēķins: noņemtais mitrums = d₁-d₂ = 21-6.5 = 14.5 g uz katru kg gaisa. Pie plūsmas 1000 m³/h (≈1200 kg/h): kondensāts = 1200 × 14.5 / 1000 = 17.4 kg/h = 17.4 litri/h.
- Enerģijas aprēķins: aukstumjauda = 1200/3600 kg/s × (85-22) kJ/kg = 0.333 × 63 = 21 kW ≈ 6 aukstuma tonnas.
Piemērs 2: Kāpēc ziemā dzīvokļos ir sauss
Sitācija: ziema, ārā -5°C 80% RH, šis gaiss nonāk dzīvoklī caur ventilāciju un tiek uzsildīts līdz 21°C.
- Āra gaiss: T₁=-5°C, RH₁=80%, pēc diagrammas d₁=2.2 g/kg, Td₁=-8°C.
- Uzsildīšana līdz telpas temperatūrai: sildot mitrumattiecība nemainās (d=const), T₂=21°C, d₂=2.2 g/kg, pēc diagrammas RH₂=14% — ļoti sauss!
Secinājums: nevis ārā ir zems mitrums (tur 80% RH!), bet aukstais gaiss fiziski satur maz ūdens. To uzsildot, šis nelielais ūdens daudzums “izšķīst” lielākā siltā gaisa tilpumā, dodot zemu relatīvo mitrumu.
FAQ par psihrometriju
Kas ir psihrometrija vienkāršiem vārdiem?
Psihrometrija ir zinātne par mitrā gaisa īpašībām. Tā pēta, kā uzvedas gaisa un ūdens tvaika maisījums dažādos apstākļos un kā šīs īpašības ietekmē cilvēka komfortu un inženiertehnisko sistēmu darbību.
Kāpēc relatīvais mitrums neparāda reālo ūdens daudzumu gaisā?
Relatīvais mitrums ir esošā ūdens tvaika daudzuma attiecība pret maksimāli iespējamo pie dotās temperatūras. Tā kā silts gaiss var saturēt vairāk mitruma nekā auksts, 50% RH pie 30°C nozīmē lielāku absolūto mitruma daudzumu nekā 50% RH pie 20°C.
Kā ātri noteikt rasas punktu bez diagrammas?
Var izmantot vienkāršotu formulu: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5), kur T — sausā termometra temperatūra, RH — relatīvais mitrums %. Kļūda ir mazāka par 1°C tipiskos apstākļos.
Kāda ir atšķirība starp jūtamo un slēpto siltumu?
Jūtamais siltums ir enerģija, kas saistīta ar gaisa temperatūru, ko var izmērīt ar termometru. Slēptais siltums ir enerģija, kas iztērēta ūdens iztvaikošanai, kura nemaina temperatūru, bet palielina gaisa kopējo enerģiju (entalpiju).
Secinājumi — kāpēc HVAC inženierim nepieciešama psihrometrija
Psihrometrijai ir kritiska nozīme HVAC inženieriem četru galveno iemeslu dēļ:
- Sistēmu projektēšana: bez psihrometrijas nav iespējams aprēķināt kondicionieru aukstumjaudu, sausinātāju veiktspēju, mitrinātāju jaudu, ventilācijas sistēmu parametrus.
- Enerģijas ietaupījums: psihrometriskā diagramma ļauj noteikt optimālu gaisa apstrādes stratēģiju, atrast iespējas brīvdzesēšanai/sausināšanai, novērtēt rekuperatoru efektivitāti.
- Problēmu novēršana: rasas punkta izpratne novērš kondensāciju ventilācijas sistēmās, sienu izsalšanu, pelējuma attīstību, iekārtu koroziju.
- Gaisa kvalitātes kontrole: pareiza temperatūras un mitruma kombinācija nodrošina cilvēku komfortu, materiālu un iekārtu saglabāšanu, tehnoloģisko prasību ievērošanu.
Galvenais psihrometrijas likums: lai pilnībā noteiktu gaisa stāvokli, jāzina vismaz divi parametri, pārējos var noteikt pēc psihrometriskās diagrammas. Noderīgākās kombinācijas: T+RH — visvienkāršāk izmērīt, T+Td — vislabāk kondensācijas kontrolei, T+d — vislabāk sausināšanas aprēķiniem.
Īpatnības Latvijas klimata apstākļos
Latvijas klimatu (Rīga, Daugavpils, Liepāja, Jelgava, Jūrmala, Ventspils) raksturo augsts relatīvais mitrums visa gada garumā, īpaši piekrastes pilsētās, piemēram, Ventspilī, Liepājā un Jūrmalā.
Ziemā, kad ārējais gaiss ar RH 80–90% pie -10°C telpās tiek uzsildīts līdz 21°C, relatīvais mitrums krītas līdz 10–15%. Tas rada problēmas ar pārlieku sausu gaisu dzīvojamās un biroju telpās un prasa mitrinātāju izmantošanu.
Vasarā, īpaši piekrastes pilsētās, augsts relatīvais mitrums (līdz 75–85% pie 20–25°C) rada smacīguma sajūtu un prasa efektīvas sausināšanas sistēmas. Šādā klimatā tikai dzesēšanas sistēmu uzstādīšana bez pienācīgas mitruma kontroles var novest pie kondensāta problēmām un pelējuma attīstības.
Psihrometrijas izpratne ļauj HVAC inženieriem Latvijā projektēt sistēmas, kas efektīvi strādā specifiskajos Latvijas klimata apstākļos, nodrošinot komfortu ar optimāliem enerģijas tēriņiem.
Psihrometrija nav abstrakta teorija, bet gan inženiera ikdienas instruments, kas palīdz pieņemt pareizus lēmumus, taupīt enerģiju un klientu naudu, radīt komfortablus un drošus apstākļus telpās. Psihrometrijas pamatu zināšanas ļauj projektēt efektīvas HVAC sistēmas, kas ņem vērā visas Latvijas klimata īpatnības un nodrošina optimālus apstākļus cilvēkiem un tehnoloģiskajiem procesiem.
