浅谈温湿度独立控制技术在铁路站房公共区集中空调系统的应用

严鹏飞

摘 要：仔细分析了温湿度独立控制空调系统的原理和常见的温湿度独立控制空调形式及其优缺点，并以双温冷源温湿度独立控制空调系统为例，建立了其应用于铁路站房时的数学模型。针对某实际站房工程，根据其负荷特点，分别分析了该站房公共区集中空调使用双温冷源温湿度独立控制空调系统和常规空调系统时关键设备的能耗情况。结果表明，应用双温冷源温湿度独立控制技术后，该站房公共区集中空调系统可节能14.9%，节能效果明显，值得推广。

关键词：铁路站房；温湿度独立控制；公共区；集中空调系统

中图分类号：TU83    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）03-0082-04

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

0    引言

近年来，我国铁路特别是高速铁路蓬勃发展，铁路建设进入全新时期。截至2022年年末，全国铁路营业里程15.5万km，其中高铁营业里程4.2万km。随之而来，铁路旅客站房建设也如火如荼地展开。“十二五”期间，我国新建铁路旅客车站达到900多座[1]，在给广大旅客带来便利的同时也导致了建筑能耗的大幅增长。在建筑能耗构成中，暖通空调和采暖系统占比接近60%。如何在保证旅客舒适度的前提下，尽量减少铁路站房空调系统的能耗已经成为当下铁路站房暖通设计人员非常关心和亟需解决的问题。

当前，铁路站房的空调系统主要由以下几部分构成：1）在候车厅、进站广厅等公共区域采用集中空调系统，以常规热泵机组作为冷热源，空调末端多为全空气组合式空调机组；2）在办公区及旅客服务区采用多联机系统，可以实现灵活控制。其中，集中空调系统的空气处理过程普遍采用溫湿度耦合处理的模式，即由冷水机组提供7 ℃的冷冻水对空气同时实现降温除湿处理。但上述这种耦合处理的方式能处理的显热与潜热比不能和室内热湿负荷的热湿比很好地匹配，如果优先满足温度的要求可能会导致室内相对湿度过高，不能满足人体的舒适性需求。如果优先满足湿度的需求则可能会导致室内温度过低，还需要对空气进行再热才能满足送风要求，而这会进一步造成能源的浪费。

针对这一现状，可考虑在铁路站房集中空调系统设计中采用温湿度独立控制技术，即分别对室内负荷中的显热负荷与潜热负荷进行处理，在满足室内人体舒适度的同时最大限度地节约能源，为2030年的碳达峰与2060年的碳中和做出积极贡献。

1    温湿度独立控制空调系统

温湿度独立控制空调系统（Temperature and Humidity Independent Control Air Condition System，简称THIC）分为湿度控制系统和温度控制系统两部分，分别对湿度、温度独立进行控制调节[2]。

1.1    湿度控制部分

湿度处理部分即新风系统，该系统承担室内所有潜热负荷，同时承担部分室内显热负荷，并且满足室内人员的新风量需求。该系统需要对室外引入的新风进行降温除湿处理。当前，较常用的新风处理方式主要包括溶液除湿、转轮除湿和冷凝除湿等。

溶液除湿是一种基于吸附原理的湿度处理技术，即利用吸湿溶液从湿空气中吸收水分，从而实现除湿的效果。溶液除湿设备一般由吸湿室和再生室组成。溶液除湿的优点在于可以利用低品位能源（如废热、余热等）进行再生，节约能源并减少对环境的影响，并且能够实现较高的湿度控制精度。但溶液除湿也存在一些缺点：溶液除湿的设备通常体形较大，占用空间较多，并且需要额外空间用于再生和储存溶液，除湿用的溶液还具有一定的腐蚀性。因此，溶液除湿并不适用于常规的铁路站房。

转轮除湿用硅胶、分子筛等吸湿材料附着于轻质骨料制作的转轮表面，主要通过两个过程来实现湿度控制：吸湿过程和再生过程[3]。在吸湿过程中，湿空气经过转轮，其中的吸附剂吸附水分，使空气中的湿度降低。而在再生过程中，通过加热转轮，将吸附剂中的水分蒸发出来，实现再生，同时将水蒸气排出系统。转轮除湿的优点在于具备湿度快速调节的能力，能够迅速降低室内湿度并达到目标湿度；此外还能回收再生过程中产生的废热，并用于再生过程中的加热，提高能源利用效率。但转轮除湿的缺点在于：在低温环境下除湿性能会出现显著下降，还需要定期清洗和更换吸附剂，且初投资较大，投资回收期长。因此，转轮除湿也不适用于常规的铁路站房。

冷凝除湿是目前较常见的除湿技术，技术成熟并且易于获取，可适用于不同场所和环境，对湿度控制效果稳定可靠。冷凝除湿的优点在于成本相对较低、安装维护方便；缺点在于冷凝除湿不适用于低温环境，而且冷凝除湿过程会产生大量的冷凝水，如果不处理会造成水资源的浪费，如果处理又会带来处理设备等方面的资金投入。

综上，结合铁路站房的负荷特点及场景要求，较适合采用冷凝除湿方式作为温湿度独立控制系统的新风处理方式。

1.2    温度控制部分

温度控制部分即回风部分，用于承担新风处理后的剩余部分室内显热负荷。由于对空气降温只要求冷冻水温度低于空气的干球温度，因此温度处理系统多采用供水温度为14 ℃的高温冷冻水系统，同时配套设置高温冷水机组，在室内使用干式空调末端，降温的同时不会产生冷凝水，可以减少冷凝水凝结导致的细菌滋生，保证室内空气卫生。因此，本文采用双温冷源温湿度独立控制空调系统，即以冷凝除湿作为新风处理方式，分析温湿度独立控制技术在铁路站房公共区集中空调系统应用的适应性。

双温冷源温湿度独立控制空调系统，顾名思义，设置有不同温度的两个冷源，即同时设置高温冷水机组和常规低温冷水机组。其中，常规低温冷水机组用来处理新风，承担室内全部潜热负荷及部分显热负荷，同时满足室内人员的新风量需求。高温冷水机组用来处理室内回风，承担剩余部分的显热负荷。两种冷源共同作用，保证室内空气的温湿度满足人员的舒适度要求，同时减少能源消耗。

下文将以夏热冬冷地区某典型车站为例，分别对应用常规冷源温湿度耦合控制技术与双温冷源温湿度独立控制技术时集中空调系统的性能特点进行具体计算和分析，为二者应用于铁路站房公共区集中空调系统的适应性提供更好的参考。

相关性能的计算公式列举如下：

冷水机组功率可按式（1）计算：

W=（1）

式中：W为冷水机组功率；Q为冷水机组制冷量；COP为冷水机组的性能系数。

冷冻水泵功率按式（2）计算[4]：

Wld=（2）

式中：Wld为冷冻水泵功率；Q为冷水机组制冷量；ρ为水的密度，1 000 kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；Hld为冷冻水泵的扬程；Cp为水的比热，4.187 kJ/（kg·℃）；Δtld为冷冻水供回水温差；ηld为冷冻水泵的效率。

冷却水泵功率按式（3）计算：

Wlq=（3）

式中：Wlq为冷却水泵功率；Q为冷水机组制冷量；COP为冷水机组的性能系数；ρ为水的密度，1 000 kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；Hlq为冷却水泵的扬程；Cp为水的比热，4.187 kJ/（kg·℃）；Δtlq为冷却水供回水温差；ηlq为冷却水泵的效率。

2    案例计算与分析

2.1    项目概况

本文以我国东南地区某大型铁路站房为例进行计算和分析。该铁路站房的建筑面积为25 000 m2，站房公共区主要考虑以候车室为主，其中，高架候车室的面积约8 714 m2，为线侧平加高架型站房，主体两层，局部三层，最高聚集人数3 500人。

站房所在地处于夏季时，空调室外计算干球温度为34.6 ℃，空调室外计算湿球温度为25.5 ℃。高架候车室的室内设计参数：干球温度26 ℃，相对湿度60%。

2.2    计算过程

经过对该站房的夏季冷负荷进行逐时计算，在夏季典型日，该站房高架候车室冷负荷最高点时刻确定为15：00。计算该时刻下该站房高架候车室冷负荷，通过焓湿图计算风量参数，站房公共區冷负荷及风量参数的计算结果如表1所示，其中风量按当前常用的一次回风系统、送风温度为露点送风进行计算。

2.3    空调系统方案

本文对比分析了该站房采用常规冷源温湿度耦合控制技术和双温冷源温湿度独立控制技术时集中空调系统的性能特点，方案一为采用常规冷源温湿度耦合控制技术的常规集中空调系统，方案二是采用双温冷源温湿度独立控制技术的集中空调系统。

2.3.1    方案一：常规空调系统

常规设计中，站房公共区采用的空调系统为全空气系统，是温湿度耦合处理过程。冷热源为两台常规离心式冷水机组，冷冻水供回水温度为7/12 ℃，空气处理末端为组合式空调机组。将常规空调系统的空气处理过程绘制在焓湿图上，如图1所示。其中，W点为室外空气状态点，N点为室内设计空气状态点，L点为露点送风时的空气状态点，O点为新回风混合后的空气状态点。

在常规空调系统中，室内全部冷负荷及新风负荷均由冷水机组承担。笔者随后对集中空调冷冻水系统进行水力计算，并完成了输配系统的选型。其中，冷冻水泵流量为486 m3/h，扬程为34 m；冷却水泵流量为520 m3/h，扬程为26 m。常规空调冷水机组性能系数取5.5，水泵效率取70%。计算可得出该站房公共区在使用常规空调系统时各主要耗电设备的功率，如表2所示。

2.3.2    方案二：双温冷源温湿度独立控制空调系统

在双温冷源温湿度独立控制空调系统中，新风系统即常规低温冷水机组承担全部室内潜热负荷及部分显热负荷，由高温冷水机组承担剩余部分显热负荷。由于出水温度高，高温冷水机组性能系数可大幅升高，本文按8.0取值。将双温冷源温湿度独立控制空调系统的空气处理过程通过焓湿图表示，如图2所示。其中，W点为室外空气状态点，N点为室内设计空气状态点，L点为露点送风时的空气状态点，O点为新回风混合后的空气状态点，N′为室内回风经过干式空气处理末端等湿降温处理后的状态点。

使用与方案一相同的计算过程，计算可得出该站房公共区在使用双温冷源温湿度独立控制空调系统时各主要耗电设备的功率，如表3所示。

由表2和表3可知，在相同的边界条件下，相较于采用常规空调系统，采用双温冷源温湿度独立控制技术时，站房公共区集中空调系统可节约能源约14.9%。其中，高温冷水机组与常规冷水机组配合使用可使系统冷热源节能17.5%。此外，由于高温机组的性能系数较高，还可以降低冷却水泵的功率，不仅能够降低能源消耗，还能减少运营成本。

除了节能效果外，双温冷源温湿度独立控制空调系统还能够提供更舒适的室内环境。通过独立控制温度和湿度，系统能够根据实际需求进行精确调节，提供更适宜的室内温湿度条件，提高旅客的舒适性[5]。

3    结论

本文研究了双温冷源温湿度独立控制空调系统对于铁路站房公共区集中空调系统的适用情况，并与现有的常规空调系统运行状况进行对比分析，得出以下结论：1）从系统形式看，由于双温冷源温湿度独立控制空调系统采用的新风处理方式为冷凝除湿，节约能源的同时避免了溶液除湿机组体积过大、溶液有腐蚀性以及除湿转轮投资造价高的缺点。系统形式较简单，没有再生装置等部件，更加适合作为铁路站房公共区集中空调系统进行推广。2）从节能效果看，应用双温冷源温湿度独立控制系统时，站房公共区的集中空调系统较使用常规空调系统可节能约14.9%，节能效果明显。3）从舒适性能看，应用双温冷源温湿度独立控制系统时，温度、湿度能够根据实际需求进行精确调节，为旅客提供更为舒适的体验。

综合考虑系统形式、节能效果以及舒适性能等多方面因素，双温冷源温湿度独立控制空调系统在铁路站房公共区集中空调系统中具有广阔的应用前景。该系统能够满足不同需求，提供高效、节能、舒适的室内环境，从热舒适与健康出发，对室内温湿度进行全面控制，为旅客带来更好的感受，并为铁路站房的可持续发展做出贡献，值得在实际应用中进一步推广和探索。

[参考文献]

[1] 张红星.近年来中国中小型铁路旅客车站设计若干问题的研究[D].北京：清华大学，2015.

[2] 吉煜.热湿地区温湿度独立控制空调系统的双冷源新风机组运行性能及适用性分析[D].广州：广州大学，2020.

[3] 李冬冬，李栋，孟昭男，等.舰船舱室空调技术研究综述[J].制冷技术，2018，38（1）：42-50.

[4] 周丽文，刘强，卢军，等.温湿度独立调节技术在铁路站房应用的合理性探讨[J].制冷与空调（四川），2015，29（1）：64-68.

[5] 高炜，毛轶，王俊杰，等.某银行大楼双冷源（集中式）温湿度独立控制空调系统设计[J].暖通空调，2023，53（4）：48-53.

收稿日期：2023-11-01

作者简介：严鹏飞（1991—），男，河南商城人，硕士研究生，工程师，研究方向：暖通空调。