梅雨季節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：文章通過研究廣州地區梅雨季節氣候特點，針對地鐵使用情況，對既有環控設備進行簡單改造，實現低投入、高收益，有效降低車站濕度。通過《空氣調節》內表冷器計算公式對既有設備進行校驗，得出改造方案可行。

關鍵詞：梅雨季節;相對濕度;空氣參數;組合空調器;冷水機組

隨著軌道交通技術的成熟，城市交通采用的地鐵逐漸普及，在南方地區大的城市、特區城市、副省級城市，基本都陸續開通地鐵線路。嶺南、華南區域2～4月份多回南天，江南地區多陰雨，4～6月份迎來梅雨季。此時，室外空氣濕度大部分時間不低于80%，在城市中，以地下站為主的地鐵站站廳、出入口等公共區域濕度會更大，穿行其中的乘客、工作人員體感不適。在現有空間中，利用既有設備，增加少量設備，構建除濕系統，通過除濕系統經濟性下的運行，合理降低空氣中的水分含量，從而控制梅雨季節公共區的相對濕度，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。地鐵站內周期性地匯集大量客流，人員在公共區域內活動時散發大量的水分;通風設備中從室外引入的空氣相對濕度非常高;南方地下水豐富，水通過鐵站維護結構的毛細管向站內滲透，散發大量的水汽。3種途徑匯集的水蒸氣使站內空氣濕度比外界高，造成如下危害：

（1）空氣濕度大，站內電氣設備容易受潮性能下降。更為嚴重的是，在電氣設備表面凝結水珠，在重力以及毛細現象等作用下，滲入或者流入設備內部，造成短路，嚴重時起火燒毀，甚至報廢。售票設備損壞，影響出票效率;監控設備損壞，影響監控區域影像采集;播音喇叭損壞，無法實現實時廣播等問題均成為地鐵運營隱患。

（2）空氣中灰塵顆粒作為凝結核，使空氣中漂浮的水霧凝結成水滴，停留在金屬表面。可溶解雜質使凝結水形成離子水，在金屬表面形成電橋，引起電化學腐蝕，加快了金屬裝飾物等的損毀。

（3）公區潮濕的環境易于滋生霉菌、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。各種璧面成為細菌源頭，散發病菌孢子，導致乘客罹患病毒感染、流感、哮喘等傳染性病。

（4）長期在地鐵中工作的乘務員、機電檢修人員，在相對濕度大的環境中，容易患風濕、類風濕疾病。逗留時間長的乘客也會增加患類似病風險。

2 ? ?地鐵站內濕度大成因分析

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

選取一個地鐵站作為研究的樣本，分析站內散熱、散濕數值，室外取梅雨季節通風，計算溫度取平均值為25.85 ℃，相對濕度取80%，空氣含濕量為16.9 g/kg，站臺公共區溫度為24 ℃，站廳公共區為22 ℃，標準車站組合空調器風量為45 000 m3/h，如表2所示。

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

查焓濕圖，站臺相對濕度為95.2%，站廳相對濕度為107.6%（非穩狀態），站廳層空氣理論達到飽和，各種壁面會有冷凝水凝結現象。

地鐵土建結構深埋于地下，在非空調季節與常年土壤溫度溫差較小。車站站廳公共區緊鄰結構外墻，內側溫度在梅雨季節與土壤溫度溫差值最小。查2019年廣州室外氣象參數，4月份室外干球溫度平均值取25.8 ℃，查《基于長期監測的廣州地區土壤溫度推薦值》，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），得出公共區壁面溫度低于室外干球溫度。從出入口滲透至公共區的室外新風與內側墻體接觸，水凝氣凝結成水，水受重力影響下流匯集，出現地面潮濕、流水。

3 ? ?地鐵梅雨季節除濕方案

3.1 ?冷凍除濕

組合空調器降溫除濕，將進風水蒸氣凝結，表冷器溫度必須低于空氣狀態露點溫度。理想狀態下，溫差越大，冷凝除濕效果越好。因風機散熱量不大，不足以提供較高溫升，可忽略風機發熱對表冷器后的風量溫度影響。降溫后的空氣相對濕度大于95%，溫度低于室外干球溫度。公共區溫度低于室外溫度，過渡季節不節能，人員感覺不舒適。

3.2 ?除濕機

相較于常規設計方案，新增吊頂式除濕機，配套增加配電電纜、控制系統。站廳公共區頂部有足夠空間，站臺無空間，安裝、檢修均不便。為應對不到一個月的梅雨時節，安裝11月不運轉的除濕機及相關設備、管線，經濟性不高，方案設計如圖1所示。

3.3 ?既有水系統改造

車站冷水系統改造.新增小流量冷卻水系統，將冷卻水送至組合式空調器一組表冷器，冷凍水泵變頻低流量運行，冷凍水送至組合式空調器另一組表冷器。地鐵組合式空調器表冷段均為多組表冷器 拼裝，通過水管接管閥門關、開，實現表冷器的除濕、降溫工況轉換。

既有車站水系統改造后，除濕與制冷工況運行，各閥門＼各設備運行工況如表3所示。

4 ? ?組合空調器除濕量計算及表冷器換熱驗證;

4.1 ?除濕量計算

室外空氣參數與上述狀態一致，溫度取平均值t1=25.85 ℃，ts1=23.20 ℃，i1=69.1 kJ/kg，相對濕度取80%，空氣含濕量為16.9 g/kg;站臺公共區溫度為24.00 ℃;站廳公共區為22.00 ℃，站廳相對濕度為65%，含濕量為11.5 g/kg。標準車站組合空調器風量為45 000 m3/h。

除濕量包含：

（1）人員散濕量99.9 kg/h。

（2）結構散濕量12.6 kg/h。

（3）室外新風降到設計工況水蒸氣量。

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;

單臺除濕表冷器所需冷量=236.1+9.77=245.9 kW;

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

4.2 ?表冷器除濕能力計算

無車站組合空調器具體型號，查設計手冊，根據單臺組合空調器風量為45 000 m3/h，兩組表冷器上下布置，暫定表冷器為JW30-4，風量為16 700～25 000 m3/h。

5 ? ?排管

每排散熱面積Fd=33.400 00 m2;

迎風面積Fy=2.570 00 m2;

通水斷面積fw=0.005 53 m2。

5.1 ?求表冷器迎面風速及水流速度

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空氣狀態參數

先假定t2=10.5 ℃<一般t2=tw1+（4～6）℃。

根據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，i2=29.8 kJ/kg。

5.4 ?求吸濕系數

根據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

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;

計算時可取δ=0.01;

當|ε1-ε|≤δ時，證明所設t2=10.5 ℃合適。得到的空氣終參數為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 ℃。

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

查《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2015）中性能系數（COP），冷水機組COP選取5.0，可計算得出組合空調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;

重復上述驗證過程，組合空調器另一半表冷器作為冷卻散熱器滿足散熱要求。

標準地鐵車站冷水機組冷量一般為590 kW，計算除濕需冷量為589 kW。冷水機組工作在高效區，能達到節能效果。

6 ? ?結語

（1）對地鐵冷凍水系統進行改造，組合空調器表冷段一部分作為除濕段，一部分作為散熱段，對地鐵車站實施除濕方案，經公式計算驗證，技術可行。

（2）與增設除濕機組方案、冷凍除濕方案相比，本方案最經濟可行。

[參考文獻]

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