過渡季假日上海地鐵城郊線路車廂內(nèi)空氣環(huán)境的實(shí)測(cè)

陳文超，鐘　珂，王亞楠，李蔚陽(yáng)，吳叢歡

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

過渡季假日上海地鐵城郊線路車廂內(nèi)空氣環(huán)境的實(shí)測(cè)

陳文超，鐘珂，王亞楠，李蔚陽(yáng)，吳叢歡

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

摘要：在過渡季節(jié)，乘客是地鐵車廂內(nèi)部主要污染源和熱源.為了解上海地鐵城郊線路車廂空調(diào)系統(tǒng)的控制狀況，以上海市軌交系統(tǒng)9號(hào)線為城郊線路代表作為實(shí)測(cè)對(duì)象，在以國(guó)慶節(jié)為代表的過渡季假日，對(duì)車廂內(nèi)空氣溫濕度、CO2濃度和人員密度進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量.實(shí)測(cè)結(jié)果表明，假日車廂內(nèi)人員密度在0.3～3.0人/m2范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，車廂內(nèi)部空氣溫度在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，幾乎不受人員密度影響；車廂內(nèi)CO2濃度隨著人員密度增大而明顯升高，但80%的時(shí)間CO2濃度低于0.15%，通風(fēng)排污效果基本能夠滿足假日地鐵運(yùn)行狀況的要求.

關(guān)鍵詞：地鐵車廂； 人員密度； 空氣環(huán)境； 熱環(huán)境

最近10余年間，中國(guó)城市軌道交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展，地鐵成為許多人出行的重要交通方式.地鐵車廂內(nèi)的空氣環(huán)境品質(zhì)作為直接影響到出行人員舒適性的因素，逐漸引起人們的關(guān)注.地鐵的客流量大且變化快，而列車內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的控制能力有限，車廂內(nèi)空氣品質(zhì)失控的風(fēng)險(xiǎn)很大，特別是中心城區(qū)換乘站，出行人員密集，地鐵車廂內(nèi)空氣品質(zhì)惡劣的可能性最大，城市地鐵車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)狀況已經(jīng)成為迫切需要研究的問題.

文獻(xiàn)[1]對(duì)夏季臺(tái)北軌交系統(tǒng)中的8條共82個(gè)車站的顆粒物和COx進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)地下空間的PM 10和PM 2.5濃度均高于地面外街區(qū)環(huán)境的水平，而CO2濃度甚至高達(dá)地面環(huán)境的2.4倍.此外，其他實(shí)測(cè)[2-4]還發(fā)現(xiàn)，倫敦、多倫多、斯德哥爾摩地鐵系統(tǒng)內(nèi)細(xì)粒子PM 2.5濃度的數(shù)量級(jí)大概是地面濃度的10倍之多.文獻(xiàn)[5]對(duì)我國(guó)某些城市地鐵線路中的顆粒物濃度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明，廣州地鐵內(nèi)PM 2.5濃度比常規(guī)地面交通工具內(nèi)的低.

以上研究結(jié)果大多集中在地鐵候車空間，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量和熱環(huán)境的研究很少，僅文獻(xiàn)[6]對(duì)上海多條地鐵線路的車廂內(nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究.此外，已有研究主要針對(duì)空氣環(huán)境中化學(xué)成分的分析，并沒有對(duì)車廂內(nèi)整體空氣質(zhì)量和地鐵空調(diào)系統(tǒng)之間關(guān)系進(jìn)行研究.實(shí)際上，地鐵的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)車廂內(nèi)環(huán)境控制的優(yōu)劣直接關(guān)系到地鐵車廂內(nèi)空氣品質(zhì)，影響人的舒適性.因此，本文擬對(duì)地鐵車廂內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度和人員密度進(jìn)行連續(xù)時(shí)間測(cè)量，分析上海地鐵車廂空調(diào)系統(tǒng)對(duì)車廂內(nèi)空氣環(huán)境的實(shí)際控制狀況.由于在過渡季節(jié)，外界對(duì)室內(nèi)環(huán)境影響較小，乘客是車廂內(nèi)部的主要污染源和熱源，為著重分析人員密度和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況與車廂內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度和CO2濃度的關(guān)系，本次測(cè)量選擇在過渡季進(jìn)行.

1測(cè)量方法與儀器

1.1測(cè)量方法與儀器

上海市地鐵線路較多，其中9號(hào)線作為連接郊區(qū)和市區(qū)的線路之一，線路總長(zhǎng)44.5km，包含郊區(qū)站點(diǎn)和位于市中心的站點(diǎn).為分析比較地鐵往返郊區(qū)和市區(qū)時(shí)車廂內(nèi)空氣環(huán)境的差異，本文以9號(hào)線為城郊線路代表作為實(shí)測(cè)對(duì)象.

實(shí)測(cè)人員從位于郊區(qū)的松江新城站乘車出發(fā)，在車廂內(nèi)測(cè)量空氣參數(shù)并記錄車內(nèi)人員密度，到達(dá)位于市區(qū)的終點(diǎn)站楊高中路后下車，再重新乘坐另一班車返回并測(cè)量，換乘間隔均小于5 min，如此循環(huán)往復(fù).一個(gè)單程大約耗時(shí)1.33 h，共計(jì)測(cè)量了30個(gè)單程，每個(gè)單程均包括中部車廂和尾部車廂的測(cè)量.

由于實(shí)測(cè)以起點(diǎn)至終點(diǎn)為周期進(jìn)行測(cè)量，周期時(shí)間較長(zhǎng)和上下班高峰特征使得工作日測(cè)量時(shí)起始時(shí)間對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果有較大影響.因此選擇人流波動(dòng)范圍相對(duì)平穩(wěn)的假日期間進(jìn)行實(shí)測(cè)，其中，過渡季假日以國(guó)慶假日為主要假期.本文于2012年10月1～3日共3天對(duì)車廂內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度和CO2濃度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并記錄車廂內(nèi)的乘客人數(shù).實(shí)測(cè)時(shí)段為8:00～20:00，數(shù)據(jù)采樣和儲(chǔ)存時(shí)間間隔均為1 min.考慮到中部車廂和尾部車廂的人員密度有一定差異，分別在中部車廂和尾部車廂設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)試人員站立于遠(yuǎn)離車廂門的中間位置.測(cè)量?jī)x器由站立著的測(cè)試人員手持，離地面高約1.2 m，位于坐姿人體的呼吸高度處，盡量遠(yuǎn)離坐著的乘客.測(cè)量?jī)x器為HUMLOG 20型，可以同時(shí)測(cè)量空氣的溫濕度和CO2濃度.

所測(cè)得的數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行處理和擬合，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖進(jìn)行相關(guān)分析及對(duì)比.

1.29號(hào)線地鐵車廂內(nèi)空氣控制模式

所測(cè)地鐵車廂空調(diào)系統(tǒng)采用定風(fēng)量間歇運(yùn)行模式.空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)溫濕度范圍，當(dāng)超出該范圍時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，通過送回風(fēng)調(diào)節(jié)車廂內(nèi)的溫濕度，直到溫濕度達(dá)到設(shè)置的范圍時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入停歇狀態(tài)，如此反復(fù).

2實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

2.1車廂內(nèi)熱環(huán)境特征

3天的實(shí)測(cè)結(jié)果相近，因此以下僅對(duì)1天的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.10月2日中部和尾部車廂內(nèi)空氣溫度和人員密度隨實(shí)測(cè)時(shí)間變化的曲線如圖1所示.由圖1可以看到，由于實(shí)測(cè)期間為假日，無明顯高峰時(shí)段，人員密度呈周期性變化，變化周期與地鐵行進(jìn)周期基本吻合.車廂內(nèi)氣溫與人員密度變化趨勢(shì)不完全一致.中部車廂內(nèi)空氣溫度大致在24～30℃ 范圍內(nèi)波動(dòng)，尾部車廂氣溫不超過29℃，盡管不同部位車廂的溫度不同，但溫度波動(dòng)范圍均約為6℃，這可能是車廂到站開門時(shí)外部空氣侵入和空調(diào)系統(tǒng)間歇運(yùn)行造成的.尾部車廂氣溫較低的原因可能是尾部車廂外圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積大于中部車廂，測(cè)試期間室外溫度較低，尾部車廂熱損失較大，使得其內(nèi)部溫度略低于中部車廂.

由圖1還可以看到，僅就溫度而言，在某些時(shí)段，地鐵車廂內(nèi)熱環(huán)境偏熱.溫度偏高的大部分時(shí)段在13:00～15:00，并且列車行進(jìn)位于市區(qū)地段，即處于地下段.由于地下隧道溫度較地面環(huán)境溫度高，這可能導(dǎo)致地鐵車廂內(nèi)溫度偏高；另外，地鐵車廂的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)不能很好滿足內(nèi)部負(fù)荷變化,或者空調(diào)系統(tǒng)對(duì)車廂環(huán)境溫度的允許波動(dòng)范圍過大，也可能是原因之一.文獻(xiàn)[6]對(duì)上海地鐵多條線路進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果也表明，地鐵在地下線路行進(jìn)時(shí)車廂溫度受地鐵空調(diào)和隧道環(huán)境的影響較大.

圖1　10月2日中部和尾部車廂溫度與人員密度時(shí)間分布圖Fig.1　Time distribution of temperature and person density in central and rear cars on Oct.2nd

圖2　10月2日中部和尾部車廂相對(duì)濕度與人員密度時(shí)間分布圖Fig.2　Time distribution of relative humidity and person density in central and rear cars on Oct.2nd

10月2日中部和尾部車廂內(nèi)空氣相對(duì)濕度和人員密度隨實(shí)測(cè)時(shí)間變化的曲線如圖2所示.由圖2可以看到，在實(shí)測(cè)時(shí)間內(nèi)，包含了6個(gè)相對(duì)濕度變化周期，而人員密度的變化周期有10個(gè)，說明導(dǎo)致相對(duì)濕度波動(dòng)的原因不完全是人員密度變化，空調(diào)系統(tǒng)間歇運(yùn)行也是原因之一.此外人員密度較大的中部車廂內(nèi)的空氣相對(duì)濕度在某些時(shí)段反而小于尾部車廂，也從另一個(gè)方面說明了車廂內(nèi)相對(duì)濕度一直在空調(diào)系統(tǒng)控制范圍內(nèi)，受人員數(shù)量變化的影響較小.

為了得到車廂內(nèi)人員密度與溫度的相關(guān)性，圖3給出了10月2日二者的實(shí)測(cè)結(jié)果.由圖3可以看到，中部和尾部車廂內(nèi)溫度變化幾乎均與人員密度無關(guān)，表明空調(diào)系統(tǒng)供冷能力可以滿足假日車廂負(fù)荷的要求.此外，也說明圖1中顯示車廂內(nèi)部分時(shí)間溫度偏高的原因，不完全是空調(diào)系統(tǒng)能力不足造成的，而是車廂空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置溫度波動(dòng)范圍偏大以及列車外部環(huán)境溫度偏高.

圖3　10月2日中部和尾部車廂人員密度與溫度的關(guān)系Fig.3　Relationship between person density and temperaturein central and rear cars on Oct.2nd

10月2日車廂內(nèi)人員密度與相對(duì)濕度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看到，與溫度變化特征一致，中部和尾部車廂內(nèi)相對(duì)濕度的變化幾乎與人員密度無關(guān)，表明空調(diào)系統(tǒng)除濕能力可以滿足假日車廂濕負(fù)荷的要求.

圖4　　　　10月2日中部和尾部車廂人員密度與　　　相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.4　Relationship between person density and relative humidity in central and rear cars on Oct.2nd

2.2車廂內(nèi)空氣品質(zhì)的實(shí)測(cè)情況

10月2日車廂中部和尾部CO2濃度和人員密度隨實(shí)測(cè)時(shí)間變化的曲線如圖5所示.由圖5中可以看出，人員密度與CO2濃度的變化周期幾乎完全一致.在實(shí)測(cè)時(shí)間內(nèi)，CO2濃度在0.06%～0.22%范圍之內(nèi)，包含10個(gè)周期.奇數(shù)周期為地鐵從郊區(qū)開往市區(qū)方向，CO2濃度變化較大；偶數(shù)周期為市區(qū)開往郊區(qū)方向，CO2濃度變化較小.由圖5可見，郊區(qū)開往市區(qū)時(shí)車廂內(nèi)CO2濃度較市區(qū)開往郊區(qū)時(shí)的要高，但都與人員密度的變化規(guī)律一致.此外，可以明顯看出車廂尾部的CO2濃度低于車廂中部的CO2濃度，原因是中部車廂的人員密度比尾部車廂的人員密度高.由此表明，CO2濃度可能會(huì)隨著人員密度變化而變化.

圖5　10月2日中部和尾部車廂CO2濃度與人員密度時(shí)間分布圖Fig.5　Time distribution of CO2 concentration and person density in central and rear cars on Oct.2nd

為了更加明確人員密度與CO2濃度的關(guān)系，圖6給出了10月2日CO2實(shí)測(cè)結(jié)果與人員密度的關(guān)系.

圖6　　　　10月2日中部和尾部車廂人員密度與　　　CO2濃度的關(guān)系Fig.6　Relationship between person density and CO2 concentration in central and rear cars on Oct.2nd

由圖6可看出，CO2濃度基本上隨著人員密度的增加呈上升趨勢(shì)，經(jīng)擬合后可知，這兩者之間存在線性相關(guān)，且車中和車尾擬合曲線基本重合.這和候車空間[1-5]的污染物分布規(guī)律不同，由于該空間的污染物(如汽車尾氣、顆粒物等)不是主要由乘客散發(fā)，因此污染物濃度與人員密度的關(guān)系與本文上述結(jié)果不同.

圖6所示的人員密度與CO2濃度的線性關(guān)系，還表明通風(fēng)系統(tǒng)的排污能力已不能滿足高密度人員車廂的要求.

10月2日列車尾部和中部車廂內(nèi)在時(shí)段8:00～20:00內(nèi)不同CO2濃度段出現(xiàn)的時(shí)間比率如圖7所示.由圖7可知，在實(shí)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，車廂內(nèi)CO2濃度主要集中在0.10%～0.15%及其以下濃度段內(nèi)，大于0.15%或者超過0.20%的時(shí)間比率較小，分別為車中13%、車尾14%和車中9%、車尾1%.根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，CO2衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)濃度值應(yīng)控制在0.10%以下.另外，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，車廂環(huán)境內(nèi)的CO2濃度不應(yīng)超過0.15%.圖7還表明，乘客在8:00～20:00時(shí)間段內(nèi)乘上列車中部和尾部車廂時(shí)，30%左右的時(shí)間CO2濃度小于0.10%，80%左右的時(shí)間CO2濃度小于0.15%.

圖7　　　　10月2日8:00至20:00中部和　　　尾部車廂CO2濃度段比率Fig.7　Percentage of CO2 concentration in centraland rear cars during 8:00 to 20:00 on Oct.2nd

文獻(xiàn)[2-4]對(duì)地鐵候車空間內(nèi)顆粒物實(shí)測(cè)結(jié)果表明，地鐵候車空間內(nèi)的顆粒物濃度數(shù)量級(jí)約是地面的10倍之多.與本文的研究結(jié)果相比可知，CO2對(duì)地鐵系統(tǒng)空氣品質(zhì)的影響作用比細(xì)粒子小，這可能是因?yàn)闅鈶B(tài)污染物更容易通過通風(fēng)系統(tǒng)排出.

比較圖7中部和尾部車廂的數(shù)據(jù)，可以看到，中部車廂內(nèi)CO2濃度較低時(shí)段所占百分比僅略大于尾部車廂，但是CO2濃度超過0.20%的時(shí)間所占比率約為10%，遠(yuǎn)高于尾部車廂.

3結(jié)語(yǔ)

為了解上海地鐵車廂空調(diào)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部空氣環(huán)境的控制狀況，本文對(duì)假日地鐵車廂內(nèi)空氣溫濕度、CO2濃度進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè).以上海市軌交系統(tǒng)9號(hào)線為實(shí)測(cè)對(duì)象，在過渡季假日，對(duì)車廂內(nèi)空氣溫濕度、CO2濃度和人員密度進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量.根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1) 假日期間盡管車廂內(nèi)空氣溫濕度波動(dòng)范圍過大，使部分時(shí)段偏熱，但地鐵車廂內(nèi)部空氣溫濕度與人員密度無相關(guān)性.由此表明車廂內(nèi)熱濕負(fù)荷沒有超出空調(diào)系統(tǒng)控制范圍.

(2) 車廂內(nèi)CO2濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨著人員密度的增加呈上升趨勢(shì)，表明地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的排污能力已不能滿足車廂高密度人員現(xiàn)狀的要求.但在節(jié)假日期間有80%的時(shí)間CO2濃度低于0.15%，地鐵中部車廂大約有10%的時(shí)間CO2濃度超過0.20%.

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Air Environment in Subway Cars of Country-Suburb Lines on Holidays in Transition Seasons in Shanghai

CHENWen-chao,ZHONGKe,WANGYa-nan,LIWei-yang,WUCong-huan

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Passengers are considered as the major pollution and heat source in subway cars of country-suburb lines in transition seasons. To know the control status of carriage’s air conditioning system in Shanghai subways cars, a continuous survey is carried out about the air temperature, moisture, CO2 concentration and person density of Shanghai Subway Line 9 in national holidays representing holidays during transition seasons. The results show that person density fluctuates in the range of 0.3～3.0 pl/m2 in the carriages on holidays. When the air conditioning system is operating, the air temperatures in the carriages rise and fall in the normal range and have nothing to do with the person density. Besides, the CO2 concentration rises high with person density, but 80% of the time belows 0.15%, which indicates that sewage effects of ventilation meet the requirements of subway’s operation on holidays.

Key words:subway cars; person density; air environment; thermal environment

文章編號(hào)：1671-0444(2016)02-0263-05

收稿日期：2014-12-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478098);上海市科技創(chuàng)新重點(diǎn)資助項(xiàng)目(13ZZ054)

作者簡(jiǎn)介：陳文超(1991—)，女，浙江湖州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能與空氣環(huán)境. E-mail: vanny18021@hotmail.com 鐘珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：U 270.383

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A