杜前洲,蔡亞橋,剛文杰,李 遼

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063； 2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430074)

引言

焓濕圖(h-d圖)可用來確定濕空氣的狀態(tài)參數(shù)，是空調(diào)設(shè)計中必不可少的工具。濕空氣通常有4個狀態(tài)參數(shù)，即干球溫度t、相對濕度φ、含濕量d與比焓h，其中，只有2個參數(shù)是相互獨立的。在特定大氣壓下，只要知道任意2個參數(shù)，即可在焓濕圖中方便地查得另外兩個參數(shù)。

焓濕圖可直觀表示出空氣的熱濕處理過程，被廣泛應(yīng)用于空氣處理過程分析與空調(diào)負荷計算過程中[1-3]?？照{(diào)領(lǐng)域常見的空氣狀態(tài)變化過程，如等濕加熱/冷卻、等焓加濕、等溫加濕、減焓減濕及空氣混合等過程，都可以在焓濕圖中直觀描繪出來。

目前，焓濕圖在實際應(yīng)用中，主要借助手工查詢[4]或借助既有焓濕圖軟件(如天正、鴻業(yè)等)進行分析計算。設(shè)計人員在焓濕圖中直觀描述出空氣的變化過程，并查得不同狀態(tài)點的參數(shù)，為空調(diào)設(shè)計提供輸入條件。

手工查詢焓濕圖較為方便直接，但存在局限性。手工查詢法會不可避免地產(chǎn)生一定的人為誤差[4]。此外，不同城市的大氣壓力不同，特定的焓濕圖表不適用于不同城市，非標準大氣壓下相關(guān)參數(shù)需用經(jīng)驗公式進行修正[5]。

在工程設(shè)計領(lǐng)域，設(shè)計人員的常規(guī)方法是通過焓濕圖軟件進行空氣處理過程分析與負荷計算等[6-7]。該方法較為簡捷實用，能清晰描繪出空氣的變化過程，并方便求得不同狀態(tài)點的參數(shù)。但計算結(jié)果需要人工導(dǎo)出，且當設(shè)計條件發(fā)生變化時，需重新進行焓濕圖計算，此過程較為繁瑣。

首先對濕空氣各狀態(tài)參數(shù)的計算公式進行梳理，然后基于焓濕圖介紹地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理過程，提出地鐵車站大/小系統(tǒng)空氣處理過程的計算方法與步驟，并驗證該方法的正確性與可靠性，提出將焓濕圖計算公式融入設(shè)計計算書進行自動計算的設(shè)計方式，從而免去設(shè)計人員查焓濕圖的額外流程，提高設(shè)計效率。此外，概述焓濕圖計算公式的多種應(yīng)用前景。

1 焓濕圖中各狀態(tài)點參數(shù)及其計算公式

濕空氣的干球溫度t、相對濕度φ、含濕量d、比焓h等狀態(tài)參數(shù)可以直接繪制在焓濕圖中。此外，濕空氣還具有一定的壓力P。特定大氣壓下的焓濕圖形式是固定的。濕球溫度ts也是濕空氣的重要參數(shù)，民用建筑空調(diào)設(shè)計中，濕球溫度是夏季空調(diào)室外計算參數(shù)之一[8]。文獻[9-10]給出了國內(nèi)外較為權(quán)威的濕空氣狀態(tài)參數(shù)理論公式或經(jīng)驗公式，現(xiàn)將與地鐵車站空氣處理過程相關(guān)的相對濕度、含濕量、比焓、濕球溫度、密度等濕空氣參數(shù)梳理如下。

1.1 相對濕度

濕空氣的相對濕度φ為濕空氣的實際水蒸氣分壓力與同溫度下飽和狀態(tài)空氣水蒸氣分壓力之比，即

(1)

式中，φ為濕空氣相對濕度，%；Pq為濕空氣的實際水蒸氣分壓力，Pa；Pq·b為濕空氣的飽和水蒸氣分壓力，Pa。

其中，當空氣溫度介于0 ℃～200 ℃時，文獻[11]給出了濕空氣的飽和水蒸氣分壓力的經(jīng)驗計算式

(2)

式中，c1～c6為系數(shù)，c1=-5 800.220 6；c2=1.391 499 3；c3=-0.048 602 39；c4=0.417 647 68×10-4；c5=-0.144 520 93×10-7；c6=6.545 967 3。

1.2 含濕量

濕空氣的含濕量d為濕空氣中所含水蒸氣質(zhì)量與干空氣質(zhì)量之比，其計算公式為[9]

(3)

式中，d為濕空氣的含濕量，g/kg干；P為大氣壓力，Pa；Pq為濕空氣的水蒸氣分壓力，Pa。

1.3 比焓

濕空氣的比焓h為濕空氣能量狀態(tài)，ASHRAE推薦的計算公式為

h=1.006t+(2 501+1.86t)d

(4)

式中，h為濕空氣的比焓，kJ/kg干。

1.4 濕球溫度

濕空氣的濕球溫度ts為濕空氣等焓加濕達到飽和時空氣的溫度?！秾嵱霉峥照{(diào)設(shè)計手冊》推薦的濕球溫度計算公式為

ts=C·φ+D·t

(5)

式中，φ為濕空氣的相對濕度，%；t為空氣的干球溫度，℃；C、D為計算系數(shù)，取值見表1。

表1 濕球溫度的計算系數(shù)

1.5 密度

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計進行風(fēng)量計算時，還需用到濕空氣的密度參數(shù)?！秾嵱霉峥照{(diào)設(shè)計手冊》推薦的濕空氣密度計算公式為

(6)

式中，ρ為濕空氣的密度，kg/m3；T為濕空氣的絕對溫度，K，T=t+273.15。

2 地鐵車站大/小系統(tǒng)空氣處理過程

2.1 大系統(tǒng)空氣處理過程

地鐵車站公共區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)(簡稱“大系統(tǒng)”)一般在車站站廳層兩端的機房內(nèi)分別設(shè)置一臺組合式空調(diào)器，分別承擔站廳和站臺層公共區(qū)一半的空調(diào)負荷。典型地鐵車站大系統(tǒng)空調(diào)原理如圖1所示。室外新風(fēng)通過新風(fēng)亭進入地下車站，與回風(fēng)在混風(fēng)室里進行混合，經(jīng)組合式空調(diào)器處理后被送往站廳/站臺公共區(qū)。排風(fēng)通過回排風(fēng)機經(jīng)排風(fēng)亭排出至室外。

圖1 典型地鐵車站大系統(tǒng)空調(diào)原理

地鐵車站大系統(tǒng)的空氣處理過程為一次回風(fēng)過程，但與普通民用建筑的一次回風(fēng)過程有所區(qū)別。乘客通過地鐵車站乘車時，僅在地鐵站環(huán)境中短時間逗留。根據(jù)GB50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[12]要求，在設(shè)計地鐵站空調(diào)系統(tǒng)時，“站臺中公共區(qū)的空氣計算溫度應(yīng)低于站廳的空氣計算溫度1～2 ℃”，以節(jié)約能源，同時滿足“暫時舒適”需求。因此，地鐵車站站廳和站臺的室內(nèi)空氣設(shè)計參數(shù)不同，這有別于普通民用建筑。

典型地鐵車站的大系統(tǒng)空氣處理焓濕圖如圖2所示。室外狀態(tài)點W的新風(fēng)與混風(fēng)室狀態(tài)點C’的回風(fēng)混合后達到新回風(fēng)混合點H，組合式空調(diào)機組把狀態(tài)點H的混合空氣冷卻減濕到機器露點L，考慮1 ℃的管道溫升，送風(fēng)從L點達到室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點O，然后分別送入站廳層/站臺層公共區(qū)，吸收公共區(qū)的余熱余濕后分別變?yōu)檎緩d層公共區(qū)狀態(tài)點NT和站臺層公共區(qū)狀態(tài)點Nt。公共區(qū)回排風(fēng)經(jīng)風(fēng)管收集混合后達到混合點C，排風(fēng)部分經(jīng)排風(fēng)亭排出至室外，回風(fēng)部分回到混風(fēng)室狀態(tài)點C′。

圖2 地鐵車站大系統(tǒng)空氣處理焓濕圖

對于特定的城市，圖2中室外新風(fēng)狀態(tài)點W是確定值。根據(jù)規(guī)范要求，地鐵車站大系統(tǒng)的室外空氣設(shè)計參數(shù)由室外干球溫度和濕球溫度確定，其中，夏季空調(diào)室外空氣計算干球溫度采用近20年夏季地鐵晚高峰負荷時平均每年不保證30 h的干球溫度；夏季空調(diào)室外空氣計算濕球溫度采用近20年夏季地鐵晚高峰負荷時平均每年不保證30 h的濕球溫度[12]。以武漢為例，根據(jù)近20年的氣象資料，武漢的地鐵車站夏季空調(diào)室外計算干球溫度為32.20 ℃，濕球溫度為26.50 ℃。

其他狀態(tài)點的參數(shù)可根據(jù)規(guī)范要求及前述的焓濕圖計算公式得到。在此列出地鐵車站大系統(tǒng)空氣處理過程各狀態(tài)點參數(shù)的計算步驟如下。

①確定機器露點L。在地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，機器露點L可按干球溫度19 ℃，相對濕度95%確定。L點含濕量dL通過式(3)計算得到，進一步地，通過式(4)求得比焓值hL。

②確定送風(fēng)狀態(tài)點O。O點的干球溫度比機器露點L溫度高1 ℃，tO=tL+1=20 ℃，含濕量與L點含濕量相同，dO=dL。O點的比焓可通過式(4)求得，相對濕度通過式(1)、式(2)求得。

③確定站廳/站臺層公共區(qū)室內(nèi)狀態(tài)點NT/Nt。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，一般取站廳、站臺公共區(qū)干球溫度分別為30、28 ℃。在已知熱濕比的前提下，根據(jù)熱濕比ε的定義式可分別計算得到NT、Nt點的比焓值。熱濕比的定義式如下

(7)

式中，hN為站廳或站臺公共區(qū)的比焓，kJ/kg干；dN為站廳或站臺公共區(qū)的含濕量，g/kg干。

由式(4)、式(7)組成的二元一次方程組，可計算得到站廳/站臺公共區(qū)的比焓和含濕量。進一步地，根據(jù)式(1)、式(2)求得站廳/站臺公共區(qū)的相對濕度。值得注意的是，《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，車站站廳、站臺公共區(qū)的相對濕度均應(yīng)在40%～70%，此處需對計算得到的相對濕度進行校核，以滿足規(guī)范要求。

在確定站廳/站臺層公共區(qū)室內(nèi)狀態(tài)點NT/ Nt參數(shù)后，可按下式計算得到用于消除站廳/站臺層公共區(qū)余熱/余濕的送風(fēng)量。

(8)

式中，G為站廳或站臺公共區(qū)的質(zhì)量送風(fēng)量，kg/s；Q為站廳或站臺公共區(qū)的得熱量，kW。站廳或站臺公共區(qū)的體積送風(fēng)量L=G/ρ。

④確定站廳站臺混合點C。根據(jù)熱平衡原理，C點的比焓、含濕量、干球溫度可根據(jù)下式求得

(9)

式中，GNT/GNt為站臺層回風(fēng)量與站廳層回風(fēng)量之比；h為比焓，kJ/kg干；d為含濕量，g/kg干；t為空氣干球溫度，℃；下標為相應(yīng)狀態(tài)點。

⑤確定回至混風(fēng)室狀態(tài)點C′?？紤]1 ℃的管道溫升，C′點的溫度tC′=tC+1，含濕量與C點含濕量相同，dC′=dC。C′點的比焓可通過式(4)求得，相對濕度通過式(1)、式(2)求得。

⑥確定新回風(fēng)混合點H。根據(jù)熱平衡原理，H點的比焓、含濕量、干球溫度可根據(jù)下式求得

(10)

式中，(GNT+GNt)/GW為大系統(tǒng)總回風(fēng)量與新風(fēng)量之比；h為比焓，kJ/kg干；d為含濕量，g/kg干；t為空氣干球溫度，℃；下標為相應(yīng)狀態(tài)點。

2.2 小系統(tǒng)空氣處理過程

地鐵車站設(shè)備與管理用房可看作民用建筑中地面密閉性較高或無外窗的建筑，一般采用一次回風(fēng)全空氣空調(diào)系統(tǒng)(簡稱“小系統(tǒng)”)，其空氣處理過程比大系統(tǒng)簡單，與普通民用建筑的一次回風(fēng)處理過程相一致。

典型地鐵車站的小系統(tǒng)空氣處理焓濕圖如圖3所示。室外狀態(tài)點W的新風(fēng)與回風(fēng)狀態(tài)點N′混合后達到新回風(fēng)混合點H，小系統(tǒng)空調(diào)機組把狀態(tài)點H的混合空氣冷卻減濕到機器露點L，考慮1 ℃的管道溫升，送風(fēng)從L點達到室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點O，然后分別再送入小系統(tǒng)房間，吸收房間內(nèi)的余熱余濕后變?yōu)槭覂?nèi)狀態(tài)點N?？紤]管道溫升，小系統(tǒng)回排風(fēng)經(jīng)風(fēng)管回到空調(diào)機房時達到回風(fēng)點N′，排風(fēng)部分經(jīng)排風(fēng)亭排出至室外。

圖3 地鐵車站小系統(tǒng)空氣處理焓濕圖

小系統(tǒng)的空氣處理過程相比于大系統(tǒng)少了末端站廳/站臺層不同溫度回風(fēng)的混合過程，在大系統(tǒng)空氣處理過程基礎(chǔ)上，若NT點、Nt點與C點重合，即可視為小系統(tǒng)的空氣處理過程，其焓濕圖計算方法可參照大系統(tǒng)，在此不再贅述。

值得注意的是，考慮到地鐵車站設(shè)備與管理用房的負荷特點，小系統(tǒng)的夏季空調(diào)室內(nèi)計算溫度分為tN=27 ℃與tN=36 ℃兩種類型，這與民用建筑有所區(qū)別。

3 應(yīng)用舉例與結(jié)果驗證

3.1 應(yīng)用舉例

以武漢市某地鐵車站的大系統(tǒng)空調(diào)為例，利用上述方法進行計算分析。武漢市的夏季室外大氣壓力為100 210 Pa，大系統(tǒng)夏季空調(diào)室外計算干/濕球溫度分別為32.20、26.50 ℃。該車站為地下二層標準車站，站廳層、站臺層公共區(qū)室內(nèi)溫度、得熱量、得濕量、送風(fēng)溫差、熱濕比如表2所示。站廳層、站臺層公共區(qū)的室內(nèi)設(shè)計溫度分別按30、28 ℃，得熱量分別為174.0、149.2 kW，得濕量分別為19.6、16.5 g/s，計算得到的熱濕比分別為8 870、9 066 kJ/kg。站廳層、站臺層公共區(qū)送風(fēng)溫差分別為10、8 ℃。

表2 某地鐵車站大系統(tǒng)空調(diào)設(shè)計參數(shù)

按照前述2.1節(jié)的方法，根據(jù)已知條件，能夠計算出大系統(tǒng)空調(diào)的室外狀態(tài)點、室內(nèi)站廳/站臺狀態(tài)點、機器露點、室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點、站廳與站臺回風(fēng)混合點、混風(fēng)室狀態(tài)點以及新回風(fēng)混合狀態(tài)點的各個參數(shù)，具體如表3所示。表3中灰底的室外空氣干/濕球溫度為已知值，其他值按照提出的方法進行選取或計算得到。

表3 某地鐵車站大系統(tǒng)空調(diào)各狀態(tài)點參數(shù)(室外大氣壓100 210 Pa)

由表3可知，該地鐵車站站廳層公共區(qū)空氣比焓為68.30 kJ/kg干，站廳層公共區(qū)空氣比焓為65.29 kJ/kg干，送風(fēng)狀態(tài)點比焓為53.78 kJ/kg干，通過式(8)可得出站廳/站廳公共區(qū)的送風(fēng)量分別為36 521、39 504 m3/h。

3.2 結(jié)果驗證

為對以上結(jié)果進行驗證，利用工程設(shè)計中常用的天正軟件繪制焓濕圖進行對比分析。在本案例中，天正軟件計算出的各狀態(tài)點參數(shù)如表4所示。

表4 利用天正軟件計算的各狀態(tài)點參數(shù)

對比表3、表4可以看出，通過天正軟件計算處理的各狀態(tài)點參數(shù)與本文計算方法得出的各狀態(tài)點參數(shù)十分接近。為便于比較，將各狀態(tài)點對應(yīng)參數(shù)的差值及誤差范圍計算出來，如表5所示。

表5 本文方法計算結(jié)果與天正軟件計算結(jié)果差值

從表5可以看出，干球溫度項中，利用本文方法計算的站廳與站臺混合點、回至混風(fēng)室狀態(tài)點、新回風(fēng)混合點的結(jié)果比天正結(jié)果高0.1 ℃；濕球溫度項中，兩種方式的計算結(jié)果相差在0.5 ℃以內(nèi)；相對濕度、比焓、密度、含濕量4個參數(shù)中，本文方法計算結(jié)果比天正結(jié)果略低，但各參數(shù)最大差值分別不超過0.6%、0.3 kJ/kg干、0.015 kg/m3、0.13 g/kg干。

根據(jù)表5中的參數(shù)可進一步計算得出站廳/站廳公共區(qū)的送風(fēng)量，與3.1節(jié)的送風(fēng)量結(jié)果進行對比，如圖4所示。

圖4 本文方法與天正軟件計算送風(fēng)量結(jié)果對比

由圖4可知，本文方法計算得出的站廳公共區(qū)與站臺公共區(qū)的送風(fēng)量略高于天正軟件計算出的結(jié)果，絕對誤差分別為407、268 m3/h，相對誤差分別為1.12%、0.68%。

結(jié)果表明，本文提出的地鐵車站大/小系統(tǒng)空氣處理過程的計算方法精確度可以滿足工程計算的要求。

4 焓濕圖計算公式的應(yīng)用

4.1 設(shè)計計算書

在實際地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的工程設(shè)計中，系統(tǒng)的空氣處理過程計算一般是利用焓濕圖軟件完成，并將結(jié)果以表格的形式記錄在Excel中，形成設(shè)計計算書。基于濕空氣各參數(shù)計算公式及本文提出的焓濕圖中各狀態(tài)點的計算方法，可將焓濕圖計算過程融入設(shè)計計算書進行自動計算。該方法只需設(shè)計人員輸入部分參數(shù)的初始數(shù)據(jù)，其他參數(shù)即可自動求得。該方法計算結(jié)果可靠，并省去了設(shè)計人員繪制焓濕圖及導(dǎo)入導(dǎo)出計算結(jié)果的過程，減少人為誤差，優(yōu)化了設(shè)計流程，提高了設(shè)計效率。

4.2 焓濕圖計算軟件

為便于空氣處理過程計算及焓濕圖查詢，部分學(xué)者嘗試使用計算機語言編寫焓濕圖計算軟件。文獻[13]提出了利用J2ME體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)濕空氣性質(zhì)移動計算及焓濕圖移動查詢的方法，但未涉及空氣處理過程的計算；文獻[14]基于Visual Basic 6.0語言編制了動態(tài)焓濕圖軟件，可實現(xiàn)誤差在1%以內(nèi)的焓濕圖計算；文獻[15]采用Java 編程語言編寫了濕空氣狀態(tài)參數(shù)的計算應(yīng)用程序。

地鐵車站大系統(tǒng)空調(diào)空氣處理過程與普通一次回風(fēng)過程不同，據(jù)筆者所知，目前在公開文獻資料中未見有適用于地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的焓濕圖計算軟件。梳理的濕空氣性質(zhì)計算公式及焓濕圖計算方法，可為后續(xù)地鐵車站焓濕圖計算軟件的編寫提供理論依據(jù)和方法參考。

4.3 建筑信息模型(BIM)

建筑信息模型(BIM)技術(shù)是繼計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)之后建筑業(yè)出現(xiàn)的又一種計算機應(yīng)用技術(shù)，被譽為建筑業(yè)變革的革命性力量。其特點是將建筑工程項目中的每個單一構(gòu)件看作一個基本元素，將描述基本元素的幾何數(shù)據(jù)、物理特性、施工要求、價格等所有相關(guān)信息有機整合，形成一個完全數(shù)據(jù)化的建筑模型。BIM技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域及軌道交通中有著廣泛應(yīng)用前景[16-18]。文獻[19]指出基于模型自動計算的工程量清單平臺是BIM項目全壽命周期管理3個關(guān)鍵條件之一。利用本文方法可為地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的焓濕圖計算過程在BIM中實現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)，借助BIM技術(shù)可進一步將風(fēng)量結(jié)果整合到組合式空調(diào)機組或風(fēng)管中，實現(xiàn)信息的獲得、存儲與傳遞。

Dynamo是基于Autodesk Revit 信息管理平臺的可視化編程插件[20-21]，借助Revit+Dynamo平臺，可將本文方法應(yīng)用于BIM技術(shù)中。具體實現(xiàn)形式如圖5所示。其核心為將地鐵車站焓濕圖計算公式通過Dynamo的Python Script節(jié)點實現(xiàn)自動計算，最終達到自動調(diào)整風(fēng)管大小并統(tǒng)計工程量的目的。

圖5 焓濕圖計算方法在BIM中的應(yīng)用流程

5 結(jié)論

焓濕圖是濕空氣狀態(tài)點查詢、空氣處理過程分析及空調(diào)負荷計算必不可少的基礎(chǔ)工具，在實際應(yīng)用過程中，主要通過焓濕圖表進行手工查詢或者既有焓濕圖軟件進行計算查詢，在準確性與效率上存在一定的局限。對于地鐵車站而言，由于站廳與站臺層公共區(qū)的設(shè)計參數(shù)不同，大系統(tǒng)的空氣處理過程與普通民用建筑一次回風(fēng)過程有較大差異，進一步增加了準確查詢焓濕圖、獲得空氣狀態(tài)點參數(shù)的難度。

對濕空氣各狀態(tài)參數(shù)的計算公式進行梳理，整理出與地鐵車站空氣處理過程相關(guān)的相對濕度、含濕量、比焓、濕球溫度、密度等濕空氣參數(shù)的計算公式。介紹了地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理過程，提出適用于地鐵車站大/小系統(tǒng)空氣處理過程的計算方法與步驟，并以武漢某標準地鐵車站為例，驗證了該方法的正確性與可靠性。結(jié)果表明，根據(jù)提出的方法計算得出站廳公共區(qū)與站臺公共區(qū)的送風(fēng)量與天正軟件計算結(jié)果相對誤差分別是1.12%、0.68%，該方法可滿足工程設(shè)計計算的要求。

進一步地，提出將焓濕圖計算公式融入設(shè)計計算書進行自動計算的設(shè)計方式，從而免去設(shè)計人員查焓濕圖的額外流程，提高設(shè)計效率。此外，基于焓濕圖計算公式與方法，概述了其在焓濕圖計算軟件、BIM技術(shù)中的應(yīng)用前景。