Oro sausinamųjų sistemų projektavimas muziejams ir archyvams: inžinerinis požiūris

Autorius: Mycond techninis skyrius

Optimalios mikroklimato aplinkos kūrimas muziejuose ir archyvuose yra pagrindinė užduotis siekiant išsaugoti kultūros paveldą. Nekontroliuojama drėgmė gali sukelti negrįžtamą vertingų eksponatų ir archyvinių medžiagų pažeidimą. Šiuolaikiniai inžineriniai sprendimai leidžia užtikrinti stabilias saugojimo sąlygas, tačiau reikalauja profesionalaus požiūrio į projektavimą ir diegimą. Šiame straipsnyje aptarsime pagrindinius efektyvių sausinamųjų sistemų kūrimo aspektus muziejų ir archyvų patalpoms.

Normatyviniai reikalavimai muziejų ir archyvų patalpų mikroklimatui

Muziejinių eksponatų ir archyvinių dokumentų išsaugojimui būtina griežtai laikytis mikroklimato parametrų. Skirtingos medžiagos turi savus temperatūros ir drėgmės režimo reikalavimus:

• Popierius, dokumentai: 18–22°C, 50–55% RH
• Mediena, baldai: 18–22°C, 45–55% RH
• Metalai, ginklai: 15–20°C, 35–45% RH
• Tekstilė, audiniai: 18–20°C, 50–55% RH
• Tapyba, drobė: 18–22°C, 50–55% RH
• Fotografijos, juostos: 15–18°C, 30–40% RH

Bendras santykinės drėgmės normatyvinis diapazonas daugumai medžiagų yra 40–55% RH, tačiau jautriems eksponatams reikalingi siauresni intervalai. Kritiškai svarbu kontroliuoti ne tik pačius parametrus, bet ir jų kitimo greitį. Leistini paros temperatūros svyravimai neturi viršyti 2–3°C, o drėgmės – 5–7% RH.

Sezoninių parametrų pokyčių metu būtina laikytis palaipsniškumo – ne daugiau kaip 3–5% RH per savaitę, kad būtų išvengta terminių deformacijų ir eksponatų pažeidimų.

Pagrindiniai normatyviniai dokumentai, reglamentuojantys mikroklimato parametrus, yra ISO 11799 archyvams, ASHRAE 24 skyrius muziejams ir EN 15757 kultūros paveldui. Naudojant psichrometrines diagramas nustatomi tiksliniai parametrai ir komforto zonos skirtingų tipų eksponatams.

Archyvinių saugyklų specifika palyginti su ekspozicijų salėmis

Archyvinės saugyklos reikšmingai skiriasi nuo ekspozicijų salių tiek eksploatavimo režimu, tiek mikroklimato reikalavimais. Pagrindiniai skirtumai yra šie:

• Eksploatavimo režimas: archyvuose personalas lankosi retai, tuo tarpu ekspozicijų salėse vyksta nuolatinis lankytojų judėjimas
• Temperatūros režimai: archyvuose palaikoma žemesnė temperatūra (15–18°C), kad būtų sulėtinti medžiagų degradacijos procesai
• Drėgmės reikalavimai: archyviniams dokumentams dažnai reikia žemesnės santykinės drėgmės (40–50% RH)
• Parametrų stabilumas: archyvinėms saugykloms reikia didesnio stabilumo, svyravimai ne didesni kaip ±3% RH
• Rezervavimo būtinybė: archyvams su unikaliais dokumentais kondicionavimo ir sausinamąsias sistemas būtina dubliuoti

Archyvų patalpose paprastai yra geresnis sandarumas, tačiau jei jos įrengtos rūsiuose, gali kilti padidėjusios drėgmės problema. Svarbu pažymėti, kad šaltiems archyvams, kurių temperatūra žemesnė nei 15°C, efektyviausios yra adsorbcinės sausinančios sistemos.

Muziejų patalpų drėgmės balanso sudedamosios dalys

Norint teisingai apskaičiuoti sausinančios sistemos našumą, būtina įvertinti visas patalpos drėgmės balanso sudedamąsias dalis:

• Infiltracija – drėgmės patekimas per atitvarines konstrukcijas, langus, duris, siūles ir plyšius. Ypač kritiška istoriniuose pastatuose.
• Lankytojų drėgmės išskyrimas – vienas suaugęs žmogus išskiria 40–80 g/val. drėgmės priklausomai nuo aktyvumo ir temperatūros. Skaičiavimuose vertinama žmonių skaičius, buvimo laikas (30–90 min.) ir aktyvumo lygis.
• Drėgmės mainai su eksponatais – higroskopinės medžiagos (mediena, popierius, tekstilė) gali sugerti drėgmę padidėjus patalpos drėgmei (sorbcija) arba ją atiduoti sumažėjus (desorbcija).
• Drėgmė tiekiamame ore – priklauso nuo lauko oro parametrų ir vėdinimo sistemos našumo.

Galima ir drėgmės kondensacija ant šaltų paviršių (vitrinų stiklas, išorinės sienos, neizoliuoti vamzdžiai), tai reikia įvertinti nustatant rasos tašką.

Bendros drėgmės apkrovos nustatymo algoritmas apima: infiltracijos skaičiavimą pagal lauko ir vidaus oro drėgmės kiekio skirtumą, lankytojų išskiriamos drėgmės įvertinimą, tiekiamo oro drėgmės įvertinimą ir drėgmės mainų su eksponatais analizę.

Svarbu atsižvelgti į sezoninius pokyčius – vasarą paprastai stebimas drėgmės perteklius dėl infiltracijos, o žiemą gali kilti oro perdžiūvimas.

Sausinimo sistemos tipo pasirinkimas muziejinėms sąlygoms

Pasirinkimas tarp kondensacinių ir adsorbcinių sausinimo sistemų priklauso nuo kelių kritinių veiksnių: patalpos temperatūros, tikslinės drėgmės ir energetinio efektyvumo.

Kondensacinis sausinimas veikia oro atvėsinimo žemiau rasos taško, drėgmės kondensavimo ir vėlesnio oro pašildymo principu. Šis metodas turi apribojimų:

• Esant temperatūrai žemesnei nei 15°C našumas smarkiai krinta
• Esant temperatūrai žemesnei nei 5°C šilumokaitis apšąla
• Mažai efektyvus, kai siekiama drėgmės žemiau 35–40% RH

Kondensacinių sistemų privalumai – didelis energetinis efektyvumas esant vidutinėms temperatūroms (COP 2–4) ir palyginti maža kaina.

Adsorbcinis sausinimas pagrįstas drėgmės sugėrimu adsorbentu ir vėlesne jo regeneracija pašildytu oru. Tai optimalus sprendimas:

• Šaltiems archyvams, kurių temperatūra žemesnė nei 15°C
• Patalpoms, kuriose reikalinga labai žema tikslinė drėgmė (žemiau 35% RH)

Adsorbcinės sistemos užtikrina stabilų našumą nepriklausomai nuo temperatūros, tačiau pasižymi didesnėmis energijos sąnaudomis (COP 0,5–1,5).

Renkantis tarp autonominių sausintuvų ir centralizuotos sistemos atsižvelgiama į tokius veiksnius kaip patalpos tūris (ribinis autonominių sistemų tūris 500–1000 m³), zonų skaičius ir prieinamumas aptarnavimui.

Sausinimo sistemos našumo skaičiavimas

Tinkamas sausinimo sistemos našumo skaičiavimas yra stabilaus mikroklimato muziejaus patalpose garantas. Našumas matuojamas masės vienetais: kg/val. arba l/parą (1 l vandens ≈ 1 kg).

Našumas lygus visų drėgmės pritekėjimų sumai (infiltracija, lankytojai, vėdinimas, kiti šaltiniai). Tuo pačiu būtina įvertinti sistemos darbo režimą – nuolatinį (24/7) archyvams arba periodinį muziejaus darbo metu.

Svarbu taikyti našumo atsargos koeficientą, tipinį 1,15–1,25, kad būtų kompensuoti nenumatyti veiksniai, apkrovos netolygumas ir našumo mažėjimas laikui bėgant. Ši atsarga būtina įvertinti lankytojų pikus, durų atidarymą ir sezoninius drėgmės maksimumus.

Patikrinimui naudojama psichrometrinė diagrama, kurioje nustatoma pradinė oro būsena (temperatūra, drėgmė) ir tikslinė būsena po sausinimo. Drėgmės kiekio skirtumas turi atitikti apskaičiuotą našumą.

Apsvarstykime skaitinį pavyzdį 500 m³ tūrio ekspozicijų salei esant 20°C temperatūrai ir tikslinei 50% RH drėgmei, kai išorės vasaros sąlygos 26°C ir 70% RH:

• Infiltracija: oro kaitos kartotinumas 0,5 kart./val., drėgmės kiekio skirtumas tarp lauko (15 g/kg) ir vidaus (7,3 g/kg) oro
• Lankytojų drėgmės išskyrimas: 50 asmenų, buvimo laikas 1 val., specifinis išskyrimas 60 g/val. vienam žmogui
• Galutinis našumas: infiltracijos ir išskiriamos drėgmės suma, padauginta iš atsargos koeficiento

Patalpos šilumos balansas veikiant sausinimo sistemai

Projektuojant sausinimo sistemą svarbu įvertinti patalpos šilumos balansą. Drėgmės kondensacijos procesą lydi garavimo šilumos išsiskyrimas (2500 kJ/kg drėgmės arba 0,7 kWh/kg). Šilumos apkrovos nuo kondensacijos skaičiavimas – tai sausinimo našumo ir specifinės garavimo šilumos sandauga.

Papildomi šilumos pritekėjimo šaltiniai apima:

• Kondensacinio sausintuvo kompresorius (elektrinė galia visiškai virsta šiluma)
• Adsorbcinio sausintuvo šildytuvas (adsorbento regeneracijos šiluma iš dalies perduodama į patalpą)
• Lankytojai (80–120 W vienam žmogui priklausomai nuo aktyvumo)
• Apšvietimas (šviestuvų galia beveik visiškai virsta šiluma)
• Šilumos pritekėjimas per atitvarines konstrukcijas (ypač vasarą)

Intensyvus sausinimas vasarą gali sukurti 5–10 kW bendrą šilumos apkrovą vidutinio dydžio salei, todėl reikalinga koordinacija su kondicionavimo sistema. Nekoordinuotas sausinimo ir kondicionavimo sistemų darbas sukelia reikšmingus energijos nuostolius – sausintuvas šildo orą, o kondicionierius jį iš karto vėsina, sukeldamas dvigubas energijos sąnaudas.

Įrangos išdėstymas ir oro paskirstymo organizavimas

Tinkamas įrangos išdėstymas ir oro paskirstymo organizavimas yra pagrindiniai sausinimo sistemos efektyvumo veiksniai. Parenkant sausintuvo įrengimo vietą būtina užtikrinti laisvą oro cirkuliaciją, prieinamumą aptarnavimui ir minimalų triukšmą lankytojams.

Rekomenduojamas atstumas nuo sienų ir kliūčių – mažiausiai 0,5–1,0 m, kad būtų užtikrinta pakankama oro prieiga prie įsiurbimo angos. Autonominiai prietaisai paprastai montuojami ant grindų, o centralizuotos sistemos gali būti įrengiamos po lubomis.

Tipinės išdėstymo klaidos – sausintuvo montavimas kampe be tinkamos oro cirkuliacijos arba už pertvaros, blokuojančios oro srautą.

Temperatūros ir drėgmės jutikliai turi būti išdėstyti eksponatų lygyje (1,0–1,5 m nuo grindų) zonoje su stabiliais parametrais, toliau nuo durų ir langų. Kritinėms saugykloms rekomenduojama įrengti papildomas kontrolės vietas – bent po vieną jutiklį kiekvienai 100–150 m² zonai.

Būtina tinkamai suorganizuoti kondensato nuvedimą (savaiminis nutekėjimas į kanalizaciją arba drenažinio siurblio įrengimas, jei nėra nuolydžio) ir šilumos nuvedimą nuo sausintuvo, ypač centralizuotose sistemose.

Mikroklimato parametrų kontrolės ir stebėsenos sistemos

Šiuolaikinėms muziejų ir archyvų mikroklimato kontrolės sistemoms reikalingi tikslūs temperatūros ir drėgmės jutikliai, kurių matavimo tikslumas ±2% RH. Rekomenduojamas jutiklių kalibravimo periodiškumas – kartą per metus, o kritinėms reikmėms būtina tikrinti etaloniniais prietaisais.

Duomenų rinkimo ir archyvavimo sistemos turi užtikrinti parametrų registravimą kas 10–30 minučių ir kelių metų istorijos saugojimą tendencijų analizei.

Sausinimo sistemos valdymui gali būti taikomi įvairūs algoritmai:

• Paprastas histerezinis reguliatorius (įjungimas viršijus viršutinę ribą, išjungimas pasiekus apatinę)
• PID reguliavimas sistemoms su tolygiu našumo valdymu, užtikrinantis parametrų palaikymą su ±1–2% RH tikslumu

Integracija su pastato valdymo sistemomis (BMS) leidžia vykdyti nuotolinę stebėseną, gauti avarinius pranešimus ir analizuoti parametrų kitimo tendencijas. Duomenų vizualizavimas temperatūros ir drėgmės grafais padeda aptikti anomalijas ir optimizuoti sistemos darbo režimus.

Eksploataciniai režimai ir sezoninis reguliavimas

Efektyvi sausinimo sistemos eksploatacija reikalauja pritaikyti darbo režimus prie sezoninių pokyčių ir muziejaus lankymo grafiko:

• Vasaros režimas – intensyvus sausinimas esant didelei lauko drėgmei, galimas nuolatinis sistemos darbas 24/7
• Žiemos režimas – mažinama intensyvumas arba išjungiama sausinimas esant žemai lauko drėgmei, gali reikėti oro drėkinimo
• Pereinami sezonai (pavasaris, ruduo) – kintama apkrova, reikalingas lankstus našumo reguliavimas
• Naktinis režimas ekspozicijų salėms – galima mažinti sausinimo intensyvumą nesant lankytojų

Kintant lankytojų skaičiui, rekomenduojamas automatinis sausinimo intensyvumo didinimas piko valandomis. Svarbu užtikrinti nuostatų pokyčių laipsniškumą pereinant tarp sezonų – ne daugiau kaip 3–5% RH per savaitę, kad būtų išvengta eksponatų deformacijos.

Periodinė techninė priežiūra apima mėnesinį filtrų valymą, ketvirtinį kompresoriaus darbo patikrinimą ir adsorbento keitimą kas 2–5 metus (adsorbcinėms sistemoms).

Sausinimo sistemų energinis efektyvumas muziejams

Sausinimo sistemų energinis efektyvumas labai skiriasi priklausomai nuo sistemos tipo ir eksploatacijos sąlygų. Kondensaciniai sausintuvai turi specifines energijos sąnaudas 0,3–0,6 kWh/kg pašalintos drėgmės (COP 2–4), o adsorbciniai sausintuvai – 0,7–1,5 kWh/kg (COP 0,7–1,4).

Kondensacinės sistemos efektyvesnės esant aukštoms temperatūroms, o adsorbcinės užtikrina stabilias sąnaudas nepriklausomai nuo patalpos temperatūros.

Metinės energijos sąnaudos apskaičiuojamos kaip sausinimo našumo, sezono trukmės ir specifinių energijos sąnaudų sandauga. 200 m² muziejaus salei, kurios sausinimo našumas 2 kg/val., dirbančiai 4000 val. per metus ir sunaudojančiai 0,5 kWh/kg, metinės sąnaudos sudarys apie 4000 kWh.

Norint pagerinti energinį efektyvumą, galima taikyti:

• Kondensacijos šilumos rekuperaciją tiekiamam orui pašildyti (šildymo sąnaudų sumažinimas 20–40%)
• Inverterinius kompresorius tolydžiam našumo reguliavimui (sąnaudų sumažinimas 20–30% palyginti su ON/OFF valdymu)
• Darbo režimų optimizavimą, įskaitant sausinimo išjungimą esant palankioms lauko sąlygoms

Tipinės projektavimo klaidos renkantis sausinimo sistemas muziejams

Įgyvendintų projektų analizė leidžia išskirti tipines klaidas, kurių reikėtų vengti projektuojant sausinimo sistemas:

1. Kondensacinių sausintuvų naudojimas šaltuose archyvuose (temperatūra žemiau 15°C), dėl ko smarkiai mažėja našumas, apledėja garintuvas ir įvyksta avariniai stabdymai
2. Lankytojų išskiriamos drėgmės neįvertinimas didelio lankomumo ekspozicijų salėse, skaičiuojant tik infiltraciją neatsižvelgiant į žmones
3. Infiltracijos ignoravimas per duris ir langus, ypač kritiška istoriniuose pastatuose su nesandariomis atitvaromis
4. Parametrų matavimų nebuvimas prieš projektavimą, skaičiavimai pagal sąlyginius duomenis vietoje natūrinių matavimų
5. Zonavimo nebuvimas pagal eksponatų tipus, naudojant vieną sistemą visam muziejui nepaisant skirtingų reikalavimų (metalams 35% RH, medienai 50% RH)
6. Neteisingas sausintuvo įrengimo vietos pasirinkimas, trikdantis oro cirkuliaciją ir apsunkinantis aptarnavimą
7. Sistemų rezervavimo nebuvimas kritiniams archyvams, keliantis unikalių dokumentų praradimo riziką sugedus įrangai
8. Šilumos balanso ignoravimas, dėl kurio vasarą patalpa perkaitinama veikiant sausintuvui

Nepakankamo našumo pasekmės – drėgmės viršijimas virš normos, pelėsio vystymosi rizika ir kondensacija ant šaltų paviršių. Tuo pat metu per didelė sistemos galia kelia perdžiovinimo riziką žemiau 40% RH, kas gali sukelti įtrūkimus mediniuose eksponatuose.

Sausinimo sistemų diegimo rezultatai: efektyvumo analizė

Sausinimo sistemų diegimo efektyvumas vertinamas lyginant faktinius ir skaičiavimuose gautus parametrus. Pagrindiniai stebėsenos parametrai apima temperatūros ir drėgmės palaikymo stabilumą, normų viršijimo dažnį ir atstatymo trukmę po nuokrypio.

Tipiniai rezultatai ekspozicijų salėse – drėgmės svyravimų sumažinimas nuo ±10–15% iki ±3–5% ir tikslinio lygio 50±3% RH palaikymas ištisus metus. Archyvinėse saugyklose pasiekiama parametrų stabilizacija ties 18°C ir 45±2% RH bei kondensacijos ant atitvarų nebuvimas.

Mikroklimato parametrų stabilizavimas lemia organinių medžiagų (popierius, tekstilė) senėjimo greičio sumažėjimą 2–3 kartus ir pelėsių bei bakterijų augimo slopinimą palaikant drėgmę žemiau 60% RH.

Faktinių energijos sąnaudų analizė leidžia nustatyti optimizavimo rezervus. Tipinės energijos sąnaudos 200 m² salei sudaro 3000–5000 kWh per metus, priklausomai nuo klimato zonos ir darbo režimo.

Remiantis stebėsenos rezultatais, galima koreguoti darbo režimus, keisti reguliatorių nuostatas, optimizuoti darbo grafikus ir kalibruoti jutiklius, siekiant padidinti sistemos efektyvumą.

Skaičiavimo metodikų taikymo ribos muziejų sistemoms

Projektuojant muziejų sausinimo sistemas svarbu suprasti skaičiavimo metodikų apribojimus:

• Temperatūriniai apribojimai – kondensacinis sausinimas smarkiai praranda efektyvumą žemiau 15°C; esant žemiau 5°C būtinos adsorbcinės sistemos
• Tikslinės drėgmės apribojimai – kondensacinės sistemos mažai efektyvios siekiant drėgmės žemiau 35–40% RH
• Objekto mastas – patalpoms iki 500–1000 m³ tikslinga naudoti autonominius sausintuvus, virš 1000 m³ – centralizuotas sistemas
• Infiltracijos neapibrėžtumas – istoriniuose pastatuose oro kaitos kartotinumas gali svyruoti nuo 0,3 iki 1,5 kart./val. priklausomai nuo atitvarų būklės

Muziejinių sistemų eksploatacijos ypatumai apima nenumatytą durų atidarymą, staigius lankytojų srautus ir galimas avarines situacijas, todėl būtinas 1,2–1,3 atsargos koeficientas.

Prieš projektavimą privaloma atlikti natūrinius temperatūros ir drėgmės matavimus mažiausiai savaitę, kad būtų nustatyti realūs patalpos parametrai.

Dažniausiai užduodami klausimai

Koks yra tikslinis santykinės drėgmės lygis skirtingiems eksponatų tipams ir kodėl neįmanoma nustatyti vienos vertės visam muziejui?

Skirtingos medžiagos turi skirtingus optimalius diapazonus: metalams reikia 35–45% RH, kad būtų išvengta korozijos; medienai – 45–55% RH, kad neatsirastų skilimų; popieriui – 50–55% RH, kad išliktų pluoštų lankstumas. Vienos vertės nustatyti neįmanoma dėl reikalavimų konflikto. Sprendimas – patalpų zonavimas pagal eksponatų tipus su atskiromis reguliavimo sistemomis kiekvienai zonai.

Kaip tiksliai įvertinti lankytojų išskiriamą drėgmę skaičiuojant sausinimo našumą?

Reikia nustatyti vidutinį lankytojų skaičių per valandą (pagal statistiką arba projektinius duomenis), padauginti iš buvimo salėje laiko (paprastai 0,5–1,5 val.) ir specifinio drėgmės išskyrimo (40–80 g/val. vienam žmogui, priklausomai nuo temperatūros ir aktyvumo). Pavyzdžiui, 50 asmenų × 1 val. × 60 g/val. = 3 kg/val. drėgmės.

Kodėl kondensaciniai sausintuvai neefektyvūs šaltose archyvinėse saugyklose ir kada būtinos adsorbcinės sistemos?

Esant temperatūrai žemiau 15°C, kondensacinių sausintuvų našumas smarkiai krenta dėl sočiosios garų slėgio mažėjimo, o žemiau 5°C garintuvas apšąla. Adsorbcinės sistemos užtikrina stabilų našumą esant bet kokiai temperatūrai dėl fizikinio-cheminio drėgmės sugėrimo proceso. Esant pastoviai temperatūrai žemiau 12–15°C pirmenybė teikiama adsorbcinėms sistemoms.

Išvados

Sausinimo sistemų projektavimas muziejams ir archyvams reikalauja kompleksinio požiūrio, kuris apima normatyvinių reikalavimų analizę, detalią drėgmės ir šilumos balanso skaičiuotę, taip pat zonavimą pagal eksponatų tipus.

Sistemos tipo (kondensacinė ar adsorbcinė) pasirinkimas kritiškai priklauso nuo patalpos temperatūros, o ribinė 12–15°C vertė apibrėžia kondensacinių sistemų efektyvumo ribą.

Našumo skaičiavimas turi būti grindžiamas detalia visų drėgmės balanso sudedamųjų dalių analize (infiltracija, lankytojų išskiriama drėgmė, vėdinimas) su privalomu 1,15–1,25 atsargos koeficiento taikymu.

Patalpos šilumos balanso ignoruoti negalima, nes kondensacijos šiluma ir kompresoriaus darbas sukuria 5–10 kW apkrovą vidutinio dydžio salei, todėl būtina koordinacija su kondicionavimo sistema.

Kontrolės ir stebėsenos sistemos yra neatskiriama šiuolaikinių muziejinių sistemų dalis, užtikrinančios nepertraukiamą parametrų registravimą kas 10–30 minučių, kad būtų galima nustatyti nuokrypius ir optimizuoti darbo režimus.

Diegimo rezultatai patvirtina sausinimo sistemų efektyvumą – drėgmės stabilizavimas ±3–5% RH ribose vietoje ±10–15% RH svyravimų ir eksponatų senėjimo greičio sumažinimas 2–3 kartus.