梅雨季节地铁站除湿策略研究

刘宝雨　杨元年　何冉　陈云东　陈兵　李锦

摘 要：文章通过研究广州地区梅雨季节气候特点，针对地铁使用情况，对既有环控设备进行简单改造，实现低投入、高收益，有效降低车站湿度。通过《空气调节》内表冷器计算公式对既有设备进行校验，得出改造方案可行。

关键词：梅雨季节;相对湿度;空气参数;组合空调器;冷水机组

随着轨道交通技术的成熟，城市交通采用的地铁逐渐普及，在南方地区大的城市、特区城市、副省级城市，基本都陆续开通地铁线路。岭南、华南区域2～4月份多回南天，江南地区多阴雨，4～6月份迎来梅雨季。此时，室外空气湿度大部分时间不低于80%，在城市中，以地下站为主的地铁站站厅、出入口等公共区域湿度会更大，穿行其中的乘客、工作人员体感不适。在现有空间中，利用既有设备，增加少量设备，构建除湿系统，通过除湿系统经济性下的运行，合理降低空气中的水分含量，从而控制梅雨季节公共区的相对湿度，提高使用者舒适度。

1    地铁站湿度大的危害。

地铁作为城市主要的公共交通，已成为城市人口出行的首选。地铁站内周期性地汇集大量客流，人员在公共区域内活动时散发大量的水分;通风设备中从室外引入的空气相对湿度非常高;南方地下水丰富，水通过铁站维护结构的毛细管向站内渗透，散发大量的水汽。3种途径汇集的水蒸气使站内空气湿度比外界高，造成如下危害：

（1）空气湿度大，站内电气设备容易受潮性能下降。更为严重的是，在电气设备表面凝结水珠，在重力以及毛细现象等作用下，渗入或者流入设备内部，造成短路，严重时起火烧毁，甚至报废。售票设备损坏，影响出票效率;监控设备损坏，影响监控区域影像采集;播音喇叭损坏，无法实现实时广播等问题均成为地铁运营隐患。

（2）空气中灰尘颗粒作为凝结核，使空气中漂浮的水雾凝结成水滴，停留在金属表面。可溶解杂质使凝结水形成离子水，在金属表面形成电桥，引起电化学腐蚀，加快了金属装饰物等的损毁。

（3）公区潮湿的环境易于滋生霉菌、螨虫。离壁墙表面温暖，潮湿、凹凸的表面更成为真菌、病菌螨虫繁殖的温床。各种璧面成为细菌源头，散发病菌孢子，导致乘客罹患病毒感染、流感、哮喘等传染性病。

（4）长期在地铁中工作的乘务员、机电检修人员，在相对湿度大的环境中，容易患风湿、类风湿疾病。逗留时间长的乘客也会增加患类似病风险。

2    地铁站内湿度大成因分析

梅雨季节发生的时间多为春季后期或夏季前期，空气温度多为18～27 ℃，相对空气湿度一般在80%以上。根据人体舒适度表查知，在此温度、湿度下人体体感很差。广州2019年4月室外气象参数如表1所示。

选取一个地铁站作为研究的样本，分析站内散热、散湿数值，室外取梅雨季节通风，计算温度取平均值为25.85 ℃，相对湿度取80%，空气含湿量为16.9 g/kg，站台公共区温度为24 ℃，站厅公共区为22 ℃，标准车站组合空调器风量为45 000 m3/h，如表2所示。

根據消除余湿计算公式L=kX/（Y2-Y1），k值取1，带入数据45 000×1.2×2=1×112.5/（Y2-16.9），计算得出站内空气含湿量为18.03 g/kg。

查焓湿图，站台相对湿度为95.2%，站厅相对湿度为107.6%（非稳状态），站厅层空气理论达到饱和，各种壁面会有冷凝水凝结现象。

地铁土建结构深埋于地下，在非空调季节与常年土壤温度温差较小。车站站厅公共区紧邻结构外墙，内侧温度在梅雨季节与土壤温度温差值最小。查2019年广州室外气象参数，4月份室外干球温度平均值取25.8 ℃，查《基于长期监测的广州地区土壤温度推荐值》，2月份地下埋深6 m土壤温度19.9 ℃（埋深很深的土壤收地面温度影响严重滞后，可用2月份土壤温度作为4月份土壤温度使用），得出公共区壁面温度低于室外干球温度。从出入口渗透至公共区的室外新风与内侧墙体接触，水凝气凝结成水，水受重力影响下流汇集，出现地面潮湿、流水。

3    地铁梅雨季节除湿方案

3.1  冷冻除湿

组合空调器降温除湿，将进风水蒸气凝结，表冷器温度必须低于空气状态露点温度。理想状态下，温差越大，冷凝除湿效果越好。因风机散热量不大，不足以提供较高温升，可忽略风机发热对表冷器后的风量温度影响。降温后的空气相对湿度大于95%，温度低于室外干球温度。公共区温度低于室外温度，过渡季节不节能，人员感觉不舒适。

3.2  除湿机

相较于常规设计方案，新增吊顶式除湿机，配套增加配电电缆、控制系统。站厅公共区顶部有足够空间，站台无空间，安装、检修均不便。为应对不到一个月的梅雨时节，安装11月不运转的除湿机及相关设备、管线，经济性不高，方案设计如图1所示。

3.3  既有水系统改造

车站冷水系统改造.新增小流量冷却水系统，将冷却水送至组合式空调器一组表冷器，冷冻水泵变频低流量运行，冷冻水送至组合式空调器另一组表冷器。地铁组合式空调器表冷段均为多组表冷器 拼装，通过水管接管阀门关、开，实现表冷器的除湿、降温工况转换。

既有车站水系统改造后，除湿与制冷工况运行，各阀门＼各设备运行工况如表3所示。

4    组合空调器除湿量计算及表冷器换热验证;

4.1  除湿量计算

室外空气参数与上述状态一致，温度取平均值t1=25.85 ℃，ts1=23.20 ℃，i1=69.1 kJ/kg，相对湿度取80%，空气含湿量为16.9 g/kg;站台公共区温度为24.00 ℃;站厅公共区为22.00 ℃，站厅相对湿度为65%，含湿量为11.5 g/kg。标准车站组合空调器风量为45 000 m3/h。

除湿量包含：

（1）人员散湿量99.9 kg/h。

（2）结构散湿量12.6 kg/h。

（3）室外新风降到设计工况水蒸气量。

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

除湿量总和为（1）+（2）+（3）=99.9+12.6+583=695.7 kg/h;

除湿表冷器冷量为饱和水蒸气变温等温水液化热量+饱和水降温至10.50 ℃的温差热量;

单台表冷器饱和水蒸气变温等温水液化热量=695.7÷2÷ 3 600×2 443.6=236.10 kW;

单台表冷器饱和水降温至10.5 ℃，温差热量=（25.8-10.5）× 4.2×695.7÷2÷3 600=9.77 kW;

单台除湿表冷器所需冷量=236.1+9.77=245.9 kW;

单台除湿表冷器水量=245.9×0.86÷5=42.2 m3/h=11.7 kg/h。

4.2  表冷器除湿能力计算

无车站组合空调器具体型号，查设计手册，根据单台组合空调器风量为45 000 m3/h，两组表冷器上下布置，暂定表冷器为JW30-4，风量为16 700～25 000 m3/h。

5    排管

每排散热面积Fd=33.400 00 m2;

迎风面积Fy=2.570 00 m2;

通水断面积fw=0.005 53 m2。

5.1  求表冷器迎面风速及水流速度

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空气状态参数

先假定t2=10.5 ℃<一般t2=tw1+（4～6）℃。

根据ts2=t2-（t1-ts1）（1-?2）可得：

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

查焓湿图，ts2=10.2 ℃时，i2=29.8 kJ/kg。

5.4  求吸湿系数

根据ζ=（i1-i2）/cp（t1-t2）可得：

ζ=（69.1-29.8）/1.01×（25.85-10.5）=2.53。

5.5  求传热系数

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，按式计算可得：

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并与上面得到的Eg比较

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

计算时可取δ=0.01;

当|ε1-ε|≤δ时，证明所设t2=10.5 ℃合适。得到的空气终参数为t2=10.5 ℃，ts2=10.1 ℃，i2=29.8 kJ/kg。

5.8  求冷量及终温

地铁站总除湿冷量：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 ℃。

经上述计算验证，组合空调器一半表冷器作为除湿段满足车站的除湿需求。冷冻水泵变频运行水量Wl=589×0.86÷（14.25-7）=69.9 m3/h

查《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）中性能系数（COP），冷水机组COP选取5.0，可计算得出组合空调器另一半表冷器作为冷却散热器，散热量为Q1=45 000÷2÷ 3 600×1.2×（69.1-29.8）×（1+1÷5）=706 kW;

冷却水泵水量Wq=706×0.86÷5=121 m3/s;

重复上述验证过程，组合空调器另一半表冷器作为冷却散热器满足散热要求。

标准地铁车站冷水机组冷量一般为590 kW，计算除湿需冷量为589 kW。冷水机组工作在高效区，能达到节能效果。

6    结语

（1）对地铁冷冻水系统进行改造，组合空调器表冷段一部分作为除湿段，一部分作为散热段，对地铁车站实施除湿方案，经公式计算验证，技术可行。

（2）与增设除湿机组方案、冷冻除湿方案相比，本方案最经济可行。

[参考文献]

[1]王小兵，陈燕萍，徐宇翔，等.基于长期监测的广州地区土壤温度推荐值[J].广东电力，2011（6）：10-13.

[2]赵荣义.空气调节[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.