Увлажнение воздуха в доме: расчёт производительности

Сухость воздуха зимой — не ощущение, а измеримое явление. Наружный воздух при −10 °С содержит в пять раз меньше влаги, чем способен удержать тёплый воздух при +22 °С. Когда этот воздух попадает в дом и нагревается, его относительная влажность падает до 8–12 %.

Задача увлажнителя — вернуть влагу. Сколько именно её нужно, определяется одним параметром: сколько наружного воздуха проходит через дом. Ниже — расчёт по влагосодержанию, таблицы, числовой пример и разбор ошибок.

Что такое относительная влажность

Путаница между абсолютной и относительной влажностью — источник большинства ошибок в этой теме.

Абсолютная влажность — сколько воды реально содержится в воздухе. Измеряется в граммах на килограмм сухого воздуха (г/кг) или в граммах на кубометр.

Относительная влажность — отношение фактического содержания пара к максимально возможному при данной температуре. Выражается в процентах.

Ключевое: при нагреве воздуха относительная влажность падает, а абсолютная не меняется. Максимально возможное содержание пара растёт с температурой примерно вдвое на каждые 10 °С.

Отсюда простой расчёт: наружный воздух при −10 °С и влажности 80 % содержит 1,4 г/кг. Если нагреть его до 22 °С, относительная влажность станет 1,4 / 16,7 = 8,4 %. Это суше, чем в пустыне.

Влагосодержание и давление пара

Расчёт начинается с определения влагосодержания при разных температурах. Давление насыщенного пара считается по формуле Магнуса:

Фактическое давление пара — это доля от насыщения по относительной влажности. Влагосодержание считается через парциальное давление:

Откуда уходит влага

Влага покидает дом двумя путями, и первый из них в десятки раз мощнее второго.

С вентиляционным воздухом. Наружный воздух входит сухим и выходит влажным. Разница влагосодержаний умножается на массовый расход:

Через ограждающие конструкции. Часть влаги диффундирует через стены и теряется с инфильтрацией. Оценочно это 5–10 % от вентиляционных потерь для дома с пароизоляцией и до 30 % для деревянного без неё.

Таблица объясняет главное: потребность в увлажнении определяется вентиляцией, а не площадью дома. Дом с естественной вытяжкой требует 2–3 литра в сутки, дом с приточной установкой — 25–50 литров. Это разница на порядок.

Разовый подъём и постоянная работа

Полезно различать две разные задачи.

Поднять влажность в объёме. Вода, которую нужно испарить, чтобы поднять влажность в замкнутом объёме:

Для дома 300 м³ при подъёме влажности с 25 до 45 %:

M = 300 · 1,2 · (7,4 − 4,1) / 1000 = 1,19 кг

Это около литра воды — столько испаряет бытовой увлажнитель за 2–3 часа.

Держать влажность. Здесь вода расходуется непрерывно на компенсацию вентиляционных потерь, и объём воздуха дома уже не важен — важны только расход притока и разница влагосодержаний.

Именно поэтому вопрос «какой увлажнитель купить для квартиры» не имеет ответа без второго вопроса: «какая в квартире вентиляция».

Типы увлажнителей

Производительность и расход энергии у разных типов различаются принципиально.

Паровой увлажнитель — единственный тип, который даёт большую производительность в бытовом исполнении. Но за это приходится платить энергией: на испарение килограмма воды физически нужно 0,75 кВт·ч, и эта энергия уходит в воздух дома, то есть зимой она не теряется — работает как дополнительный обогрев.

Калькулятор увлажнителя

Дальше сведём всё вместе. Калькулятор считает влагосодержание при текущей, целевой и наружной температуре, воду на разовый подъём, потери с притоком и через ограждения, требуемую производительность увлажнителя, мощность, расход электроэнергии и воды, а также проверяет риск конденсата на окне.

Подготовьте данные: объём помещений, температуру и влажность в доме, целевую влажность, параметры наружного воздуха и расход притока.

Числовой пример

Дом 100 м², объём 300 м³, механическая приточная вентиляция 150 м³/ч:

• в доме 22 °С и 25 % влажности;
• цель 45 %;
• на улице −10 °С и 80 %;
• паровой увлажнитель, электроэнергия 6 ₽/кВт·ч, вода 45 ₽/м³.

Шаг 1. Давление насыщенного пара при 22 °С:

p_н = 610,94 · exp(17,625 · 22 / 265,04) = 2 639 Па

Шаг 2. Парциальное давление при целевой влажности:

p_п = 0,45 · 2639 = 1 187 Па

Шаг 3. Влагосодержание при текущей влажности 25 %:

d_тек = 622 · 660 / (101325 − 660) = 4,08 г/кг

Шаг 4. Целевое влагосодержание при 45 %:

d_цел = 622 · 1187 / (101325 − 1187) = 7,38 г/кг

Шаг 5. Влагосодержание наружного воздуха при −10 °С и 80 %:

d_нар = 1,41 г/кг

Шаг 6. Вода на разовый подъём влажности в объёме дома:

M = 300 · 1,2 · (7,38 − 4,08) / 1000 = 1,19 кг

Шаг 7. Потери с приточным воздухом. Массовый расход:

G_возд = 150 / 3600 · 1,2 = 0,05 кг/с

G = 0,05 · (7,38 − 1,41) / 1000 · 3600 = 1,07 кг/ч

Шаг 8. Потери через ограждения (5 % от вентиляционных плюс базовая утечка на объём):

G_огр = 1,07 · 0,05 + 0,02 = 0,074 кг/ч

Шаг 9. Суммарные потери и требуемая производительность при КПД 98 %:

G_сум = 1,07 + 0,074 = 1,15 кг/ч

G_увл = 1,15 / 0,98 = 1,17 кг/ч

Это 28 литров в сутки.

Шаг 10. Мощность и расходы. Паровой увлажнитель при 0,75 кВт·ч на килограмм:

P = 1,17 · 0,75 = 0,88 кВт

За месяц: 0,88 · 24 · 30 = 632 кВт·ч, или 3 793 ₽ на электричество.

Вода: 1,17 · 24 · 30 / 1000 = 0,84 м³, то есть 38 ₽.

Итого 3 830 ₽ в месяц в пиковые морозы.

Шаг 11. Проверка конденсата на окне. Температура внутренней поверхности окна при −10 °С снаружи:

t_окна = 22 − (22 − (−10)) · 0,28 = 13,0 °С

Точка росы при 22 °С и 45 % равна 9,5 °С. Поверхность окна теплее точки росы, конденсата нет.

Как снизить потребность

Снизить расходы можно, уменьшив потребность, а не мощность прибора.

Самый эффективный пункт — рекуператор с влагообменом (энтальпийный). Он передаёт влагу от вытяжного воздуха к приточному и снижает потребность в увлажнении на 40–60 %. При потребности 25 литров в сутки это экономит 10–15 литров, а за сезон — больше, чем стоит сам рекуператор. Разбор — в статье про рекуператор.

Влажность и окна

Главное ограничение увлажнения — конденсат на холодных поверхностях. Точка росы зависит от температуры и влажности:

Расчёт для окна с коэффициентом 0,28 от перепада температур. Для однокамерного стеклопакета коэффициент выше (0,4), и окно запотеть может уже при −15 °С и влажности 45 %.

Частые ошибки

Расчёт по площади дома. Потребность в увлажнении зависит от расхода приточного воздуха, а не от площади. Два дома одинаковой площади с естественной вытяжкой и с приточной установкой требуют разного количества воды в десять раз.

Покупка бытового увлажнителя для дома с вентиляцией. Напольный прибор даёт 0,4–0,8 кг/ч, а нужно 1,2 кг/ч и больше. Результат — влажность не поднимается, прибор работает круглосуточно, а пользователь считает, что «увлажнители не работают».

Игнорирование температуры наружного воздуха. Чем холоднее на улице, тем суше наружный воздух в абсолютных величинах. При −10 °С он содержит 1,4 г/кг, при −25 °С — 0,5 г/кг. Потребность в увлажнении в морозы выше, чем в оттепель, при том же расходе притока.

Увлажнение без контроля. Увлажнитель без гигростата легко поднимает влажность до 65–70 %, а это конденсат на окнах и плесень в углах. Гигростат обязателен, и лучше с двумя порогами: включение на 40 %, отключение на 50 %.

Ультразвуковой прибор на водопроводной воде. Испаряя жёсткую воду, такой увлажнитель выбрасывает соли в воздух — они оседают белым налётом на мебели и технике. Нужна деминерализованная или дистиллированная вода, что резко удорожает эксплуатацию.

Забыть про обслуживание. В баке увлажнителя тёплая вода, а это идеальная среда для бактерий. Без ежедневной смены воды и еженедельной дезинфекции прибор становится источником аэрозоля с микроорганизмами. Это особенно опасно для аллергиков и детей.

Частые вопросы

Сколько воды в сутки нужно испарять для влажности 45 %?

Зависит от притока. Для дома с механической вентиляцией 150 м³/ч и наружным воздухом −10 °С нужно испарять около 1,2 кг/ч, то есть 28 л в сутки. Без организованного притока потребность падает в разы: только естественная инфильтрация требует 3–5 л в сутки.

Почему зимой воздух в квартире сухой?

Наружный воздух при −10 °С и влажности 80 % содержит всего 1,4 г воды на килограмм. При нагреве до 22 °С его относительная влажность падает до 8 %. Влага не исчезает — падает именно относительная влажность, потому что тёплый воздух способен вместить в пять раз больше пара.

Какая влажность оптимальна для жилья?

40–55 % при температуре 20–22 °С. Ниже 30 % пересыхают слизистые, портится мебель и паркет, появляется статическое электричество. Выше 60 % на холодных поверхностях начинает расти плесень, а окна потеют.

Сколько электроэнергии потребляет увлажнитель?

Паровой увлажнитель расходует около 0,75 кВт·ч на килограмм испарённой воды — при 1,2 кг/ч это 0,9 кВт мощности. При круглосуточной работе за месяц набегает 600–650 кВт·ч. Ультразвуковой тратит в 6 раз меньше, испарительный — ещё меньше, но у них ниже производительность.

Потеют ли окна при влажности 45 %?

Зависит от наружной температуры и стеклопакета. При −10 °С на улице внутренняя поверхность обычного окна охлаждается до 13 °С, а точка росы при 45 % и 22 °С равна 9,5 °С — конденсата нет. При −25 °С поверхность падает до 9 °С, и окно начнёт потеть.

Хватит ли бытового увлажнителя на всю квартиру?

Настольный увлажнитель даёт 0,2–0,5 кг/ч, напольный 0,4–0,8 кг/ч. Этого хватает на одну комнату, но не на весь дом с вентиляцией. Для дома нужен увлажнитель, встроенный в приточную установку, либо отдельный канальный.

Заключение

Потребность в увлажнении определяется не площадью дома и не числом жильцов, а расходом приточного воздуха и температурой на улице. Дом с естественной вытяжкой обходится 3–5 литрами в сутки, дом с приточной установкой требует 25–50 литров — и это принципиально разные классы приборов.

Порядок работы: определить влагосодержание наружного воздуха и целевое, умножить разницу на расход притока, прибавить потери через ограждения и разделить на КПД увлажнителя. Затем проверить, не вызовет ли целевая влажность конденсат на окнах при расчётной зимней температуре.

Дальше по цепочке: снизить потребность помогает рекуператор с влагообменом — о нём в статье про рекуператор; параметры приточной установки разобраны в статье про приточную вентиляцию; борьба с конденсатом на окнах — в статье про конденсат на окнах; а очистка приточного воздуха от пыли, которая тоже влияет на микроклимат, — в статье про фильтры вентиляции.