活塞風(fēng)對(duì)地鐵區(qū)間隧道空氣品質(zhì)的影響研究

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 徐 馳 賈 萌 劉英杰

隨著城市地面交通變得日益擁擠，地鐵以其特有的安全、快捷、舒適、環(huán)保等特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)大中城市作為疏解城市交通擁堵的重要出行方式。截止到2020年底，全國(guó)已有45個(gè)城市的地鐵投入運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)線路數(shù)量超過(guò)200條，總里程將近8 000 km。地鐵內(nèi)部的空氣品質(zhì)直接關(guān)系到乘客及地鐵工作人員的身體健康，已越來(lái)越受到重視。

1 研究背景

地鐵內(nèi)部的空氣品質(zhì)由地鐵環(huán)控系統(tǒng)控制，包括地鐵內(nèi)部的溫濕度控制及空氣品質(zhì)控制。對(duì)于地鐵系統(tǒng)的空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)，往往偏重于地下車站站內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)，而忽略了區(qū)間及列車車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)。地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依托模擬計(jì)算，偏重于溫度控制，往往忽略區(qū)間的空氣品質(zhì)控制。因此亟需對(duì)地鐵區(qū)間內(nèi)的空氣品質(zhì)進(jìn)行研究分析，為乘客提供更加安全舒適的乘車環(huán)境。

乘客自進(jìn)入地鐵車站一般需經(jīng)過(guò)站廳安檢、購(gòu)票、閘機(jī)，繼而進(jìn)入站臺(tái)公共區(qū)候車，平均每位乘客進(jìn)站時(shí)在站廳停留2 min，站臺(tái)停留2 min(含候車時(shí)間)；絕大多數(shù)乘客乘坐地鐵在3站以上，一般在車廂內(nèi)停留時(shí)間超過(guò)5 min，遠(yuǎn)距離乘客在車廂內(nèi)停留的時(shí)間甚至達(dá)到30 min以上；乘客出站平均在站臺(tái)停留1.5 min，站廳停留1.5 min。綜上，大多數(shù)乘客在車廂內(nèi)停留的時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于在地鐵車站內(nèi)停留的時(shí)間，車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)不容忽視。

隨著新冠疫情的暴發(fā)，如何抑制病毒等有害物在地鐵系統(tǒng)內(nèi)的快速及大范圍傳播，研究地鐵環(huán)控系統(tǒng)針對(duì)突發(fā)疫情或抑制污染物的應(yīng)對(duì)模式，成為當(dāng)務(wù)之急。地鐵車站一般采用機(jī)械通風(fēng)，地鐵區(qū)間一般采用自然通風(fēng)，地鐵列車在地鐵區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，車廂內(nèi)部空氣通過(guò)車載空調(diào)器與隧道內(nèi)空氣進(jìn)行交換，區(qū)間內(nèi)的空氣品質(zhì)直接影響車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)。相對(duì)于地鐵車站，地鐵區(qū)間及車廂內(nèi)部的有害物稀釋更加困難。應(yīng)有效加大室外新風(fēng)量，稀釋系統(tǒng)內(nèi)有害物濃度，并使污風(fēng)順利排向室外，使地鐵內(nèi)部區(qū)間、車站、車廂內(nèi)部均維持在一個(gè)相對(duì)安全的環(huán)境。

2 地鐵區(qū)間隧道空氣品質(zhì)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，列車正常運(yùn)行、列車車廂設(shè)置空調(diào)、車站設(shè)置全封閉站臺(tái)門時(shí)，區(qū)間隧道內(nèi)夏季最高溫度不得高于40 ℃，冬季最低溫度不應(yīng)低于5 ℃。區(qū)間隧道內(nèi)每個(gè)乘客每小時(shí)需供應(yīng)的新風(fēng)量不應(yīng)少于12.6 m3；區(qū)間隧道內(nèi)的二氧化碳日平均體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.15%；相關(guān)規(guī)范暫無(wú)區(qū)間隧道可吸入顆粒物濃度標(biāo)準(zhǔn)。地下車站公共區(qū)空氣中粒徑小于或等于10 μm的顆粒物日平均質(zhì)量濃度應(yīng)小于0.25 mg/m3[1-2]。

PM2.5與PM10的濃度也是評(píng)價(jià)區(qū)間隧道空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)，目前行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范中尚無(wú)針對(duì)PM2.5與PM10濃度指標(biāo)的具體要求，但隨著近年來(lái)嚴(yán)重的空氣污染問(wèn)題的出現(xiàn)，以及民眾對(duì)自身健康及環(huán)境的關(guān)注，空氣品質(zhì)越來(lái)越受到重視。

3 地鐵區(qū)間隧道空氣品質(zhì)主要影響因素

3.1 室外空氣品質(zhì)

地鐵區(qū)間隧道通過(guò)隧道峒口及設(shè)置在車站端部的活塞風(fēng)道、風(fēng)井與室外大氣直接相通，利用列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的活塞效應(yīng)引入新風(fēng)并排出污風(fēng)，通常風(fēng)道內(nèi)不設(shè)置空氣處理設(shè)備。因此，室外空氣品質(zhì)直接影響進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道的新風(fēng)空氣品質(zhì)。

3.2 區(qū)間隧道內(nèi)污染物

區(qū)間隧道內(nèi)的空氣含有可吸入顆粒物、PM2.5、金屬粉塵、CO、CO2、NO2、甲醛、有機(jī)化合物甚至放射性物質(zhì)等污染物，以及有害細(xì)菌、病毒等致病微生物[3]。區(qū)間隧道作為車輛行駛的通道，很難設(shè)置過(guò)濾除塵殺菌等設(shè)施，目前最有效的控制方法仍然是依靠通風(fēng)換氣進(jìn)行稀釋，將其濃度水平控制在安全范圍內(nèi)。

3.3 隧道通風(fēng)系統(tǒng)

地鐵區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)包括活塞通風(fēng)系統(tǒng)及機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)?；钊L(fēng)系統(tǒng)可以分為采用活塞風(fēng)道的通風(fēng)系統(tǒng)及采用迂回風(fēng)道的通風(fēng)系統(tǒng)。采用活塞風(fēng)道的通風(fēng)系統(tǒng)，利用列車運(yùn)行所產(chǎn)生的活塞風(fēng)與室外空氣進(jìn)行氣流交換，稱之為開式系統(tǒng)；利用迂回風(fēng)道的通風(fēng)系統(tǒng)，列車運(yùn)行所產(chǎn)生的活塞風(fēng)通過(guò)迂回風(fēng)道在上下行區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行氣流交換，僅通過(guò)隧道兩端出地面峒口與外界發(fā)生氣流交換，稱之為閉式系統(tǒng)。不同城市的地鐵環(huán)控系統(tǒng)根據(jù)氣候條件選擇適宜的區(qū)間隧道通風(fēng)模式。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)地鐵采用活塞通風(fēng)系統(tǒng)，利用列車行駛產(chǎn)生的活塞效應(yīng)對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行通風(fēng)換氣。活塞通風(fēng)系統(tǒng)又可分為單活塞通風(fēng)系統(tǒng)及雙活塞通風(fēng)系統(tǒng)，單活塞通風(fēng)系統(tǒng)在車站端部各設(shè)置1個(gè)活塞風(fēng)井與外界連通，雙活塞通風(fēng)系統(tǒng)在車站端部各設(shè)置2個(gè)活塞風(fēng)井與外界連通。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)隧道風(fēng)機(jī)對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行通風(fēng)換氣，通常包括運(yùn)營(yíng)維護(hù)通風(fēng)及阻塞、火災(zāi)等事故工況通風(fēng)[4-5]。不同的隧道通風(fēng)形式所產(chǎn)生的區(qū)間隧道換氣效果不同，從而對(duì)區(qū)間隧道污染物的稀釋能力也有所不同。

4 列車車廂內(nèi)部空氣品質(zhì)主要影響因素

4.1 地鐵列車空調(diào)設(shè)備工作原理

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)車輛頂部設(shè)置的車載空調(diào)器向車廂送風(fēng)并控制車廂內(nèi)空氣溫度，區(qū)間隧道內(nèi)的空氣作為新風(fēng)通過(guò)車載空調(diào)器進(jìn)入車廂內(nèi)部。車廂內(nèi)部空氣一部分作為廢氣，通過(guò)自然通風(fēng)器排至車外，另一部分作為回風(fēng)再次進(jìn)入空調(diào)機(jī)組，經(jīng)處理后送入車廂。

地鐵列車車載空調(diào)器位于車頂，一般每節(jié)車廂1～2臺(tái)，一般情況下每節(jié)車廂的車載空調(diào)器的通風(fēng)量為6 000～10 000 m3/h，新風(fēng)量為2 500～4 000 m3/h，應(yīng)急通風(fēng)量≥2 800 m3/h，一列車以6輛編組計(jì)，所需新風(fēng)量在20 000 m3/h左右。

4.2 區(qū)間隧道內(nèi)空氣品質(zhì)對(duì)車廂內(nèi)部空氣品質(zhì)的影響

由于地鐵列車車載空調(diào)器的新風(fēng)取自區(qū)間隧道，區(qū)間隧道內(nèi)空氣品質(zhì)直接影響車廂內(nèi)部的空氣品質(zhì)。區(qū)間隧道內(nèi)污染物隨著車載空調(diào)器的換氣功能直接進(jìn)入車廂內(nèi)部，車廂內(nèi)污染物(以乘客代謝的CO2為主)同樣會(huì)進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道。當(dāng)區(qū)間隧道無(wú)法及時(shí)稀釋CO2、可吸入顆粒物、粉塵等污染物時(shí)，車廂內(nèi)部空氣品質(zhì)會(huì)逐漸下降，危及乘客身體健康。

5 區(qū)間隧道活塞效應(yīng)模擬分析

利用SES軟件，根據(jù)某實(shí)際工程進(jìn)行建模[6-7]，對(duì)區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算分析。該工程為北方某地區(qū)地鐵工程，單活塞形式，列車最高時(shí)速80 km/h，最大能力行車密度30對(duì)/h。研究方式為對(duì)比性研究，即在其他邊界條件設(shè)置均相同的前提下，對(duì)比不同系統(tǒng)形式、不同行車速度、不同發(fā)車間隔、車站排熱系統(tǒng)開啟與關(guān)閉對(duì)區(qū)間隧道通風(fēng)情況的影響。

該工程全線共24座車站，全部為地下車站。選取Z08、Z09、Z10、Z11 4座車站為重點(diǎn)研究對(duì)象，其中Z09、Z10為典型標(biāo)準(zhǔn)車站，與以上4座車站相鄰的區(qū)間為J07、J08、J09、J10、J11。車站及區(qū)間示意見圖1。

圖1 車站及區(qū)間示意圖

5.1 單一列車活塞效應(yīng)

模擬一列車沿右線區(qū)間自Z08車站行駛至Z11車站的過(guò)程，研究各區(qū)間及各車站活塞風(fēng)井通風(fēng)換氣量隨列車運(yùn)行的變化過(guò)程。以列車從Z08車站發(fā)車為初始時(shí)間，至列車于Z11車站停站30 s后結(jié)束，模擬過(guò)程持續(xù)280 s。重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)事件見表1，模擬結(jié)果見圖2、圖3。

表1 重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)事件

圖2 區(qū)間通風(fēng)量隨時(shí)間變化圖

圖3 車站風(fēng)井通風(fēng)量隨時(shí)間變化圖

由圖2可以看出：列車運(yùn)行時(shí)，活塞效應(yīng)會(huì)對(duì)行駛區(qū)間前后各2個(gè)區(qū)間造成明顯影響，其中對(duì)于行車方向后方區(qū)間的影響大于前方區(qū)間。0～95 s，列車由Z08車站行駛至Z09車站，除直接產(chǎn)生活塞效應(yīng)的J08區(qū)間外，前方J09、J10區(qū)間均有明顯的空氣流動(dòng)，平均通風(fēng)量可分別達(dá)到J08區(qū)間通風(fēng)量的31.7%、10.51%。199～280 s，列車由Z10車站行駛至Z11車站，除直接產(chǎn)生活塞效應(yīng)的J10區(qū)間外，后方J09、J08區(qū)間均有明顯的空氣流動(dòng)，平均通風(fēng)量可分別達(dá)到J10區(qū)間通風(fēng)量的52.8%、34.3%。每次列車停站30 s的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，各區(qū)間活塞風(fēng)量并未衰減至0。根據(jù)模擬計(jì)算，列車從車站發(fā)車后，大約需要3～4 min，其相鄰區(qū)間內(nèi)風(fēng)速能降至0～0.2 m/s，即風(fēng)力等級(jí)中的無(wú)風(fēng)狀態(tài)。

由圖3可以看出：列車運(yùn)行時(shí)，活塞效應(yīng)會(huì)對(duì)前方第2座車站和后方第2、3座車站的活塞風(fēng)井造成明顯影響，對(duì)于行車方向后方車站的影響大于前方車站。受配線區(qū)左右線連通及迂回風(fēng)道、排熱風(fēng)道漏風(fēng)的影響，右線行車會(huì)造成左線活塞風(fēng)井產(chǎn)生空氣流動(dòng)，其趨勢(shì)與右線活塞風(fēng)井大致相同，反應(yīng)時(shí)間滯后于右線活塞風(fēng)井。列車行駛前方車站的活塞風(fēng)井，在列車發(fā)車后，處于對(duì)外排風(fēng)的狀態(tài)；列車到達(dá)該車站停車后，列車前方活塞風(fēng)受慣性的影響繼續(xù)流向下一區(qū)間，活塞風(fēng)井受此影響，轉(zhuǎn)為少量進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。列車發(fā)車車站的活塞風(fēng)井，在列車發(fā)車后，處于對(duì)外排風(fēng)狀態(tài)；列車進(jìn)入?yún)^(qū)間后，轉(zhuǎn)為進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。0～95 s，列車由Z08車站行駛至Z09車站，除活塞效應(yīng)直接影響的Z09車站外，前方Z10車站活塞風(fēng)井有明顯的空氣流動(dòng)，平均通風(fēng)量分別可達(dá)Z09車站活塞風(fēng)井通風(fēng)量的18.1%(排風(fēng))、3.1%(進(jìn)風(fēng))。

結(jié)合重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的事件，列車發(fā)車后，受列車前方正壓的影響，發(fā)車車站及前方車站活塞風(fēng)井對(duì)外排風(fēng)；待車頭駛過(guò)發(fā)車車站活塞風(fēng)井進(jìn)入?yún)^(qū)間后，發(fā)車車站內(nèi)轉(zhuǎn)為負(fù)壓，活塞風(fēng)井轉(zhuǎn)為進(jìn)風(fēng)，前方車站繼續(xù)對(duì)外排風(fēng)，同時(shí)斷面阻塞比增大，活塞效應(yīng)增強(qiáng)；待車尾完全進(jìn)入?yún)^(qū)間后，活塞風(fēng)趨于穩(wěn)定，并與車速變化呈現(xiàn)相同趨勢(shì)；待車頭進(jìn)入下一車站并駛過(guò)活塞風(fēng)井后，區(qū)間阻力減小，活塞效應(yīng)增強(qiáng)；待車尾完全進(jìn)入車站后，斷面阻塞比減小，活塞效應(yīng)減弱。由于Z11車站活塞風(fēng)井未設(shè)置在車站端頭，且小里程端存在單渡線，其活塞風(fēng)井風(fēng)量發(fā)生明顯變化的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)車站不同，其時(shí)間點(diǎn)與列車車頭、車尾駛過(guò)單渡線的時(shí)間點(diǎn)相吻合；該站左線活塞風(fēng)井風(fēng)量明顯大于其他車站，其變化趨勢(shì)偏向于雙活塞形式。

5.2 活塞風(fēng)影響因素

5.2.1行車間隔和行車速度

其他輸入條件不變，對(duì)2、4、6、10 min 4種不同行車間隔及60、80、100、120 km/h 4種不同最高允許行車速度進(jìn)行模擬計(jì)算，待全線線路內(nèi)行車穩(wěn)定后，以1 h為周期，統(tǒng)計(jì)典型區(qū)間J09左、右線通風(fēng)量，結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 行車間隔與小時(shí)通風(fēng)量關(guān)系

圖5 最高允許行車速度與小時(shí)通風(fēng)量關(guān)系

由圖4、圖5可知：對(duì)于左、右線線路特性無(wú)較大差別的區(qū)間，待全線線路內(nèi)行車穩(wěn)定后，其左、右線通風(fēng)量大致相同。隨著行車間隔的增大，區(qū)間通風(fēng)量減小。隨著行車速度的增大，區(qū)間通風(fēng)量增大。100 km/h與120 km/h的結(jié)果相同，經(jīng)分析，是因?yàn)槭軈^(qū)間距離限制，在車輛既有加、減速度不變的情況下，實(shí)際行駛速度無(wú)法達(dá)到120 km/h的最高車速。

5.2.2系統(tǒng)形式

其他輸入條件不變，分別將隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置為單活塞、雙活塞形式，對(duì)2、4、6、10 min 4種不同行車間隔進(jìn)行模擬計(jì)算，待全線線路內(nèi)行車穩(wěn)定后，以1 h為周期，統(tǒng)計(jì)典型區(qū)間J09右線通風(fēng)量，結(jié)果見圖6。

圖6 系統(tǒng)形式與小時(shí)通風(fēng)量關(guān)系

由圖6可知，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用雙活塞形式的典型區(qū)間隧道通風(fēng)效果優(yōu)于單活塞形式，雙活塞形式通風(fēng)量比單活塞形式大30%以上，且行車間隔越短，通風(fēng)效果越好。

5.2.3車站排熱系統(tǒng)

以80 km/h行車速度的單活塞通風(fēng)系統(tǒng)為例，分別計(jì)算關(guān)閉車站排熱系統(tǒng)與開啟車站排熱系統(tǒng)工況下活塞風(fēng)井的小時(shí)進(jìn)風(fēng)量，提取典型車站計(jì)算結(jié)果。當(dāng)關(guān)閉車站排熱系統(tǒng)時(shí)，活塞風(fēng)井小時(shí)進(jìn)風(fēng)量為28 000 m3左右，進(jìn)風(fēng)狀態(tài)時(shí)間占比為50.7%；當(dāng)開啟車站排熱系統(tǒng)時(shí)，活塞風(fēng)井小時(shí)進(jìn)風(fēng)量均大于75 000 m3，進(jìn)風(fēng)狀態(tài)時(shí)間占比均為72%以上。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，開啟車站排熱系統(tǒng)可以增大各站活塞風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量，并且將進(jìn)風(fēng)狀態(tài)時(shí)間占比由50%左右提高至70%以上，即降低車站軌行區(qū)的平均空氣齡，從而使更多的新鮮空氣被帶入?yún)^(qū)間，改善了區(qū)間的空氣品質(zhì)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某實(shí)際工程進(jìn)行模擬計(jì)算，研究得出單一列車在行駛過(guò)程中，活塞效應(yīng)可對(duì)列車所在區(qū)間前后共計(jì)四站三區(qū)間產(chǎn)生影響。根據(jù)上述分析，提高行車速度、縮短發(fā)車間隔，客觀上造成了列車活塞風(fēng)速度增加，使活塞效應(yīng)增強(qiáng)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量控制活塞風(fēng)道長(zhǎng)度，縮短活塞風(fēng)與外界氣流交換的進(jìn)程，從而加強(qiáng)活塞風(fēng)效應(yīng)，提高區(qū)間新風(fēng)量。

開啟車站排熱系統(tǒng)，可有效地將列車車頂自然通風(fēng)器排出的車廂內(nèi)廢氣排至隧道外，將列車所產(chǎn)生的熱量及污染物及時(shí)排出，從而降低區(qū)間隧道的污染物濃度，同時(shí)有效控制軌行區(qū)溫度。當(dāng)有疫情突發(fā)時(shí)，車廂內(nèi)帶有病毒的污濁空氣在列車停站時(shí)通過(guò)開啟的軌頂排熱風(fēng)道直接迅速排至隧道外，可避免污染空氣滯留并擴(kuò)散至站臺(tái)公共區(qū)，從而感染更多的乘客。同時(shí)由于排熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的局部負(fù)壓，可增加活塞風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量，對(duì)改善區(qū)間隧道的空氣品質(zhì)也有加強(qiáng)作用?；钊L(fēng)道進(jìn)風(fēng)量加大，可更有效地稀釋區(qū)間隧道內(nèi)的污染物，避免污染物、病毒、粉塵等聚集，為列車車廂內(nèi)提供更加優(yōu)質(zhì)的空氣環(huán)境。

此外，鑒于雙活塞風(fēng)道通風(fēng)換氣量大于單活塞風(fēng)道的特點(diǎn)，日后工程設(shè)計(jì)中，即便全線設(shè)置單活塞風(fēng)道能滿足區(qū)間溫度及新風(fēng)量要求，對(duì)于有條件的車站，也建議考慮設(shè)置雙活塞風(fēng)道，從而提高區(qū)間新風(fēng)量，以更好地滿足區(qū)間隧道空氣品質(zhì)要求。