王 儒 張 蕾 管凱凱
(青島地鐵集團有限公司運營分公司,266100,青島//第一作者,工程師)
青島地處山東半島東南部,瀕臨黃海,空氣潮濕。夏季日間最高氣溫在30 ℃左右,夜間最低氣溫27 ℃。伴隨溫度的升高,空氣濕度增大,青島地鐵部分地下車站垂梯基坑出現(xiàn)不同程度的冷凝潮濕現(xiàn)象。曾因井道潮濕導(dǎo)致電器開關(guān)受潮短路,電梯停運。研究地下空間結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和防范措施,為新線建設(shè)和客運服務(wù)提供參考很有必要。
根據(jù)熱力學(xué)原理,當(dāng)一定溫度空氣中水蒸氣分壓力達到該溫度下水蒸氣飽和分壓力時,水蒸氣就會釋放熱量凝結(jié)成水。結(jié)露的評判標(biāo)準(zhǔn)一般為物體表面溫度是否低于空氣中的露點溫度。夏季室外空氣含水量較大,露點溫度相對較高[1],若井道壁或者垂梯設(shè)備表面溫度略低于露點溫度,就會在其表面產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象,就是俗稱的“冷凝水”。
青島市瀕臨黃海,環(huán)繞膠州灣,內(nèi)陸河流眾多,地下水補給極其豐富,土、巖石或裂隙中的空隙均是地下水儲存的良好載體。根據(jù)青島地鐵地質(zhì)條件資料,南部城區(qū)主要地鐵站坐落于花崗巖地質(zhì)之上,市南區(qū)、嶗山區(qū)地鐵站范圍內(nèi)地下水廣泛存在并儲量豐富。
以嶗山區(qū)為例,地理位置北緯36°10′,地下15~20 m深度是常年恒溫,溫度穩(wěn)定在16 ℃左右[2]。地下水基本處于自然狀態(tài),水位年內(nèi)漲幅一般不超過2 m;地下水季節(jié)性變化明顯,變化曲線呈波狀起伏,7~9月份地下水水位為波峰狀態(tài),為豐水期,之后隨著降雨減少和地表蒸發(fā),水位慢慢下降。因此,夏季隨著地下水水位不斷升高,地下構(gòu)筑物也會持續(xù)受到水溫和土壤溫度的共同作用,混凝土外墻溫度趨近于20 ℃。
此外,受季節(jié)影響,地下空間的空氣濕度變化較大,根據(jù)隨機選取的6個車站(其中李村站、清江路站、地鐵大廈站為內(nèi)陸車站,五四廣場站、太平角公園站、青島站為沿海車站)的濕度變化記錄,夏季受副熱帶高壓影響,東部沿海地區(qū)空氣濕度逐步增大,7~8月份達到峰值,此時大部分地下車站空氣濕度在70%~80%,露點溫度迅速提升,因此,每年7~8月也是結(jié)露現(xiàn)象集中爆發(fā)期,如圖1所示。另外,由于地理位置差距較小,青島市范圍內(nèi)內(nèi)陸車站和沿海車站空氣濕度相差不大。
圖1 地鐵車站一年內(nèi)的濕度變化曲線
因此,當(dāng)濕度與溫度達到結(jié)露條件,室外熱空氣與室內(nèi)低溫構(gòu)筑物直接接觸后,發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。地鐵車站出入口通風(fēng)效果較差,結(jié)露現(xiàn)象得不到及時緩解,導(dǎo)致垂梯井內(nèi)壁和通道外墻長期大面積冷凝水懸掛。
以青島地鐵11號線青島科大站為例,該站垂梯井平面圖如圖2所示。垂梯井基坑北側(cè)為逃生豎井,西側(cè)為排煙風(fēng)井(排煙風(fēng)井與垂梯井道深度相同)?,F(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)垂梯井道上半段情況良好,四面?zhèn)缺诰軌虮3指稍餇顟B(tài);從中段開始,東側(cè)及南側(cè)井道壁出現(xiàn)不同程度冷凝水現(xiàn)象,而西側(cè)與北側(cè)井道壁仍能保持干燥狀態(tài);在坑底位置,東側(cè)及南側(cè)井道壁冷凝現(xiàn)象最為嚴(yán)重,同時北側(cè)井道壁也出現(xiàn)輕度冷凝現(xiàn)象,但西側(cè)井道壁仍能保持干燥。
尺寸單位:mm
圖2 垂直電梯平面圖
經(jīng)調(diào)查,垂梯井西側(cè)壁后部為排煙風(fēng)井,無地下水影響,墻體溫度與空氣溫度保持一致,因此無結(jié)露現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,無障礙通道等附屬設(shè)備結(jié)構(gòu)以混凝土自防水為主,結(jié)構(gòu)抗?jié)B標(biāo)號不低于P10(P10表示該混凝土能抵抗1.0 MPa的靜水壓力而不滲透),并鋪設(shè)全包外防水。水壓計算公式為:
p=ρ×gh
(1)
式中:
p——水壓;
ρ——水的密度;
g——重力加速度;
h——取壓點到液面高度。
由此可得,P10的抗?jié)B等級能夠抵抗水下100 m的水壓而不滲漏,能夠充分保證青島科大站26 m埋深而不發(fā)生滲漏?,F(xiàn)場觀測井道壁施工質(zhì)量較好,無滲漏水情況,亦可以排除混凝土抗?jié)B性能不達標(biāo)造成的整體滲漏水。
該站周邊雖未發(fā)現(xiàn)明顯地表水系,但地下水位埋深為2.1~1.4 m,主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,含量十分豐富。車站垂梯基坑開挖深度為26 m,井道中下部分地下水溫度不隨大氣溫度的變化而變化,常年保持在15~16 ℃,該井道壁傳熱系數(shù)為2.33 W/(m·℃),導(dǎo)熱性較好,因此該井道中下部受地下水影響溫度趨近于20 ℃。夏季室外空氣相對濕度較高,露點溫度升高,而井道內(nèi)壁溫度保持不變,當(dāng)室外空氣露點溫度高于井道內(nèi)壁溫度時,即發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。
為進一步研究溫濕度和結(jié)露現(xiàn)象的關(guān)系,采用FLUKE紅外測溫儀和TES濕度測試儀1360A對青島地鐵部分地下車站7月份溫濕度進行測量,并結(jié)合《空氣露點溫度表》對測量數(shù)據(jù)進行整理,整理結(jié)果及這6個車站的垂梯基坑埋深,如表1所示。
表1 地鐵車站溫濕度及基坑深度
由表1分析可知,基坑埋深越大空氣濕度越大,除青島二中站和苗嶺站外,青島科大站、會展中心站、海游路站和棗山路站均出現(xiàn)露點溫度高于井壁溫度的情況,符合濕熱空氣遇到冰冷物體結(jié)露的條件,因此,這4個車站垂梯井道壁包括車站內(nèi)部墻壁會產(chǎn)生大量冷凝水,與現(xiàn)場實際情況相符合。
經(jīng)過實地觀察,上述車站中青島科大站和海游路站結(jié)露現(xiàn)象最為明顯,表1中這2個車站井壁溫度和露點溫度差值亦最大。究其原因,是溫、濕度差異具有決定性因素。
仍以青島科大站為測試對象,參照GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》[3],圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度可由式(2)計算:
θ=Tn-Rn/Ro(Tn-Tnw)
(2)
式中:
θ——墻體內(nèi)表面溫度,℃;
Rn——內(nèi)表面換熱阻,取0.11 m2·K/W;
Ro——總熱阻,取0.257 m2·K/W;
Tn——基坑溫度,28 ℃;
Tnw——地下水溫度,16 ℃。
經(jīng)計算,θ≈22 ℃
經(jīng)查《空氣露點溫度表》,空氣溫度和濕度分別在28 ℃和82.8%時,露點溫度為24.4 ℃,因此,會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。
首先由文獻[4]中的《濕空氣中飽和水蒸氣分壓力及含濕量》得知不同溫度下空氣含水量曲線,如圖3所示。
圖3 不同溫度下空氣含水量曲線
經(jīng)計算,該拋物線函數(shù)方程近似于:
y=0.026x2+0.043x+5.768
(3)
其中x為溫度取值。根據(jù)此函數(shù)方程可以近似計算出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下不同溫度下的飽和濕空氣含水量。
結(jié)露過程是非常復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程,結(jié)露量的推導(dǎo)公式需要大量的驗證和調(diào)整,目前階段對于結(jié)露量計算方法的研究少之又少。根據(jù)文獻[5]利用無量綱分析得出的結(jié)露速率關(guān)聯(lián)式進行結(jié)露量驗算:
Mdc=1.239×10-6q0.513 6(ΔT)1.351 3(Δda)0.417 9
式中:
Mdc——單位面積、單位時間結(jié)露量,kg/(m2·s);
q——通過墻體的熱流密度,q取19.42 J/(m2·s)
ΔT——墻體表面溫度與基坑空氣溫度差值,取7 ℃;
Δda——不同溫度空氣含水量差值,根據(jù)公式(3)每千克干空氣取0.14 kg。
經(jīng)計算Mdc≈11.036×10-6kg/(m2·s)約等于39.73 g/(m2·h)。由此推算,該墻體結(jié)露量約為39 g/(m2·h),進一步證明此時墻體會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。
必須指出的是,由于垂梯基坑井環(huán)境相對封閉,隨著冷凝水不斷析出,井內(nèi)空氣濕度不斷下降,結(jié)露量也相應(yīng)減少。這是個動態(tài)過程,當(dāng)冷凝與蒸發(fā)量相等時,這個動態(tài)達到平衡,結(jié)露量不再增加。
車站結(jié)構(gòu)和排風(fēng)模式對結(jié)露也有一定影響。青島科大站B進出站口通道設(shè)計有中央空調(diào)風(fēng)機盤管進行空氣調(diào)節(jié),額定通風(fēng)量2 040 m3/h,但垂梯井通道相對較為狹窄,送風(fēng)量大大減少,外加B進出站口外部有墻體圍擋,通風(fēng)能力再一次下降,因此B進出站口垂梯結(jié)露現(xiàn)象得不到緩解,表現(xiàn)較為嚴(yán)重。
綜上所述,地鐵地下車站冷凝水激增的主要原因為:
1) 濕度。濕度是導(dǎo)致地下空間結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。受地理位置、埋深、土質(zhì)、地下水等因素的影響,空氣濕度不盡相同,總體而言空氣相對濕度越大,水蒸氣含量越趨向于飽和,越容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。
2) 溫度。夏季溫度升高,空氣相對濕度增大,空氣露點溫度提高,若地下空間溫度低于露點溫度,則容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。
3) 埋深。因受地下水影響,埋深越大的車站墻體溫度越低,空氣越潮濕,相比于淺埋深的車站更易結(jié)露。
4) 通風(fēng)。通風(fēng)量越大的地下空間,空氣濕度越低,相對不容易結(jié)露。
預(yù)防結(jié)露的措施,一是提高物體表面溫度,二是降低空氣露點溫度。針對第一種措施,鑒于電梯特種設(shè)備有較高規(guī)格標(biāo)準(zhǔn),大部分不具備加熱功能,因此提高物體表面溫度的方法主要是在基坑側(cè)壁增加隔熱材料,提高與井道內(nèi)空氣接觸的外邊面溫度。第二種措施主要是通過加裝除濕機或者在基坑內(nèi)放置干燥劑去除空氣中的水分子,降低絕對濕度,降低露點溫度[1];或者增加通風(fēng)強度,使室內(nèi)整體濕度降低,壁面結(jié)露面積也會相應(yīng)減小。
在地鐵車站設(shè)計階段,需根據(jù)車站埋深考慮增強地鐵出入口通風(fēng)量,在電梯門上部增設(shè)通風(fēng)百葉,增強垂梯井道與站廳的空氣流動;條件允許情況下,對通道長度超過6 m的無障礙通道加設(shè)中央空調(diào)風(fēng)機盤管或多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)(VRV)。
1) 對于垂梯基坑已經(jīng)出現(xiàn)冷凝問題的地下空間,在頂部增加豎向排風(fēng)口,同時在頂部或者側(cè)墻位置增加機械排風(fēng)裝置。
2) 為提高基坑內(nèi)壁表面溫度,可在內(nèi)部表面涂刷隔潮劑或冷底子油,再增加一層擠塑板保溫材料,以此來達到隔絕熱交換的作用。
3) 上海部分地區(qū)率先采用了L型抗冷凝調(diào)整劑處理地下空間冷凝水。L型抗冷凝調(diào)整劑作為一種新型建筑冷凝水防治材料,通過提高表面熱阻,阻斷表面冷熱交換,從而阻止結(jié)露,其效果已在多個工程實例中驗證,相關(guān)城市地鐵可以借鑒其經(jīng)驗,選取合適車站進行試點[6]。
4) 根據(jù)GB/T 10058—2009《電梯技術(shù)條件》[7]的相關(guān)要求,電梯運行時的空氣相對潮濕度在最高溫度為40 ℃時不超過50%,在較低溫度下可以有較高的濕度;最濕月的月平均最低溫度不超過25 ℃,該月的平均最大濕度不超過90%。設(shè)備部門應(yīng)對比現(xiàn)場實際情況,在井道壁有結(jié)露現(xiàn)象但溫濕度符合標(biāo)準(zhǔn)情況下盡量保持電梯正常運行,其運行產(chǎn)生的活塞風(fēng)能夠一定程度上緩解潮濕現(xiàn)象。
5) 對于電梯轎廂頂部設(shè)備的防潮保護,可以在井道內(nèi)加裝除濕機,或者在轎廂頂部、配電柜內(nèi)放置干燥劑或除濕器去除空氣中的水分子,從而保護電氣元件不受潮短路。