Wilgotność powietrza w pomieszczeniach biurowych – wymagania, nawilżanie, osuszanie

Człowiek jest w stanie zaakceptować zmiany wilgotności względnej powietrza w stosunkowo szerokim zakresie. Oczywiście wilgotność w budynkach nie może być dowolna. Jednak odpowiedź na pytanie, jaka wartość wilgotności jest najbardziej wskazana, nie jest prosta. Zaczynając od podstaw, warto przytoczyć parametry, które wpływają na wrażenia cieplne człowieka [1]:

• metabolizm (aktualna aktywność fizyczna),
• izolacyjność cieplna odzieży (rodzaj ubioru),
• temperatura powietrza (dokładniej temperatura termometru suchego),
• temperatura promieniowania (w pomieszczeniu zależna od temperatury otaczających przegród),
• prędkość powietrza (przeciąg lub bezruch powietrza),
• wilgotność powietrza (w artykule będzie określana jako wilgotność względna, ale może być również wyrażona wilgotnością bezwzględną, ciśnieniem cząstkowym pary wodnej, temperaturą termometru mokrego lub temperaturą punktu rosy).

Fot. adobe.stock / peterschreiber.media

Wszystkie z wymienionych czynników powinny być zdefiniowane, aby określać poziom komfortu cieplnego. Dla uproszczenia rozważań przyjmijmy, w pierwszym kroku, uwzględnienie tylko: temperatury powietrza i temperatury promieniowania przegród – otrzymamy temperaturę operatywną. Kolejny krok to połączenie temperatury operatywnej i prędkości powietrza w jeden parametr nazywany temperaturą ekwiwalentną. Kolejne uproszczenie to przypisanie do określonego poziomu metabolizmu i izolacyjności cieplnej ubioru komfortowych wartości temperatury operatywnej (np. w normie PN-EN 15251 [4] zdefiniowano wartości temperatury operatywnej dla poszczególnych aktywności fizycznych dla ubioru typowego dla lata i zimy), którą można jeszcze skorygować prędkością powietrza, otrzymując de facto zakres komfortowych wartości temperatury ekwiwalentnej.

Pozostaje do opisania zależność wilgotności względnej oraz temperatury powietrza (lub zgodnie z powyższą dyskusją temperatury operatywnej lub ekwiwalentnej). Zależność ta jest istotna podwójnie. Z jednej strony mamy silną zależność fizyczną wilgotności względnej od temperatury powietrza. Przykładowo dla tej samej zawartości wilgoci w powietrzu (7.0 g_H2O/kg) w temperaturze 26°C wilgotność względna wynosi 34% RH, a w temperaturze 18°C wzrasta do 55% RH – rys. 1.

Rys. 1. Ilustracja temperatury i wilgotności powietrza na wykresie psychrometrycznym

Z drugiej strony ze względu na mechanizm termoregulacji człowieka, związany z odparowaniem potu z powierzchni ciała, zbieżność wysokiej temperatury powietrza i wysokiej wilgotności odbieramy szczególnie niekomfortowo. Jaka powinna być zatem wilgotność powietrza w pomieszczeniach biurowych?

Wilgotność powietrza w pomieszczeniach biurowych. Wymagania

Mając na względzie pomieszczenia biurowe o regulowanej temperaturze powietrza, zakres optymalnej wilgotności względnej jest stosunkowo szeroki i wynosi od 25 do 60% RH, a nawet od 20 do 70% RH [4].

Jak wynika z przeprowadzonych badań, niższa wilgotność powietrza w pomieszczeniach sprzyja lepszej ocenie przez użytkownika warunków panujących w pomieszczeniu [2]. Potwierdza się to szczególnie przy jednoczesnej stosunkowo niskiej temperaturze powietrza. Jednak przy wilgotności względnej powietrza poniżej 25-30% wzrasta ryzyko infekcji dróg oddechowych, astmy i alergii, a także pojawiają się problemy wywołane obecnością większej liczby ładunków elektrostatycznych.

Z kolei wilgotności względnej wyższej od 50% przypisuje się wzrost narażenia na grypę i przeziębienia, a także zwiększoną emisję VOC (Volatile Organic Compounds – lotne związki organiczne). Jeszcze wyższa wilgotność powietrza sprzyja rozwojowi grzybów pleśniowych oraz związanych z tym reakcji alergicznych i zatruć toksynami. Silnie zawilgocone środowisko wewnętrzne powoduje również wzrost występowania chorób reumatycznych [6]. Niebagatelne znaczenie ma również zapotrzebowanie na energię konieczne do aktywnego regulowania wilgotności powietrza. W polskich warunkach klimatycznych zimą występuje najczęściej konieczność nawilżania, a latem osuszania powietrza wewnętrznego.

Rys. 2. Ilustracja intensywności oddziaływania poszczególnych czynników w zależności od wartości wilgotności względnej powietrza (w stosunku do oryginału zakres optymalny został przesunięty o 10% RH w lewo) [6]

Biorąc pod uwagę wszystkie z powyższych ograniczeń, zakres optymalny wilgotności względnej powietrza to przedział od 30 do 50% RH. Wartości niższe (wilgotność względna ok. 30% RH) należy uznać za bardziej właściwe dla okresu zimowego, a wyższe (wilgotność względna ok. 50% RH) – dla okresu letniego.

Rys. 3. Ilustracja wymagań dotyczących wilgotności powietrza wewnętrznego

Polecamy też: Co inżynier budownictwa powinien wiedzieć o osuszaniu budynków

Szczegółowe wymagania dotyczące wilgotności powietrza wewnętrznego zawarto w wycofanej przez PKN normie PN-B-03421:1978 [3] oraz w przyjętej normie europejskiej PN-EN-15251:2012 [4]. Zgodnie z wycofaną normą (choć ciągle jeszcze popularną, używaną i co najważniejsze powołaną w warunkach technicznych) za optymalne wartości wilgotności względnej należy uznać przedział 40-60% RH, a za dopuszczalne do 30% RH w okresie zimy i do 70% RH latem. W normie zawarto jeszcze wiele zastrzeżeń:

• w przypadku braku możliwości nawilżania powietrza w okresie zimowym dopuszcza się przyjęcie wilgotności wynikającej z warunków zewnętrznych i bilansu wilgotnościowego pomieszczenia;
• w przypadku kontrolowania temperatury powietrza wewnętrznego według wartości optymalnych dopuszczalne wartości wilgotności względnej dla okresu letniego należy przyjmować odpowiednio – dla temperatury 26°C najwyżej 55% RH, a 23°C – najwyżej 65% RH.

Norma [4] podaje zakres wilgotności względnej w zależności od kategorii jakości środowiska wewnętrznego, przy czym zdefiniowano cztery kategorie:

I: wysoki poziom oczekiwań, rekomendowany dla przestrzeni zajmowanych przez osoby bardzo wrażliwe pod względem środowiskowym (inwalidzi, osoby chore, bardzo młode oraz osoby w podeszłym wieku);

II: normalny poziom oczekiwań, rekomendowany dla budynków nowych i modernizowanych;

III: akceptowalny, umiarkowany poziom oczekiwań, może być stosowany w odniesieniu do budynków istniejących;

IV: Wartości poza kryteriami dla powyższych kategorii; ta kategoria może być akceptowana jedynie dla ograniczonego czasu użytkowania pomieszczeń.

Dla najwyższego poziomu oczekiwań (kategoria I) rekomendowana wartość w przypadku nawilżania to 30% RH, a w przypadku osuszania – 50% RH, dla kategorii II odpowiednio 25% RH i 60% RH, dla kategorii III odpowiednio 20% RH i 70% RH. W normie znajduje się również zapis zalecający ograniczenie zawartości wilgoci w powietrzu do 12,0 gH2O/kg (jest to tożsame z wytycznymi amerykańskimi – norma ASHRAE 55 2017 [1] nie precyzuje minimalnej wartość wilgotności, lecz jedynie ogranicza wartość maksymalną również do poziomu 12,0 gH2O/kg). Dodatkowo rozporządzenie [5] wymaga, aby wilgotność względna powietrza w pomieszczeniach przeznaczonych do pracy z monitorami ekranowymi nie była mniejsza niż 40% RH (bez względu na typ monitora). Zapis ten pochodzi jeszcze z lat 80. XX w. i należy się liczyć z tym, że niedługo powinien zostać wykreślony.

Jak utrzymać odpowiednią wilgotność w pomieszczeniach biurowych?

Zadanie utrzymania odpowiedniej wilgotności powietrza w pomieszczeniu spoczywa najczęściej na systemie wentylacji i klimatyzacji.

Nawilżanie powietrza w pomieszczeniach biurowych

W przypadku konieczności nawilżania stosowane są nawilżacze parowe lub bezpośrednie nawilżanie wodą (najczęściej zdemineralizowaną).

Nawilżanie parowe wykorzystujące elektryczne wytwornice pary jest najpopularniejszym sposobem na wzrost wilgotności powietrza. Para wytworzona przez wytwornicę może być wprowadzana bezpośrednio do pomieszczenia (nawilżanie lokalne – miejscowe) lub wprowadzana lancą do kanału wentylacyjnego i dystrybuowana razem z powietrzem (nawilżanie centralne). Popularność elektrycznych wytwornic pary wynika z wygody stosowania i możliwości dokładnego regulowania wydatku pary. Do urządzenia należy doprowadzić jedynie wodę (w niektórych przypadkach zdemineralizowaną) oraz energię elektryczną. Należy także zapewnić bezproblemowe odprowadzanie niewykorzystanej wody. Nawilżacze parowe montowane są zazwyczaj w głównych przewodach wentylacji nawiewnej za centralą wentylacyjno-klimatyzacyjną. Proces mieszania wygenerowanej pary wodnej i powietrza wymaga zapewnienia odpowiednio długiego, prostego odcinka przewodu wentylacyjnego za przekrojem, w którym doprowadzono parę. Elektryczne wytwornice pary mogą działać na dwa sposoby. Pierwszy z nich to odparowanie wody na skutek przepływu prądu między elektrodami umieszczonymi w cylindrze wypełnionym wodą. Regulacja wydajności wynika ze zmiany poziomu wody wypełniającej cylinder i jest możliwa tylko w ograniczonym zakresie. Dostarczana do nawilżacza woda nie wymaga żadnego uzdatniania (a nawet nie może być zdemineralizowana ze względu na wymaganą przewodność elektryczną).

Drugi sposób wykorzystuje rezystancyjne elementy grzejne. Zmiana sposobu powstawania pary umożliwia dużo dokładniejszą regulację wilgotności powietrza (nawet do ±0,5% RH). W tym przypadku konieczne jest najczęściej zasilanie wodą zdemineralizowaną. Podstawową wadą elektrycznych wytwornic pary jest wysoki koszt energii elektrycznej (wytwornica zasilana gazem ziemnym jest rodzajem kotła parowego i jest to rozwiązanie mało popularne, jeśli nawilżacz jest jedynym odbiornikiem pary). Zużycie energii elektrycznej można znacznie ograniczyć, stosując nawilżanie wodne. Energia elektryczna jest używana jedynie do rozpylenia wody do postaci drobnego aerozolu. Kropelki wody, odparowując, pobierają ciepło z powietrza, powodując obniżenie temperatury. W celu kompensacji tego spadku trzeba dostarczyć ilość ciepła odpowiadającą ilości ciepła pobranego przez odparowaną wodę.

Fot. 2. Widok przez okienko inspekcyjne na zespół dysz nawilżacza wodnego

W przybliżeniu ilość ciepła jest dokładnie taka jak zapotrzebowanie na energię elektryczną wytwornicy pary, jednak w tym przypadku można wykorzystać ciepło niskotemperaturowe. Ciepło takie jest znacznie tańsze (ok. trzykrotnie), a także odpowiada blisko trzykrotnie mniejszej ilości energii pierwotnej niż energia elektryczna. Przebieg procesu nawilżania adiabatycznego wraz z poglądowym procesem podgrzania powietrza zilustrowano na rys. 4.

Rys. 4. Ilustracja nawilżania parowego i wodnego

Nawilżanie wodne było technologią powszechnie stosowaną do lat 80. XX w. Odkrycie łatwo namnażającej się w wodzie termofilnej bakterii legionella pneumophila spowodowało gwałtowny spadek popularności tych systemów. We współczesnych konstrukcjach nawilżaczy wyposażonych w dysze atomizujące wodę lub połączenie dyszy i złóż zraszanych wyeliminowano obiegi wodne w układzie zamkniętym. Urządzenia tego typu wymagają zasilania wodą zdemineralizowaną.

Fot. 3. Nawilżanie wodne bezpośrednio w pomieszczeniu: a) przemysłowym, b) biurowym

Osuszanie powietrza w pomieszczeniach biurowych

Najczęściej osuszanie powietrza realizowane jest łącznie z chłodzeniem (klimatyzacją) przez wykroplenie pary wodnej na powierzchni chłodzącej. Warunkiem koniecznym wystąpienia wykroplenia jest uzyskanie temperatury powierzchni wymiennika niższej od temperatury punktu rosy. Praca chłodnicy w trybie osuszania powoduje najczęściej nadmierne wychłodzenie powietrza. Konieczne jest wtedy wtórne podgrzanie powietrza nawiewanego, aby wprowadzone do pomieszczenia nie powodowało dyskomfortu użytkowników. Przyczynia się to do znacznego zapotrzebowania na energię zarówno chłodniczą, jak i cieplną. Jeśli wymagania co do wilgotności nie są nazbyt rygorystyczne, to najczęściej można ze sterowania wilgotnością w okresie letnim zrezygnować. Wilgotność wynikowa uzyskana z bilansu pomieszczenia oraz wykroplenia pary wodnej przy okazji chłodzenia powietrza powinna wystarczyć do zachowania wilgotności względnej nie większej niż 65% RH.

W pomieszczeniach specjalnych (magazyny, muzea, basen) można stosować osuszacze lokalne kondensacyjne (działające na podobnej do powyższej zasadzie) lub osuszacze absorpcyjne, w których wilgoć pochłaniana jest przez materiał osuszający (desykant). Materiał ten jest regenerowany przez drugi strumień powietrza o odpowiednio mniejszej wilgotności względnej (np. podgrzane powietrze).

Rys. 6. Wynikowa wartość wilgotności względnej w przykładowym biurze

Wilgotność powietrza w pomieszczeniach biurowych. Podsumowanie

Podsumowując, można zauważyć, że w typowych budynkach biurowych w klimacie Polski utrzymanie wilgotności względnej w przedziale 20-70% RH nie powinno stanowić problemu nawet bez urządzeń nawilżających i osuszających. W okresie ekstremalnie niskiej temperatury powietrza zewnętrznego ograniczenie strumienia powietrza do minimum higienicznego (20 m³/h/os.) pozwala utrzymać wilgotność nie niższą niż 20% RH. Natomiast bez ograniczenia strumienia powietrza należy liczyć się z wartościami powyżej 10% RH. W okresie letnim wykroplenie wilgoci na urządzeniach klimatyzacyjnych nie pozwala z kolei na przekroczenie wilgotności 65% RH. Warto pamiętać o zależności psychrometrycznej wiążącej wilgotność względną i temperaturę. Często zbyt niską wilgotność względną (np. zimą) można zrekompensować obniżeniem temperatury powietrza (ograniczenie przegrzewania).

Bibliografia

1. ANSI/ASHRAE Standard 55 2017, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, ISSN 1041-2336.
2. L. Fang, D.P Wyon, G. Clausen, PIO. Fanger, Impact of indoor air temperaturę and humidity in an office on per- ceived air quality, SBS symptoms and performance, Indoor Air 2004; 14; Sup- pl 7; 74-81, https://doi.org/10.1111/j. 1600-0668.2004.00276.x.
3. PN-B-03421:1978 Wentylacja i klimatyzacja – Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi.
4. PN-EN 15251:2012 Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego dotyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, środowisko cieplne, oświetlenie i akustykę.
5. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 1 grudnia 1998 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy na stanowiskach wyposażonych w monitory ekranowe (Dz.U. z 1998 r.Nr 148, poz. 973).
6. E.M. Sterling, A. Arundel, T.D. Sterling, Criteria for human exposure to humidity in occupied buildings, ASHRAE Tran- sactions 91 (1B), 1985.

dr inż. Maciej Mijakowski
Politechnika Warszawska
Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska

Czytaj też: Jak osuszyć budynek z wilgoci kapilarnej