梅雨季節(jié)地鐵站除濕策略研究

劉寶雨　楊元年　何冉　陳云東　陳兵　李錦

摘 要：文章通過(guò)研究廣州地區(qū)梅雨季節(jié)氣候特點(diǎn)，針對(duì)地鐵使用情況，對(duì)既有環(huán)控設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，實(shí)現(xiàn)低投入、高收益，有效降低車站濕度。通過(guò)《空氣調(diào)節(jié)》內(nèi)表冷器計(jì)算公式對(duì)既有設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，得出改造方案可行。

關(guān)鍵詞：梅雨季節(jié);相對(duì)濕度;空氣參數(shù);組合空調(diào)器;冷水機(jī)組

隨著軌道交通技術(shù)的成熟，城市交通采用的地鐵逐漸普及，在南方地區(qū)大的城市、特區(qū)城市、副省級(jí)城市，基本都陸續(xù)開通地鐵線路。嶺南、華南區(qū)域2～4月份多回南天，江南地區(qū)多陰雨，4～6月份迎來(lái)梅雨季。此時(shí)，室外空氣濕度大部分時(shí)間不低于80%，在城市中，以地下站為主的地鐵站站廳、出入口等公共區(qū)域濕度會(huì)更大，穿行其中的乘客、工作人員體感不適。在現(xiàn)有空間中，利用既有設(shè)備，增加少量設(shè)備，構(gòu)建除濕系統(tǒng)，通過(guò)除濕系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性下的運(yùn)行，合理降低空氣中的水分含量，從而控制梅雨季節(jié)公共區(qū)的相對(duì)濕度，提高使用者舒適度。

1 ? ?地鐵站濕度大的危害。

地鐵作為城市主要的公共交通，已成為城市人口出行的首選。地鐵站內(nèi)周期性地匯集大量客流，人員在公共區(qū)域內(nèi)活動(dòng)時(shí)散發(fā)大量的水分;通風(fēng)設(shè)備中從室外引入的空氣相對(duì)濕度非常高;南方地下水豐富，水通過(guò)鐵站維護(hù)結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管向站內(nèi)滲透，散發(fā)大量的水汽。3種途徑匯集的水蒸氣使站內(nèi)空氣濕度比外界高，造成如下危害：

（1）空氣濕度大，站內(nèi)電氣設(shè)備容易受潮性能下降。更為嚴(yán)重的是，在電氣設(shè)備表面凝結(jié)水珠，在重力以及毛細(xì)現(xiàn)象等作用下，滲入或者流入設(shè)備內(nèi)部，造成短路，嚴(yán)重時(shí)起火燒毀，甚至報(bào)廢。售票設(shè)備損壞，影響出票效率;監(jiān)控設(shè)備損壞，影響監(jiān)控區(qū)域影像采集;播音喇叭損壞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)廣播等問(wèn)題均成為地鐵運(yùn)營(yíng)隱患。

（2）空氣中灰塵顆粒作為凝結(jié)核，使空氣中漂浮的水霧凝結(jié)成水滴，停留在金屬表面?？扇芙怆s質(zhì)使凝結(jié)水形成離子水，在金屬表面形成電橋，引起電化學(xué)腐蝕，加快了金屬裝飾物等的損毀。

（3）公區(qū)潮濕的環(huán)境易于滋生霉菌、螨蟲。離壁墻表面溫暖，潮濕、凹凸的表面更成為真菌、病菌螨蟲繁殖的溫床。各種璧面成為細(xì)菌源頭，散發(fā)病菌孢子，導(dǎo)致乘客罹患病毒感染、流感、哮喘等傳染性病。

（4）長(zhǎng)期在地鐵中工作的乘務(wù)員、機(jī)電檢修人員，在相對(duì)濕度大的環(huán)境中，容易患風(fēng)濕、類風(fēng)濕疾病。逗留時(shí)間長(zhǎng)的乘客也會(huì)增加患類似病風(fēng)險(xiǎn)。

2 ? ?地鐵站內(nèi)濕度大成因分析

梅雨季節(jié)發(fā)生的時(shí)間多為春季后期或夏季前期，空氣溫度多為18～27 ℃，相對(duì)空氣濕度一般在80%以上。根據(jù)人體舒適度表查知，在此溫度、濕度下人體體感很差。廣州2019年4月室外氣象參數(shù)如表1所示。

選取一個(gè)地鐵站作為研究的樣本，分析站內(nèi)散熱、散濕數(shù)值，室外取梅雨季節(jié)通風(fēng)，計(jì)算溫度取平均值為25.85 ℃，相對(duì)濕度取80%，空氣含濕量為16.9 g/kg，站臺(tái)公共區(qū)溫度為24 ℃，站廳公共區(qū)為22 ℃，標(biāo)準(zhǔn)車站組合空調(diào)器風(fēng)量為45 000 m3/h，如表2所示。

根據(jù)消除余濕計(jì)算公式L=kX/（Y2-Y1），k值取1，帶入數(shù)據(jù)45 000×1.2×2=1×112.5/（Y2-16.9），計(jì)算得出站內(nèi)空氣含濕量為18.03 g/kg。

查焓濕圖，站臺(tái)相對(duì)濕度為95.2%，站廳相對(duì)濕度為107.6%（非穩(wěn)狀態(tài)），站廳層空氣理論達(dá)到飽和，各種壁面會(huì)有冷凝水凝結(jié)現(xiàn)象。

地鐵土建結(jié)構(gòu)深埋于地下，在非空調(diào)季節(jié)與常年土壤溫度溫差較小。車站站廳公共區(qū)緊鄰結(jié)構(gòu)外墻，內(nèi)側(cè)溫度在梅雨季節(jié)與土壤溫度溫差值最小。查2019年廣州室外氣象參數(shù)，4月份室外干球溫度平均值取25.8 ℃，查《基于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的廣州地區(qū)土壤溫度推薦值》，2月份地下埋深6 m土壤溫度19.9 ℃（埋深很深的土壤收地面溫度影響嚴(yán)重滯后，可用2月份土壤溫度作為4月份土壤溫度使用），得出公共區(qū)壁面溫度低于室外干球溫度。從出入口滲透至公共區(qū)的室外新風(fēng)與內(nèi)側(cè)墻體接觸，水凝氣凝結(jié)成水，水受重力影響下流匯集，出現(xiàn)地面潮濕、流水。

3 ? ?地鐵梅雨季節(jié)除濕方案

3.1 ?冷凍除濕

組合空調(diào)器降溫除濕，將進(jìn)風(fēng)水蒸氣凝結(jié)，表冷器溫度必須低于空氣狀態(tài)露點(diǎn)溫度。理想狀態(tài)下，溫差越大，冷凝除濕效果越好。因風(fēng)機(jī)散熱量不大，不足以提供較高溫升，可忽略風(fēng)機(jī)發(fā)熱對(duì)表冷器后的風(fēng)量溫度影響。降溫后的空氣相對(duì)濕度大于95%，溫度低于室外干球溫度。公共區(qū)溫度低于室外溫度，過(guò)渡季節(jié)不節(jié)能，人員感覺(jué)不舒適。

3.2 ?除濕機(jī)

相較于常規(guī)設(shè)計(jì)方案，新增吊頂式除濕機(jī)，配套增加配電電纜、控制系統(tǒng)。站廳公共區(qū)頂部有足夠空間，站臺(tái)無(wú)空間，安裝、檢修均不便。為應(yīng)對(duì)不到一個(gè)月的梅雨時(shí)節(jié)，安裝11月不運(yùn)轉(zhuǎn)的除濕機(jī)及相關(guān)設(shè)備、管線，經(jīng)濟(jì)性不高，方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.3 ?既有水系統(tǒng)改造

車站冷水系統(tǒng)改造.新增小流量冷卻水系統(tǒng)，將冷卻水送至組合式空調(diào)器一組表冷器，冷凍水泵變頻低流量運(yùn)行，冷凍水送至組合式空調(diào)器另一組表冷器。地鐵組合式空調(diào)器表冷段均為多組表冷器 拼裝，通過(guò)水管接管閥門關(guān)、開，實(shí)現(xiàn)表冷器的除濕、降溫工況轉(zhuǎn)換。

既有車站水系統(tǒng)改造后，除濕與制冷工況運(yùn)行，各閥門＼各設(shè)備運(yùn)行工況如表3所示。

4 ? ?組合空調(diào)器除濕量計(jì)算及表冷器換熱驗(yàn)證;

4.1 ?除濕量計(jì)算

室外空氣參數(shù)與上述狀態(tài)一致，溫度取平均值t1=25.85 ℃，ts1=23.20 ℃，i1=69.1 kJ/kg，相對(duì)濕度取80%，空氣含濕量為16.9 g/kg;站臺(tái)公共區(qū)溫度為24.00 ℃;站廳公共區(qū)為22.00 ℃，站廳相對(duì)濕度為65%，含濕量為11.5 g/kg。標(biāo)準(zhǔn)車站組合空調(diào)器風(fēng)量為45 000 m3/h。

除濕量包含：

（1）人員散濕量99.9 kg/h。

（2）結(jié)構(gòu)散濕量12.6 kg/h。

（3）室外新風(fēng)降到設(shè)計(jì)工況水蒸氣量。

W=ρG（dw-dn）=1.2×45 000×2×（16.9-11.5）=583 kg/h;

除濕量總和為（1）+（2）+（3）=99.9+12.6+583=695.7 kg/h;

除濕表冷器冷量為飽和水蒸氣變溫等溫水液化熱量+飽和水降溫至10.50 ℃的溫差熱量;

單臺(tái)表冷器飽和水蒸氣變溫等溫水液化熱量=695.7÷2÷ 3 600×2 443.6=236.10 kW;

單臺(tái)表冷器飽和水降溫至10.5 ℃，溫差熱量=（25.8-10.5）× 4.2×695.7÷2÷3 600=9.77 kW;

單臺(tái)除濕表冷器所需冷量=236.1+9.77=245.9 kW;

單臺(tái)除濕表冷器水量=245.9×0.86÷5=42.2 m3/h=11.7 kg/h。

4.2 ?表冷器除濕能力計(jì)算

無(wú)車站組合空調(diào)器具體型號(hào)，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，根據(jù)單臺(tái)組合空調(diào)器風(fēng)量為45 000 m3/h，兩組表冷器上下布置，暫定表冷器為JW30-4，風(fēng)量為16 700～25 000 m3/h。

5 ? ?排管

每排散熱面積Fd=33.400 00 m2;

迎風(fēng)面積Fy=2.570 00 m2;

通水?dāng)嗝娣efw=0.005 53 m2。

5.1 ?求表冷器迎面風(fēng)速及水流速度

Vy=G/（ρ×Fy）=45 000÷2÷3 600×1.2÷2.57÷1.2=2.432 m/s，ω=W/fw×1/1 000=11.7÷0.005 53÷1 000=2.120 m/s。

5.2 ?求表冷器可提供的?2

當(dāng)Vy=2.432 m/s，N=6排，采用插入法得E=0.891 1。

5.3 ?假定t2空氣狀態(tài)參數(shù)

先假定t2=10.5 ℃<一般t2=tw1+（4～6）℃。

根據(jù)ts2=t2-（t1-ts1）（1-?2）可得：

ts2=10.5-（25.85-23.2）×（1-0.891 1）=10.2 ℃。

查焓濕圖，ts2=10.2 ℃時(shí)，i2=29.8 kJ/kg。

5.4 ?求吸濕系數(shù)

根據(jù)ζ=（i1-i2）/cp（t1-t2）可得：

ζ=（69.1-29.8）/1.01×（25.85-10.5）=2.53。

5.5 ?求傳熱系數(shù)

JW型6排表冷器Ks=[1/（41.5Vy0.52ζ1.02）+1/（325.6ω0.8）]-1=[1÷（41.5×2.4320.52×2.531.02）+1÷（325.6×2.120.8）]-1=129.07 w/（cm. ℃）

5.6 ?求表冷器能得到的Eg值

β=KSF/ζGcp=129.07×33.4×6÷（2.53×45 000÷2÷ 3 600×1.2×1.01×1 000）=1.349 6γ=ζGcp/WC=2.53×45 000÷2÷ 3 600×1.2×1.01×1 000÷（11.7×4.19×1 000）=0.390 9;

由β=1.349 6和γ=0.390 9，按式計(jì)算可得：

Eg=[1-e-1.349 6×（1-0.390 9）]/[1-0.390 9e-1.349 6×（1-0.390 9）] =0.527;

5.7 ?求需求的Eg并與上面得到的Eg比較

Eg=（t1-t2）/（t1-tw2）=（25.58-10.5）÷（25-7）=0.838;

計(jì)算時(shí)可取δ=0.01;

當(dāng)|ε1-ε|≤δ時(shí)，證明所設(shè)t2=10.5 ℃合適。得到的空氣終參數(shù)為t2=10.5 ℃，ts2=10.1 ℃，i2=29.8 kJ/kg。

5.8 ?求冷量及終溫

地鐵站總除濕冷量：Q1=45 000÷3 600×1.2×（69.1-29.8）=589 kW;

tw2=7+45 000÷3 600×1.2×（69.1-29.8）÷（6.53×4.19）=14.25 ℃。

經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，組合空調(diào)器一半表冷器作為除濕段滿足車站的除濕需求。冷凍水泵變頻運(yùn)行水量Wl=589×0.86÷（14.25-7）=69.9 m3/h

查《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）中性能系數(shù)（COP），冷水機(jī)組COP選取5.0，可計(jì)算得出組合空調(diào)器另一半表冷器作為冷卻散熱器，散熱量為Q1=45 000÷2÷ 3 600×1.2×（69.1-29.8）×（1+1÷5）=706 kW;

冷卻水泵水量Wq=706×0.86÷5=121 m3/s;

重復(fù)上述驗(yàn)證過(guò)程，組合空調(diào)器另一半表冷器作為冷卻散熱器滿足散熱要求。

標(biāo)準(zhǔn)地鐵車站冷水機(jī)組冷量一般為590 kW，計(jì)算除濕需冷量為589 kW。冷水機(jī)組工作在高效區(qū)，能達(dá)到節(jié)能效果。

6 ? ?結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)地鐵冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行改造，組合空調(diào)器表冷段一部分作為除濕段，一部分作為散熱段，對(duì)地鐵車站實(shí)施除濕方案，經(jīng)公式計(jì)算驗(yàn)證，技術(shù)可行。

（2）與增設(shè)除濕機(jī)組方案、冷凍除濕方案相比，本方案最經(jīng)濟(jì)可行。

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