Осушители воздуха: принцип действия, схемы подключения

С. Михненко

Излишняя влажность в помещениях жилых зданий – одна из важнейших причин дискомфорта для обитателей, даже если соблюдается нормальный температурный режим. Считается, что проблема избыточной влажности присуща для климатических зон, которые не характерны для Украины. Однако это не так. Особенное значение контроль влажности приобретает для хорошо теплоизолированных зданий с герметичными окнами. И в таких случаях не обойтись без специальных устройств осушения воздуха, непосредственно связанных с системами вентиляции и кондиционирования

Влажность внутри помещений в жилых зданиях – одна из острых проблем строительной физики. Даже в зданиях с качественной теплоизоляцией и правильно выполненной ветровой защитой и пароизоляцией могут возникать внутренние условия для избыточной влажности, которые создаются самими обитателями, и не устраняются обычным проветриванием и вентиляцией. Избыточная внутренняя влажность помимо дискомфорта может привести к таким проблемам, как конденсация или появление плесени на стенах. Простое увеличение интенсивности вентиляции помещения мало помогает устранить избыточную внутреннюю влажность и приводит к значительным энергопотерям.

Обычно гигротермическая конструкция слоев оболочки здания ориентируется на нормальный, средний случай, при необходимости обеспечивающий достаточный запас регулирования степени влажности внутреннего воздуха. Важно помнить, что в холодное время года через оболочку здания теплоперенос происходит наружу, а массовый перенос (в том числе водяных паров) происходит внутрь, то есть в сторону с более высокой температурой. В хорошо теплоизолированном герметичном здании созданы препятствия для инфильтрации водяных паров наружу через оболочку здания, и внутри уровень влажности может быть превышен. Регулирование влажности за счет поступления холодного наружного воздуха (имеющего малое влагосодержание) приводит к перерасходу энергии, поскольку система отопления вынуждена покрывать не только теплопотери из здания наружу, но и дополнительно расходовать энергию на нагрев наружного воздуха, поступающего внутрь.

Летом вектор теплопереноса направлен внутрь здания. В летнее время, когда приточный наружный воздух, поступающий через отдельную систему вентиляции, имеет значительное влагосодержание, а его приходится охлаждать уже внутри помещения, влажность в помещении может превышать нормальные значения. Это вызывает дискомфорт и создает условия для массопереноса влаги внутрь стен из воздуха помещения (в сторону бóльшей температуры). Такое сочетание, в свою очередь, создает условия для развития плесневых грибков внутри стен.

С повышенной влажностью воздуха в помещении непосредственно связывается и перерасход энергии. При повышенной влажности плохо переносится и холод, и, особенно, жара. Поэтому обитатели в жаркое время года стараются компенсировать дискомфорт от избытка влажности воздуха, устанавливая терморегулятор кондиционера на более низкое значение. В холодное время высокая влажность воздуха в помещении вызывает чувство зябкости, поэтому зимой жильцы стараются перегревать воздух, уменьшая его относительную влажность.

Другими словами, даже в зданиях, в которых оболочка выполнена с соблюдением всех стандартов, строительных норм и правил, необходимо контролировать влажность воздуха.

Климатические условия по влажности в целом по Украине можно считать достаточно умеренными (см. рис. 1).

Рис. 1. Карта влажности атмосферного воздуха в Украине

Тем не менее, согласно нормам стандарта EN 15026 «Гигротермические характеристики строительных компонентов и строительных элементов», в условиях нашего климата часто возникают ситуации, когда уровень влажности в помещениях гораздо выше нормального, см. рис. 2, что создает температурно-влажностный дискомфорт и способствует плесневению.

Рис. 2. Сравнение граничных условий для относительной влажности в жилых помещениях по требованиям отраслевого регламента WTA 6-2 и стандарта EN-15026, соответствующей климату на большей части территории Украины

Принцип действия осушителя воздуха

Осушители воздуха подразделяются на два класса – влагопоглотители и осушители охлаждением/нагревом. В поглотителях воздух осушается, проходя через специальный патрон с гигроскопичным материалом. Эти устройства работают неравномерно, по мере насыщения влагой теряют поглощающую способность, патрон нужно заменять. Влагопоглотители не могут использоваться для управления уровнем влажности, особенно в постоянном и автоматическом режиме.

Принцип работы осушителя отличается от действия влагопоглотителя и показан на рис. 3. Воздух последовательно проходит через охладитель и нагреватель, теряя влагу при понижении температуры; при нагревании воздух имеет уже относительно меньшую влажность.

Рис. 3. Как работает осушитель воздуха

Управление влажностью в помещении сейчас важнее, чем когда-либо, особенно для новых энергоэффективных домов, оснащенных принудительной вентиляцией, в которых уровень неконтролируемого естественного воздухообмена через оболочку здания на порядок ниже, чем в зданиях старой постройки. В новых домах при удалении влаги из воздуха, особенно при частичной нагрузке или в межсезонье, когда охлаждение обычно не требуется, привычные системы кондиционирования воздуха малоэффективны. Также кондиционеры обычно не включают во время отопительного сезона или в межсезонье. По мере того, как более влажный наружный воздух подается в дом через вентиляцию, относительная влажность воздуха в помещении увеличивается.

Методы управления влажностью

Стратегия улучшения контроля влажности в условиях умеренного климата может включать в себя следующие подходы:

Кондиционер. Системы кондиционирования воздуха выполняют две функции: охлаждение (для снижения температуры воздуха) и осушение (для удаления влаги из воздуха). Однако система управления обычных кондиционеров воздуха предназначена для контроля температуры, а не влажности. Проблему с осушением могут решить двух- или многоступенчатые специальные системы, но для этого понадобится другое оборудование и по другой цене.

Кондиционер с улучшенным осушением. Дополнительные элементы управления могут улучшить способность системы кондиционирования осушать воздух при неполной нагрузке и в межсезонье. Как правило, это достигается в системе воздухоочистки с пониженной скоростью воздушного потока и/или путем переохлаждения на 2-3°С. Обычно для этого требуется специальный термостат и блок подготовки воздуха с вентилятором с переменной скоростью вращения.

Дополнительное осушение. Осушитель контролирует влажность, а не температуру. Осушитель может быть установлен в дополнение к системе кондиционирования воздуха (чаще всего) и работать без включения кондиционера. Приточный воздух втягивается воздуходувкой, где он фильтруется и осушается, а затем нагревается. В межсезонье подаваемый в помещение воздух может быть на 5-10°С теплее, чем собственно приточный воздух. Осушитель при этом может быть автономным или встроенным в вентканал или в систему воздуховодов центральной системы вентиляции и подготовки воздуха.

Отточные вентиляторы. Вентиляторы для ванны и кухни обеспечивают контроль влажности в этих источниках влаги, однако, без системы рекуперации их применение энергозатратно.

Факторы влияния при проектировании

Обычно оборудование для кондиционирования воздуха рассчитывается по пиковой температуре снаружи дома в данной местности (+/-). Общая мощность для охлаждения дома состоит из учетной нагрузки (компонента температуры) и скрытой нагрузки (компонента влажности). Обычные системы, как правило, хорошо работают (и, в итоге, осушают) во время нагрузки при пиковых расчетных температурах, когда система непрерывно работает в течение длительного времени. При частичной нагрузке (например, в межсезонье), когда температура ниже расчетной, фактическая нагрузка на кондиционер может быть значительно меньше, но скрытая нагрузка (из-за влажности) имеет тенденцию оставаться относительно постоянной. То есть, скрытая нагрузка в это время составляет бóльшую часть общей нагрузки – при невысоких температурах в межсезонье кондиционер не включается или включается лишь на короткое время, относительно быстро охлаждает помещение и затем отключается. Но при этом практически не происходит осушение воздуха в целом. В результате уровень влажности в помещении увеличивается. В облачные или дождливые дни этот эффект усугубляется. Для новых, энергоэффективных домов, где нагрузка для кондиционирования уменьшена, «скрытая» часть нагрузки может быть даже больше, чем в обычных зданиях.

Относительная влажность (RH) – ключевой фактор теплового комфорта, тесно связанный с температурой. При той же температуре человек чувствует себя комфортнее, когда воздух суше. Для большинства людей верхний предел температурно-влажностного комфорта в зависимости от температуры в течение сезона колеблется от примерно RH = 55% до почти RH = 70%. Соответствующий верхний предел при 20°С составляет около 65% относительной влажности. При проектировании для достижения оптимального комфорта и качества воздуха в помещении считается цель RH = 60%.

Принудительная вентиляция всего дома. Главная цель принудительного обмена воздуха в помещении с наружным воздухом путем его контролируемой подачи вентиляторами – это поддержание нормального уровня CO₂ и других газов, а не контроль влажности. Поэтому, когда не работает кондиционер повышенная RH из-за вентиляции может быть особенно заметна. Вентиляционный воздух может поступать в систему воздуховодов HVAC через осушитель, совмещенный с системой вентиляции воздуха. Вентилятор для рекуперации энергии (ERV) может несколько уменьшить относительную влажность поступающего наружного воздуха, но не осушает воздух в помещении в целом.

Кондиционер. Система с избыточной производительностью, выбранная по пиковой нагрузке для данного дома в данной местности, обеспечивает менее эффективное осушение из-за меньшего времени непрерывной работы. Системы кондиционирования с улучшенной способностью осушения (многоступенчатые) улучшают контроль RH в условиях частичной нагрузки (и в межсезонье), но такая система может потреблять больше энергии.

Дополнительное осушение. Осушители относительно просты и эффективны. Другие методы, как правило, сложны и дороги, не обеспечивают значительную экономию энергии и не предполагаются для жилых помещений.

Элементы управления осушителем. Осушители обычно оснащены встроенным датчиком относительной влажности (измеряет относительную влажность воздуха, проходящего через осушитель), панелью управления (большинство из них может быть подключено к очистителю воздуха во время работы осушителя и к системе управления вентсистемой) и системой визуализации (интерфейс/дисплей пользователя). При желании, для измерения RH в жилой зоне можно установить дистанционный настенный гигростат.

Степень осушения. Оценки мощности и энергии производятся при входном воздухе 27°С с RH 60% без рекуперации и без учета системы распределения (без каналов). Производительность осушителя оценивается литрами удаленной воды в день (обычно в 15-50 л/день для портативных, 35-80 л/день − для присоединенных к вентиляционным воздуховодам, и свыше 80 л/день − для более крупных автономных устройств). Эффективность оценивается по энергетическому коэффициенту (EF) в литрах воды, удаленной из воздуха на киловатт-час потребляемой энергии (л/кВт•ч). Современные критерии для маркирования знаком энергоэффективности «Energy star»: ≥ 1,85 л/кВт•ч для моделей, не превышающих 40 л/день; ≥ 2,80 л/кВт•ч для моделей 35-80 л/день. Шум оценивается в децибелах по кривой равной громкости «А» (dBA). Портативные и автономные осушители, как правило, шумят сильнее. Модели, подключаемые к каналам системы вентиляции, имеют достаточно низкие характеристики шумности (например, 50/60 dBA).

Выбор осушителей. Обычно выбор осуществляется по мощности и по степени «подключенности» к вентиляции – отдельный блок или встраиваемая система.

Типовые схемы подключения осушителей

Автономный осушитель (рис. 4).

Особенности шкафа: дверь шкафа должна быть приспособлена для пропуска воздуха. Шум и тепло от осушителя через жалюзи могут быть неприемлемыми для жильцов.
Установка в подвале или на техэтаже/на чердаке: не позволяет непосредственно осушать жилые помещения, но может способствовать уменьшению общей влажности в доме.
Расположение непосредственно в жилых помещениях: скорее всего это редкость (из-за шума, тепла, требований по дренажу или общих эстетических пожеланий).
Шкаф, совмещенный с воздухоочистителем HVAC: расположение, которое может не вполне подходить для жилых помещений (шум и скорость потока вблизи выпуска) – рекомендуется использовать подключение к воздуховодам.

Рис. 4-5. Автономный и независимый осушитель с отдельным воздуховодом

Независимый осушитель с отдельным воздуховодом (рис. 5).

Воздух от осушителя направляется непосредственно в то пространство, где нужно осушить воздух.
Осушитель может быть установлен на чердаке, в подвале, на техэтаже, в венткомнате или в шкафу и имеет отдельный воздуховод в кондиционируемое пространство.
Не связан с центральной системой HVAC – подходит для домов с бесканальными системами вентиляции и кондиционирования воздуха.
Впускные и выпускные решетки должны быть спрофилированы так, чтобы улучшить распределение воздуха в осушаемом помещении.
Выходную решетку нужно размещать таким образом, чтобы нагретый выходной воздух не попадал на обитателей, вызывая дискомфорт, или на термостат/пульт дистанционного управления/датчики.

Осушитель, встроенный в воздуховод (рис. 6-10).

Впускные / выпускные каналы осушителя объединены с воздуховодами системы HVAC.
Осушитель может быть установлен на чердаке, в подвале, на техэтаже, в венткомнате или в шкафу.
Рекомендуемые схемы подключения определяются производителем оборудования. (примеры применимы к горизонтальному или вертикальному исполнению подготовки воздуха).
Параллельно на линии притока (рис. 6) и с выделенным каналом притока (рис. 7): во время работы осушителя он должен быть подключен к приточному каналу вентилятора HVAC, или, если перекрыть клапан притока наружного воздуха в систему вентиляции, осушенный воздух будет просто рециркулировать по системе.
Параллельно вентилятору (рис. 8) и выделенная приточная линия за вентилятором (рис. 9): требуется обратная заслонка для предотвращения обратного потока через осушитель, когда осушитель выключен; статическое давление на входе в систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха не должно превышать допустимые значения для осушителя; осушитель не влияет негативно на работу вентилятора HVAC; осушенный воздух распространяется через подающие каналы. На рис. 10 показан вариант с отдельным шкафом осушителя.

Принудительная вентиляция всего дома (рис. 11-12).

Наружный воздух (обозначенный синей стрелкой) отдельно поступает к всасывающей линии HVAC (рис. 11) или к осушителю системы вентиляции через отдельный приточный клапан или воздухозаборник внутри помещения (рис. 12).

В таблице приведены «pro» и «contra» для разных стратегий удаления влаги из воздуха в помещениях.

Таблица. Преимущества и недостатки способов осушения воздуха