Sezonāla mitruma kontroles sistēmu darbības optimizācija: ziemas potenciāla izmantošana un sagatavošanās vasaras maksimumiem

Autors: Mycond tehniskā nodaļa

Mitruma kontroles sistēmas parasti tiek projektētas, balstoties uz vidējiem gada vai ekstremāliem vasaras apstākļiem, kas ziemā izraisa būtisku enerģijas pārtēriņu sausinātāju nepārtrauktas darbības dēļ, lai gan ir pieejams “bezmaksas” sausā ziemas gaisa potenciāls. Alternatīva kļūda – nespēja uzturēt mērķa mitrumu vasarā, jo nav pareizi novērtēti slodzes pīķi. Šajā rakstā aplūkosim pieejas, kā novērst šīs tipiskās projektēšanas kļūdas un aprēķinu neskaidrības, nosakot sezonālos darbības režīmus un sausināšanas sistēmu enerģētisko bilanci.

Ievads

Gada laikā ārējā gaisa absolūtā un relatīvā mitruma svārstības ir fundamentāls faktors, kas tieši ietekmē sausināšanas sistēmu efektivitāti. Latvijā un Baltijas reģionā šīs svārstības ir īpaši izteiktas: no sausā ziemas gaisa ar absolūto mitrumu, kas var būt mazāks par 2 g/kg, līdz mitram vasaras gaisam ar rādītājiem virs 12–15 g/kg.

Rīgas meteoroloģisko datu statistiskā analīze rāda, ka gada laikā ārējā gaisa relatīvais mitrums vidēji svārstās 70% līdz 90% robežās, taču absolūtais mitrums temperatūras atšķirību dēļ mainās ievērojami dramatiskāk. Šo svārstību ignorēšana noved pie neoptimāliem darbības režīmiem un ievērojama enerģijas pārtēriņa.

Pēc nosacītiem novērtējumiem (C kategorija) pareizi izstrādāta sezonālā optimizācija ļauj atsevišķos gada periodos samazināt enerģijas patēriņu par 30–50%. Īpaši tas attiecas uz ziemas periodu, kad sausā ārējā gaisa izmantošana var pilnībā aizstāt mehānisko sausināšanu.

Šī raksta mērķis ir sniegt projektētājiem praktiskus rīkus sezonāli adaptīvu mitruma kontroles sistēmu aprēķināšanai un ieviešanai, ņemot vērā gada klimatisko apstākļu specifiku.

Gaisa mitruma režīma sezonālo izmaiņu fiziskie pamati

Lai izprastu mitruma režīma sezonālās izmaiņas, būtiski saprast saikni starp temperatūru un gaisa spēju saturēt mitrumu. Palielinot temperatūru par 10°C, gaisa mitrumietilpība aptuveni dubultojas. Tieši tāpēc aukstais ziemas gaiss pēc uzsildīšanas kļūst par jaudīgu “sausinātāju” – tā relatīvais mitrums ievērojami samazinās.

Psihrometriskā diagramma ir galvenais instruments sezonālo gaisa stāvokļu analīzei. Tā uzskatāmi atspoguļo gaisa parametru izmaiņas dažādos apstrādes procesos. Absolūtā mitruma aprēķinam pēc zināmas temperatūras un relatīvā mitruma izmanto psihrometriskās tabulas vai formulas.

Ziemas periods

Latvijā ziemas periodam tipiska ārējā gaisa temperatūra ir no -20°C līdz +5°C (B kategorija). Relatīvais mitrums parasti ir 70–90% (B kategorija). Tomēr absolūtais ziemas gaisa mitrums šādos apstākļos ir ārkārtīgi zems – aptuveni no 0,5 līdz 4 g/kg sausā gaisa (C kategorija).

Šāds gaiss, nonākot telpā un uzsilstot līdz tipiskām iekštelpu temperatūrām (20–24°C), būtiski pazemina relatīvo mitrumu. Piemēram, ārējais gaiss ar parametriem -10°C/80% pēc uzsildīšanas līdz +22°C būs ar relatīvo mitrumu tikai ap 10–15%, radot ievērojamu telpas sausināšanas potenciālu.

Vasaras periods

Latvijā vasaras periodu raksturo temperatūras no +20°C līdz +30°C (B kategorija) un relatīvais mitrums 50–80% (B kategorija). Absolūtais vasaras gaisa mitrums nosacītos piemēros (C kategorija) var sasniegt 10–15 g/kg.

Pie šādiem ārējā gaisa parametriem slodze uz sausināšanas sistēmām ir maksimāla. Svarīgi, ka pat pie vienāda relatīvā mitruma vasaras absolūtais mitrums ir 3–5 reizes augstāks nekā ziemā, kas principiāli maina sausināšanas pieeju.

Pārejas sezonas — pavasaris un rudens

Pārejas sezonas raksturo nestabilitāte un neprognozējamība. Diennakts temperatūras svārstības var sasniegt 10–15°C (C kategorija), bet relatīvais mitrums diennakts laikā svārstīties 20–40% robežās (C kategorija).

Īpaši bīstami šajos periodos ir strauji aukstuma viļņi, kas var izraisīt kondensāta veidošanos uz aukstām iekštelpu virsmām, kas ir kritiski daudziem tehnoloģiskiem procesiem un produkcijas uzglabāšanai.

Sausā ziemas gaisa izmantošana ventilācijas sausināšanai

Ventilācijas sausināšana ziemā balstās uz principu – mitro iekštelpu gaisu aizstāt ar sauso ārējo. Šādas pieejas efektivitāte ir atkarīga no iekštelpu un ārējā gaisa absolūtā mitruma starpības.

Sausināšanas potenciāla noteikšanai izmanto formulu:

W = L × (d_iekš - d_ārē)

kur:

• W - izņemtā mitruma daudzums, g/h
• L - gaisa plūsma, m³/h
• d_iekš - iekštelpu gaisa absolūtais mitrums, g/kg
• d_ārē - ārējā gaisa absolūtais mitrums, g/kg

Nosacīts piemērs (C kategorija): telpa ar tilpumu 1000 m³, iekštelpu parametri +20°C/60% un ārējie -5°C/80%. Iekštelpu gaisa absolūtais mitrums būs aptuveni 8,7 g/kg, bet ārējā – 2,5 g/kg. Pie gaisa apmaiņas biežuma 1 telpas tilpums/h (1000 m³/h) sausināšanas potenciāls būs: W = 1000 × (8,7 - 2,5) = 6200 g/h.

Tomēr ventilācijas sausināšana ziemā izraisa siltuma zudumus, kas ir jāņem vērā. Siltuma zudumu aprēķins tiek veikts pēc formulas:

Q = L × ρ × c × (t_iekš - t_ārē)

kur:

• Q - siltuma zudumi, W
• ρ - gaisa blīvums, kg/m³
• c - gaisa īpatnējā siltumietilpība, J/(kg·K)
• t_iekš - iekštelpu gaisa temperatūra, °C
• t_ārē - ārējā gaisa temperatūra, °C

Mūsu piemērā: Q = 1000 × 1,2 × 1005 × (20 - (-5)) = 30150 W.

Salīdzinot gaisa uzsildīšanai nepieciešamo enerģiju ar ietaupījumu, izslēdzot sausinātāju, nosaka izdevīguma robežtemperatūru – ārējā gaisa temperatūru, pie kuras ventilācijas sausināšana kļūst enerģētiski izdevīga. Tipiskām sistēmām šī robeža ir ap +10°C (C kategorija).

Ventilācijas sausināšanas efektivitātes robežnosacījumi:

1. Absolūtā mitruma starpībai starp iekštelpu un ārējo gaisu jābūt pietiekamai, lai nodrošinātu nepieciešamo sausināšanas efektu.
2. Sistēmas enerģētiskajam bilancam jābūt pozitīvam – gaisa uzsildīšanas izmaksām jābūt mazākām par ietaupījumu no sausinātāja izslēgšanas.
3. Tehnoloģiskām telpām ar stingrām temperatūras prasībām jānodrošina pieplūdes gaisa parametru stabilitāte.

Ventilācijas sausināšanas integrācija ar siltuma rekuperācijas sistēmām būtiski palielina energoefektivitāti. Plākšņu rekuperatori nodrošina 50–70% siltuma atgūšanu (B kategorija), bet rotācijas – 70–85% (B kategorija).

Vasaras slodžu pīķi sausināšanas sistēmām

Lai korekti projektētu mitruma kontroles sistēmu, jāņem vērā maksimālās vasaras slodzes, kuras veido ārējie un iekšējie mitruma avoti.

Mitrumienākuma no infiltrācijas un ventilācijas aprēķins pie maksimālajiem ārējiem parametriem tiek veikts pēc formulas:

W_ārē = L_inf × ρ × (d_{ārē_maks} - d_{iekš_mērķis})

kur:

• W_ārē - mitrumienākums no ārējā gaisa, g/h
• L_inf - gaisa patēriņš caur infiltrāciju un ventilāciju, m³/h
• d_{ārē_maks} - ārējā gaisa maksimālais absolūtais mitrums, g/kg
• d_{iekš_mērķis} - iekštelpu mērķa absolūtais mitrums, g/kg

Iekšējie mitruma avoti vasarā būtiski pastiprinās paaugstinātas iztvaikošanas dēļ pie augstākām temperatūrām. Tas īpaši attiecas uz atklātām ūdens virsmām, tehnoloģiskajiem procesiem un cilvēkiem. Piemēram, iztvaikošanas intensitāte no ūdens virsmas var pieaugt par 30–50%, ja temperatūra palielinās par 10°C.

Lai noteiktu sausinātāja maksimālo kopslogu, izmanto formulu:

W_maksim = W_{ārē_maks} + W_{iekš_maks} + W_rezerve

kur:

• W_maksim - pīķa slodze, g/h
• W_{ārē_maks} - maksimālais mitrumienākums no ārējiem avotiem, g/h
• W_{iekš_maks} - maksimālais mitrumienākums no iekšējiem avotiem, g/h
• W_rezerve - jaudas rezerve, g/h

Projektējot jāņem vērā slodžu vienlaicīguma koeficients, kas parasti ir 0,8–1,0 (B kategorija) atkarībā no objekta specifikas.

Tipiskā inženierprakse paredz sausināšanas iekārtām 15–25% jaudas rezervi (B kategorija) virs aprēķinātā pīķa slodzes. Rezerves apmēru nosaka, balstoties uz risku analīzi un uzticamības prasībām.

Jāņem vērā, ka kompresoru sausinātāji zaudē efektivitāti pie augstām kondensatora temperatūrām, kamēr adsorbcijas iekārtas saglabā stabilu veiktspēju, taču patērē vairāk enerģijas reģenerācijai.

Vadības stratēģijas pārejas sezonās

Pārejas sezonas (pavasaris un rudens) raksturo ārējo apstākļu nestabilitāte, kas prasa adaptīvu pieeju sausināšanas sistēmu vadībai.

Adaptīvie vadības algoritmi balstās uz nepārtrauktu iekštelpu un ārējā gaisa absolūtā mitruma monitoringu. Vispārējā darba loģika:

Ja d_ārē d_iekš - ΔW un t_ārē > t_min, tad izmanto ventilācijas sausināšanu;

citādi izmanto mehānisko sausināšanu.

kur:

• ΔW - nepieciešamā absolūtā mitruma starpība efektīvai ventilācijas sausināšanai
• t_min - minimāli pieļaujamā ārējā gaisa temperatūra

Lai optimizētu enerģijas patēriņu, efektīvi ir kombinēt ventilācijas un mehānisko sausināšanu. Šajā gadījumā ventilācija samazina slodzi uz sausinātāju, kas ir īpaši aktuāli periodos ar starpstāvokļa ārējiem parametriem.

Lai novērstu kondensāciju pārejas periodos, nepieciešams:

1. Nepārtraukti monitorēt telpas rasas punkta temperatūru
2. Kontrolēt kritisko virsmu temperatūru (ārējās sienas, logi)
3. Veikt preventīvu sausināšanas intensitātes palielināšanu pirms prognozētiem aukstuma periodiem
4. Vajadzības gadījumā nodrošināt lokālu kritisko zonu piekarsēšanu

Enerģijas ietaupījumu pārejas periodos var panākt arī, izmantojot nakts dzesēšanu, lai mazinātu kondicionieru slodzi un minimizētu sausinātāju darbību pie labvēlīgiem ārējiem apstākļiem.

Enerģētiskā optimizācija sistēmu sezonālajos darbības režīmos

Gada enerģijas patēriņa analīze mitruma kontroles sistēmām rāda, ka ar pareizu sezonālo optimizāciju var panākt patēriņa samazinājumu par 25–45% (C kategorija). Lielākais ietaupījuma potenciāls ir ziemas periodā un pārejas sezonās.

Atslēgas elements enerģētiskajā optimizācijā ziemā ir siltuma rekuperācija. Rekuperācijas efektivitātes novērtēšanai aprēķina rekuperatora temperatūras lietderības koeficientu un siltumenerģijas ietaupījumu.

Vasarā, lai samazinātu slodzi uz sausinātājiem, efektīva ir pieplūdes gaisa priekšdzesēšana. To var realizēt ar:

• Netiešo iztvaikošanas dzesēšanu – temperatūras samazinājums par 5–10°C (B kategorija) bez mitruma palielināšanas
• Zemes siltummaiņiem – izmantojot stabilo grunts temperatūru 8–12°C (B kategorija)
• Priekšdzesēšanu siltummaiņos ar aukstumnesēju

Sezonālās adaptācijas ekonomiskā efektivitāte tiek noteikta, salīdzinot gada enerģijas patēriņu fiksētos un adaptīvos režīmos. Papildu ieguldījumu atmaksāšanās periods automatizācijas un rekuperācijas sistēmās parasti ir 1,5–3 gadi atkarībā no objekta tipa un energoresursu tarifiem.

Perspektīvs virziens ir atjaunojamo energoresursu integrācija mitruma kontroles sistēmu sezonālajos darbības režīmos:

• Saules kolektori adsorbentu reģenerācijai vasarā
• Ģeotermālās sistēmas, lai stabilizētu enerģijas patēriņu visa gada garumā
• Siltumsūkņi, lai izmantotu sausināšanas laikā atdalīto siltumu

Tipiskas sezonālo režīmu projektēšanas kļūdas un to novēršana

Projektēšanas prakses analīze atklāj vairākas tipiskas kļūdas, projektējot mitruma kontroles sistēmas:

1. Ziemo ventilācijas sausināšanas potenciāla ignorēšana – tiek zaudēta iespēja ietaupīt 40–60% (C kategorija) enerģijas.
2. Vasaras slodžu pīķu nenovērtēšana – tipiska 20–30% (C kategorija) kļūda, kas noved pie nespējas uzturēt mērķa mitrumu.
3. Sistēmu projektēšana tikai pēc vidējiem gada parametriem, neņemot vērā sezonālos ekstremumus.
4. Adaptīvās vadības trūkums pārejas periodos, kas izraisa enerģijas pārtēriņu vai nepietiekamu sausināšanu.
5. Siltuma zudumu neņemšana vērā ziemas ventilācijā, kas izraisa neparedzētas apkures izmaksas.

Svarīgi atzīmēt apstākļus, kad sezonālajai optimizācijai ir ierobežojumi vai nepieciešama īpaša pieeja:

• Pie ļoti zemām ārējām temperatūrām (zem -15...-20°C) ventilācijas sausināšana var radīt risku, strauji atdzesējot konstrukcijas
• Telpām ar kritiskām prasībām pret parametru stabilitāti (farmācija, muzeji) jāparedz papildu pieplūdes gaisa stabilizācija
• Maziem objektiem augstās kapitāla izmaksas automatizācijai var neatmaksāties ar ietaupījumu
• Reģionos ar nelielām sezonālo parametru atšķirībām (piekrastes zonas ar mērenu klimatu) optimizācijas potenciāls ir zemāks

Biežāk uzdotie jautājumi (BUJ)

Kā detalizēti aprēķināt ziemas ventilācijas sausināšanas potenciālu?

Aprēķins tiek veikts vairākos soļos: 1) Nosakiet iekštelpu (d_iekš) un ārējā (d_ārē) gaisa absolūto mitrumu pēc psihrometriskajām tabulām. 2) Aprēķiniet sausināšanas potenciālu pēc formulas W = L × (d_iekš - d_ārē), kur L - gaisa plūsma m³/h. 3) Aprēķiniet siltuma patēriņu uzsildīšanai Q = L × ρ × c × (t_iekš - t_ārē). 4) Salīdziniet uzsildīšanas enerģijas patēriņu ar ietaupījumu no sausinātāja izslēgšanas. Piemēram, noliktavai 1000 m³ ar iekštelpu parametriem +20°C/60% un ārējiem -5°C/80%, pie gaisa plūsmas 1000 m³/h sausināšanas potenciāls ir ap 6 kg/h, bet siltuma patēriņš – 30 kW. Ja sausinātājs patērē 3–4 kW elektroenerģijas uz katru izņemtā mitruma kilogramu, ietaupījums būs 18–24 kW.

Pie kādām temperatūras un mitruma vērtībām ventilācijas sausināšana kļūst neefektīva?

Ventilācijas sausināšana kļūst neefektīva, kad gaisa uzsildīšanas enerģijas patēriņš pārsniedz ietaupījumu no sausinātāja izslēgšanas. Bezpeļņas punkts ir atkarīgs no: 1) absolūtā mitruma starpības starp iekštelpu un ārējo gaisu, 2) sausinātāja efektivitātes, 3) siltuma un elektroenerģijas izmaksām. Tipiskos Latvijas apstākļos (izmantojot rekuperatoru ar 70% KPD) ventilācijas sausināšana kļūst neefektīva pie ārējās temperatūras virs +10...+12°C vai kad ārējā gaisa absolūtais mitrums pārsniedz 70% no iekštelpu absolūtā mitruma. Konkrētam aprēķinam jāizveido enerģētiskās bilances grafiks, kas parāda enerģijas patēriņu atkarībā no ārējās temperatūras.

Kāda ir metodika sausināšanas sistēmas vasaras pīķa slodzes noteikšanai?

Pīķa slodzes noteikšana ietver: 1) Mitrumienākuma no ārējiem avotiem aprēķinu: W_ārē = L_inf × ρ × (d_{ārē_maks} - d_{iekš_mērķis}), kur L_inf - gaisa plūsma caur infiltrāciju un ventilāciju. 2) Iekšējo avotu novērtējumu: tehnoloģiskie procesi, personāls, iztvaikošana no atklātām virsmām. 3) Vienlaicīguma koeficienta K_vienlaik noteikšanu (parasti 0,8–1,0). 4) Pīķa slodzes aprēķinu: W_maksim = (W_{ārē_maks} + W_{iekš_maks}) × K_vienlaik + W_rezerve. Piemēram, baseinam ar 200 m² virsmu iekšējais mitrumienākums no ūdens virsmas ir ap 15 kg/h, no cilvēkiem – 2–3 kg/h, no ārējā gaisa pie pīķa mitruma – 5–7 kg/h, kas kopā dod aptuveni 25 kg/h, ieskaitot rezervi.

Kurus vadības parametrus ieteicams mainīt pārejas sezonās?

Pārejas sezonās ieteicams adaptēt: 1) Mitruma iestatījumus – rudenī relatīvo mitrumu palielināt par 3–5% un pavasarī samazināt par 3–5%, lai novērstu kondensāciju. 2) Ventilācijas režīmus – palielināt gaisa apmaiņu labvēlīgos ārējos apstākļos un samazināt nelabvēlīgos. 3) PID regulatoru parametrus – samazināt proporcijas koeficientu un palielināt integrālo sastāvdaļu, lai stabilizētu darbu. 4) Rekuperācijas režīmus – ziemā siltuma rekuperācija, vasarā dzesēšanas rekuperācija. 5) Sistēmas darba prioritātes – līdzsvarot energoefektivitāti un kondensācijas novēršanu. Efektīvai vadībai nepieciešams nepārtraukti monitorēt ārējā gaisa absolūto mitrumu un kritisko virsmu temperatūru.

Kā novērst kondensāciju uz aukstām virsmām strauju aukstuma viļņu laikā?

Lai novērstu kondensāciju, nepieciešams: 1) Identificēt kritiskās zonas (logi, ārējās sienas, aukstuma tilti). 2) Uzstādīt virsmas temperatūras sensorus šajās zonās. 3) Nepārtraukti aprēķināt rasas punkta temperatūru pēc aktuālajiem telpas gaisa parametriem: t_rasas ≈ t_iekš - ((100 - φ_iekš)/5). 4) Ja t_virsmas - t_rasas 2–3°C, aktivizēt preventīvus pasākumus. 5) Preventīvie pasākumi ietver: sausināšanas pastiprināšanu, lokālu kritisko virsmu piekarsēšanu, gaisa cirkulācijas palielināšanu. Piemēram, noliktavai ar aukstām betona sienām pie straujas atdzišanas no +10°C līdz -5°C savlaicīgi jāsamazina telpas mitrums līdz līmenim, kas nodrošina vismaz 3°C atšķirību starp virsmas temperatūru un rasas punktu.

Secinājumi

Sezonālā mitruma kontroles sistēmu optimizācija ir komplekss pieejas veids, kas būtiski paaugstina iekārtu energoefektivitāti un nodrošina stabilu nepieciešamo mikroklimata parametru uzturēšanu visa gada garumā.

Sezonālās adaptācijas pamatprincipi:

• Maksimāli izmantot sausā ziemas gaisa potenciālu ventilācijas sausināšanai
• Nodrošināt pietiekamu jaudas rezervi (15–25%) vasaras pīķiem
• Ieviest adaptīvu vadību pārejas periodos
• Obligāti integrēt siltuma rekuperācijas sistēmas, lai paaugstinātu energoefektivitāti

Projektēšanas posmā obligāti jāveic enerģētiskā bilance dažādām sezonām un jānosaka režīmu pārslēgšanās punkti. Adaptīvām vadības sistēmām ir nepārprotamas priekšrocības salīdzinājumā ar fiksētiem režīmiem, īpaši objektiem ar atšķirīgiem ekspluatācijas režīmiem gada laikā.

Investīcijas sezonālajā optimizācijā ir ekonomiski pamatotas un ļauj samazināt ekspluatācijas izmaksas par 25–45% (C kategorija). Iekārtu izvēlei jāņem vērā sezonālās slodzes un ekspluatācijas apstākļi, lai nodrošinātu efektīvu darbu visā sistēmas dzīves ciklā.