地鐵車輛室內空氣品質分析測評

■ 袁琦

2013年底，我國累計有19個城市建成投運城軌地鐵線路87條，運營里程2 539 km。到2015年，我國建成和在建城軌地鐵線路將達到158條，總里程將超過4 189 km。根據國內地鐵線路規劃基本按照“1公里1列車（6編組）”的配置，“十二五”期間國內共需地鐵車輛約2 500列，預計每年招標超過3 000輛，地鐵車輛保有量將大幅增加至25 000輛。據統計，在建有地鐵線路的城市中，市民選乘地鐵出行的比例占整個公交出行方式的80%以上，地鐵車輛在城市公共交通中起到越來越重要的作用。

目前，各型地鐵車輛均安裝空調裝置，考慮室內環境相對封閉、空氣流通量有限、氣流組織固定、人員密集等因素，室內空氣品質的優劣將對乘客健康產生廣泛而深遠的影響。對影響地鐵車輛客室空氣質量的污染物種類及特征進行匯總和分析，并將北京地鐵4號線車輛室內空氣質量的實際測試結果同既有國際、國內和行業標準考核指標進行對比，論證得出影響最大的污染源，并對相應的空氣凈化方法進行探討。

1 地鐵車輛室內空氣污染物種類及特性

1.1 地鐵車輛室內空氣污染源

地鐵車輛室內空氣污染源主要有以下幾方面。

1.1.1 人體

乘客及乘務員在乘車過程中呼出CO2、出汗會散發臭味，甚至暈車人員的嘔吐物所散發的不良氣味也是污染源之一。這些污染物缺乏有效排出途徑，所散發的味道長期在車廂內循環，對空氣質量有著惡劣的影響。另外，乘客本身衣物及所攜帶的行李是可吸入性顆粒物的來源。

1.1.2 室內裝修材料

客室內裝選用的膠合板、泡沫填料、皮制品、紡織品、各種涂料、密封膠等本身就會釋放甲醛、苯等致癌物。這些有害物質會引起頭疼、乏力等癥狀，長時間置身于這類揮發性有機物濃度較高的空氣中，有致癌的危險。同時座椅底部和車廂壁等衛生死角容易滋生細菌。

1.1.3 空調運行

車輛空調的運用滿足了旅客對熱舒適的要求，但出于節能考慮，充分的通風換氣往往受到限制，使得CO2等有害氣體濃度升高。另外，空調系統的通風管道內長期出于潮濕、溫暖的環境，很容易滋生微生物；空調系統的蒸發器表面附著大氣灰塵，以及運行過程中產生的冷凝水均為微生物的繁殖生長提供了便利條件，長時間使用后會產生濃烈的酸腐氣味。這些微生物將在多方面對人體產生危害，包括引起頭痛、發熱、扁桃體炎等。

1.1.4 隧道

研究發現，地鐵隧道內粒徑較小的顆粒物主要是來源于地面。另外由于地鐵采用軌道方式運行，運行過程中車輪和鋼軌間的機械磨損、制動系統摩擦副磨耗都會產生大量可吸入顆粒物，并導致隧道內重金屬離子水平偏高。隧道內相對封閉的空間及車輛運行引起的活塞風使得可吸入顆粒物、微生物等有害物借助空氣快速蔓延和傳播。這些污染物通過空調系統的空氣循環或車門開關時的空氣交換進入客室。

1.2 地鐵車輛室內主要污染物種類和特征

1.2.1 CO2

CO2是車輛客室內的主要污染物，來源主要是人體呼出，發生量主要受人數及人的活動量影響。TB/T 1932—2009《旅客車輛衛生及監測技術規定》對車廂內CO2濃度的要求是≤0.15%。在滿員狀態下，CO2濃度會很快升高。根據相關測試，車廂內CO2濃度較高時可達到0.273 4%，遠遠超出了標準要求。

當CO2濃度在0.07%～0.10%時，少數敏感者就感覺有不良氣味；當CO2濃度達到0.10%時，室內空氣開始惡化，人體會出現不舒服感覺；濃度更高時則會導致缺氧，使人感到疲勞、乏力、發困。CO2濃度反映了車廂內通風換氣狀況，是影響車廂內空氣品質的一個重要參數。

1.2.2 可吸入顆粒物（PM10）

可吸入顆粒物是指空氣中直徑≤10μm的顆粒物。 GB 9673—1996《公共交通衛生工具標準》及TB/T 1932—2009《旅客車輛衛生及監測技術規定》中規定旅客車輛車廂內可吸入顆粒物的濃度均為≤0.25 mg/m3。包括鐵路沿線空氣，車輪與閘瓦（制動盤）、鋼軌及車輛配件間摩擦產生的塵埃，人員走動引起的地板揚塵，人員衣物攜帶的塵埃，人員的表皮脫落等。

我國一開始關注的是TSP（直徑≤100μm），前些年關注PM10，最近幾年又逐漸認識到PM2.5的危害。對于大于10μm的顆粒物，鼻腔是個很好的防御系統，基本都被鼻腔過濾掉；對于2.5～10μm的顆粒物，可以進入到人體呼吸道，不過一部分可以通過痰液排出，對人體危害較小；而PM2.5，由于其粒徑相當小，不易被阻擋，可以進入肺部支氣管，對人體正常呼吸產生一定影響，嚴重時會引發呼吸道及心血管方面疾病。此外，PM2.5還會通過支氣管及肺泡進入血液中，其中一些有害氣體或重金屬對身體危害更大。顆粒物還是細菌、病毒等微生物的載體，在急性傳染病發生期對大眾危害更大。

1.2.3 甲醛、苯及其他揮發性有機物（TVOC）

TVOC的主要來源是車廂內使用的裝飾材料，如油漆、粘合劑、人造物料座椅、地毯、日常生活化學品（清潔劑、消毒劑等）等。

TVOC在室內空氣中作為異類污染物是極其復雜的，且新的種類不斷被合成。包括：苯系物、有機氯化物、氟里昂系列、有機酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烴化合物等，顯然包括甲醛及苯類。一般來講，每種污染物濃度相對較低，但種類很多，逐一表示過于繁瑣，故用TVOC來表示其總量。對于甲醛，TB/T 1932—2009《旅客車輛衛生及監測技術規定》和GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》中規定其濃度限值為0.10 mg/m3；對于TVOC，則均是0.60 mg/m3。

甲醛是目前國內外最受人關注的室內空氣污染物之一，許多國家都已經制定了室內空氣甲醛的限量指導值，可見其對人體的危害相當大，甲醛被世界衛生組織確定為強致癌物質。另外同樣是強致癌物質的苯化合物，會抑制人體造血功能，對皮膚和粘膜均有局部刺激作用。

盡管大多數揮發性有機物以較低的濃度存在，但客室內同時存在的多種揮發性有機物之間的聯合作用對人體健康有著不可忽視的影響。

1.2.4 微生物

微生物即生物性污染，生物性污染物主要包括細菌、病毒、真菌孢子、塵埃、塵螨、人類毛發和皮屑等。座椅底部、車廂壁、空調風道等部位常常是衛生死角，可能會有微生物大量聚集。

生物性污染物傳播速度快，能夠引起一些過敏反應，如咳嗽、氣喘等。這些污染物大多喜歡在溫暖潮濕及不衛生的環境下生存，以灰塵等顆粒物為載體在空氣中飄散，成為過敏源及疾病傳播的途徑。如塵螨常生長在座椅底部和車廂壁等衛生死角或懸浮于空氣中，春秋兩季是塵螨生長、繁殖最旺盛時期，它是人體支氣管哮喘病的一種主要過敏源。

1.2.5 臭氣

臭氣來源于體臭、煙臭、食品腐壞時產生的臭氣及廁所、空調機組處高濕環境繁殖細菌時產生的臭氣。

1.3 地鐵車輛室內空氣污染物特征

（1）影響范圍大：客室內空氣污染不同于特定工礦企業的環境污染，涉及人群數量很大，幾乎包括了整個年齡組。

（2）污染物種類多：諸多空氣污染物同時作用于人體，從固體浮游粒子到分子狀污染物，都可以發生復雜的抗拮作用或協同作用，加劇對人體的危害。

（3）單一污染物濃度低：客室內空氣污染物雖然種類繁多，但就某一種污染物來說，其濃度不一定會超標，低于相關衛生標準，但多種低濃度污染物綜合持續作用于人體，對人體的危害不可忽視。

（4）污染物累積作用明顯：采用空調等設備的車內空間，由于其密閉性能較好，空氣對污染物的稀釋能力有限，尤其是在車輛采用全回風通風方式運行時，污染物濃度會累積升高，對人體的危害越來越大。

2 北京地鐵4號線車輛室內空氣品質測評

為了更好地了解地鐵車輛室內空氣品質現狀及特征，2013年7月，南車青島四方機車車輛股份有限公司對北京地鐵4號線車輛室內空氣品質進行了檢測。

2.1 測試對象

可吸入顆粒物（計數濃度）、C O2、CO、甲醛、TVOC、細菌總數。

2.2 測試儀器

（1）TSI AeroTrak 9303便攜式激光粒子計數器。粒徑量程：0.3～25μm。計數效率：0.3μm為50%；>0.45μm為100%。流量：0.1 CFM。

（2）Telaire 7001二氧化碳檢測儀。CO2測量范圍：0～10 000 ppm；靈敏度：1 ppm；誤差度：±50 ppm或±5%。

（3）T40一氧化碳氣體檢測儀（美國）。CO量程：0～999 ppm；靈敏度：1 ppm；誤差度：<±5%（實際值）。

（4）PhoCheck 5000Ex VOC檢測儀。測量范圍：1 ppb～10 000 ppm；靈敏度：讀數的±5%或±1個數字。

（5）P P M400型甲醛檢測分析儀。檢測范圍：0～10 ppm；靈敏度：0.01 ppm；采樣量：10 mL。

（6）微生物采樣及培養設備。微生物總數監測方法有沉降法和撞擊法2種。本次調查對微生物指標的監測選用撞擊式空氣微生物采樣法，該方法能捕捉直徑較小、沉降速度較慢、在暴露時間內沉降距離不能達到平皿面上的微生物粒子，其捕及率明顯較國內5 min暴皿法高0.10%～0.11%。

所用儀器為SAS SUPER ISO高性能空氣微生物采樣器（意大利）、SANYO MLS-3750高壓蒸汽滅菌器（日本）、SPX-150B-Z上海博訊生化培養箱。

空氣微生物采樣器：最大采集速度180 L/min。

SANYO MLS-3750高壓蒸汽滅菌器：最大壓力0.235 MPa（2.4 kgf/cm2）；滅菌溫度105～135 ℃；培養基熔解溫度60～100 ℃；保溫溫度45～60 ℃；滅菌時間1～250 min，儀器器皿滅菌程序可至72 h。

SPX-150B-Z上海博訊生化培養箱：產品類型為微電腦普通型；控溫范圍5～50 ℃；分辨率0.1 ℃；波動度±1 ℃；均勻度±1.5 ℃。

2.3 測試方法

依據TB/T 1932—2009《旅客車輛衛生及監測技術規定》監測車廂內指標。

（1）測試布點。本次監測地鐵，由于人員密度和流動性較大，盡量在車廂中部、1.5 m處測試。

（2）測試頻率。約每三站測試一次，避開車輛開關門時間，即正常運行中測試。結果依據GB 9673—1996《公共交通工具衛生標準》進行評價，甲醛、TVOC則參照GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》進行評價。

2.4 測試結果

2.4.1 可吸入顆粒物分析

由于測試顆粒物使用的儀器測量單位為個/L，是計數濃度。而標準中要求為質量濃度，因此本次測試依據顆粒物計數濃度間接計算其質量濃度。AeroTrak 9303便攜式激光粒子計數器測得的計數濃度是分粒徑段的，而不同粒徑的顆粒物密度也不同（見表1）。

AeroTrak9303便攜式激光粒子計數器

Telaire7001二氧化碳檢測儀

T40一氧化碳氣體檢測儀

PhoCheck5000Ex VOC檢測儀

PPM400型甲醛檢測分析儀

空氣微生物采樣器

高壓蒸汽滅菌器

上海博訊生化培養箱

地鐵測試

根據表1及本次測試顆粒物的粒徑段，對0.3～0.5μm粒徑段的顆粒物密度取1.5 g/cm3，對0.5～1.0μm粒徑段的顆粒物密度取1.7 g/cm3，對1.0～2.0μm粒徑段的顆粒物密度取2.3 g/cm3，對大于2.0μm粒徑段顆粒物密度取為2.8 g/cm3，根據等效球體計算公式，就可以得到相應的顆粒物質量濃度，即：

式中：ρni為粒徑為Dpi的顆粒物質量，μg/cm3；ni為粒徑為Dpi的粒子濃度，個/cm3；ρp為顆粒物密度，g/cm3；Dpi為顆粒物直徑，μm，取各粒徑段范圍的平均值。

標準中為PM10的濃度，即≤10μm的濃度。需要將<10μm各粒徑段質量濃度相加。而儀器測試粒徑段為0.3～0.5μm、0.5～1.0μm、1.0～2.0μm、2.0～5.0μm、5.0～25μm，缺少<0.3μm的粒徑段，且最后一個粒徑段為5.0～25μm，而不是5.0~10μm，此處保守計算，即不計入小于0.3μm的質量濃度。對于5.0～25μm，由于粒徑越大，其粒子個數越少，因此5.0～10μm粒子個數應大于10～15μm、15～20μm、20～25μm各粒徑段，而此處取5.0～10μm為5.0～25μm的1/4，這樣估算出質量濃度比真實濃度小，由此判斷出的超標率相對小，合格率則相對較大。估算的PM10濃度見表2。

由表2可知，對于地鐵4號線，PM10濃度較大，合格率最低為73.3%。追究其原因，地鐵因在隧道內行駛，剎車摩擦及車輪與鐵軌間的機械磨損均會產生大量可吸入顆粒物，由活塞風帶入車廂內，導致可吸入顆粒物濃度過高，超標嚴重。

經過統計分析，車型各粒徑段計數濃度見表3。

表1 不同粒徑大氣顆粒物質量密度

表2 PM10濃度估算值

2.4.2 客室內CO2分析

對于地鐵，由于人員流動性較大，單獨進行描述性說明（見表4）。

由表4可知，對于地鐵，在上下班高峰期，車輛室內人員密度大于6人/m2，則可以推斷CO2超標率也較高。

2.4.3 客室內甲醛、CO分析

甲醛測試儀檢測出的濃度單位是p p m，標準是≤0.1 mg/m3；CO檢測儀檢測出來的濃度單位也是ppm，而標準為≤10 mg/m3。

進行換算：

式中：M為甲醛分子量，取30（CO分子量取28）；t為環境溫度，℃；B0為當地大氣壓，Pa。

整理結果見表5。可見，此次測試整體甲醛濃度合格率較好，合格率為100%，說明地鐵車輛室內飾物所使用的板材、裝飾材料及膠粘劑等甲醛含量較少。

表3 顆粒物計數濃度 個/L

表4 地鐵車輛室內CO2濃度與人員密度關系

表5 甲醛濃度測試結果

表6 VOCs濃度測試結果

對于地鐵4號線，車輛室內沒有檢測出CO。CO主要來源是燃料不完全燃燒及吸煙等，地鐵全面禁煙，未檢測出CO。

2.4.4 客室內VOCs分析

具體揮發性有機物質（Volatile Organic Compounds， VOCs）儀器測出單位為ppb，標準為≤0.6 mg/m3。參照香港空氣質量標準中對VOCs的規定，即0.6 mg/m3對應261 ppb。結果見表6。可以看出，地鐵車輛室內揮發性有機物濃度均符合香港空氣質量標準，合格率為100%。

2.4.5 客室內細菌分析

本次細菌測試采用撞擊法，空氣采樣量為100 L。采完樣后盡快送至實驗室培養箱培養。恒溫36 ℃培養48 h。具體結果見表7。可以看出，細菌總數濃度均在標準范圍內，合格率為100%，控制良好。

細菌培養后

2.5 小結

污染物合格率匯總見表8，地鐵車輛室內主要的污染物是可吸入顆粒物及CO2。

3 地鐵車輛室內空氣凈化方式探討

目前，常見的空氣凈化方式有光等離子技術、吸附技術、負離子技術、光催化技術、靜電技術、低溫等離子技術、生物凈化技術等，每種凈化技術所對應的主要污染物有所區別，產生的副產物也不同。各種空氣凈化方式對比見表9。

根據北京地鐵4號線車輛室內空氣質量的測試結果，影響最大的污染物是可吸入顆粒物（PM10）和CO2，應重點選擇相應的空氣凈化方法加以控制。

對于CO2，降低其濃度的根本方法就是增加新風量。一方面可以提高設計值；另一方面則是改進控制系統，將超員情況考慮進去，可以根據車廂內的實時CO2濃度進行新風量的調節，使CO2濃度始終維持在標準值之下。

表7 細菌總數測試結果

表8 污染物合格率

表9 空氣凈化方式比較

對于可吸入顆粒物（PM10），可以使用過濾裝置或靜電吸附裝置來降低其濃度，如在風道、空調機組新風口處增設濾網，在送風通道上加裝活性炭或靜電板進行吸收等，前提是要解決濾網、靜電板容塵后清洗的問題。

雖然測試結果未出現細菌超標的情況，但是考慮到突發性傳染病（如2003年SARS）和流感等疾病的發生，建議地鐵車輛均加強對細菌等微生物濃度的控制，安裝具有流行性病毒殺滅等能力的空氣凈化裝置。

4 結束語

綜上所述，對地鐵車輛室內空氣質量影響最大的污染物是可吸入顆粒物（PM10）和CO2。摩擦制動產生的粉塵、環境惡化帶來的揚塵及地鐵大運量大密度的運營特征是主要原因。面對當今市場上龐雜的空氣凈化產品，地鐵車輛設計者應從實際情況出發，選擇凈化原理得當、滿足地鐵運營工況的空氣凈化裝置。

[1] 趙向紅．空調旅客列車車內空氣質量影響因素的探討 [J]．中國鐵路，1999(12)：29-31．

[2] 許鐘麟．空氣潔凈技術原理[M]．上海：同濟大學出版 社，1998．