Sezoninis drėgmės kontrolės sistemų darbo optimizavimas: kaip išnaudoti žiemos potencialą ir pasirengti vasaros pikams

Autorius: Mycond techninis skyrius

Drėgmės kontrolės sistemos dažniausiai projektuojamos pagal vidutines metines arba ekstremalias vasaros sąlygas, kas žiemą lemia reikšmingas energijos sąnaudas dėl nuolatinio sausintuvų darbo, nors yra nemokamas sauso žiemos oro potencialas, o vasarą – neįmanoma palaikyti tikslinės drėgmės dėl neįvertintų pikinių apkrovų. Tai ypač aktualu Lietuvos miestuose, kur ryški klimato sezoniškumo įtaka kelia papildomų iššūkių inžinerinėms sistemoms.

Drėgmės kontrolės sistemų optimizavimas, atsižvelgiant į sezoninius pokyčius, leidžia atskirais metų periodais sumažinti energijos vartojimą 30–50% (C), ženkliai padidinti įrangos patikimumą ir užtikrinti stabilų mikroklimatą nepriklausomai nuo išorinių sąlygų. Panagrinėkime, kaip šių privalumų pasiekti Vilniaus, Kauno, Klaipėdos ir kitų Lietuvos regionų pavyzdžiais.

Sezoninių oro drėgmės režimo pokyčių fizikiniai pagrindai

Norint suprasti sezoninę optimizaciją, būtina įvertinti psichrometrinius procesus metiniame cikle. Oro gebėjimas sulaikyti drėgmę kritiškai priklauso nuo temperatūros: šiltesnis oras gali talpinti žymiai daugiau drėgmės nei šaltas.

Lietuvos miestuose (Vilnius, Kaunas, Klaipėda) žiemos temperatūros paprastai svyruoja nuo -15°C iki +5°C (B), esant 70–90% (B) santykinei drėgmei. Tačiau svarbu suprasti, kad absoliutus drėgmės kiekis tokiomis sąlygomis yra itin mažas – maždaug 0,5–3 g/kg (C) sauso oro. Patekęs į patalpas ir sušilęs, toks oras smarkiai sumažina savo santykinę drėgmę, sukuriant natūralaus sausinimo potencialą.

Vasaros sąlygos pasižymi +18°C iki +30°C (B) temperatūromis ir 50–80% (B) santykine drėgme, kas atitinka 8–20 g/kg (C) absoliutų drėgnumą. Tai sukuria maksimalias apkrovas sausintuvų sistemoms.

Pereinamuoju laikotarpiu (pavasaris/ruduo) stebimi reikšmingi paros temperatūros svyravimai (iki 10–15°C) (C) ir drėgmės pokyčiai, todėl sistemų valdymui reikia lankstaus požiūrio.

Sauso žiemos oro panaudojimas ventiliaciniam sausinimui

Pagrindinis žiemos ventiliacinio sausinimo principas – drėgno vidaus oro pakeitimas sausu lauko oru. Šis metodas ypač efektyvus Vilniaus ir kitų Lietuvos miestų klimato sąlygomis, kur žiemos oras natūraliai sausas.

Norint apskaičiuoti sausinimo potencialą, naudojama formulė:

W = L × (d_vidaus - d_išorės)

Kur:

• W – pašalintos drėgmės kiekis (g/val.)
• L – oro srautas (m³/val.)
• d_vidaus – vidaus oro drėgnumas (g/kg)
• d_išorės – lauko oro drėgnumas (g/kg)

Pavyzdžiui, Vilniuje esančiai 1000 m³ tūrio sandėlio patalpai, kai vidaus sąlygos yra +20°C/60% (C) (atitinka apie 8,8 g/kg) ir lauko sąlygos -5°C/85% (C) (atitinka apie 2,5 g/kg), esant 500 m³/val. oro srautui, sausinimo potencialas bus:

W = 500 × (8,8 - 2,5) = 3150 g/val.

Tačiau būtina įvertinti šilumos sąnaudas tiekiamo oro pašildymui:

Q = L × ρ × c × (t_vidaus - t_išorės)

Kur:

• Q – šilumos sąnaudos (W)
• ρ – oro tankis (apie 1,2 kg/m³)
• c – oro savitoji šiluminė talpa (1005 J/kg·°C)
• t_vidaus – vidaus oro temperatūra (°C)
• t_išorės – lauko oro temperatūra (°C)

Mūsų pavyzdžiui:

Q = 500 × 1,2 × 1005 × (20 - (-5)) = 15075 W ≈ 15,1 kW

Ventiliacinis sausinimas išlieka energetiškai naudingas, jei oro pašildymo sąnaudos yra mažesnės nei mechaninio sausinimo sąnaudos. Paprastai tai tenkinama, kai lauko oro temperatūra aukštesnė nei -15°C (C) sistemoms su šilumos rekuperacija.

Sprendimo dėl ventiliacinio sausinimo naudojimo algoritmas:

1. Išmatuojami lauko ir vidaus oro parametrai.
2. Apskaičiuojamas absoliutus drėgnumas d_vidaus ir d_išorės.
3. Jei d_išorės d_vidaus ir skirtumas pakankamas reikiamam drėgmės šalinimui, tikrinamas energetinis balansas.
4. Jei oro šildymo energija mažesnė už mechaninio sausinimo sąnaudas, taikomas ventiliacinis sausinimas.
5. Jei ne – taikomas mechaninis sausinimas.

Norint padidinti ventiliacinio sausinimo efektyvumą žiemą, rekomenduojama naudoti rekuperacijos sistemas. Plokšteliniai rekuperatoriai pasižymi 50–70% (B) efektyvumu, rotaciniai – 70–85% (B), todėl ženkliai sumažinamos tiekiamo oro šildymo sąnaudos.

Vasaros pikinės sausintuvų sistemų apkrovos

Vasarą Lietuvos miestuose (ypač pajūrio Klaipėdoje, kur drėgmė padidėjusi) sausintuvų sistemos susiduria su didžiausiomis apkrovomis. Teisingam jų skaičiavimui būtina įvertinti:

1. Didžiausią išorinių drėgmės pritekėjimų kiekį dėl infiltracijos ir vėdinimo:

W_išorės = L_inf × ρ × (d_išorės - d_vidaus)

2. Vidiniai drėgmės šaltiniai, kurie vasarą dažnai sustiprėja:

• Technologiniai procesai (garavimas nuo atvirų paviršių)
• Baseinai ir atviri vandens telkiniai (garavimo intensyvumas didėja kylant temperatūrai)
• Personalas (esant aukštesnei temperatūrai, drėgmės išskyrimas didėja)
• Produkto sandėliavimas ir kvėpavimas (ypač aktualu sandėliams Kaune ir Šiauliuose)

3. Bendra pikinė apkrova apskaičiuojama taip:

W_smailė = W_išorės + W_vidaus + W_atsarga

Kur vienalaikiškumo koeficientas paprastai yra 0,8–1,0 (B) priklausomai nuo objekto tipo.

Skaičiavimo pavyzdys Vilniuje esančiam 2000 m² ploto pramoniniam objektui:

• Išorinės sąlygos: +30°C, 75% RH (C) (atitinka 22,8 g/kg)
• Vidinės tikslinės sąlygos: +22°C, 50% RH (C) (atitinka 8,3 g/kg)
• Infiltracija: 1000 m³/val.
• Vidiniai drėgmės išskyrimai: 10 kg/val.
• W_išorės = 1000 × 1,2 × (22,8 - 8,3) = 17400 g/val. = 17,4 kg/val.
• W_smailė = 17,4 + 10 = 27,4 kg/val.
• Atsižvelgiant į 20% (B) rezervą: W_smailė = 27,4 × 1,2 = 32,9 kg/val.

Tipinė inžinerinė praktika rekomenduoja sausintuvo galios rezervą 15–25% (B) virš apskaičiuotos pikinės apkrovos. Patikimumui didinti gali būti taikomas dviejų įrenginių darbas lygiagrečiai (po 60–70% galios kiekvienas) (C).

Sausinimo sistemų valdymo strategijos pereinamaisiais sezonais

Pereinamuoju laikotarpiu (pavasaris/ruduo) Lietuvos miestuose sąlygos nestabilios, kai paros temperatūra gali svyruoti 10–15°C (C), o santykinė drėgmė – 20–40% (C). Tai reikalauja adaptyvaus sausinimo sistemų valdymo.

Veiksminga strategija pereinamiesiems sezonams apima:

• Išorinio ir vidinio oro absoliutaus drėgnumo stebėseną realiuoju laiku
• Automatinį perjungimą tarp ventiliacinio ir mechaninio sausinimo, priklausomai nuo išorinių sąlygų
• Abiejų metodų derinimą, kai ventiliacinio sausinimo potencialas dalinis
• Prevencinį sausinimo intensyvumo didinimą prieš prognozuojamus staigius atšalimus

Siekdami išvengti kondensacijos pavasario/rudens atšalimų metu, būtina:

1. Valdyti vidaus oro rasos taško temperatūrą
2. Stebėti kritinių paviršių temperatūrą (langai, išorinės sienos)
3. Jei paviršiaus temperatūra artėja prie rasos taško, aktyvuoti papildomą sausinimą arba pašildyti problemines zonas

Sistemų sezoninių darbo režimų energetinė optimizacija

Tinkama drėgmės kontrolės sistemų sezoninė optimizacija leidžia smarkiai sumažinti energijos sąnaudas. Metinė analizė rodo, kad sąnaudos gali skirtis 2–3 kartus priklausomai nuo sezono.

Siekdami sumažinti energijos sąnaudas žiemą, rekomenduojame:

• Maksimaliai naudoti ventiliacinį sausinimą
• Integruoti šilumos rekuperacijos sistemas (rotaciniai, plokšteliniai rekuperatoriai)
• Naudoti šilumos siurblius ištraukimo ore (tipinis COP >3) (B)

Vasarą apkrovai mažinti veiksmingi šie metodai:

• Išankstinis tiekiamo oro vėsinimas (netiesioginis garinis vėsinimas, grunto šilumokaičiai)
• Saulės energijos naudojimas adsorbcinių sausintuvų regeneracijai
• Kompresinių sausintuvų kondensacijos parametrų optimizavimas

Sezoninės drėgmės kontrolės sistemos adaptacijos ekonominis efektyvumas tipiniam pramoniniam objektui Lietuvoje gali sumažinti eksploatacines sąnaudas 25–45% (C), o papildomų investicijų atsipirkimo laikotarpis – 2–3 metai.

Tipinės sezoninių režimų projektavimo klaidos

Projektuojant drėgmės kontrolės sistemas objektams Lietuvoje dažnai pasitaiko šios klaidos:

• Nepaisomas žiemos ventiliacinio sausinimo potencialas (prarandama 40–60% (C) energijos taupymo galimybė)
• Neįvertinami vasaros pikiniai apkrovimai (tipinė 20–30% (C) klaida)
• Projektuojama tik pagal metinius vidurkius, neatsižvelgiant į ekstremumus
• Nėra adaptyvaus valdymo pereinamaisiais laikotarpiais
• Neįvertinami šilumos nuostoliai žiemą vėdinant
• Netinkama drėgmės jutiklių vieta

Svarbu suprasti, kad sezoninės optimizacijos metodai turi ribojimų. Jie neveikia arba reikalauja korekcijų šiais atvejais:

• Esant labai žemoms lauko temperatūroms (žemiau -25°C), kai ventiliacinis sausinimas gali kelti grėsmę šildymo sistemoms
• Patalpose su kritiniais parametrų stabilumo reikalavimais (muziejai, laboratorijos), kur bet kokie svyravimai neleistini
• Mažuose objektuose, kur adaptatyvaus valdymo investicijos neatsiperka
• Patalpose, kur norminiai reikalavimai draudžia naudoti lauko orą (tam tikrų klasių švarios patalpos)

Eksploatacinės pasekmės, kai sezoniniai režimai neoptimizuoti

Nepaisant sezoninės drėgmės kontrolės sistemų optimizacijos Lietuvos sąlygomis, kyla:

• Perteklinės elektros energijos sąnaudos žiemą (30–50% (C))
• Nepavyksta palaikyti tikslinės drėgmės vasarą, ypač pajūrio Klaipėdoje
• Pagreitėjęs įrangos susidėvėjimas dėl nuolatinio darbo maksimaliu galingumu (eksploatacijos trukmė sumažėja 20–40% (C))
• Kondensacija ant šaltų paviršių pereinamaisiais sezonais, didėja korozijos ir pelėsio rizika
• Prastėja produkcijos kokybė ir mikroklimatas personalui

Dažniausiai užduodami klausimai

Kaip detaliai apskaičiuoti žiemos ventiliacinio sausinimo potencialą?

Žiemos ventiliacinio sausinimo potencialas skaičiuojamas keliais etapais. Pirmiausia pagal psichrometrines lenteles ar formules nustatomos vidaus ir lauko oro absoliučios drėgmės. Pavyzdžiui, Vilniuje esant -10°C/80% lauko oras turi apie 1,5 g/kg drėgmės, o vidaus +20°C/60% – apie 8,8 g/kg. Skirtumas sudaro 7,3 g/kg. Oro srautas L parenkamas pagal patalpų tūrį (tipiškai 2–3 kartų oro apykaita). 1000 m³ tūriui esant 2 kartų apykaitai L = 2000 m³/val. Sausinimo potencialas: W = 2000 × 7,3 = 14600 g/val. Šilumos sąnaudos: Q = 2000 × 1,2 × 1005 × (20-(-10)) = 72360 W. Lyginame su mechaninio sausintuvo analogiško našumo energijos sąnaudomis (tipiškai 0,3–0,5 kWh/kg drėgmės, t. y. 4,4–7,3 kW). Naudojant 70% efektyvumo rekuperatorių, šilumos sąnaudos sumažėja iki 21,7 kW, todėl ventiliacinis sausinimas tampa energetiškai naudingas.

Kokiomis sąlygomis ventiliacinis sausinimas tampa neefektyvus?

Ventiliacinis sausinimas tampa neefektyvus šiais atvejais: 1) Kai lauko oro absoliutus drėgnumas artėja prie vidaus arba jį viršija (tipiškai tai nutinka, kai lauko temperatūra virš +10°C esant didelei drėgmei). 2) Kai oro šildymo energijos sąnaudos viršija sutaupymą dėl mechaninio sausintuvo išjungimo. Perjungimo taškas nustatomas lyginant energijos sąnaudas: E_vėdin = Q_šildymo / η_šildymo ir E_sausinimo = W × sausintuvo specifinės energijos sąnaudos. Vilniaus sąlygomis perėjimas dažniausiai įvyksta, kai lauko oro temperatūra +5...+10°C, tačiau konkretus dydis priklauso nuo rekuperacijos sistemos efektyvumo ir sausintuvo tipo.

Kaip nustatyti pikinę vasaros sausinimo sistemos apkrovą?

Norint nustatyti pikinę vasaros apkrovą, reikia: 1) Identifikuoti išorinius drėgmės šaltinius. Naudokite vasaros 95% užtikrintumo meteorologinius duomenis (Vilniui tipiniai +28°C/70%). Apskaičiuokite drėgmės pritekėjimą dėl vėdinimo ir infiltracijos. 2) Nustatyti vidinius šaltinius: technologiniai procesai, personalas, produkcija, atviri vandens paviršiai. Baseinams garavimo intensyvumas priklauso nuo vandens ir oro temperatūrų bei lankytojų aktyvumo. 3) Taikyti vienalaikiškumo koeficientą (K_vienalaik): pramoniniams objektams su reguliariu technologiniu procesu – 0,9–1,0, viešiesiems pastatams – 0,8–0,9. 4) Pridėti 15–25% rezervą. Vilniaus 200 m² ploto baseinui skaičiavimas gali atrodyti taip: garavimas nuo paviršiaus – 25 kg/val., vėdinimas – 15 kg/val., žmonės – 5 kg/val. Bendra apkrova, taikant 0,9 vienalaikiškumo koeficientą: 40,5 kg/val., su 20% rezervu: 48,6 kg/val.

Kokius valdymo parametrus keisti pereinamaisiais sezonais?

Pereinamuoju laikotarpiu (pavasaris/ruduo) rekomenduojama adaptuoti šiuos parametrus: 1) Santykinės drėgmės nustatą – atšalus ją sumažinti 5–10%, kad būtų išvengta kondensacijos. 2) Ventiliatorių darbo režimus – esant ventiliacinio sausinimo potencialui didinti greitį, o jam išnykus – mažinti. 3) PID reguliatorių algoritmus – didinti integralinę dedamąją parametrams stabilizuoti. 4) Rekuperatorių parametrus – koreguoti šilumos mainų efektyvumą pagal kondensacijos riziką. Adaptacijos algoritmas: jei lauko oro absoliutus drėgnumas mažesnis nei vidaus, didinkite lauko oro dalį; jei prognozuojamas staigus atšalimas, prevenciškai sumažinkite drėgmę 5–10%; jei kritinių paviršių temperatūra artėja prie rasos taško, aktyvuokite papildomą sausinimą.

Kaip išvengti kondensacijos staigių atšalimų metu?

Kad ant šaltų paviršių neatsirastų kondensatas pavasario/rudens atšalimų metu, kurie dažni Lietuvos miestuose, būtina: 1) Identifikuoti kritines zonas – langų angokraščius, išorinius kampus, šalčio tiltus, metalines konstrukcijas. 2) Šiose zonose įrengti paviršiaus temperatūros jutiklius. 3) Nuolat skaičiuoti vidaus oro rasos tašką: t_rasos = f(t_vidaus, φ_vidaus). 4) Jei t_paviršiaus - t_rasos 3°C, imtis prevencinių priemonių. Panevėžio sandėlyje su šaltomis sienomis, kai prognozuojamas temperatūros kritimas iš +15°C iki +5°C per naktį, reikėtų iš anksto (prieš 4–6 val.) sumažinti santykinę drėgmę 10–15% arba užtikrinti kritinių zonų pašildymą. Dideliems sandėliams efektyvus sprendimas – cirkuliaciniai ventiliatoriai, neleidžiantys susidaryti oro sąstovio zonoms.

Kokia ekonominė nauda suteikia sezoninė optimizacija?

Sezoninės optimizacijos ekonominė nauda Lietuvos sąlygomis apima: 1) Žiemą sausintuvų elektros energijos suvartojimo sumažėjimą 40–60%, kas 5000 m² pramoniniam objektui gali sudaryti 15000–20000 kWh per sezoną. 2) Įrangos tarnavimo laiko pailgėjimą 20–30% dėl trumpesnio darbo pilna galia. 3) Vasarą pikinio energijos suvartojimo sumažėjimą 10–15% dėl išankstinio vėsinimo. Atsiperkamumo skaičiavimas: objektui, kurio metinis suvartojimas 80000 kWh, sutaupant 30% ir esant 0,15 Eur/kWh tarifui, metinė ekonomija – 3600 Eur. Investavus 7000–10000 Eur į automatiką ir rekuperaciją, atsiperkamumo laikotarpis sudaro 2–3 metus.

Išvados

Sezoninė drėgmės kontrolės sistemų optimizacija – tai kompleksinis inžinerinis požiūris, leidžiantis reikšmingai padidinti energinį efektyvumą ir įrangos patikimumą įvairiomis Lietuvos klimato sąlygomis.

Pagrindiniai optimizavimo principai apima:

• Maksimalų sauso žiemos oro potencialo išnaudojimą ventiliaciniam sausinimui
• Tinkamą vasaros pikinėms apkrovoms reikalingos galios skaičiavimą ir rezervavimą
• Adaptyvių valdymo algoritmų diegimą pereinamiesiems sezonams
• Šilumos rekuperacijos sistemų integraciją žiemos režimo efektyvumui didinti
• Proaktyvų kondensacijos prevenciją staigių išorinių sąlygų pokyčių metu

Projektuotojams svarbu drėgmės kontrolės sistemą vertinti ne kaip statinę, o kaip dinaminę, kuri turi prisitaikyti prie sezoninių sąlygų. Privalomas visų sezonų energijos balanso skaičiavimas projektavimo etape padės išvengti tipinių klaidų ir užtikrins optimalią sistemos veikimą visus metus.

Investicijos į sezoninę drėgmės kontrolės sistemų optimizaciją paprastai atsiperka per 2–3 metus, eksploatacines sąnaudas sumažinant 25–45% (C), todėl tai ekonomiškai pagrįstas sprendimas daugumai objektų Vilniaus, Kauno, Klaipėdos ir kitų Lietuvos miestų klimato sąlygomis.