Wokół Arduino. Pomiary wilgotności, część 2

W poprzednim wpisie omówiliśmy podstawowe kwestie związane z parowaniem i wilgotnością powietrza. Pominęliśmy jednak pewne ważne zagadnienia.

I tak dla ścisłości należy dodać, że naukowa definicja wilgotności względnej to stosunek aktualnego ciśnienia parcjalnego pary i parcjalnego ciśnienia nasycenia w danej temperaturze. My jednak będziemy wykorzystywać stosunek zawartości wody do maksymalnej zawartości w danej temperaturze. Jeżeli przykładowo powietrze w mieszkaniu zawiera 9 gramów wody na metr sześcienny, to zgodnie z rysunkiem 1 w temperaturze +18°C ma ono wilgotność względną 60%. Jeżeli temperatura wzrośnie do +25°C, wilgotność względna „samoczynnie” zmniejszy się do 40%, a w temperaturze 30°C do 30%. Wilgotność bezwzględna pozostaje taka sama, a wilgotność względna dramatycznie się zmienia. Już tu widać, że wilgotność względna może mieć umiarkowaną wartość praktyczną, a nawet wprowadzać w błąd.

Gdy temperatura spadnie do +10°C, wilgotność zwiększy się do 100%. A przy dalszym spadku temperatury z powietrza zacznie wydzielać się rosa – kropelki wody na powierzchni przedmiotów. Dla zawartości wody 9g/m³ temperatura +10°C jest punktem rosy. Z rysunku 2 można też odczytać, że dla zawartości wody np. 15g/m³ punkt rosy wynosi +18°C.

Wilgotność 100% RH to maksymalna możliwa wilgotność, więc przy dalszym obniżaniu temperatury coraz więcej pary wodnej skropli się, a wilgotność względna będzie cały czas równa 100%. Czym niższa temperatura, tym więcej pojawi się rosy, a tym mniej wilgoci pozostanie w powietrzu. Oto wniosek, sprzeczny z wyobrażeniami wielu osób: obniżając temperaturę poniżej punktu rosy… suszymy powietrze!

Jeśli przykładowo temperatura spadłaby do +4°C, w powietrzu pozostanie tylko 6g/m³ wody. Jeśli wcześniej skroplona woda zostanie usunięta (dzięki sprawnej wentylacji), a potem takie suche, zimne powietrze ogrzeje się do +18°C, jego wilgotność względna zmniejszy się do wartości 40%. Oczywiście wskutek parowania (gotowanie, pranie, mycie, a także wydzielanie potu przez ludzi) wilgotność w mieszkaniu będzie wzrastać, ale pomału. Parowanie to energochłonny i dość powolny proces (szybki jest tylko w temperaturze wrzenia około +100°C). Znów dotykamy praw fizyki: para wodna ma dużo więcej energii kinetycznej niż woda. Parowanie związane jest więc z pobieraniem ciepła z otoczenia. Natomiast skraplanie oznacza oddawanie, wydzielanie ciepła.

To są jednak mniej istotne szczegóły. Dla nas najważniejsze jest to, że każdej wartości wilgotności bezwzględnej wyrażonej w gramach wody na metr sześcienny powietrza można jednoznacznie przypisać temperaturę, w której wilgotność względna sięgnie 100% i poniżej której zacznie się proces skraplania i wydzielania rosy.

Dla danej wilgotności powietrza punkt rosy to temperatura, w której wilgotność względna powietrza o danej wilgotności osiągnie 100%, a poniżej której z powietrza będzie wydzielać się rosa.

Punkt rosy może być temperaturą ujemną – wtedy para bezpośrednio będzie zamieniać się w szron w procesie resublimacji. Punkt rosy można obliczyć, znając wilgotność absolutną albo wilgotność względną i temperaturę. Wzory są skomplikowane.

Praktyczną pomocą będzie rysunek 3, pokazujący znalezione w Internecie dwa wykresy pozwalające łatwo określić punkt rosy.

Dokładniejsze dane zawiera tabela 2. W Internecie można znaleźć wiele stron z gotowymi kalkulatorami wilgotności oraz z (dość skomplikowanymi) wzorami i algorytmami do obliczania punktu rosy i wilgotności bezwzględnej na podstawie wilgotności względnej i temperatury, a takie dane otrzymujemy ze współczesnych półprzewodnikowych czujników wilgotności.

Innym pokrewnym parametrem jest indeks cieplny (heat index – humiture),  czyli temperatura, jaką odczuwamy, biorąc pod uwagę wilgotność powietrza (natomiast temperatura odczuwalna dotyczy wpływu wiatru).

Wbrew pozorom właśnie punkt rosy, czyli temperatura progu skraplania, okazuje się praktycznie użyteczna.

Oto przykład z życia wzięty:

Mamy wilgotną piwnicę i chcielibyśmy ją suszyć przez przepuszczenie przez nią świeżego powietrza z zewnątrz. Załóżmy, że panuje w niej temperatura +10°C i wilgotność względna wynosi aż 90%. Tymczasem w środku lata powietrze na zewnątrz ma temperaturę +25°C i wilgotność tylko 50%.

Co się stanie, gdy zaczniemy za pomocą wentylatora „suszyć” zimną piwnicę takim gorącym powietrzem?

Słusznie domyślasz się tu jakiejś pułapki…

Na podstawie rysunku 2 możemy dla obu przypadków określić wilgotność bezwzględną lub punkt rosy:

W zimnej piwnicy (+10°C, 90%RH) wilgotność absolutna wynosi około 8g/m³, a punkt rosy to około +8,2°C.

Natomiast gorące powietrze (+25°C, 50%RH) ma wilgotność absolutną 11,5g/m³ i punkt rosy około +13,5°C.

Porównanie wilgotności bezwzględnej wskazuje, że „świeże” powietrze na zewnątrz zawiera więcej wody niż to w wilgotnej piwnicy! Punkt rosy gorącego powietrza to ponad 13°C, więc w zimnej piwnicy o temperaturze +10°C część wody skropli się w postaci rosy (3,5 grama z każdego metra sześciennego). Wentylowanie da efekt przeciwny do zamierzonego! Po takiej nieprzemyślanej operacji piwnica będzie jeszcze bardziej wilgotna!

A teraz rozważmy inny przykład: mamy nieduży domek letniskowy o kubaturze około 100 metrów sześciennych. Domek powstał dawno, nie ma skutecznej wentylacji. Załóżmy, że jesienią robiliśmy w nim przetwory, co wiązało się z gotowaniem, czyli znacznym parowaniem. We wnętrzu temperatura osiągnęła +25°C i wilgotność 70%RH. Nadchodzą chłody, wyjeżdżamy z domku na dłuższy czas i temperatura we wnętrzu spada do +5°C.

Jeśli obliczymy wilgotność bezwzględną dla temperatury +25°C i RH = 70%, otrzymamy 16g/m³ i punkt rosy +19°C. Natomiast w temperaturze +5°C maksymalna ilość pary w powietrzu to niecałe 7g/m³. Oznacza to, że ochłodzenie spowoduje wydzielenie z każdego metra sześciennego 9/gramów wody w postaci rosy. Dla kubatury 100m³ oznacza to prawie litr wody, która osiądzie na ścianach i podłodze domku. Litr wody na domek to niewiele, ale w praktyce przy gotowaniu, praniu, suszeniu, a także poceniu się ludzi ilości pary wodnej są zdecydowanie większe. Jeśli w domku nie ma dobrej wentylacji, może to grozić zawilgoceniem i zagrzybieniem.

Jeszcze poważniejszy i trudniejszy problem wilgoci dotyczy wszelkich ścian. W ciepłym mieszkaniu mamy temperaturę powiedzmy +25°C i wilgotność 50% RH, co daje 11,5g/m³, punkt rosy +13,5°C i dość wysokie ciśnienie parcjalne pary (prawie 2kPa). Tymczasem na zewnątrz mamy temperaturę, powiedzmy –5°C i wilgotność względną 70%, co daje zawartość wody tylko 2g/m³ i ciśnienie pary poniżej 0,5kPa.

Para w mieszkaniu ma wyższe ciśnienie parcjalne niż wynosi ciśnienie pary na zewnątrz. Ściana nigdy nie jest szczelna i para wodna z domu pomału przenika przez ściany na zewnątrz.  Para wypierana na zewnątrz przechodzi przez warstwy ściany, które mają coraz niższą temperaturę. Przedostająca się na zewnątrz para staje się coraz zimniejsza i gdzieś wewnątrz ściany zaczyna się jej wykraplanie. Zależnie od różnicy temperatur i od wilgotności w mieszkaniu ten proces zaczyna się bliżej lub dalej wnętrza. W jednolitej ścianie zależności są liniowe. Jednak powszechnie mamy do czynienia ze ścianami warstwowymi, gdzie poszczególne warstwy mają po pierwsze różną rezystywność cieplną, po drugie różną dyfuzyjność dla pary wodnej. I tu wkraczamy na bardzo trudny teren, słabo rozumiany, a gorąco dyskutowany na rozmaitych forach internetowych.

Jedna kwestia to rozkład temperatur na przekroju ściany, który nie jest liniowy, tylko „schodkowy”. Zimą gdzieś na przekroju ściany zawsze jest miejsce o takiej temperaturze, gdzie para wychodząca z mieszkania zaczyna się wykraplać w ścianie.

Zawsze! Nie ma na to rady. Nie jest to stałe miejsce/odległość: wszystko zależy zarówno od wilgotności powietrza w mieszkaniu, jak też od różnicy temperatur z obu stron ściany. Punkt początku skraplania wędruje więc w ścianie bliżej lub dalej od mieszkania i to nawet w rytmie dobowym, gdy zmienia się temperatura na zewnątrz. Gdzieś wewnątrz ściany pojawia się wilgoć – woda. I to jest normalne, nieuniknione.

Problem po pierwsze w tym, ile jest tej wody. Niektóre konstrukcje ścian warstwowych (np. w budynkach o szkielecie drewnianym) zawierają folię paroizolacyjną, która ogranicza przenikanie pary. Ogranicza, ale nie zatrzymuje całkowicie. Druga, jeszcze ważniejsza sprawa, to nie tylko całkowity, sumaryczny opór dyfuzyjny wszystkich warstw ściany, ale też rozkład tego oporu na przekroju ściany. Jak powiedzieliśmy, mniejsze lub większe wykraplanie wody wewnątrz ściany jest nieuniknione. Problem w tym, czy ta wykroplona woda po zmianie warunków termicznych szybko wyparuje i zostanie usunięta na zewnątrz, czy może będzie się stopniowo gromadzić wewnątrz ściany, powodując jej zawilgocenie, a może i zagrzybienie.

A to zależy właśnie od rozkładu oporów dyfuzyjnych warstw ściany. Ogólna recepta jest taka: czym bliżej mieszkania, tym większy powinien być opór dyfuzyjny, żeby wewnętrzne warstwy ściany nie przepuszczały przez ściany dużych ilości pary. Natomiast warstwy zewnętrzne ściany powinny mieć mały opór dyfuzyjny. Wtedy para wyjdzie z mieszkania i po części wykropli się w ścianie, jednak po zmianie warunków termicznych wyparuje i z łatwością wyjdzie na zewnątrz.

Dlatego na przykład w ścianach szkieletowych bardzo ważna jest szczelna folia paroizolacyjna, umieszczona od strony mieszkania pod płytami gipsowymi. Jej opór dyfuzyjny jest tysiące razy większy od oporu dyfuzyjnego powietrza, drewna, muru czy wełny mineralnej, więc taka folia zdecydowanie ogranicza ilość pary wydostającej się z mieszkania przez ściany. Niestety, każda dziura w folii paroizolacyjnej (np. wycięcia na rury, kable, puszki elektryczne) dramatycznie pogarsza sytuację, co może prowadzić do zawilgocenia ściany (np. wełny mineralnej) i zdecydowanego zmniejszenia izolacyjności cieplnej.

Problem oporu dyfuzyjnego dotyczy też ocieplania budynków przyklejanym na zewnątrz styropianem, który ma opór dyfuzyjny dla pary zdecydowanie większy niż cegła, pustak i podobne materiały konstrukcyjne. Umieszczenie słabo przepuszczającego parę styropianu na zewnątrz nie jest korzystne dla pozbycia się wilgoci ze ściany i w pewnych przypadkach może doprowadzić do zawilgocenia ścian.

W kontekście omawianych zagadnień istotne jest też, by redukować wilgotność w newralgicznych miejscach domu, zwłaszcza łazienkach, pralniach, kuchniach choćby przez stosowanie skutecznych wyciągów, by zwiększona ilość pary wodnej „nie wchodziła tam w ściany”. Tu jest pole do realizacji automatycznych sterowników wentylatorów, wykorzystujących czujniki wilgotności.

Poruszyliśmy tu tylko niektóre zagadnienia związane z wilgotnością, i to bardzo pobieżnie. To tylko wierzchołek potężnej góry lodowej. Jednak „Elektronika dla Wszystkich” jest czasopismem dla elektroników, więc celem tego artykułu jest tylko zasygnalizowanie problemu i wskazanie na możliwość samodzielnych działań i badań z zastosowaniem nowoczesnych elektronicznych czujników wilgotności i temperatury. Niekoniecznie chodzi o umieszczenie szeregu takich miniaturowych, a wręcz mikroskopijnych czujników na różnych głębokościach w ścianie (co jest jak najbardziej realne na etapie budowy i mogłoby być podstawą poważnej rozprawy naukowej). Wiele pożytku i satysfakcji dadzą też realizacje elementów inteligentnego domu, wykorzystujące czujniki wilgotności umieszczone w różnych miejscach domu.

Chętnie przedstawimy wszelkie projekty oraz realizacje systemów i urządzeń, wykorzystujących nowoczesne czujniki wilgotności powietrza.

Zupełnie oddzielną sprawą jest kwestia wilgotności gleby. Inne są zasady fizyczne i inne sposoby pomiaru. Inny jest też cel pomiaru wilgotności gleby. To temat na oddzielny artykuł.

Piotr Górecki