Kosteuden epätasaisuuden fysikaaliset syyt ja antureiden oikea sijoitus tiloissa

Kirjoittaja: Mycondin tekninen osasto

Kosteuden epätasainen jakautuminen tiloissa on yksi tärkeimmistä syistä ilmankuivaus- ja ilmastointijärjestelmien tehottomaan toimintaan. Vaikka keskinen anturi näyttäisi normaalia kosteustasoa, syrjäisillä alueilla voi tapahtua kondensaatiota, mikä aiheuttaa rakennusosien, laitteiden ja tavaroiden vaurioita. Kosteuden jakautumisen fysikaalisten mekanismien ymmärtäminen ja anturien oikea sijoittaminen auttaa ehkäisemään nämä ongelmat.

Vesihöyryn massansiirron fysikaaliset mekanismit

Sisäilman vesihöyry siirtyy kahdella päämekanismilla: konvektiivisella kulkeutumisella ja molekyylidiffuusiolla. Konvektiivinen kulkeutuminen johtuu ilman massavirroista ja tasaa pitoisuuksia nopeasti. Molekyylidiffuusio toimii pitoisuusgradientin vaikutuksesta ja on huomattavasti hitaampi prosessi.

Kosteuden tasaantumisnopeus riippuu suoraan ilmanvaihdon intensiteetistä ja lämpökentästä. Lämpötilan noustessa vesihöyryn diffuusiokerroin ilmassa kasvaa kaavan D = D₀ × (T/T₀)^1.8 mukaisesti, missä D₀ on diffuusiokerroin lämpötilassa T₀. Vesihöyryn diffuusiokerroin ilmassa on noin 0,25 cm²/s lämpötilassa 20°C.

Tilan geometria vaikuttaa voimakkaasti ilmanvirtausten rakenteeseen. Monimutkaisissa tiloissa (pilarit, väliseinät, laitteet) syntyy pysähtyneen ilman alueita, joissa ilmanvaihto on minimaalista. Nämä alueet ovat kriittisiä kosteudenhallinnan kannalta, koska juuri siellä voi esiintyä paikallista kosteuden nousua, jota keskinen anturi ei havaitse.

Ilman kerrostuminen ja kosteussisällön pystysuuntainen gradientti

Kostean ilman tiheys riippuu lämpötilasta ja kosteussisällöstä ideaalikaasun yhtälön mukaisesti: ρ = P/(R×T) × (1 + d)/(1 + 1,608×d), missä ρ on ilman tiheys, P paine, R kuivan ilman kaasuvakio, T absoluuttinen lämpötila ja d kosteussisältö kg/kg.

Pystysuuntainen kosteussisällön profiili muodostuu eri korkeuksilla sijaitsevien lämpö- ja kosteuslähteiden vaikutuksesta. Lämmin, kostea ilma on pienemmän tiheyden vuoksi taipuvainen nousemaan ylöspäin, mikä luo pystysuuntaisen gradientin. 3–5 metrin korkuisissa tiloissa ero kosteussisällössä ala- ja ylävyöhykkeiden välillä voi olla 2–5 g/kg kuivaa ilmaa.

Ilmanvaihto- ja ilmanjakojärjestelmien vaikutus parametrien tasaisuuteen

Ilmanjaon kolme päätyyppiä vaikuttavat merkittävästi kosteuden jakautumiseen:

Sekoittava ilmanvaihto, jossa tuloilma johdetaan ylävyöhykkeelle, varmistaa varsin tasaisen parametrien jakautumisen koko tilavuudessa. Tässä ratkaisussa kosteusero vyöhykkeiden välillä on yleensä enintään 5–10 % suhteellisesta kosteudesta.

Syrjäyttävä ilmanvaihto, jossa tuloilma johdetaan alavyöhykkeelle, muodostaa pystysuuntaisen parametrigradientin. Lämmin, epäpuhtauksia sisältävä ilma nousee ylös, ja viileä, raikas ilma jää alas. Kosteusero vyöhykkeiden välillä voi olla 15–20 %.

Yhdistetyt ratkaisut yhdistävät molempien lähestymistapojen elementtejä ja soveltuvat tiloihin, joissa on monimutkainen geometria tai erityisvaatimuksia.

Parametrien tasaisuuden varmistamiseen tarvittava ilmanvaihtuvuus lasketaan massansiirron tasapainosta: n = G/(V × (C_poisto − C_tulo)), missä n on ilmanvaihtuvuus, G tilaan tuleva kosteuden massavirta, V tilavuus sekä C_poisto ja C_tulo ovat kosteuden pitoisuudet poisto- ja tuloilmassa.

Paikalliset kosteudenlähteet ja kohonneen riskin alueet

Tiloissa on useita kosteuden lähteitä, jotka luovat paikallisia alueita kohonneella kosteussisällöllä:

• Avoimet vesipinnat (uima-altaat, säiliöt): kosteuden vapautuminen riippuu pinnan alasta, veden lämpötilasta ja ilman virtausnopeudesta pinnan yläpuolella.
• Haihduttavat prosessit: voivat muodostaa paikallisia alueita, joissa kosteus on 15–30 % ympäristöä korkeampi.
• Ihmiset: kohtalaisessa aktiivisuudessa yksi henkilö luovuttaa 40–70 g vettä tunnissa, synnyttäen ympärilleen 1–2 m säteisen kohonneen kosteuden alueen.

Erillinen haaste ovat kylmät pinnat (ulkoseinät, kylmälaitteet, putkistot), joihin lämmin kostea ilma osuessaan kondensoituu. Tämä tapahtuu, kun pinnan lämpötila laskee kyseisen ilman kastepisteen alapuolelle, vaikka tilan keskimääräinen suhteellinen kosteus olisi normaalitasolla.

Menetelmä kosteudentunnistimien määrän ja sijoituksen määrittämiseksi

Kosteusanturien määrän ja sijoituspaikkojen oikea määrittäminen on avain tehokkaaseen mikroilmaston hallintaan. Seuraava vaiheittainen menetelmä on suositeltava:

1. Tilan pohjaratkaisun analyysi: tunnista kaikki kosteudenlähteet ja kylmät pinnat.
2. Ilmanvaihtotyypin määrittäminen: analysoi pääasiallisten ilmavirtojen suunnat.
3. Tyypillisten vyöhykkeiden määrittely: aktiivisen ilmanvaihdon vyöhyke, prosessilaitteiden vyöhyke, mahdollisen pysähtyneen ilman vyöhyke, kylmien pintojen läheisyys.
4. Erillisten antureiden tarpeen määrittäminen: erillinen anturi tarvitaan, jos vyöhykkeellä on paikallinen kosteudenlähde, kylmä pinta tai etäisyys aktiivisen ilmanvaihdon vyöhykkeestä ylittää 5–8 m (riippuen sekoittumisen intensiteetistä).
5. Asennuskorkeuden määrittäminen: sekoittavassa ilmanvaihdossa työskentelyalueen korkeudelle (1,5–1,8 m), syrjäyttävässä ilmanvaihdossa kondensaation suurimman riskin korkeudelle, monitasoisissa tiloissa jokaiselle tasolle.
6. Sijoituksen tarkistus: yksikään anturi ei saa olla lähempänä kuin 3 kanavan halkaisijaa tai 1 m tulo- tai poistoilmalaitteista.

Esimerkki: varastotilassa 40×20×6 m, jossa on sekoittava ilmanvaihto, kylmälaitteet eteläosassa ja lastausalue idässä, tarvitaan vähintään 4 anturia: yksi keskialueelle, yksi kylmälaitteiden läheisyyteen, yksi lastausalueelle ja yksi kauimmaiseen nurkkaan, jossa voi muodostua pysähtyneen ilman alue.

Tyypilliset virheet kosteusmittausjärjestelmien suunnittelussa

Kosteudenhallintajärjestelmiä suunniteltaessa tehdään usein seuraavia virheitä:

1. Yksi anturi koko tilaan: riippumatta tilan koosta ja muodosta, mikä aiheuttaa suuria virheitä tilallisen epätasaisuuden vuoksi.
2. Anturin sijoittaminen ilmavirtaan: tällöin anturi mittaa tulo- tai poistoilman parametreja, ei todellisia olosuhteita tilassa.
3. Lämpötilakerrostumisen sivuuttaminen: anturi sijoitetaan korkeudelle, joka ei vastaa valvonnan kannalta kriittistä vyöhykettä.
4. Antureiden puuttuminen kylmien pintojen läheisyydestä: juuri siellä kondensaation riski on suurin.
5. Anturien asentaminen vain asennuksen kannalta mukaviin paikkoihin: ilman ilmavirtojen rakenteen ja tilan paikallisten ominaisuuksien huomioimista.

Käyttöön liittyvät seuraukset anturien virheellisestä sijoittelusta

Kosteusanturien virheellinen sijoittelu voi johtaa vakaviin ongelmiin:

Skenaario 1: Anturi on sijoitettu aktiivisen ilmanvaihdon vyöhykkeelle ja näyttää normaalia kosteutta (40–60 %), mutta pysähtyneen ilman alueilla kosteus voi nousta 75–85 %:iin, mikä aiheuttaa kondensaatiota, laitevaurioita, metallirakenteiden korroosiota ja homekasvustoa.

Skenaario 2: Anturi on sijoitettu paikallisen kosteudenlähteen viereen ja näyttää jatkuvasti kohonneita arvoja (65–75 %), vaikka suurimmassa osassa tilaa kosteus on normaali. Kuivausjärjestelmä käy tarpeettoman kovaa, mikä lisää energiankulutusta ja kuivattaa ilmaa liikaa muilla alueilla.

Skenaario 3: Anturi on sijoitettu väärälle korkeudelle, esimerkiksi katonrajaan tilassa, jossa on syrjäyttävä ilmanvaihto. Se näyttää kohonnutta kosteutta (60–70 %), vaikka työskentelyalueella kosteus on normaali (40–50 %). Seurauksena ilmankuivaimet toimivat turhaan.

Rajoitukset ja tilanteet, joissa menetelmiä on korjattava

Kuvatuilla anturien sijoitusperiaatteilla on joitakin rajoituksia:

1. Suuret tilat: yli 10 000 m³ tiloissa edes oikein sijoitetut anturit eivät välttämättä riitä kattavaan valvontaan. Tarvitaan lisäseuranta kriittisissä kohdissa tehtävin määräaikaisin mittauksin.
2. Äärilämpötilat: alle −20°C lämpötiloissa tavanomaisten kapasitiivisten kosteusantureiden tarkkuus heikkenee; tarvitaan erikoisantureita.
3. Agressiiviset ympäristöt: voimakkaan pöly- tai kemikaalialtistuksen tiloissa vakiotyypin anturit vioittuvat nopeasti. Tarvitaan suojakotelot tai vaihtoehtoiset mittausmenetelmät.
4. Kausivaihtelut: kun käyttötilat muuttuvat merkittävästi (lämmitys-/ei lämmityskausi), anturit voi olla tarpeen kalibroida uudelleen tai jopa muuttaa niiden sijoittelua.

FAQ: vastauksia usein kysyttyihin kysymyksiin

Miksi seinille muodostuu kondenssia, vaikka keskimmäinen anturi näyttää normaaleja arvoja?

Tämä johtuu kosteuden ja lämpötilan paikallisesta epätasaisuudesta. Keskinen anturi mittaa parametreja yhdessä pisteessä, kun taas kylmien pintojen lähellä suhteellinen kosteus voi olla 15–25 % korkeampi alhaisemman lämpötilan vuoksi. Jos pinnan lämpötila on kastepisteen alapuolella, kondenssia muodostuu pinnalle, vaikka tilan keskimääräinen suhteellinen kosteus olisi normaalilla tasolla (50–60 %).

Mille korkeudelle kosteusanturi tulisi asentaa?

Korkeus riippuu ilmanvaihtotyypistä ja valvonnan tavoitteista. Sekoittavassa ilmanvaihdossa optimaalinen korkeus on 1,5–1,8 m (työskentelyalue). Syrjäyttävässä ilmanvaihdossa anturit tulisi sijoittaa kriittisten pintojen tai laitteiden tasolle. Korkeissa tiloissa (yli 6 m) suositellaan antureita eri korkeuksille pystysuuntaisen gradientin seurantaan.

Kuinka monta anturia varastoon tarvitaan?

Määrä määritetään luvun 5 menetelmän mukaan. Tyypillisessä 1000 m² varastossa vähimmäismäärä on 3–5 anturia riippuen tilan muodosta, varastointitavasta ja ilmanvaihtojärjestelmästä. Erilliset anturit ovat välttämättömiä lastaus-/purkualueilla, ulkoseinien läheisyydessä ja paikoissa, jotka ovat kauimpana pääilmavirroista.

Johtopäätökset

Kosteusanturien oikea sijoittaminen ei ole muodollisuus, vaan fysikaaliseen massansiirtoon perustuva insinöörivaatimus. Kosteuden epätasainen jakautuminen tiloissa on objektiivinen fysikaalinen ilmiö, joka on otettava huomioon valvontajärjestelmiä suunniteltaessa.

Keskeiset suositukset suunnittelijoille:

• Analysoi aina ilmavirtojen rakenne ennen valvontapisteiden määrittämistä
• Ota huomioon kaikki paikalliset kosteudenlähteet ja kylmät pinnat
• Älä säästä antureiden määrässä, jos kohteen koko ja monimutkaisuus sitä edellyttävät
• Tarkista säännöllisesti eri antureiden mittausten korrelaatio
• Sijoita anturit korkeudelle, joka vastaa suurimman riskin vyöhykettä tai pääasiallista toiminta-aluetta

Näiden periaatteiden noudattaminen varmistaa tarkan kosteudenhallinnan koko tilavuudessa, ehkäisee rakenteiden, laitteiden ja tuotteiden vaurioita sekä optimoi ilmankuivausjärjestelmien energiankulutusta.