大型水工構筑物結露問題與消除方法

1 問題提出

我國是一個貧水國，為了防止長期大規模超采地下水，引起地層壓密產生地面下沉現象，城市在建設水廠時，主要選擇地面水(水庫水)為水源。在處理地面水的工藝設計中多采用：原水－混合－絮凝－沉淀－過濾－碳吸附－消毒－配水流程。在我國南方，這些工藝水處理設施均敞露放置室外，而在北方地區，為了冬季防凍，這些設施一般放置在加蓋的建筑物內。北京市一座日處理量150萬噸超大型自來水水廠，為了減少占地面積，把整個處理工藝及其設施集中布置在一座建筑面積為15000m³大型網架廠房彩板屋頂內。

該水廠為了控制水中的總藻量，使用密云水庫潮白河庫區深層水，水庫的取水點設在深度40米處，原水水溫常年保持在1～10℃。

當該工程正式通水投入運行時，正值夏季高溫高濕天氣，室外的空氣通過門、窗縫隙進入室內，遇到低溫的水面和管道壁面馬上結露并產生大量霧氣迷漫整個室內空間，用“伸手不見五指”來形容一點不過分，廠房內能見度不超過1m，這種現象持續了整個夏季。夏季過后，經檢查發現許多設施表面出現霉變，有些管道及電力線橋架銹蝕等。降低了電氣設備的可靠性，給安全生產造成威脅。

2 設計方案和設備的選定

在工藝水處理池進行處理的過程中，房間內的大面積低溫水面和管壁等像一個大型的輻射供冷地板，水面和管壁表面通過輻射換熱和自然對流換熱的形式將室內空氣的熱量吸附。此時，室內空氣溫度和含濕量較高，空氣露點也較高。水面和管壁降溫較快而室內空氣降溫較慢，且室內空氣露點在無除濕設備時維持不變。當水面、池面和管壁溫度降到室內空氣露點以下時，其表面就會結露，嚴重時產生霧氣。故在外界空氣焓值高于大型綜合池空氣焓值時，必須減少室外空氣的進入量，同時要考慮對室內空氣進行除濕。

除濕方法主要有通風除濕、冷卻除濕、液體除濕機、轉輪除濕機和吸濕劑除濕等。

2.1 設計方案的選擇

當外界空氣焓值低于或等于廠房內空氣焓值時，首先優選通風除濕，該方法簡單易行，但當外界空氣焓值高于廠房內空氣焓值時，必須要減少室內外空氣流通量，采用除濕設備，使廠房內的相對濕度控制在50％左右。

2.2 通風除濕

由于綜合池結露位置在水面、池面和管壁表面，而此時室內空氣的溫度依然較高，空氣濕度也遠遠未達到飽和狀態，如果能對管廊和池面進行置換送風，不斷輸送低露點空氣，使池面附近空氣露點低于池面溫度，則解決了結露問題。因此，將置換通風應用于有大面積水面的綜合池的大型廠房中可以取得較好的除濕效果，且置換通風的高換氣效率也使室內環境的空氣品質提高，同時使運行能耗降低。

2.3 除濕設備的選擇

除濕設備的除濕方法從原理上可以概括為兩類，第一類是冷凍除濕，第二類是化學除濕。常用有冷凍除濕機、液體除濕機、轉輪除濕機，它們都可以用來除濕，但又有各自的特點，下面比較這三種除濕機的性能、空氣處理過程、適用場合等。具體比較見下表。

從上表中比較可以看出，三甘醇液體除濕機的除濕量最大，但是單位功率除濕量最小，價格最高，還需要另外配置冷源和熱源。冷凍除濕機的價格最低，單位功率除濕量最大，使用最方便，不需另外配置冷源和熱源。轉輪除濕機的價格比較高，單位功率除濕量居中。如果改用蒸汽加熱再生空氣，同規格除濕機需蒸汽（0.4Mpa）90 kg/h。

由于以上三種方法的除濕原理不同，對空氣的處理過程和適用場合也不一樣。現在假設把空氣從32℃、65%處理到某一范圍，三種方法的空氣處理過程如圖1所示。

液體除濕機直接把空氣處理到所需要的人體舒適區，濕度處理、溫度處理在同一個過程由同一個設備同時完成。液體除濕機以濕度處理為主，溫度處理為輔。

冷凍除濕機先把空氣溫度降低到露點溫度以下，處理空氣中的水汽在蒸發器表面凝結成小水滴，從處理空氣中分離出來，含濕量隨著露點溫度的降低而減小，直至含濕量達到要求。然后再對所處理的空氣進行等濕加熱，直至溫度也達到要求。處理過程分步完成，降溫之后再升溫。升溫靠制冷系統的冷凝熱，不再增加耗電。

轉輪除濕機先吸收處理空氣的水汽，降低處理空氣的含濕量，使其達到要求，但是經過轉輪處理后的空氣溫度升高較多，需再加一個后冷卻裝置，對轉輪處理后的空氣進行降溫。處理過程也分步完成，除濕、降溫由不同的裝置來完成。

通過以上綜合比較，冷凍除濕機價格低、能耗低，適合處理出風含濕量大于6.5g/kg_干的空氣。轉輪除濕機用電加熱再生空氣時能耗大，在能使用冷凍除濕機的情況下，盡量不使用轉輪除濕機，如果轉輪除濕機改用蒸汽來加熱再生空氣，將節約80%左右的電能；轉輪除濕機不但可以用于處理出風含濕量大于6.5g/kg_干的空氣，而且也可以用來處理出風含濕量小于6.5g/kg_干的低濕空氣，但是出風溫度較高，適合于對出風含濕量有要求而對出風溫度沒有要求的場合。對于有低溫低濕要求的空氣應采用聯合式除濕機來處理。液體除濕機使用在地下場所較為經濟，對所處理的空氣有一定的潔凈度要求；除濕量大，但液體除濕機價格較高。

大型綜合池的廠房雖然因來水溫度低，使得室內出現低溫高濕的環境，比較適合使用轉輪除濕機，但考慮其初投資較大，需要再生熱源，且廠房內部高低錯落，池面大，走道板窄，又有大量管廊，布置設備和管道比較困難。我們選擇使用了價格便宜；體積小；除濕效率高；不需要另外配置冷源和熱源，也不需要再生裝置，只要接上相應的電源和處理風管道即可運行的冷凍除濕機，并且把它分布在需要降低濕度的不同地點。

在選型時考慮到冷凍除濕機對進風溫度有一定的要求，普通型除濕機的進風溫度在18～32℃左右，低溫型除濕機的進風溫度在5～32℃左右；對于低溫型除濕機，當進風溫度低于18℃時，還要間斷性地融霜，影響除濕效率的缺點，選用了升溫型除濕機。

升溫型除濕機即讓制冷系統的冷凝熱全部經過風冷冷凝器傳給經蒸發器除濕后的空氣，處理空氣被加熱升溫，出風溫度比進風高15℃左右。空氣處理過程為C→L→A。升溫除濕適合于ε＜0的場合。把圖3中的風冷冷凝器和蒸發器串聯在同一個風系統中，就是升溫型除濕機原理圖。

3 室內設計濕負荷的確定

房間內的總濕負荷包括：通風換氣帶來濕量、池面散濕、池壁和管壁的產濕等。

3.1 室內設計參數

為防止結露保證設備的使用壽命，夏季池面溫度最好高于16℃，現按來水溫度取值10～12℃，設將設計室內露點控制在14℃。室內設計溫度可參照普通空調設計參數，定為23℃，而相對濕度應根據對應的控制露點確定，約為50％。

初始狀態的室內空氣露點，可根據北京城市氣象資料推算的最熱月平均露點取值。

3.2 廠房內設計濕負荷的計算

根據室內設計參數，可以計算出不同條件下廠房內的濕負荷。

廠房內設計濕負荷由兩部分組成：一是房間通過通風換氣和門窗縫隙滲透得到的濕負荷，一是水面、池壁和管壁的散濕量。

通風量一般按夏季最大散濕量計算，其計算公式如下：

Q=1000W/ρ(dg-ds) ⑴

式中Q為按散濕量計算的通風量，m³/h；

W為廠房內空氣散濕量，可以計算或查有關手冊求得，kg/h；

dg為廠房內空氣含濕量，g/kg；

ds為送風的空氣含濕量，g/kg；

ρ為空氣密度kg/m³。

水面、池壁和管壁的散濕量是按散濕量計算選擇：

W=Sω ⑵

式中S為散濕表面積，m²；ω為單位面積散濕量，g/(m².h)。

4 除濕機組處理過程的核算

當選用升溫型除濕機時，空氣調節過程如下：該過程在i-d圖上表示見圖

根據文獻[4]，對應于風量7590m3/h的除濕機型號為CF32型，其制冷量為56.9kW，

根據文獻[1]推薦，取蒸發器出口處（即L點）相對濕度為95%，則L2點參數為：tL2=13.9℃，dL2=9.7g/kg_干

根據文獻[2]推薦，取冷凝器負荷系數ψ=1.25，則冷凝負荷 Q2=1.25×56.9=71.1kW，送風點O2的參數為：

tO2=39.8℃ , dO2=9.8g/kg_干

計算表明升溫型除濕機只能消除室內余濕量，另外不但不能消除余熱，反而增加了室內的余熱量，會使室內的溫度升高，只能滿足濕度的要求，不能達到溫度的要求。

5 結論

該水廠有大型綜合池的廠房在設備安裝好后，經過一年的跟蹤調查，實踐證明，這種綜合除濕方法在廠房內低溫高濕的環境下應用是完全成功的。

5.1 在低溫高濕的環境下選擇使用冷凍除濕機時，必須考慮該機組的特點，選用了升溫型冷凍除濕機是一種最佳方案。具有其它機組所無以倫比的優勢，既達到節能，又降低了設備的一次性投資和運行管理費用。

5.2 置換通風應用于大型綜合池的廠房除濕在原理上是可行的，而且能夠減少除濕負荷，改善室內空氣環境，同時可以與除濕技術結合，成為一套完整的系統體系，值得進行深入探討。

參考文獻

[1] 電子工業部第十設計研究院.空氣調節設計手冊.中國建筑工業出版社.1995.11

[2] 彥啟森,主編.空氣調節用制冷技術(第2版).北京:中國建筑工業出版社.1985.

[3] 朱志平.國內除濕機現狀與思考