淺談溫濕度獨立控制技術在鐵路站房公共區集中空調系統的應用

嚴鵬飛

摘 要：仔細分析了溫濕度獨立控制空調系統的原理和常見的溫濕度獨立控制空調形式及其優缺點，并以雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統為例，建立了其應用于鐵路站房時的數學模型。針對某實際站房工程，根據其負荷特點，分別分析了該站房公共區集中空調使用雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統和常規空調系統時關鍵設備的能耗情況。結果表明，應用雙溫冷源溫濕度獨立控制技術后，該站房公共區集中空調系統可節能14.9%，節能效果明顯，值得推廣。

關鍵詞：鐵路站房；溫濕度獨立控制；公共區；集中空調系統

中圖分類號：TU83? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0082-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.021

0? ? 引言

近年來，我國鐵路特別是高速鐵路蓬勃發展，鐵路建設進入全新時期。截至2022年年末，全國鐵路營業里程15.5萬km，其中高鐵營業里程4.2萬km。隨之而來，鐵路旅客站房建設也如火如荼地展開。“十二五”期間，我國新建鐵路旅客車站達到900多座[1]，在給廣大旅客帶來便利的同時也導致了建筑能耗的大幅增長。在建筑能耗構成中，暖通空調和采暖系統占比接近60%。如何在保證旅客舒適度的前提下，盡量減少鐵路站房空調系統的能耗已經成為當下鐵路站房暖通設計人員非常關心和亟需解決的問題。

當前，鐵路站房的空調系統主要由以下幾部分構成：1）在候車廳、進站廣廳等公共區域采用集中空調系統，以常規熱泵機組作為冷熱源，空調末端多為全空氣組合式空調機組；2）在辦公區及旅客服務區采用多聯機系統，可以實現靈活控制。其中，集中空調系統的空氣處理過程普遍采用溫濕度耦合處理的模式，即由冷水機組提供7 ℃的冷凍水對空氣同時實現降溫除濕處理。但上述這種耦合處理的方式能處理的顯熱與潛熱比不能和室內熱濕負荷的熱濕比很好地匹配，如果優先滿足溫度的要求可能會導致室內相對濕度過高，不能滿足人體的舒適性需求。如果優先滿足濕度的需求則可能會導致室內溫度過低，還需要對空氣進行再熱才能滿足送風要求，而這會進一步造成能源的浪費。

針對這一現狀，可考慮在鐵路站房集中空調系統設計中采用溫濕度獨立控制技術，即分別對室內負荷中的顯熱負荷與潛熱負荷進行處理，在滿足室內人體舒適度的同時最大限度地節約能源，為2030年的碳達峰與2060年的碳中和做出積極貢獻。

1? ? 溫濕度獨立控制空調系統

溫濕度獨立控制空調系統（Temperature and Humidity Independent Control Air Condition System，簡稱THIC）分為濕度控制系統和溫度控制系統兩部分，分別對濕度、溫度獨立進行控制調節[2]。

1.1? ? 濕度控制部分

濕度處理部分即新風系統，該系統承擔室內所有潛熱負荷，同時承擔部分室內顯熱負荷，并且滿足室內人員的新風量需求。該系統需要對室外引入的新風進行降溫除濕處理。當前，較常用的新風處理方式主要包括溶液除濕、轉輪除濕和冷凝除濕等。

溶液除濕是一種基于吸附原理的濕度處理技術，即利用吸濕溶液從濕空氣中吸收水分，從而實現除濕的效果。溶液除濕設備一般由吸濕室和再生室組成。溶液除濕的優點在于可以利用低品位能源（如廢熱、余熱等）進行再生，節約能源并減少對環境的影響，并且能夠實現較高的濕度控制精度。但溶液除濕也存在一些缺點：溶液除濕的設備通常體形較大，占用空間較多，并且需要額外空間用于再生和儲存溶液，除濕用的溶液還具有一定的腐蝕性。因此，溶液除濕并不適用于常規的鐵路站房。

轉輪除濕用硅膠、分子篩等吸濕材料附著于輕質骨料制作的轉輪表面，主要通過兩個過程來實現濕度控制：吸濕過程和再生過程[3]。在吸濕過程中，濕空氣經過轉輪，其中的吸附劑吸附水分，使空氣中的濕度降低。而在再生過程中，通過加熱轉輪，將吸附劑中的水分蒸發出來，實現再生，同時將水蒸氣排出系統。轉輪除濕的優點在于具備濕度快速調節的能力，能夠迅速降低室內濕度并達到目標濕度；此外還能回收再生過程中產生的廢熱，并用于再生過程中的加熱，提高能源利用效率。但轉輪除濕的缺點在于：在低溫環境下除濕性能會出現顯著下降，還需要定期清洗和更換吸附劑，且初投資較大，投資回收期長。因此，轉輪除濕也不適用于常規的鐵路站房。

冷凝除濕是目前較常見的除濕技術，技術成熟并且易于獲取，可適用于不同場所和環境，對濕度控制效果穩定可靠。冷凝除濕的優點在于成本相對較低、安裝維護方便；缺點在于冷凝除濕不適用于低溫環境，而且冷凝除濕過程會產生大量的冷凝水，如果不處理會造成水資源的浪費，如果處理又會帶來處理設備等方面的資金投入。

綜上，結合鐵路站房的負荷特點及場景要求，較適合采用冷凝除濕方式作為溫濕度獨立控制系統的新風處理方式。

1.2? ? 溫度控制部分

溫度控制部分即回風部分，用于承擔新風處理后的剩余部分室內顯熱負荷。由于對空氣降溫只要求冷凍水溫度低于空氣的干球溫度，因此溫度處理系統多采用供水溫度為14 ℃的高溫冷凍水系統，同時配套設置高溫冷水機組，在室內使用干式空調末端，降溫的同時不會產生冷凝水，可以減少冷凝水凝結導致的細菌滋生，保證室內空氣衛生。因此，本文采用雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統，即以冷凝除濕作為新風處理方式，分析溫濕度獨立控制技術在鐵路站房公共區集中空調系統應用的適應性。

雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統，顧名思義，設置有不同溫度的兩個冷源，即同時設置高溫冷水機組和常規低溫冷水機組。其中，常規低溫冷水機組用來處理新風，承擔室內全部潛熱負荷及部分顯熱負荷，同時滿足室內人員的新風量需求。高溫冷水機組用來處理室內回風，承擔剩余部分的顯熱負荷。兩種冷源共同作用，保證室內空氣的溫濕度滿足人員的舒適度要求，同時減少能源消耗。

下文將以夏熱冬冷地區某典型車站為例，分別對應用常規冷源溫濕度耦合控制技術與雙溫冷源溫濕度獨立控制技術時集中空調系統的性能特點進行具體計算和分析，為二者應用于鐵路站房公共區集中空調系統的適應性提供更好的參考。

相關性能的計算公式列舉如下：

冷水機組功率可按式（1）計算：

W=（1）

式中：W為冷水機組功率；Q為冷水機組制冷量；COP為冷水機組的性能系數。

冷凍水泵功率按式（2）計算[4]：

Wld=（2）

式中：Wld為冷凍水泵功率；Q為冷水機組制冷量；ρ為水的密度，1 000 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；Hld為冷凍水泵的揚程；Cp為水的比熱，4.187 kJ/（kg·℃）；Δtld為冷凍水供回水溫差；ηld為冷凍水泵的效率。

冷卻水泵功率按式（3）計算：

Wlq=（3）

式中：Wlq為冷卻水泵功率；Q為冷水機組制冷量；COP為冷水機組的性能系數；ρ為水的密度，1 000 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；Hlq為冷卻水泵的揚程；Cp為水的比熱，4.187 kJ/（kg·℃）；Δtlq為冷卻水供回水溫差；ηlq為冷卻水泵的效率。

2? ? 案例計算與分析

2.1? ? 項目概況

本文以我國東南地區某大型鐵路站房為例進行計算和分析。該鐵路站房的建筑面積為25 000 m2，站房公共區主要考慮以候車室為主，其中，高架候車室的面積約8 714 m2，為線側平加高架型站房，主體兩層，局部三層，最高聚集人數3 500人。

站房所在地處于夏季時，空調室外計算干球溫度為34.6 ℃，空調室外計算濕球溫度為25.5 ℃。高架候車室的室內設計參數：干球溫度26 ℃，相對濕度60%。

2.2? ? 計算過程

經過對該站房的夏季冷負荷進行逐時計算，在夏季典型日，該站房高架候車室冷負荷最高點時刻確定為15：00。計算該時刻下該站房高架候車室冷負荷，通過焓濕圖計算風量參數，站房公共區冷負荷及風量參數的計算結果如表1所示，其中風量按當前常用的一次回風系統、送風溫度為露點送風進行計算。

2.3? ? 空調系統方案

本文對比分析了該站房采用常規冷源溫濕度耦合控制技術和雙溫冷源溫濕度獨立控制技術時集中空調系統的性能特點，方案一為采用常規冷源溫濕度耦合控制技術的常規集中空調系統，方案二是采用雙溫冷源溫濕度獨立控制技術的集中空調系統。

2.3.1? ? 方案一：常規空調系統

常規設計中，站房公共區采用的空調系統為全空氣系統，是溫濕度耦合處理過程。冷熱源為兩臺常規離心式冷水機組，冷凍水供回水溫度為7/12 ℃，空氣處理末端為組合式空調機組。將常規空調系統的空氣處理過程繪制在焓濕圖上，如圖1所示。其中，W點為室外空氣狀態點，N點為室內設計空氣狀態點，L點為露點送風時的空氣狀態點，O點為新回風混合后的空氣狀態點。

在常規空調系統中，室內全部冷負荷及新風負荷均由冷水機組承擔。筆者隨后對集中空調冷凍水系統進行水力計算，并完成了輸配系統的選型。其中，冷凍水泵流量為486 m3/h，揚程為34 m；冷卻水泵流量為520 m3/h，揚程為26 m。常規空調冷水機組性能系數取5.5，水泵效率取70%。計算可得出該站房公共區在使用常規空調系統時各主要耗電設備的功率，如表2所示。

2.3.2? ? 方案二：雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統

在雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統中，新風系統即常規低溫冷水機組承擔全部室內潛熱負荷及部分顯熱負荷，由高溫冷水機組承擔剩余部分顯熱負荷。由于出水溫度高，高溫冷水機組性能系數可大幅升高，本文按8.0取值。將雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統的空氣處理過程通過焓濕圖表示，如圖2所示。其中，W點為室外空氣狀態點，N點為室內設計空氣狀態點，L點為露點送風時的空氣狀態點，O點為新回風混合后的空氣狀態點，N′為室內回風經過干式空氣處理末端等濕降溫處理后的狀態點。

使用與方案一相同的計算過程，計算可得出該站房公共區在使用雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統時各主要耗電設備的功率，如表3所示。

由表2和表3可知，在相同的邊界條件下，相較于采用常規空調系統，采用雙溫冷源溫濕度獨立控制技術時，站房公共區集中空調系統可節約能源約14.9%。其中，高溫冷水機組與常規冷水機組配合使用可使系統冷熱源節能17.5%。此外，由于高溫機組的性能系數較高，還可以降低冷卻水泵的功率，不僅能夠降低能源消耗，還能減少運營成本。

除了節能效果外，雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統還能夠提供更舒適的室內環境。通過獨立控制溫度和濕度，系統能夠根據實際需求進行精確調節，提供更適宜的室內溫濕度條件，提高旅客的舒適性[5]。

3? ? 結論

本文研究了雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統對于鐵路站房公共區集中空調系統的適用情況，并與現有的常規空調系統運行狀況進行對比分析，得出以下結論：1）從系統形式看，由于雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統采用的新風處理方式為冷凝除濕，節約能源的同時避免了溶液除濕機組體積過大、溶液有腐蝕性以及除濕轉輪投資造價高的缺點。系統形式較簡單，沒有再生裝置等部件，更加適合作為鐵路站房公共區集中空調系統進行推廣。2）從節能效果看，應用雙溫冷源溫濕度獨立控制系統時，站房公共區的集中空調系統較使用常規空調系統可節能約14.9%，節能效果明顯。3）從舒適性能看，應用雙溫冷源溫濕度獨立控制系統時，溫度、濕度能夠根據實際需求進行精確調節，為旅客提供更為舒適的體驗。

綜合考慮系統形式、節能效果以及舒適性能等多方面因素，雙溫冷源溫濕度獨立控制空調系統在鐵路站房公共區集中空調系統中具有廣闊的應用前景。該系統能夠滿足不同需求，提供高效、節能、舒適的室內環境，從熱舒適與健康出發，對室內溫濕度進行全面控制，為旅客帶來更好的感受，并為鐵路站房的可持續發展做出貢獻，值得在實際應用中進一步推廣和探索。

[參考文獻]

[1] 張紅星.近年來中國中小型鐵路旅客車站設計若干問題的研究[D].北京：清華大學，2015.

[2] 吉煜.熱濕地區溫濕度獨立控制空調系統的雙冷源新風機組運行性能及適用性分析[D].廣州：廣州大學，2020.

[3] 李冬冬，李棟，孟昭男，等.艦船艙室空調技術研究綜述[J].制冷技術，2018，38（1）：42-50.

[4] 周麗文，劉強，盧軍，等.溫濕度獨立調節技術在鐵路站房應用的合理性探討[J].制冷與空調（四川），2015，29（1）：64-68.

[5] 高煒，毛軼，王俊杰，等.某銀行大樓雙冷源（集中式）溫濕度獨立控制空調系統設計[J].暖通空調，2023，53（4）：48-53.

收稿日期：2023-11-01

作者簡介：嚴鵬飛（1991—），男，河南商城人，碩士研究生，工程師，研究方向：暖通空調。