Автор: технический отдел Mycond
Воздух — это гораздо больше, чем просто смесь азота, кислорода и других газов. В контексте систем отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВиК) воздух представляет собой сложную систему, содержащую водяной пар. Именно характеристики этой влаги определяют комфорт помещений, эффективность работы климатического оборудования, энергопотребление зданий и даже долговечность строительных конструкций.
Инженеры ОВиК должны в совершенстве понимать свойства влажного воздуха, чтобы правильно проектировать системы, рассчитывать нагрузки и обеспечивать оптимальный микроклимат. В этой статье мы подробно рассмотрим семь основных параметров влажного воздуха, которые формируют фундамент профессиональной работы инженера климатических систем.
1. Температура сухого термометра
Температура сухого термометра (T) — это наиболее привычный для нас параметр, измеряемый в градусах Цельсия (°C). Это та температура, которую показывает обычный термометр, размещённый в воздухе. Она называется «сухой», поскольку измеряется термометром, который не испытывает влияния испарения воды (в отличие от «мокрого» термометра, о котором поговорим позже).
Нормы комфорта для температуры сухого термометра составляют:
- Для жилых помещений: 20-22°C зимой и 23-25°C летом
- Для офисных помещений: 21-23°C в течение года
На психрометрической диаграмме температура сухого термометра расположена вдоль горизонтальной оси, что позволяет легко определять её значение при анализе состояния воздуха.
2. Относительная влажность
Относительная влажность (RH или φ) измеряется в процентах (%) и определяется как отношение реального содержания водяного пара в воздухе к максимально возможному при данной температуре. Ключевая особенность относительной влажности — её зависимость от температуры.
Например, если зимний воздух с температурой -5°C и относительной влажностью 80% попадает в помещение и нагревается до +21°C, то при том же абсолютном количестве влаги его относительная влажность падает примерно до 20%. Это объясняет, почему зимой воздух в отапливаемых помещениях такой сухой, хотя на улице влажность может быть высокой.
Комфортный диапазон относительной влажности для человека составляет 40-60%. При значениях ниже 30% возникает ощущение сухости, пересыхание слизистых оболочек, а при влажности выше 70% — чувство духоты, потливость и дискомфорт.
На психрометрической диаграмме линии относительной влажности имеют изогнутую форму и обычно обозначаются в процентах.
3. Влагосодержание
Влагосодержание (d, w или x) — это реальное физическое количество водяного пара, содержащегося в воздухе. Измеряется в граммах влаги на килограмм сухого воздуха (г/кг). Главная особенность влагосодержания как параметра — его независимость от температуры. При нагревании или охлаждении воздуха (без добавления или удаления влаги) влагосодержание остаётся неизменным.
Типичные значения влагосодержания:
- Сухой зимний день: 2-4 г/кг
- Комфортные условия в помещении: 6-9 г/кг
- Влажный летний день: 12-18 г/кг
- Тропический климат: более 20 г/кг
Для расчёта количества влаги, удаляемой при осушении воздуха, используется формула:
W = L × (dнач - dкон)
где W — количество удалённой влаги (кг/ч), L — расход воздуха (кг/ч), dнач и dкон — начальное и конечное влагосодержание (г/кг).
На психрометрической диаграмме влагосодержание представлено горизонтальными линиями со шкалой на правой стороне диаграммы.
4. Температура точки росы
Температура точки росы (Td) — это температура, при которой воздух достигает состояния насыщения (100% относительной влажности) и начинается конденсация водяного пара. Измеряется в градусах Цельсия (°C).
Физический смысл точки росы прост: если температура любой поверхности ниже точки росы окружающего воздуха, на ней образуется конденсат. Классический пример — запотевший стакан с холодной водой в тёплом влажном помещении.
Например, для помещения с температурой 21°C и относительной влажностью 50% точка росы составляет примерно 10°C. Это означает, что все поверхности с температурой ниже 10°C будут покрываться конденсатом. Для предотвращения конденсации рекомендуется поддерживать температуру поверхностей как минимум на 2-3°C выше точки росы.
На психрометрической диаграмме точка росы может быть найдена на левой вертикальной оси (линии насыщения или кривой 100% относительной влажности).
5. Парциальное давление водяного пара
Парциальное давление водяного пара (pv) — это давление, которое создают молекулы водяного пара в воздухе. Измеряется в паскалях (Па) или килопаскалях (кПа). Физический смысл этого параметра состоит в том, что каждая молекула водяного пара «толкает» окружающую среду, создавая определённое давление.
Этот параметр особенно важен для понимания диффузии влаги через строительные конструкции. Влага движется из области с более высоким парциальным давлением в область с более низким. Зимой, когда парциальное давление водяного пара в помещении (например, 1,2 кПа при 21°C и 50% RH) значительно выше, чем на улице (например, 0,3 кПа при -5°C и 80% RH), происходит движение влаги изнутри наружу через стены, что может привести к накоплению влаги в строительных конструкциях.
Именно поэтому для холодного климата важно правильно проектировать пароизоляцию с внутренней стороны стен. На психрометрической диаграмме шкала парциального давления водяного пара расположена справа, параллельно шкале влагосодержания.
6. Энтальпия
Энтальпия (h или i) — это полная энергия влажного воздуха, включающая как ощущаемое тепло (связанное с температурой), так и скрытое тепло (связанное с содержанием водяного пара). Измеряется в килоджоулях на килограмм (кДж/кг).
Рассмотрим пример: для воздуха с температурой 21°C и влагосодержанием 7,8 г/кг общая энтальпия составляет примерно 41 кДж/кг. Из них около 21 кДж/кг приходится на ощущаемое тепло (связанное с температурой сухого воздуха) и около 20 кДж/кг — на скрытое тепло (связанное с испарением воды).
Для справки: испарение 1 кг воды требует примерно 2500 кДж энергии. Для расчёта мощности охлаждения или нагрева используется формула:
Q = L × (hнач - hкон)
где Q — мощность (кВт), L — расход воздуха (кг/с), hнач и hкон — начальная и конечная энтальпия (кДж/кг).
На психрометрической диаграмме энтальпия представлена диагональными линиями, идущими под углом, со шкалой в левом верхнем углу.
7. Температура мокрого термометра
Температура мокрого термометра (Tw) — это температура, которую показывает термометр, обмотанный влажной тканью, через которую проходит воздух. Измеряется в градусах Цельсия (°C). Физический процесс, лежащий в основе этого параметра, — испарение воды с ткани, которое отбирает тепло и охлаждает термометр.
Например, для воздуха с температурой 21°C и относительной влажностью 50% температура мокрого термометра составляет примерно 15°C. В предельном случае, когда относительная влажность достигает 100%, испарение невозможно, и температура мокрого термометра равна температуре сухого.
Этот параметр используется для простого измерения влажности с помощью психрометра-слінга (устройства с двумя термометрами — сухим и мокрым). Кроме того, температура мокрого термометра указывает на минимальную температуру, которой можно достичь при испарительном охлаждении.
Например, в жаркий день с температурой 35°C и относительной влажностью 30% температура мокрого термометра составляет примерно 22°C. Это означает, что с помощью испарительного охлаждения (например, в градирнях или системах адиабатического увлажнения) можно охладить воздух на 10-11°C без использования механического холода.
На психрометрической диаграмме линии температуры мокрого термометра идут почти параллельно линиям энтальпии, но под чуть меньшим углом.
Психрометрическая диаграмма
Психрометрическая диаграмма — это графический инструмент, связывающий все семь параметров влажного воздуха. Зная любые два параметра, можно определить все остальные. Наиболее распространённые комбинации параметров для разных задач:
- Температура сухого термометра + относительная влажность — для простых измерений (большинство бытовых гигрометров показывают именно эти параметры)
- Температура сухого термометра + температура точки росы — для контроля конденсации на поверхностях
- Температура сухого термометра + влагосодержание — для расчётов процессов осушения и увлажнения
Рассмотрим практический пример использования психрометрической диаграммы для типовой задачи охлаждения наружного воздуха с параметрами 32°C и 70% RH до 22°C:
- Находим начальное состояние воздуха на диаграмме (32°C, 70% RH)
- Определяем начальное влагосодержание: примерно 22 г/кг
- Находим начальную энтальпию: примерно 90 кДж/кг
- Определяем точку росы начального воздуха: примерно 26°C
- Для охлаждения до 22°C воздух пересечёт линию насыщения (100% RH), что означает конденсацию части влаги
- Определяем конечное влагосодержание при 22°C (при условии, что охлаждающая поверхность имеет температуру ниже точки росы): примерно 16 г/кг
- Количество сконденсированной влаги: 22 - 16 = 6 г/кг сухого воздуха
- Конечная энтальпия: примерно 63 кДж/кг
- Необходимая холодопроизводительность: L × (90 - 63) = L × 27 кДж/кг, где L — расход воздуха в кг/с
Типичные ошибки и их последствия
При работе с параметрами влажного воздуха инженеры часто допускают такие ошибки:
- Отождествление относительной влажности с абсолютным количеством воды в воздухе
- Игнорирование факта изменения относительной влажности при нагревании воздуха
- Недооценка разницы парциальных давлений водяного пара при проектировании пароизоляции
- Неучёт скрытой теплоты в энергетических расчётах кондиционирования
Эти ошибки могут привести к серьёзным эксплуатационным проблемам:
- Конденсация влаги на окнах, трубопроводах и других холодных поверхностях
- Накопление влаги в строительных конструкциях и последующее разрушение материалов
- Некорректный подбор мощности оборудования для кондиционирования и вентиляции
- Дискомфорт жильцов помещений из-за неоптимального микроклимата
Частые вопросы
Почему зимой в квартире сухо, хотя на улице высокая влажность?
Это связано с тем, что при нагревании воздуха его относительная влажность снижается. Например, если наружный воздух имеет -5°C и 80% RH, то после нагревания до +21°C (без добавления влаги) его относительная влажность падает до примерно 20%. Абсолютное количество влаги (влагосодержание) остаётся тем же самым, но воздух при более высокой температуре может удерживать значительно больше влаги.
Как быстро определить точку росы без приборов?
Для приблизительной оценки можно использовать правило: при относительной влажности 100% точка росы равна температуре воздуха; при 80% — на 3°C ниже температуры; при 60% — на 7°C ниже; при 40% — на 12°C ниже; при 20% — на 21°C ниже температуры воздуха.
Что такое скрытая теплота и почему она важна?
Скрытая теплота — это энергия, связанная с фазовым переходом воды (испарение/конденсация). Она «скрыта», потому что не вызывает изменения температуры. Испарение 1 кг воды поглощает примерно 2500 кДж энергии, а конденсация — выделяет такое же количество. В системах кондиционирования скрытая теплота может составлять 30-50% общей тепловой нагрузки, поэтому её неучёт приводит к существенным ошибкам в расчётах.
Чем отличается влагосодержание от относительной влажности?
Влагосодержание — это фактическое количество водяного пара в воздухе (г/кг), которое не зависит от температуры. Относительная влажность — это процентное отношение имеющегося количества влаги к максимально возможному при данной температуре. При изменении температуры влагосодержание остаётся постоянным (если влага не добавляется/не удаляется), а относительная влажность изменяется.
Как температура мокрого термометра помогает оценить потенциал охлаждения?
Температура мокрого термометра указывает на теоретический минимум температуры, которого можно достичь путём испарительного (адиабатического) охлаждения. Чем больше разница между температурами сухого и мокрого термометров, тем эффективнее будут работать системы испарительного охлаждения (градирни, адиабатические увлажнители).
Выводы
Каждый из рассмотренных параметров влажного воздуха является важным инструментом для решения конкретных инженерных задач:
- Температура сухого термометра — основной параметр для обеспечения теплового комфорта человека
- Относительная влажность — критический фактор для сохранности материалов, мебели, деревянных конструкций и произведений искусства
- Влагосодержание — ключевой параметр для расчётов процессов осушения и увлажнения воздуха
- Температура точки росы — основа для предотвращения конденсации на поверхностях и в строительных конструкциях
- Парциальное давление водяного пара — определяющий фактор для проектирования пароизоляции и контроля диффузии влаги
- Энтальпия — интегральный параметр для энергетических расчётов систем кондиционирования
- Температура мокрого термометра — индикатор потенциала испарительного охлаждения и экономии энергии
Глубокое понимание параметров влажного воздуха позволяет инженеру ОВиК правильно проектировать системы, обеспечивать комфортный микроклимат, предотвращать конденсацию и плесень, а также оптимизировать энергопотребление зданий. В современном строительстве с его высокими требованиями к энергоэффективности и качеству микроклимата эти знания становятся незаменимыми.
