Автор: технический отдел Mycond
Вы когда-нибудь задумывались, откуда берутся капли воды на стакане с холодной водой в жаркий день? Почему зимой воздух в квартирах становится таким сухим, что губы трескаются? Как рассчитать, сколько конденсата образуется в системе кондиционирования? На все эти вопросы отвечает наука психрометрия – "инструкция по эксплуатации" влажного воздуха для инженеров HVAC.
Что такое психрометрия и зачем она нужна
Представьте стакан холодной воды из холодильника, который вы поставили на стол в жаркий день. Через несколько минут на поверхности стакана появляются капли воды. Откуда они взялись? Вода не "просочилась" через стенки стакана — она сконденсировалась из воздуха. Именно такие явления и изучает психрометрия.
Психрометрия — это наука о свойствах и поведении влажного воздуха. Для инженеров HVAC (отопление, вентиляция, кондиционирование) понимание психрометрии так же важно, как знание математики для бухгалтера. Это не просто теория, а практический инструмент для решения ежедневных задач:
- Сколько воды сконденсируется на холодильных установках супермаркета
- Какая температура и влажность наиболее комфортны для офисного помещения
- Почему зимой в квартирах так сухо, что трескаются губы, и как с этим справиться
- Как предотвратить появление плесени в ванной комнате
- Сколько энергии нужно для осушения воздуха на фармацевтическом производстве
Семь ключевых параметров влажного воздуха
Чтобы полностью описать состояние воздуха, нужно знать несколько характеристик. Представим 1 килограмм воздуха в невидимой коробке из типичной жилой комнаты: температура 21°C, относительная влажность 50%. Разберем все ключевые параметры такого воздуха.
1. Температура сухого термометра (Dry Bulb Temperature)
Это обычная температура воздуха, которую мы измеряем обычным термометром. Обозначается как t или T, измеряется в °C. Когда мы говорим "в комнате +21°C", имеем в виду именно температуру сухого термометра. На психрометрической диаграмме это горизонтальная ось внизу, температура растет слева направо.
Практическое значение: основной параметр теплового комфорта. Человек лучше всего себя чувствует при 20–24°C зимой и 23–26°C летом.
2. Относительная влажность (Relative Humidity)
Относительная влажность — это процент от максимально возможного количества водяного пара, который может удерживать воздух при данной температуре. Важная особенность: слово "относительная" означает, что параметр зависит от температуры, что часто приводит к недопониманию. Обозначается как RH или φ, измеряется в процентах (%).
Представим губку: при 21°C она вмещает максимум 100 единиц воды (100% влажности), если сейчас 50 единиц — это 50% RH. Если мы нагреем губку до 30°C, она сможет вместить уже 200 единиц, но воды как было 50, так и осталось, поэтому RH теперь 50/200=25%.
Почему это важно: зимой воздух на улице холодный (-5°C, 80% RH), когда мы заносим его в дом и нагреваем до 21°C, относительная влажность падает до 15–20%. Вот почему зимой в квартирах так сухо!
Комфортный диапазон для человека: 40–60% RH. Ниже 30% — слишком сухо (сухость кожи, статическое электричество), выше 70% — слишком влажно (риск появления плесени, ощущение духоты).
3. Влагосодержание (Humidity Ratio, Specific Humidity)
Влагосодержание — это реальное физическое количество водяного пара в граммах на килограмм сухого воздуха. Обозначается как d, w или x, измеряется в г/кг. В отличие от относительной влажности, влагосодержание не зависит от температуры — это абсолютная величина.
В нашем примере: температура 21°C, RH 50%, влагосодержание 7.8 г/кг. Это означает, что в 1 кг сухого воздуха содержится 7.8 г водяного пара. Если нагреть воздух до 30°C, влагосодержание останется 7.8 г/кг, но RH уменьшится до ~27%.
Практическое применение: расчет воды для удаления осушителем. Количество воды (кг/ч) = Расход воздуха (кг/ч) × Разница влагосодержания (г/кг) / 1000.
Типичные значения влагосодержания: сухой зимний день 2–4 г/кг, комфортный день 6–9 г/кг, влажный летний день 12–18 г/кг, тропики свыше 20 г/кг.
4. Температура точки росы (Dew Point Temperature)
Температура точки росы — это температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы он стал насыщенным (100% RH) и начала конденсироваться влага. Обозначается как Td, измеряется в °C.
Вернемся к примеру со стаканом: когда температура поверхности стакана опускается ниже точки росы комнатного воздуха, водяной пар конденсируется на стакане. В нашем примере: воздух 21°C, 50% RH, 7.8 г/кг — точка росы +10°C. Если температура поверхности будет +10°C или ниже, на ней начнет конденсироваться влага.
Критическое значение для инженеров: если температура стекла окна зимой +8°C, а точка росы воздуха в комнате +10°C — на окнах будет образовываться конденсат, что может привести к появлению плесени.
Упрощенная формула для расчета точки росы: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). Пример: T=21°C, RH=50%, Td ≈ 21 - ((100-50)/5) = 21-10 = 11°C.
5. Давление водяного пара (Vapor Pressure)
Давление водяного пара — это парциальное давление, которое создают молекулы водяного пара. Обозначается как pv, измеряется в Па или кПа. Каждая молекула воды "толкает" окружающую среду; чем больше молекул — тем выше давление пара.
В нашем примере: влагосодержание 7.8 г/кг соответствует давлению пара примерно 1240 Па = 1.24 кПа. Почему это важно? Влага перемещается из зоны высокого давления пара в зону низкого (как воздух из проколотого колеса).
Практическое применение: зимой в комнате тепло и влажность 40% (давление пара ~1000 Па), а на улице -10°C и 80% RH (давление пара ~200 Па). Разница в 800 Па "проталкивает" влагу через стену наружу, что может вызвать разрушение конструкций.
6. Энтальпия (Enthalpy)
Энтальпия — это полная энергия воздуха, которая включает тепло самого воздуха (явная теплота) и тепло, затраченное на испарение воды (скрытая теплота). Обозначается как h или i, измеряется в кДж/кг.
Энтальпия = явная теплота + скрытая теплота. В нашем примере: температура 21°C, влагосодержание 7.8 г/кг, энтальпия 41 кДж/кг, из них явная теплота ~21 кДж/кг, скрытая теплота ~20 кДж/кг.
Практическое применение — расчет нагрузки на кондиционер: Холодопроизводительность (кВт) = Расход воздуха (кг/с) × Разница энтальпий (кДж/кг).
7. Температура мокрого термометра (Wet Bulb Temperature)
Температура мокрого термометра — это температура, которую показывает термометр, обмотанный влажной тканью, через которую проходит воздух. Обозначается как Tw, измеряется в °C.
Вода из ткани испаряется, унося тепло, что охлаждает термометр. Чем суше воздух — тем интенсивнее испарение — тем ниже температура мокрого термометра. При 100% RH испарение невозможно и Twet=Tdry.
Практическое применение: температура мокрого термометра — это минимальная температура, до которой можно охладить воздух испарением воды без механического холода. Например, в жаркий день при 35°C и 30% RH температура мокрого термометра составляет 22°C — орошая воздух водой, можно охладить его до 22–24°C без кондиционера.
Психрометрическая диаграмма — карта влажного воздуха
Все семь параметров, которые мы рассмотрели, связаны между собой. Психрометрическая диаграмма (диаграмма Моллье) — это графический инструмент, который показывает все эти связи одновременно.
Главное правило пользования диаграммой: если вы знаете любые ДВА параметра, можете найти все остальные. Например:
- Знаем T=21°C и RH=50%. На горизонтальной оси находим 21°C, проводим вертикальную линию вверх, находим пересечение с линией 50% RH. Эта точка дает: d=7.8 г/кг, Td=10°C, h=41 кДж/кг, Tw=15°C.
- Знаем T=30°C и Td=20°C. На диаграмме находим пересечение этих линий и получаем: RH≈57%, d≈13 г/кг, h≈63 кДж/кг.
Практические примеры для инженеров HVAC
Пример 1 — Охлаждение и осушение воздуха кондиционером
Задача: наружный воздух 32°C 70% RH нужно охладить до 18°C.
Определяем начальные параметры: T₁=32°C, RH₁=70%, d₁=21 г/кг, h₁=85 кДж/кг, Td₁=26°C.
Процесс охлаждения: воздух проходит через испаритель с температурой поверхности +8°C. Сначала он охлаждается при постоянном влагосодержании, при достижении точки росы начинается конденсация. При 8°C имеем: d₂=6.5 г/кг, RH=100%.
Сколько воды сконденсировалось: d₁-d₂ = 21-6.5 = 14.5 г на каждый кг воздуха. При расходе 1000 м³/ч (≈1200 кг/ч): конденсат = 1200 × 14.5 / 1000 = 17.4 кг/ч.
Пример 2 — Почему зимой в квартирах сухо
Зима, на улице -5°C 80% RH, этот воздух попадает в квартиру через вентиляцию и нагревается до 21°C.
Уличный воздух: T₁=-5°C, RH₁=80%, d₁=2.2 г/кг. После нагревания до 21°C: d₂=2.2 г/кг (неизменно), но RH₂=14% — очень сухо!
Вывод: дело не в том, что на улице низкая влажность (там 80% RH!), а в том, что холодный воздух физически содержит мало воды. Чтобы поднять влажность до комфортных 45%, нужно добавить 4.8 г/кг воды, что составляет примерно 7 литров воды в сутки для типичного помещения!
Пример 3 — Осушение воздуха десикантом
Фармацевтическому производству требуется воздух с точкой росы -10°C при температуре 21°C (d=1.6 г/кг, RH=15%).
Если приточный воздух летом имеет параметры T₁=28°C, RH₁=65%, d₁=15.5 г/кг, то нужно удалить Δd = 15.5 - 1.6 = 13.9 г/кг влаги.
Обычный кондиционер здесь не подходит: чтобы достичь d=1.6 г/кг охлаждением, нужно охладить воздух до -10°C, но при температуре ниже +4°C конденсат замерзает на теплообменнике. Решение: адсорбционный осушитель, который работает при любой температуре и достигает точек росы до -40°C и ниже.
Частые вопросы о психрометрии
Что такое психрометрия простыми словами?
Психрометрия — это наука о свойствах и поведении влажного воздуха, которая помогает понимать, как влажность воздуха изменяется при разных температурах и давлениях, и как это влияет на комфорт человека и работу оборудования.
Почему относительная влажность не показывает реальное количество воды в воздухе?
Потому что относительная влажность — это отношение к максимально возможному количеству при данной температуре. При 30°C воздух может удерживать втрое больше воды, чем при 10°C. Поэтому 50% RH при разных температурах означает разное абсолютное количество воды.
Как быстро определить точку росы без диаграммы?
Можно использовать упрощенную формулу: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5), где T — температура воздуха в °C, RH — относительная влажность в %.
В чем разница между явной и скрытой теплотой?
Явная теплота — это энергия, которая идет на изменение температуры (то, что мы видим по термометру). Скрытая теплота — это энергия, затрачиваемая на фазовые переходы воды (испарение или конденсацию) без изменения температуры.
Выводы — почему инженеру HVAC необходима психрометрия
Психрометрия — это не абстрактная теория, а ежедневный инструмент инженера, который помогает:
- Проектировать системы: расчет холодопроизводительности кондиционеров, производительности осушителей, мощности увлажнителей.
- Экономить энергию: определение оптимальной стратегии обработки воздуха, расчет эффективности рекуператоров.
- Предотвращать проблемы: недопущение конденсации в системах, промерзания стен, развития плесени.
- Контролировать качество воздуха: обеспечение комфорта людей, сохранность материалов и оборудования.
Основное правило психрометрии: чтобы полностью определить состояние воздуха, нужно знать минимум ДВА параметра, все остальные можно найти по диаграмме. Наиболее полезные комбинации: T+RH (проще всего измерить), T+Td (лучше всего для контроля конденсации), T+d (лучше всего для расчета осушения).
Правильное понимание психрометрии позволяет инженерам HVAC принимать обоснованные решения, экономить энергию и средства клиентов, создавать комфортные и здоровые условия в помещениях различного назначения.
