青岛地铁地下空间结露原因分析及防治措施研究

王 儒 张 蕾 管凯凯

(青岛地铁集团有限公司运营分公司，266100，青岛//第一作者,工程师)

青岛地处山东半岛东南部，濒临黄海，空气潮湿。夏季日间最高气温在30 ℃左右，夜间最低气温27 ℃。伴随温度的升高，空气湿度增大，青岛地铁部分地下车站垂梯基坑出现不同程度的冷凝潮湿现象。曾因井道潮湿导致电器开关受潮短路，电梯停运。研究地下空间结露现象的产生原因和防范措施，为新线建设和客运服务提供参考很有必要。

1 地铁地下空间结露原因分析

1.1 结露原理

根据热力学原理，当一定温度空气中水蒸气分压力达到该温度下水蒸气饱和分压力时，水蒸气就会释放热量凝结成水。结露的评判标准一般为物体表面温度是否低于空气中的露点温度。夏季室外空气含水量较大，露点温度相对较高[1]，若井道壁或者垂梯设备表面温度略低于露点温度，就会在其表面产生结露现象，就是俗称的“冷凝水”。

1.2 地铁车站地质环境分析

青岛市濒临黄海，环绕胶州湾，内陆河流众多，地下水补给极其丰富，土、岩石或裂隙中的空隙均是地下水储存的良好载体。根据青岛地铁地质条件资料，南部城区主要地铁站坐落于花岗岩地质之上，市南区、崂山区地铁站范围内地下水广泛存在并储量丰富。

以崂山区为例，地理位置北纬36°10′，地下15～20 m深度是常年恒温，温度稳定在16 ℃左右[2]。地下水基本处于自然状态，水位年内涨幅一般不超过2 m；地下水季节性变化明显，变化曲线呈波状起伏，7～9月份地下水水位为波峰状态，为丰水期，之后随着降雨减少和地表蒸发，水位慢慢下降。因此，夏季随着地下水水位不断升高，地下构筑物也会持续受到水温和土壤温度的共同作用，混凝土外墙温度趋近于20 ℃。

此外，受季节影响，地下空间的空气湿度变化较大，根据随机选取的6个车站(其中李村站、清江路站、地铁大厦站为内陆车站，五四广场站、太平角公园站、青岛站为沿海车站)的湿度变化记录，夏季受副热带高压影响，东部沿海地区空气湿度逐步增大，7～8月份达到峰值，此时大部分地下车站空气湿度在70%～80%，露点温度迅速提升，因此，每年7～8月也是结露现象集中爆发期,如图1所示。另外，由于地理位置差距较小，青岛市范围内内陆车站和沿海车站空气湿度相差不大。

图1 地铁车站一年内的湿度变化曲线

因此，当湿度与温度达到结露条件，室外热空气与室内低温构筑物直接接触后，发生结露现象。地铁车站出入口通风效果较差，结露现象得不到及时缓解，导致垂梯井内壁和通道外墙长期大面积冷凝水悬挂。

2 地铁车站垂梯基坑潮湿分析

2.1 井道结构及结露表现

以青岛地铁11号线青岛科大站为例，该站垂梯井平面图如图2所示。垂梯井基坑北侧为逃生竖井，西侧为排烟风井(排烟风井与垂梯井道深度相同)。现场查看发现垂梯井道上半段情况良好，四面侧壁均能够保持干燥状态;从中段开始，东侧及南侧井道壁出现不同程度冷凝水现象，而西侧与北侧井道壁仍能保持干燥状态；在坑底位置,东侧及南侧井道壁冷凝现象最为严重，同时北侧井道壁也出现轻度冷凝现象，但西侧井道壁仍能保持干燥。

尺寸单位:mm

图2 垂直电梯平面图

2.2 井道结露原因分析

经调查，垂梯井西侧壁后部为排烟风井，无地下水影响，墙体温度与空气温度保持一致，因此无结露现象。结构设计要求，无障碍通道等附属设备结构以混凝土自防水为主，结构抗渗标号不低于P10(P10表示该混凝土能抵抗1.0 MPa的静水压力而不渗透)，并铺设全包外防水。水压计算公式为：

p=ρ×gh

(1)

式中：

p——水压;

ρ——水的密度;

g——重力加速度;

h——取压点到液面高度。

由此可得，P10的抗渗等级能够抵抗水下100 m的水压而不渗漏，能够充分保证青岛科大站26 m埋深而不发生渗漏。现场观测井道壁施工质量较好，无渗漏水情况，亦可以排除混凝土抗渗性能不达标造成的整体渗漏水。

该站周边虽未发现明显地表水系，但地下水位埋深为2.1～1.4 m，主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，含量十分丰富。车站垂梯基坑开挖深度为26 m，井道中下部分地下水温度不随大气温度的变化而变化，常年保持在15～16 ℃,该井道壁传热系数为2.33 W/(m·℃)，导热性较好，因此该井道中下部受地下水影响温度趋近于20 ℃。夏季室外空气相对湿度较高，露点温度升高，而井道内壁温度保持不变，当室外空气露点温度高于井道内壁温度时，即发生结露现象。

2.3 数据测量

为进一步研究温湿度和结露现象的关系，采用FLUKE红外测温仪和TES湿度测试仪1360A对青岛地铁部分地下车站7月份温湿度进行测量，并结合《空气露点温度表》对测量数据进行整理，整理结果及这6个车站的垂梯基坑埋深，如表1所示。

表1 地铁车站温湿度及基坑深度

由表1分析可知，基坑埋深越大空气湿度越大，除青岛二中站和苗岭站外，青岛科大站、会展中心站、海游路站和枣山路站均出现露点温度高于井壁温度的情况，符合湿热空气遇到冰冷物体结露的条件，因此，这4个车站垂梯井道壁包括车站内部墙壁会产生大量冷凝水，与现场实际情况相符合。

经过实地观察，上述车站中青岛科大站和海游路站结露现象最为明显，表1中这2个车站井壁温度和露点温度差值亦最大。究其原因，是温、湿度差异具有决定性因素。

2.4 墙体内表面温度计算

仍以青岛科大站为测试对象，参照GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》[3]，围护结构内表面温度可由式(2)计算：

θ=Tn-Rn/Ro(Tn-Tnw)

(2)

式中：

θ——墙体内表面温度,℃;

Rn——内表面换热阻,取0.11 m2·K/W;

Ro——总热阻,取0.257 m2·K/W;

Tn——基坑温度,28 ℃;

Tnw——地下水温度,16 ℃。

经计算，θ≈22 ℃

经查《空气露点温度表》,空气温度和湿度分别在28 ℃和82.8%时，露点温度为24.4 ℃，因此，会发生结露现象。

2.5 结露量计算

首先由文献[4]中的《湿空气中饱和水蒸气分压力及含湿量》得知不同温度下空气含水量曲线，如图3所示。

图3 不同温度下空气含水量曲线

经计算，该抛物线函数方程近似于：

y=0.026x2+0.043x+5.768

(3)

其中x为温度取值。根据此函数方程可以近似计算出标准大气压下不同温度下的饱和湿空气含水量。

结露过程是非常复杂的传热传质过程，结露量的推导公式需要大量的验证和调整，目前阶段对于结露量计算方法的研究少之又少。根据文献[5]利用无量纲分析得出的结露速率关联式进行结露量验算：

Mdc=1.239×10-6q0.513 6(ΔT)1.351 3(Δda)0.417 9

式中：

Mdc——单位面积、单位时间结露量,kg/(m2·s);

q——通过墙体的热流密度，q取19.42 J/(m2·s)

ΔT——墙体表面温度与基坑空气温度差值，取7 ℃;

Δda——不同温度空气含水量差值，根据公式(3)每千克干空气取0.14 kg。

经计算Mdc≈11.036×10-6kg/(m2·s)约等于39.73 g/(m2·h)。由此推算，该墙体结露量约为39 g/(m2·h)，进一步证明此时墙体会发生结露现象。

必须指出的是，由于垂梯基坑井环境相对封闭，随着冷凝水不断析出，井内空气湿度不断下降，结露量也相应减少。这是个动态过程，当冷凝与蒸发量相等时，这个动态达到平衡，结露量不再增加。

2.6 其他影响

车站结构和排风模式对结露也有一定影响。青岛科大站B进出站口通道设计有中央空调风机盘管进行空气调节，额定通风量2 040 m3/h，但垂梯井通道相对较为狭窄，送风量大大减少，外加B进出站口外部有墙体围挡，通风能力再一次下降，因此B进出站口垂梯结露现象得不到缓解，表现较为严重。

2.7 结露原因总结

综上所述，地铁地下车站冷凝水激增的主要原因为：

1) 湿度。湿度是导致地下空间结露现象产生的根本原因。受地理位置、埋深、土质、地下水等因素的影响，空气湿度不尽相同，总体而言空气相对湿度越大，水蒸气含量越趋向于饱和，越容易出现结露现象。

2) 温度。夏季温度升高，空气相对湿度增大，空气露点温度提高，若地下空间温度低于露点温度，则容易出现结露现象。

3) 埋深。因受地下水影响，埋深越大的车站墙体温度越低，空气越潮湿，相比于浅埋深的车站更易结露。

4) 通风。通风量越大的地下空间，空气湿度越低，相对不容易结露。

3 预防地铁地下车站结露的措施

预防结露的措施,一是提高物体表面温度，二是降低空气露点温度。针对第一种措施，鉴于电梯特种设备有较高规格标准，大部分不具备加热功能，因此提高物体表面温度的方法主要是在基坑侧壁增加隔热材料，提高与井道内空气接触的外边面温度。第二种措施主要是通过加装除湿机或者在基坑内放置干燥剂去除空气中的水分子，降低绝对湿度，降低露点温度[1]；或者增加通风强度，使室内整体湿度降低，壁面结露面积也会相应减小。

3.1 地铁车站设计阶段可采取的措施

在地铁车站设计阶段,需根据车站埋深考虑增强地铁出入口通风量，在电梯门上部增设通风百叶，增强垂梯井道与站厅的空气流动；条件允许情况下,对通道长度超过6 m的无障碍通道加设中央空调风机盘管或多联式空调系统(VRV)。

3.2 对地铁车站已出现结露现象建筑物的措施

1) 对于垂梯基坑已经出现冷凝问题的地下空间，在顶部增加竖向排风口，同时在顶部或者侧墙位置增加机械排风装置。

2) 为提高基坑内壁表面温度，可在内部表面涂刷隔潮剂或冷底子油，再增加一层挤塑板保温材料，以此来达到隔绝热交换的作用。

3) 上海部分地区率先采用了L型抗冷凝调整剂处理地下空间冷凝水。L型抗冷凝调整剂作为一种新型建筑冷凝水防治材料，通过提高表面热阻，阻断表面冷热交换，从而阻止结露，其效果已在多个工程实例中验证，相关城市地铁可以借鉴其经验，选取合适车站进行试点[6]。

4) 根据GB/T 10058—2009《电梯技术条件》[7]的相关要求，电梯运行时的空气相对潮湿度在最高温度为40 ℃时不超过50%，在较低温度下可以有较高的湿度；最湿月的月平均最低温度不超过25 ℃，该月的平均最大湿度不超过90%。设备部门应对比现场实际情况，在井道壁有结露现象但温湿度符合标准情况下尽量保持电梯正常运行，其运行产生的活塞风能够一定程度上缓解潮湿现象。

5) 对于电梯轿厢顶部设备的防潮保护，可以在井道内加装除湿机，或者在轿厢顶部、配电柜内放置干燥剂或除湿器去除空气中的水分子，从而保护电气元件不受潮短路。