Pomiar temperatury i wilgotności w pomieszczeniach – nowoczesne systemy

W tym artykule odpowiemy na pytania: jakie warunki klimatyczne nam nie sprzyjają, kiedy klimat staje się niebezpieczny oraz kiedy czujemy się komfortowo. Ponadto pokażemy trzy różne podejścia do strefy komfortu tj. ISO, ASHRAE i Wskaźnik Ciepła (ludzka odczuwalność cieplna). Znajomość komfortu cieplnego pozwala na dostosowanie systemu klimatyzacji do stworzenia idealnych warunków klimatycznych dla ludzi oraz pozwala na zaoszczędzenie sporej części energii.

Wpływ wilgotności i temperatury na odczuwalny komfort cieplny.

Komfort cieplny jest interpretowany jako stan, w którym człowiek czuje, że znajduje się on w momencie zrównoważonego bilansu cieplnego. Zebrano wiele materiałów jak ten stan powinien być interpretowany, a poniższy materiał jest krótkim wprowadzeniem jak wilgotność i temperatura wpływa na wspomniany komfort cieplny.

Czynniki jakie mają istotny wpływ na komfort cieplny można podzielić na środowiskowe i osobiste:

Czynniki środowiskowe:

• temperatura
• promieniowanie cieplne
• wilgotność
• prędkość przepływu powietrza

Czynniki osobiste:

• stan zdrowia i aktywność człowieka
• ubiór

Czynniki osobiste

Odczuwanie warunków klimatycznych i komfortu cieplnego jest ściśle związane z wytwarzaniem ciepła przez dany organizm oraz oddawaniem tego ciepła do otoczenia w celu zrównoważenia temperatury ciała. W celu dobrego określenia komfortu cieplnego środowiska ważne jest, aby poznać dokładny stan fizyczny osoby m.in. czy dana osoba siedzi i pracuje w biurze, czy uprawia sport na siłowni czy choruje w szpitalu, czy spaceruje na zewnątrz.

Drugim czynnikiem jest ubiór, który jest izolatorem podczas oddawania, wyprodukowanego przez organizm ciepła, do otoczenia. Odzież zmienia się wraz z sezonem, dlatego komfort cieplny określany jest dla okresów letnich i zimowych (warunki najczęściej panują w Europie i Ameryce Północnej).

Ze względu na indywidualne różnice między ludźmi nie jest możliwe określenie idealnego komfortu cieplnego dla wszystkich, jednak ten artykuł przedstawia dane, które dla 80% (lub więcej) ludności będą akceptowalne.

Czynniki środowiskowe – strefa komfortu według ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)

Pomiar promieniowania cieplnego i prędkości powietrza na zewnątrz są trudne do zmierzenia i kontroli, dlatego literatura skupia się głównie na wilgotności i temperaturze.

Odczuwalność termiczna

Indywidualne odczuwanie komfortu cieplnego nie zależy tylko od temperatury, ale również od wilgotności. Czym wyższa wilgotność, tym wyższa temperatura odczuwalna. Jest to efekt, który opiera się na systemie chłodzenia ciała organizmu i zredukowania przenoszenia wody na skórę.

ASHRAE w swoich publikacjach określa strefy komfortu dla okresów letnich i zimowych (Rysunek 1).

Powyższa zależność ma wpływ na systemy HVAC. Duża część energii może być zachowana, jeśli wewnątrz pomieszczeń odbywa się monitoring wilgotności względnej i temperatury. W momencie, gdy wilgotność w pomieszczeniu jest niska, dopuszczalna jest wyższa temperatura powietrza, a chłodzenie nie jest konieczne.

Rysunek 1. Diagram strefy komfortu zgodnie z ASHRAE 55-1992. Wilgotność względna (RH) , Temperatura  (T).

Strefa komfortu według ISO 7730

Innym podejściem do definiowania strefy komfortu jest norma ISO 77302, która skupia się głównie na temperaturze. Takie rozwiązania znajdują zastosowanie w uproszczonych systemach klimatyzacyjnych. Wartość wilgotności względnej określona jest od 30 %RH do 70 %RH, a temperatury od 20^oC do 26^oC (przedstawiono na rysunku 2). Limity wilgotności ustalane są w celu zmniejszenia ryzyka nieprzyjemnie mokrej lub suchej skóry, podrażnienia oczu, elektryczności statycznej, wzrostu drobnoustrojów i chorób układu oddechowego.

Rysunek 2. Diagram strefy komfortu zgodnie z ISO 7730. Wilgotność względna (RH) , Temperatura  (T).

Wskaźnik ciepła – Alert bezpieczeństwa

Przy wysokiej wilgotności i temperaturze poziom komfortu może być kontrolowany za pomocą Wskaźnika Ciepła, który określa, jak ludzkie ciało odczuwa temperaturę. Jest on subiektywnym pomiarem i najlepiej sprawdza się przy temperaturze 25 °C i 40 %RH. Najpopularniejsza definicja, opracowana przez National Weather Service and Weather Forecast Office of the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), jest prezentowana wzorem:

HI= c₀₀ + c₁₀T + c₀₁R_w + c₁₁TR_w + c₂₀T² + c₀₂R_w² + c₂₁T²R_w² + c₁₂TR_w ² + c₂₂T²R_w²

HI – Wskaźnik Ciepła
T – Temperatura otoczenia (w stopniach Fahrenheita)
R – Wilgotność względna (%RH)

Tabela 1. Współczynniki do wzoru na Wskaźnik Ciepła.

Poniżej przedstawione są wartości określające poziom komfortu według wskaźnika ciepła, określonego na rysunku 3.

< 30°C: niekomfortowo
30 – 40°C: mały komfort
40 – 45°C: duży komfort
> 45°C: niebezpieczne
> 54°C: zagrożenie udarem cieplnym

Biorąc pod uwagę powyższe wskaźniki i normy strefy komfortu można stworzyć ekonomiczniejsze i lepiej dopasowane systemy HVAC do potrzeb użytkowników!

System do kontroli wilgotności i temperatury powietrza

Informacja o parametrach powietrza takich jak wilgotność względna, temperatura powietrza czy różnica ciśnień powietrza jest bardzo ważna i cenna, zwłaszcza w magazynach czy też laboratoriach, gdzie każda odchyłka od normy może mieć wpływ na pracę w danym miejscu. Wiele osób zastanawia się jakie elementy powinny być zamontowane, aby wszystkie parametry były prawidłowo śledzone. Z inicjatywą wyszła firma AP Automatyka, która stworzyła system do kontroli wilgotności, temperatury i różnicy ciśnień powietrza. Opisany system zawiera wszystkie niezbędne elementy, dzięki czemu nie trzeba samemu poświęcać swojego czasu. Podstawą systemu pomiarowego są rejestratory serii HygroLog NT renomowanej firmy Rotronic, z dedykowanymi stacjami dokującymi HL-DS poszerzającymi ich funkcje. Z rejestratorami współpracują sondy pomiarowe wilgotności i temperatury powietrza serii HygroClip2-S (HC2A-S) oraz przetworniki różnicy ciśnień 699 firmy Huba Control.

Właściwości

System zapewnia pomiar trzech parametrów powietrza: wilgotności względnej, temperatury powietrza oraz różnicy ciśnień powietrza. Elementy pomiarowe wchodzące w skład systemu kontroli warunków klimatycznych zapewniają doskonałą dokładność pomiaru wilgotności do ±0,8 %RH oraz temperatury ±0,1 K. Zaletą systemu jest również zakres pomiarowy. Czujniki temperatury swój zakres pomiarowy posiadają w przedziale -50…+100 ^oC, czujniki wilgotności 0…100 %RH natomiast zakres pomiarowy czujników różnicy ciśnień wynosi od -5000 do +5000 Pa (-50…+50 mbar).

Komponenty

W skład systemu pomiarowego wchodzi pięć elementów. Odpowiedzialność za pomiar wilgotności względnej oraz temperatury powietrza pełni sonda HC2A firmy Rotronic. Umożliwia ona pomiar w zakresie 0…100 %RH oraz -50…+100 ^oC zachowując dokładność rzędu do ±0,8 %RH / ±0,1 K. Sondy HC2A charakteryzują się stabilnością długoterminową (< 1 %RH/rok). Istnieje możliwość wyboru różnych sond HC2 w zależności od jej typu. Do wyboru są sondy standardowe oraz bagnetowe. Opcjonalnie do wyboru są również sondy, których obudowa wykonana jest ze stali nierdzewnej. Tego typu sondy dedykowane są do kontroli wilgotności i temperatury w trudnych aplikacjach przemysłowych (wymagana odporność m.in. na wysokie temperatury). Za pomiar różnicy ciśnień odpowiada przetwornik różnicy ciśnień 699 firmy Huba Control. W zależności od opcji przetwornika jego zakres pomiarowy oscyluje w granicach -5000…+5000 Pa. Standardem wyjścia są zarówno wyjścia analogowe, prądowe jak i napięciowe. W przypadku zapotrzebowania na inny typ czujnika jest możliwość zamiany na inny model, np. mogący pracować w środowisku z zagrożeniem wybuchowym (strefy Ex). Kolejnym elementem systemu pomiarowego jest rejestrator zmierzonych wielkości HygroLog HL-NT3-D Rotronic. Umożliwia on rejestrację danych pomiarowych (wilgotność, temperatura, ciśnienie) oraz ich zapis na karcie pamięci. Rejestrator posiada zasilanie bateryjne a także wbudowany zegar RTC. Wyposażony jest również w wyświetlacz LED oraz przyciski funkcyjne. Następnym komponentem są stacje dokujące Rotronic HygroLog NT – HL-DS dedykowane do rejestratorów HygroLog. Korzystając z nich powodujemy między innymi rozszerzenie funkcji rejestratora. Dla opisywanego systemu dedykowane są dwie stacje dokujące. Pierwszą jest HL-DS-U4-420, która umożliwia podłączenie aż czterech dodatkowych sond HC2A bądź czujników różnicy ciśnień z wyjściem 0(4)…20mA. Dodatkowo wyposażona jest w dwa wejścia cyfrowe, a jej standardem wyjścia jest interfejs Ethernet LAN oraz RS-485. Zasilanie stacji odbywa się za pomocą zewnętrznego zasilacza na 12 VDC. Drugą stacją dokującą proponowaną temu systemowi jest stacja dokująca HL-DS-R-1. Posiada ona dwa programowalne wyjścia przekaźnikowe oraz dwa dodatkowe wejścia cyfrowe. Interfejsy dostępne dla tej stacji dokującej to RS-485 oraz USB. Zasilanie wygląda tak samo jak w przypadku HL-DS-R-1, czyli zasilacz 12 VDC. Ostatnim komponentem łączącym wszystkie poprzednie urządzenia jest oprogramowanie na komputer PC HW4 Rotronic. Umożliwia ono wizualizację pomiarów za pomocą wskaźników, wskaźników na mapie (możliwość wczytania obrazu mapy pomieszczeń), przebiegów, tabel. System pomiarowy może być konfigurowany, a więc mogą być nadawane nazwy punktom pomiarowym, mogą być tworzone grupy punktów pomiarowych. Pomocna w celu wykrycia nieprawidłowości jest możliwość ustawiania opcji alarmowych np. o przekroczonych progach. Informacja przesyłana jest do użytkownika za pomocą SMS, maila, indykatorów (wyjścia przekaźnikowe stacji dokującej). HW4 umożliwia zapis danych pomiarowych, alarmowych, zdarzeń do pliku na dysk komputera, a także tworzenie analiz otrzymanych wyników oraz tworzenie raportów. Podane konkretne modele czujników nie są sztywnymi elementami sytemu i istnieje możliwość zamiany na inny model, jeżeli będzie wymagała tego konkretna aplikacja. Wymienione urządzenia są najczęściej stosowanymi i uniwersalnymi urządzeniami, które spełniają swoje funkcje w większości aplikacji.

Schemat ideowy systemy pomiarowego 

>> Więcej na temat kontroli warunków klimatycznych <<