大型水工构筑物结露问题与消除方法

大型水工构筑物结露问题与消除方法

1 问题提出

我国是一个贫水国，为了防止长期大规模超采地下水，引起地层压密产生地面下沉现象，城市在建设水厂时，主要选择地面水(水库水)为水源。在处理地面水的工艺设计中多采用：原水－混合－絮凝－沉淀－过滤－碳吸附－消毒－配水流程。在我国南方，这些工艺水处理设施均敞露放置室外，而在北方地区，为了冬季防冻，这些设施一般放置在加盖的建筑物内。北京市一座日处理量150万吨超大型自来水水厂，为了减少占地面积，把整个处理工艺及其设施集中布置在一座建筑面积为15000m³大型网架厂房彩板屋顶内。

该水厂为了控制水中的总藻量，使用密云水库潮白河库区深层水，水库的取水点设在深度40米处，原水水温常年保持在1～10℃。

当该工程正式通水投入运行时，正值夏季高温高湿天气，室外的空气通过门、窗缝隙进入室内，遇到低温的水面和管道壁面马上结露并产生大量雾气迷漫整个室内空间，用“伸手不见五指”来形容一点不过分，厂房内能见度不超过1m，这种现象持续了整个夏季。夏季过后，经检查发现许多设施表面出现霉变，有些管道及电力线桥架锈蚀等。降低了电气设备的可靠性，给安全生产造成威胁。

2 设计方案和设备的选定

在工艺水处理池进行处理的过程中，房间内的大面积低温水面和管壁等像一个大型的辐射供冷地板，水面和管壁表面通过辐射换热和自然对流换热的形式将室内空气的热量吸附。此时，室内空气温度和含湿量较高，空气露点也较高。水面和管壁降温较快而室内空气降温较慢，且室内空气露点在无除湿设备时维持不变。当水面、池面和管壁温度降到室内空气露点以下时，其表面就会结露，严重时产生雾气。故在外界空气焓值高于大型综合池空气焓值时，必须减少室外空气的进入量，同时要考虑对室内空气进行除湿。

除湿方法主要有通风除湿、冷却除湿、液体除湿机、转轮除湿机和吸湿剂除湿等。

2.1 设计方案的选择

当外界空气焓值低于或等于厂房内空气焓值时，首先优选通风除湿，该方法简单易行，但当外界空气焓值高于厂房内空气焓值时，必须要减少室内外空气流通量，采用除湿设备，使厂房内的相对湿度控制在50％左右。

2.2 通风除湿

由于综合池结露位置在水面、池面和管壁表面，而此时室内空气的温度依然较高，空气湿度也远远未达到饱和状态，如果能对管廊和池面进行置换送风，不断输送低露点空气，使池面附近空气露点低于池面温度，则解决了结露问题。因此，将置换通风应用于有大面积水面的综合池的大型厂房中可以取得较好的除湿效果，且置换通风的高换气效率也使室内环境的空气品质提高，同时使运行能耗降低。

2.3 除湿设备的选择

除湿设备的除湿方法从原理上可以概括为两类，第一类是冷冻除湿，第二类是化学除湿。常用有冷冻除湿机、液体除湿机、转轮除湿机，它们都可以用来除湿，但又有各自的特点，下面比较这三种除湿机的性能、空气处理过程、适用场合等。具体比较见下表。

从上表中比较可以看出，三甘醇液体除湿机的除湿量最大，但是单位功率除湿量最小，价格最高，还需要另外配置冷源和热源。冷冻除湿机的价格最低，单位功率除湿量最大，使用最方便，不需另外配置冷源和热源。转轮除湿机的价格比较高，单位功率除湿量居中。如果改用蒸汽加热再生空气，同规格除湿机需蒸汽（0.4Mpa）90 kg/h。

由于以上三种方法的除湿原理不同，对空气的处理过程和适用场合也不一样。现在假设把空气从32℃、65%处理到某一范围，三种方法的空气处理过程如图1所示。

液体除湿机直接把空气处理到所需要的人体舒适区，湿度处理、温度处理在同一个过程由同一个设备同时完成。液体除湿机以湿度处理为主，温度处理为辅。

冷冻除湿机先把空气温度降低到露点温度以下，处理空气中的水汽在蒸发器表面凝结成小水滴，从处理空气中分离出来，含湿量随着露点温度的降低而减小，直至含湿量达到要求。然后再对所处理的空气进行等湿加热，直至温度也达到要求。处理过程分步完成，降温之后再升温。升温靠制冷系统的冷凝热，不再增加耗电。

转轮除湿机先吸收处理空气的水汽，降低处理空气的含湿量，使其达到要求，但是经过转轮处理后的空气温度升高较多，需再加一个后冷却装置，对转轮处理后的空气进行降温。处理过程也分步完成，除湿、降温由不同的装置来完成。

通过以上综合比较，冷冻除湿机价格低、能耗低，适合处理出风含湿量大于6.5g/kg_干的空气。转轮除湿机用电加热再生空气时能耗大，在能使用冷冻除湿机的情况下，尽量不使用转轮除湿机，如果转轮除湿机改用蒸汽来加热再生空气，将节约80%左右的电能；转轮除湿机不但可以用于处理出风含湿量大于6.5g/kg_干的空气，而且也可以用来处理出风含湿量小于6.5g/kg_干的低湿空气，但是出风温度较高，适合于对出风含湿量有要求而对出风温度没有要求的场合。对于有低温低湿要求的空气应采用联合式除湿机来处理。液体除湿机使用在地下场所较为经济，对所处理的空气有一定的洁净度要求；除湿量大，但液体除湿机价格较高。

大型综合池的厂房虽然因来水温度低，使得室内出现低温高湿的环境，比较适合使用转轮除湿机，但考虑其初投资较大，需要再生热源，且厂房内部高低错落，池面大，走道板窄，又有大量管廊，布置设备和管道比较困难。我们选择使用了价格便宜；体积小；除湿效率高；不需要另外配置冷源和热源，也不需要再生装置，只要接上相应的电源和处理风管道即可运行的冷冻除湿机，并且把它分布在需要降低湿度的不同地点。

在选型时考虑到冷冻除湿机对进风温度有一定的要求，普通型除湿机的进风温度在18～32℃左右，低温型除湿机的进风温度在5～32℃左右；对于低温型除湿机，当进风温度低于18℃时，还要间断性地融霜，影响除湿效率的缺点，选用了升温型除湿机。

升温型除湿机即让制冷系统的冷凝热全部经过风冷冷凝器传给经蒸发器除湿后的空气，处理空气被加热升温，出风温度比进风高15℃左右。空气处理过程为C→L→A。升温除湿适合于ε＜0的场合。把图3中的风冷冷凝器和蒸发器串联在同一个风系统中，就是升温型除湿机原理图。

3 室内设计湿负荷的确定

房间内的总湿负荷包括：通风换气带来湿量、池面散湿、池壁和管壁的产湿等。

3.1 室内设计参数

为防止结露保证设备的使用寿命，夏季池面温度最好高于16℃，现按来水温度取值10～12℃，设将设计室内露点控制在14℃。室内设计温度可参照普通空调设计参数，定为23℃，而相对湿度应根据对应的控制露点确定，约为50％。

初始状态的室内空气露点，可根据北京城市气象资料推算的最热月平均露点取值。

3.2 厂房内设计湿负荷的计算

根据室内设计参数，可以计算出不同条件下厂房内的湿负荷。

厂房内设计湿负荷由两部分组成：一是房间通过通风换气和门窗缝隙渗透得到的湿负荷，一是水面、池壁和管壁的散湿量。

通风量一般按夏季最大散湿量计算，其计算公式如下：

Q=1000W/ρ(dg-ds) ⑴

式中Q为按散湿量计算的通风量，m³/h；

W为厂房内空气散湿量，可以计算或查有关手册求得，kg/h；

dg为厂房内空气含湿量，g/kg；

ds为送风的空气含湿量，g/kg；

ρ为空气密度kg/m³。

水面、池壁和管壁的散湿量是按散湿量计算选择：

W=Sω ⑵

式中S为散湿表面积，m²；ω为单位面积散湿量，g/(m².h)。

4 除湿机组处理过程的核算

当选用升温型除湿机时，空气调节过程如下：该过程在i-d图上表示见图

根据文献[4]，对应于风量7590m3/h的除湿机型号为CF32型，其制冷量为56.9kW，

根据文献[1]推荐，取蒸发器出口处（即L点）相对湿度为95%，则L2点参数为：tL2=13.9℃，dL2=9.7g/kg_干

根据文献[2]推荐，取冷凝器负荷系数ψ=1.25，则冷凝负荷 Q2=1.25×56.9=71.1kW，送风点O2的参数为：

tO2=39.8℃ , dO2=9.8g/kg_干

计算表明升温型除湿机只能消除室内余湿量，另外不但不能消除余热，反而增加了室内的余热量，会使室内的温度升高，只能满足湿度的要求，不能达到温度的要求。

5 结论

该水厂有大型综合池的厂房在设备安装好后，经过一年的跟踪调查，实践证明，这种综合除湿方法在厂房内低温高湿的环境下应用是完全成功的。

5.1 在低温高湿的环境下选择使用冷冻除湿机时，必须考虑该机组的特点，选用了升温型冷冻除湿机是一种最佳方案。具有其它机组所无以伦比的优势，既达到节能，又降低了设备的一次性投资和运行管理费用。

5.2 置换通风应用于大型综合池的厂房除湿在原理上是可行的，而且能够减少除湿负荷，改善室内空气环境，同时可以与除湿技术结合，成为一套完整的系统体系，值得进行深入探讨。

参考文献

[1] 电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册.中国建筑工业出版社.1995.11

[2] 彦启森,主编.空气调节用制冷技术(第2版).北京:中国建筑工业出版社.1985.

[3] 朱志平.国内除湿机现状与思考