成渝經(jīng)濟圈濕環(huán)境分析及應(yīng)對方案

張俊苗 盧 軍 楊露露

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400044）

0 濕環(huán)境研究意義

中央財經(jīng)委員會第六次會議中，習(xí)近平強調(diào)要推動成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈建設(shè)，而成渝經(jīng)濟圈因氣候因素發(fā)展受限，人居環(huán)境質(zhì)量堪憂，尤以秋冬季節(jié)為甚。以成渝地區(qū)年降水量豐富，大部分地區(qū)在1000～1350mm；云霧較多，年日照數(shù)1000～1400h，日照百分率僅為25%～35%；年平均相對濕度多在70%～80%，屬于高濕區(qū)。成渝地區(qū)相對濕度過大，空氣濕度的控制刻不容緩。

據(jù)研究，環(huán)境相對濕度大于60%時霉菌就會開始生長，相對濕度大于85%則是霉菌的高發(fā)環(huán)境。潮濕多云霧的環(huán)境不僅會對農(nóng)作物的生長發(fā)育，還會對我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活及身心健康帶來不良影響。

0.1 相對濕度與空氣質(zhì)量的關(guān)系

通過對重慶市2014年至2018年的空氣濕度以及顆粒物濃度數(shù)據(jù)（見圖1）處理后發(fā)現(xiàn)，其空氣濕度主要集中在75%～85%，其平均值達到了78%，秋、冬季較大，春季次之，夏季最小，變化趨勢大致呈余弦函數(shù)分布；絕對濕度大部分集中在6g/m3～8g/m3和18g/m3～21g/m3，平均值為12.52g/m3，絕對濕度的年變化呈現(xiàn)倒“U”型分布，夏季絕對濕度最大，春、秋季次之，冬季最小。

圖1 空氣濕度的季節(jié)變化特征Fig.1 Seasonal variation characteristics of air humidity

對相對濕度進行區(qū)間劃分，圖2、圖3 分別為PM2.5 和PM10 的質(zhì)量濃度在不同相對濕度、絕對濕度區(qū)間的分布圖，可以看出，隨著相對濕度的增大，PM2.5 和PM10 的平均質(zhì)量濃度也隨之增加；而PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度隨著絕對濕度的增加而降低，絕對濕度集中在9～12g/m3時，PM2.5和PM10 的濃度最大。

圖2 不同相對濕度區(qū)間顆粒物濃度分布圖Fig.2 article concentration distribution in different relative humidity ranges

圖3 不同絕對濕度區(qū)間顆粒物濃度分布圖Fig.3 Particle concentration distribution in different absolute humidity ranges

研究顯示，相對濕度RH 通過物理和化學(xué)過程顯著地影響PM 從形成到分解的過程[1]。由此可知，空氣濕度和空氣質(zhì)量存在相關(guān)關(guān)系，為了改善成渝地區(qū)的人居環(huán)境，調(diào)節(jié)城市的空氣濕度必不可少。

0.2 相對濕度與臭氧濃度的關(guān)系

大氣中的臭氧主要分布在平流層（約海平面至距離地面15～50km 范圍內(nèi)）和對流層（在海平面距離地面15km 范圍內(nèi)）中。平流層中的臭氧起著吸收紫外輻射保護人類和地球環(huán)境的重要作用。但對流層大氣中的臭氧是一種對地球上生命有害的氣體污染物，作為一種氧化性極高的氣體，它對人體健康、生態(tài)環(huán)境、氣候變化都有不利的影響。

水汽與臭氧濃度反應(yīng)是流層臭氧濃度的一個重要的匯集?？傮w來看，隨著相對濕度的增加，臭氧平均濃度逐漸減少。重慶地區(qū)相對濕度常年較高，臭氧含量較低也驗證了這一結(jié)論[2]。

成渝地區(qū)的秋冬季節(jié)過于潮濕的環(huán)境對人居環(huán)境和生產(chǎn)生活造成極為惡劣的影響，因此，分析造成高濕環(huán)境的成因和采取高效地調(diào)濕措施迫在眉睫。

1 濕氣候的影響因素

成渝經(jīng)濟圈位于中國西南部、長江上游地區(qū)，年平均降水量較豐富，年平均氣溫為16～18℃，年平均相對濕度多在70%～80%之間，屬高濕區(qū)。由于其獨特的地理、氣候等影響，全年空氣濕度較大。其中高濕環(huán)境的影響因素分為以下幾個方面：

1.1 自然因素

（1）四川盆地影響

由于青藏高原平均海拔超過4000 米，比平原地區(qū)接受到的太陽輻射更多。夏季高原表面吸收的太陽熱量不斷的加熱地表上方空氣，地面區(qū)域形成低壓區(qū)，吸引了印度洋和太平洋的季風(fēng)進入。季風(fēng)帶來的大量水氣途經(jīng)四川盆地時，被周圍的高山阻擋，形成地形雨；同時四川盆地氣候溫暖濕潤，盆地內(nèi)部蒸發(fā)的水蒸氣無法散出，持續(xù)堆積在該區(qū)域形成持續(xù)的云層和降雨，雨季時間長，降雨強度大。這也是成渝地區(qū)是全國陽光輻射最少地區(qū)的主要原因之一。

（2）地形地勢影響

成渝地區(qū)江河較多，其中重慶市流域面積大于50 平方公里的河流達到510 條，成都市河網(wǎng)密度高達1.22km/km2。同時成渝地區(qū)全年氣溫較高，江河蒸發(fā)量大，導(dǎo)致其濕度較大。

1.2 植物蒸騰作用

大部分植物的夏季蒸騰作用最強，春秋季次之，冬季最弱。而植物蒸騰作用的強弱是影響植物散濕量的主要因素。森林覆蓋率是調(diào)查范圍內(nèi)的濕度差異變化的主要決定因素，森林覆蓋率越高，相應(yīng)濕度越大，覆蓋率低則反之。成渝經(jīng)濟圈冬季溫度最低日平均溫度在2～5℃之間，全年常綠植物多，秋冬季節(jié)植被蒸騰作用較強。

以重慶為例，重慶年平均相對濕度多在70%～80%之間，森林覆蓋率達37.15%。重慶市森林面積總體上逐年增幅更大，并且始終保持增長狀態(tài)。結(jié)合植物散濕量估算方法[3]，估算可得2017年重慶市森林增濕總量約為524814.108 萬噸，2017年重慶市降水量為1196.2 毫米。

圖4 重慶市逐年森林面積和散濕量情況Fig.4 Annual forest area and moisture dissipation in Chongqing

1.3 天然氣燃燒排濕

天然氣的主要成分為甲烷，1 份的天然氣燃燒會產(chǎn)生2 份的水蒸氣。據(jù)測算，每1 立方米天然氣燃燒后可以產(chǎn)生約1.55 千克的水蒸氣。

天然氣完全燃燒：

天然氣不完全燃燒：

據(jù)重慶市年鑒得到重慶市2013 至2018年間重慶市城市天然氣消耗總量，設(shè)想重慶城市供應(yīng)的天然氣全部燃燒生成的水汽量全部轉(zhuǎn)化成液態(tài)水，并設(shè)這些液態(tài)水平均分布在重慶市主城區(qū)（總面積為28657km2），將其折合成降雨量。2013年至2018年間每年由于燃燒天然氣增加的降雨量計算可得如表1 所示。

表1 燃氣燃燒產(chǎn)生的水汽量Table 1 Water vapor produced by gas combustion

續(xù)表1 燃氣燃燒產(chǎn)生的水汽量

計算可得燃氣燃燒產(chǎn)生的水汽量轉(zhuǎn)化成的降雨量約占每年降雨量的1/5000，其產(chǎn)生的降雨量約占冬季降雨量的1/300，故秋冬季節(jié)天然氣的燃燒產(chǎn)生水汽對成渝地區(qū)的濕度有一定的影響。由于地形條件所限，當秋冬季節(jié)，氣候條件不利于空氣擴散時，大量水蒸汽聚集在低空，會導(dǎo)致相對濕度的提高，造成高濕的環(huán)境。故燃氣燃燒在成渝地區(qū)應(yīng)當引起重視。

1.4 三峽水庫影響

三峽工程成庫后，水位上升，河道增闊，水體增大將使下墊面中水陸比例發(fā)生改變，對太陽輻射的吸收和釋放也發(fā)生改變。

三峽水庫水面蒸發(fā)量呈周期性變化，最大蒸發(fā)量在8月份，最小蒸發(fā)量在1月份。春季占全年的24.3%、夏季占42.9%、秋季占22.6%、冬季占10.2%[4]。三峽水庫平均月水面蒸發(fā)量為68.5mm，則冬季水面平均蒸發(fā)量約在205.5mm。按冬季蓄水位175m 計算，水域覆蓋面積達到1084km2。水庫冬季平均蒸發(fā)量則達到了222762m3。對庫區(qū)周邊的濕環(huán)境造成不利影響。

1.5 汽車尾氣排放

隨著群眾生活水平的不斷提升，重慶的汽車保有量近幾年增速位居全國第一。截至2019年12月，公安部交管局數(shù)據(jù)顯示，重慶汽車保有量已達463.3 萬輛，位居全國前三。

網(wǎng)絡(luò)對企業(yè)財務(wù)會計管理產(chǎn)生的影響還體現(xiàn)在協(xié)同效應(yīng)上，影響著財務(wù)業(yè)務(wù)協(xié)同，對于企業(yè)的各項物流以及資金資產(chǎn)和經(jīng)營信息能有效的收集以及整合，也支持業(yè)務(wù)的協(xié)同。企業(yè)的內(nèi)部經(jīng)營信息的協(xié)同下，能為財務(wù)工作提供依據(jù)，方便財務(wù)會計的管理，能最大化降低生產(chǎn)成本。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的企業(yè)能實現(xiàn)和供應(yīng)商和企業(yè)的協(xié)同，這樣能最大化提高風(fēng)險控制水平，以及最大程度降低財務(wù)風(fēng)險。

據(jù)研究，汽車尾氣中的水汽成分可以高達13%，相比于空氣中0.03%左右的水蒸氣較高，而水蒸氣的增加會使相對濕度增加。

查閱年鑒得到重慶市近五年油料的使用量，一般車輛占油料消耗總量的55%左右，估算可得近年來由于汽車尾氣排放所產(chǎn)生水汽量，如表2 所示；除汽車耗油產(chǎn)生水汽，耗氣汽車也會產(chǎn)生大量水汽，查看年鑒得到近年耗氣汽車保有量對其進行估算，如表3 所示。

由表2、表3 可知，成渝地區(qū)車輛產(chǎn)生的水汽量是不容小覷的，所以對于汽車尾氣末端產(chǎn)生的水汽應(yīng)進行處理，不能隨意讓其排放在環(huán)境中。

表2 耗油汽車產(chǎn)生水汽量Table 2 Water vapor generated by fuel-consuming vehicles

表3 天然氣汽車產(chǎn)生水汽量Table 3 Water vapor generated by natural gas consuming vehicles

1.6 冬季空調(diào)滴水現(xiàn)象

由于沒有集中供暖及經(jīng)濟技術(shù)因素等影響，南方冬天普遍使用空調(diào)制熱。一般制熱模式啟動，室外溫度是在10℃以下。室外溫度低，室外機還需要吸收熱量時，蒸發(fā)器本體溫度會降到0℃以下，周圍的水分很快就會凝結(jié)成霜。室外氣溫越低，相對濕度越大，空調(diào)化霜越頻繁。

南方冬季大量排放的融霜水引發(fā)了資源浪費，而融霜水雖不是絕對的純凈水，但其水質(zhì)較好完全可以回收利用。

圖5 空調(diào)滴水現(xiàn)象Fig.5 Dripping phenomenon of air conditioner

由濕空氣干球溫度及相對濕度即可求得其含濕量。且設(shè)空氣與蒸發(fā)器接觸時間無限長，則濕空氣出口狀態(tài)點應(yīng)與冷劑入口溫度相同，且接近飽和狀態(tài)。最后由質(zhì)量守恒定律就可以求得凝結(jié)水量。通過單位流量空氣時空調(diào)產(chǎn)生的融霜水量計算公式為：

式中：m為冷凝水量，kg/h；do為回風(fēng)/新風(fēng)空氣的含濕量，kg/kg；di為送風(fēng)空氣的含濕量，kg/kg；ρ為空氣密度，取1.2kg/m3；vo為空氣流量，取單位流量1m3/h。

表4 重慶市供暖季各月每小時接觸1m3/h空氣時融霜水量Table 4 Defrosting water volume when exposed to 1m3/h air every month in heating season in Chongqing

現(xiàn)實生活中，冬季各類建筑使用空調(diào)時間一般在4～8h 之間，且成渝地區(qū)空氣相對濕度較大，故空調(diào)制熱產(chǎn)生的融霜水量不容小覷。而國內(nèi)對家用空調(diào)融霜水的處置主要采用向室外排放的方法，會對城市濕環(huán)境造成一定影響。

1.7 燃煤電廠煙氣排放

國內(nèi)大部分火電機組均采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝[5]，煙氣中的水蒸氣含量增多，吸收塔出口煙溫降低至45～60℃左右，經(jīng)煙囪口擴散時由于外部環(huán)境溫度低，出現(xiàn)冷凝，在煙囪周邊形成“煙囪雨”。若不進行處理，會對環(huán)境的濕度造成一定的影響。

2011 至2017年重慶市能源消耗量變化趨勢見圖6。對濕法脫硫且排放飽和濕煙氣的煤電機組，每生產(chǎn)1 千瓦時能排放3.5m3標態(tài)煙氣，飽和濕煙氣溫度按50℃計，則其含濕量為111.8g/m3，每生產(chǎn)1 千瓦時電能排放約0.39kg 水蒸氣。對閉式水冷循環(huán)的火電機組，冷卻塔排放的水蒸氣按煙氣排放的水蒸氣的4.5 倍估算，每生產(chǎn)1 千瓦時電能對應(yīng)排放約1.76kg 水蒸氣，與煙氣排放合計2.15kg。2018年重慶市火電發(fā)電量為553.39 億千瓦時，估算水蒸氣排放量為1 億噸，考慮部分機組采用空冷、直流冷卻方式，估算水蒸氣排放量約0.8 億噸。

圖6 2011 至2017年重慶市能源消耗量變化趨勢Fig.6 The trend of energy consumption in Chongqing from 2011 to 2017

1.8 工業(yè)、商業(yè)冷卻水蒸發(fā)散濕

工業(yè)冷卻塔是將工業(yè)廢熱散去的設(shè)備。干燥的空氣經(jīng)風(fēng)機進入冷卻塔，飽和蒸汽分壓力大的高溫水分子向壓力低的空氣流動，當水與空氣接觸時，空氣與水直接傳熱的同時，水與空氣在壓力作用下，產(chǎn)生水蒸氣，帶走蒸發(fā)潛熱，從而降溫。

商業(yè)冷庫也離不開冷卻水的蒸發(fā)冷卻作用，對周圍環(huán)境的濕度造成了一定的影響?？照{(diào)冷卻水、汽車冷卻水等同樣地影響了重慶地區(qū)的濕環(huán)境。

圖7 工業(yè)冷卻塔Fig.7 Industrial cooling tower

1.9 人體散濕

日常生活中，人體作為一項重要濕源也會向外散濕，是城市濕源中不可忽視的一部分。根據(jù)女性散濕約為男性85%，兒童約為其75%的比例取群集系數(shù)；以2019年重慶市人口3124.3 萬人，其中兒童約為566.75 萬人，男女比例約為1.002:1 進行估算。重慶市秋冬平均氣溫13.5℃，取成年男子輕度勞動散濕量82g/h。

由人體散濕量計算公式：

式中：M為人體散濕量，kg/s；n為人口數(shù)；φ為群集系數(shù)；g為成年男子散濕量，kg/h。

求得重慶市人體散濕量約為636.23kg/s。由此可知，人體散濕在城市濕源中占有很大比重。

2 調(diào)濕措施及效果分析

2.1 冷卻塔節(jié)水消霧技術(shù)[6]

對于冷卻塔散濕部分，我們可以采用節(jié)水消霧式冷卻塔，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 節(jié)水消霧式冷卻塔結(jié)構(gòu)Fig.8 Water saving and mist eliminating cooling tower structure

（1）節(jié)水工作原理

以保證冷卻塔效果為前提，當環(huán)境溫度比較低時，部分高溫循環(huán)水經(jīng)下層配水管道C 噴淋在原填料區(qū)，并流入下部水池；其他高溫循環(huán)水經(jīng)上層配水管道A 進入翅片管換熱器進行間壁換熱，再流入下部水池，此處高溫循環(huán)水與空氣不接觸，不存在蒸發(fā)，達到節(jié)水效果。

（2）消霧工作原理

干冷空氣經(jīng)原填料區(qū)淋水后變成濕熱空氣，兩種狀態(tài)的空氣在氣室內(nèi)混合后由風(fēng)筒排出，與大氣混合。溫度最低時，風(fēng)筒排除的為不飽和空氣，不生成凝結(jié)水蒸氣，從而減弱甚至消除霧團。

（3）效益分析

增加翅片管換熱器后，其下面填料區(qū)的高度降低，綜合風(fēng)阻與原風(fēng)阻基本一致，故軸功率基本不變，能耗沒有升高。按每年運行時間365 天、噸水價格5 元計，每年減少蒸發(fā)水約9 萬噸，可節(jié)省成本約45 萬元。翅片管換熱器投資成本為200 萬元，則投資回報率為4.44年。

2.2 燃煤電廠濕煙氣處理技術(shù)

對于燃煤電廠排放的濕煙氣散濕部分，可在排放前對濕煙氣進行預(yù)處理，目前除濕方式主要是濕法脫硫塔后噴淋換熱洗滌回收。

（1）工作原理

①在脫硫塔后與煙囪之前加裝除濕脫白裝置。當煙氣進入煙道后，一級循環(huán)泵組抽取冷水池中低溫水，對煙道內(nèi)高溫煙氣進行一級噴淋。原低溫噴淋水經(jīng)過與高溫煙氣進行充分換熱后，溫度升高，進入熱水池內(nèi)。

②一次換熱后的煙氣進入冷水池內(nèi)，進行二次噴淋降溫。二次噴淋的煙氣經(jīng)除霧器后被排出，排出的煙氣溫度已被降至小于30℃。其中二次噴水是二級循環(huán)泵抽取的高溫水，經(jīng)海水換熱器后，形成冷水以保證煙氣降低的溫度。達到除濕脫白、余熱回收等目的。

圖9 濕法脫硫后噴淋換熱洗滌回收示意圖Fig.9 The diagram of spray heat exchange and water recovery after FGD

（2）效益分析

表5 煙羽消白系統(tǒng)總運行成本增量估算Table 5 Estimation of total operation cost increment of plume whitening system

整個煙羽消白系統(tǒng)初投資費用約230 萬元，年運行小時數(shù)5000h，折舊年限15年，煙氣系統(tǒng)產(chǎn)生能耗500kW，水系統(tǒng)增加功耗250kW，節(jié)水量30t/h，噸水價格5 元，年用電費用100 萬元，年節(jié)水費用達75 萬元，維護及折舊成本較高，約合295萬元。則煙羽消白改造總運行成本增量約320 萬元。

2.3 熱源塔熱泵技術(shù)

熱源塔熱泵系統(tǒng)就是一種新型的能源系統(tǒng)。在夏季工況，熱源塔用作冷卻塔，冬季即冷卻塔的逆用。適用于冬季潮濕、濕球溫度高的成渝地區(qū)。

（1）除濕量

利用文獻[7]武漢地區(qū)項目數(shù)據(jù)作為參考，對其項目數(shù)據(jù)整理得到圖11 所示。

圖10 熱源塔的工作原理圖Fig.10 Working principle diagram of heat source tower

圖11 熱源塔進出口空氣焓差和除濕量隨室外空氣干球溫度的變化Fig.11 Variation of air enthalpy difference and dehumidification capacity at inlet and outlet of heat source tower with outdoor air dry bulb temperature

在相對濕度大致相同的情況下，通過圖11 發(fā)現(xiàn)，隨著室外空氣干球溫度從-3℃逐漸升高到8℃，濕空氣的進出口焓差從6.07kJ/kg 增加至9.17kJ/kg。隨著進口空氣干球溫度的升高，熱源塔對空氣的除濕量從0.9g/kg干空氣增加到1.9 g/kg干空氣。統(tǒng)計近三年重慶最冷月（1月）平均溫度7.98℃下，熱源塔熱泵除濕量可以達到1.9g/kg。

（2）效益分析

以重慶市某辦公樓為例，分析熱源塔熱泵系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益。表6 為熱源塔熱泵系統(tǒng)的初投資估算可知，熱源塔熱泵系統(tǒng)造價稍高，其他兩種方案略低。表7 可知熱源塔熱泵系統(tǒng)運行費用低，且能耗較低，一次能源利用率高，具有很好應(yīng)用前景，在成渝地區(qū)具有很大發(fā)展空間。

表6 熱源塔熱泵系統(tǒng)的初投資估算Table 6 Initial investment estimation of heat source tower heat pump system

表7 各系統(tǒng)全年能耗及運行費用比較Table 7 Comparison of annual energy consumption and operation cost of each system

2.4 空氣源熱泵技術(shù)

冬季，成渝地區(qū)可利用空氣源熱泵技術(shù)從室外空氣中吸熱供暖。同時，濕空氣流經(jīng)蒸發(fā)器，溫度降低，空氣中的水汽凝結(jié)出來，空氣得以除濕。

（1）除濕量

通過對文獻[8]中實驗數(shù)據(jù)分析，代入2017-2020年重慶市平均各月空氣干球溫度及相對濕度數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，重慶市2月份除濕量最低為0.91L/h，在10月份最高為1.36L/h，年平均除濕量為1.11L/h，對高濕環(huán)境具有改善作用。

表8 重慶市各月平均除濕量計算表Table 8 Calculation table of monthly average dehumidification capacity in Chongqing

（2）效益分析

表9 不同采暖方案效益分析Table 9 Benefit analysis of different heating schemes

由表9 可知[9]，空氣源熱泵初投資較燃氣鍋爐較高，但運行費用較低，且空氣源可以降低一次能源消耗，污染少，環(huán)保效益顯著，但空氣源熱泵供暖運行時受氣候條件的影響較大，結(jié)霜問題突出。

3 結(jié)語

濕環(huán)境對于成渝經(jīng)濟圈的發(fā)展有著不可小覷的作用，本文通過查閱資料及分析計算得出如下結(jié)論：

（1）PM2.5 和PM10 的平均質(zhì)量濃度隨著相對濕度的增大而增加；絕對濕度集中在9～12g/m3時，PM2.5 和PM10 的濃度最大。同時隨著相對濕度的增加，對流層的臭氧平均濃度逐漸減少。

（2）成渝地區(qū)濕環(huán)境的形成主要有九個成因：自然因素、植物蒸騰作用、天然氣燃燒、三峽工程、汽車尾氣、空調(diào)融霜、燃煤電廠煙氣排放及工商業(yè)冷卻水蒸發(fā)、人體散濕。可以此入手進行調(diào)節(jié)控濕。

（3）目前冷卻塔節(jié)水消霧措施和燃煤電廠濕煙氣處理技術(shù)對于成渝地區(qū)的濕環(huán)境調(diào)節(jié)有較好的參考價值；熱源塔熱泵及空氣源熱泵技術(shù)可在制熱的同時，有效地除去成渝地區(qū)空氣中的水分，從而改善成渝地區(qū)高濕環(huán)境，但成本較高。

（4）對于本文分析的成渝地區(qū)高濕環(huán)境影響因素，未來可據(jù)此提出更多的新技術(shù)手段對部分濕源的散濕進行減排或回收，從而達到對成渝地區(qū)調(diào)濕的目的。