基于行駛狀態的地下車庫污染物排放量分析

程 康 牛冬茵 倪 龍△ 姚 楊

(1.哈爾濱工業大學,哈爾濱;2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室,哈爾濱)

0 引言

2020年我國民用汽車擁有量達到了28 087萬輛[1]。龐大的機動車數量使得城市有限的地面停車位數量難以滿足快速增長的停車需求,停車供需關系失衡嚴重影響市民生活品質[2]。地下車庫不僅能夠緩解城市地面停車空間不足的壓力,還可以有效提高城市土地資源的利用率。相比于地上開放停車區,地下車庫是密閉場所,當尾氣不能及時通過通風系統排除時,會導致車庫內污染物濃度提高。汽車尾氣的主要成分為CO、HC、NOx和顆粒污染物等,在3種主要的氣態污染物(CO、HC和NOx)中,CO的排放比例最大,且因CO中毒情況最多,在各種汽車污染物排放限值標準中,一般將CO作為車庫氣態污染物控制的指標[3]。文獻[4]分析了我國封閉式汽車庫衛生標準及通風量的演變,發現文獻中給出的通風量計算結果差異很大,風量最大值與最小值相差近11倍,認為差異主要體現在單輛車CO排放量的取值不同,目前的取值并未反映汽車污染物排放控制技術方面的進步。此外,尾氣、輪胎和剎車摩擦產生的小粒徑顆粒物可長期懸浮于空氣中,在地下車庫內積聚[5],通過呼吸道進入肺部沉積,導致各種呼吸系統疾病。

事實上,汽車污染物的排放量與行駛狀態關聯很大[6],地下車庫有其自身的行駛特性,針對該行駛特性定量計算污染物的排放有很好的實用價值。為此,利用MOVES模型對小型汽油客車的污染物排放因子進行模擬,計算居民區和商業區地下車庫內機動車CO和顆粒物(細顆粒物PM2.5、可吸入顆粒物PM10)的排放量,為地下車庫的通風系統設計提供參考。

1 研究方法

1.1 地下車庫內機動車行駛狀態

機動車進出地下車庫的行駛動作一般可分解為:低速下坡→低速行駛→駐車;啟動→低速行駛→低速上坡。考慮到上下坡道一般與室外相通,其污染物可以很容易消散到室外,本文不作計算。為此,將機動車在地下車庫中的運行狀態細化為2個部分:低速行駛和啟動。低速行駛即機動車由車庫入口到停放車位或由車位駛出車庫這2種情況,啟動則由機動車在車位處發生。啟動狀態根據機動車發動機熱浸時間(即停止工作的時間)的長短可分為熱啟動、溫啟動和冷啟動3種,不同啟動狀態對應的啟動排放因子不同。

1.2 計算模型選擇

目前機動車污染物模擬的大部分模型如MOBILE模型、COPERT模型和IVE模型只能在宏觀層面進行模擬測算,而MOVES模型可以針對宏觀、中觀、微觀模擬場景進行不同層次規模的排放測算。在擬合精度上,美國EPA(環境保護署)針對MOVES模型和MOBILE模型進行了大量的測試,發現MOVES模型的模擬結果更具準確性[7]。微觀層面模擬主要是針對某一特定的交通走廊或者單一的非道路源進行排放模擬測算,如停車場、公交站等區域的機動車啟動和怠速的排放區[8-10]。本研究中對地下車庫污染物模擬屬于微觀層次,故選擇MOVES模型(最新版本MOVES2014a)。MOVES模型將總活動量分解到各個源組和單元,再將這些單元的分布和排放速率相結合得到排放量,其模型框架及主要模塊示意圖見圖1,其中“bin”為排放源和運行工況的組合,排放速率bin即不同組合對應的污染物排放速率,排放單元bin分布指不同組合下機動車排放時間和啟動次數等行駛特征參數。

圖1 MOVES模型的主要模塊及功能

1.3 計算案例

居民區和商業區車庫污染物排放模擬選取同一實際車庫。車庫采用環形車道單向車流,設計泊車位84個,2個車輛出入口,車庫尺寸為70.2 m×54.3 m×3.0 m,面積為3 812 m2,容積為11 436 m3,其平面圖見圖2。目前汽油車仍占據中國乘用車的絕大多數份額,柴油乘用車的占比一直在1%以下徘徊,普及率很低[11],2021年的柴油乘用車的產量占比也僅有3%[12]。雖然隨著節能減排的推進,電動車的推廣力度越來越大,但是交通管理局的統計數據顯示,截至2021年6月,我國電動車的保有量也僅占機動車總量的1.68%[13],而且電動車的尾氣排放要遠小于汽油車。因此考慮到最不利情況及車庫內不同類型機動車隨機分布帶來的復雜性,本次計算車庫內污染物排放源時均選用小型汽油車,車用燃油采用國ⅥA標準汽油,低速行駛狀態對應的速度取地下車庫限速值5 km/h,車庫內的溫度工況分冬、夏季設定,冬季設為5 ℃,夏季設為28 ℃。根據小型汽油客車車齡分布比例[14]及各車齡情況下的排放因子值,使用權重法計算得出排放因子平均值,該值與車齡為5年時的機動車排放因子最為接近,因此車庫內小型汽油客車平均車齡選定為5年。

注:1～84為車位編號;字母為路段編號。圖2 地下車庫平面及車位、路段編號

1.3.1居民區地下車庫使用規律和行駛模式

根據小區居民早中晚的日常作息規律,居民區地下車庫的使用規律和行駛模式為:

1) 早通勤冷啟動駛出。小區居民前一天晚上下班回家停車入庫,第二天早上開車離開。此過程分為機動車冷啟動和低速駛出兩部分。

2) 午休時間低速駛入后又溫啟動駛出。居民中午下班回家停車入庫,經過短暫午休后再次啟動機動車離開。此過程具體由低速駛入、溫啟動及低速駛出三部分組成,其中溫啟動對應的熱浸時間取30～60 min。

3) 晚通勤低速駛入。居民晚上下班回家停車入庫,此過程只包含機動車低速駛入部分。

一般來說,小區居民在車庫內一般擁有固定車位,通勤時間段內任意1 h,居民區車位周轉率(單位時間內每個停車位的平均停放車輛次數)都小于1 h-1,通常為0.4～0.8 h-1。通過對比3個時段的污染物排放量,可得到居民區地下車庫1天中最大的污染物排放量及對應的排放時段,為通風系統的設計提供參考。

1.3.2商業區地下車庫使用規律和行駛模式

商業區地下車庫行車規律不像居民區地下車庫那樣固定,文獻[15-18]中調查統計的各商業區停車庫的車位周轉率如表1所示。

表1 商業區停車庫車位周轉率

結合上述文獻,本文將商業區地下車庫的使用規律分為工作日和非工作日的高峰時段和平峰時段共4種情況,并設定4種情況下的車位周轉率如表2所示。同時參考文獻[15,19-21]中統計的車輛停放時間比例,本研究確定的車輛停放時間分布比例如表3所示。將確定的車位周轉率乘以車庫車位總數得到1 h內車庫內車位使用總次數,結合停放時間的比例可求出各停放時長的機動車數量,在此基礎上進行商業車庫內污染物排放量的模擬計算。

表2 商業區地下車庫周轉率 h-1

表3 車輛停放時間分布比例 %

2 結果分析

2.1 居民區地下車庫

2.1.1車道路段污染物排放分布

小區居民在車庫內一般擁有固定車位,故每輛機動車駛入車位或駛出車庫行駛的車道幾乎各不相同,這可能造成每段車道的利用率不同。地下車庫周轉率為0.5 h-1時從車庫入口到出口大U形路線(圖2中A-T-Ag-A′)各路段的利用率及污染物排放情況(以CO排放量為代表)如圖3所示,其中車道路段編號見圖2。

圖3 車道路段利用率及CO排放量分布

從圖3可以看出:對于機動車駛入而言,緊靠車庫入口處的車道路段的利用率最高,而緊靠出口路段的利用率最低,機動車駛出情況則與駛入情況剛好相反;駛入狀態下車庫中入口到出口的CO排放量整體趨勢減小,駛出狀態下的變化趨勢則相反,這與車道利用率基本一致;由于行駛速度統一取為5 km/h,相同變化趨勢下的排放量波動體現為路段長度的不同,有的路段左右均設有車位,而有的只有一側設有車位,加上各路段的長度不一,造成折線出現尖點;當機動車駛入又駛出時,每段車道的利用次數應該相同,此時各路段上的污染物排放量只跟各自長度有關,不會產生明顯減小或增大的趨勢,折線會比較平,各段車道區域的污染物分布比較均勻,所以車道區域的通風口只需要沿車道均勻布置即可。

2.1.2不同使用模式下污染物排放規律

居民區地下車庫周轉率為0.5 h-1時,車庫內3種污染物(CO、PM2.5、PM10)的排放總量如圖4所示。

圖4 居民區車庫污染物排放量

由圖4可以看出:

1) 對比圖4a與圖3,車庫內的污染物主要來源于車位處機動車的啟動排放,車道處的運行排放占比很小。此外,晚通勤時段,僅有低速駛入,污染物排放量的數量級明顯小于其他2個時間段。數據分析表明,早通勤時段車道排放量僅占總排放量的0.3%～2.6%。

2) 對比同一溫度工況下不同時間段的污染物排放量,發現早通勤時段的污染物排放量最大,與文獻[22]中對居民區地下車庫污染物排放量實測時發現早通勤時段車庫污染物濃度達到峰值的現象相吻合,這也說明在通風量設計時應該基于早通勤時段的污染物總排放量。此外早通勤時段(冷啟動+低速駛出)是午休時段(低速駛入+溫啟動駛出)污染物排放量的2倍以上,說明冷啟動的污染物排放量要大于溫啟動排放量,這是因為冷啟動時催化劑達到工作溫度的時間更長,使得污染物排放量增大。

3) 對比冬、夏季工況,除了晚通勤時段(低速駛入),冬季3種污染物的排放量均大于夏季,CO排放量在數值上幾乎相差1倍,PM2.5與PM10相差2倍。較低的環境溫度延長了催化劑達到工作溫度的時間,導致污染物排放量增大,而環境溫度主要影響啟動排放,發動機充分預熱后的運行排放水平受環境溫度的影響非常小[11],這也解釋了2種工況下低速行駛的污染物排放量相同的現象。

4) 不論什么時段、什么季節,CO排放量均遠大于PM2.5和PM10,CO是主要污染物。

此外,當車庫周轉率變化時,各類污染物基本同比例變化,在此不再贅述。

2.2 商業區地下車庫

商業區地下車庫冬、夏季2種設計溫度下工作日、非工作日的高峰時段、平峰時段對應的CO、PM2.5和PM10的排放量如圖5所示。

圖5 商業車庫污染物排放量

與居民區車庫類似,各類污染物冬季工況的排放量均比夏季工況大。對比同一天高峰、平峰時段的污染物排放量可以看出,由于車流量的關系,高峰時段的污染物排放量比平峰時段約高出25%。但對比同一條件下工作日和非工作日的污染物排放量,發現無論是高峰時段還是平峰時段,3種污染物的排放量相差無幾。雖然工作日的車流量比非工作日小,但工作日停放時間長的機動車占比更大,而機動車停放時間越長,發動機的溫度降低得越多,啟動時催化劑達到工作溫度的時間也就越長,下一次啟動時對應的啟動排放量就越大,所以2種工況下單臺機動車的排放量和機動車的數量產生的效果互相抵消,使得總的污染物排放量相差不大。

2.3 污染物排放量及車庫理論通風量比較

2.3.1單輛車CO排放量

以居民區地下車庫周轉率為0.5 h-1和商業區地下車庫非工作日時段的污染物排放量為例進行車庫內單輛車CO排放量分析,計算結果見表4。

表4 不同類型地下車庫內單輛車CO排放量 mg/min

ASHRAE手冊給出的1996年單輛機動車在單位時間內的CO排放量[3]如表5所示。文獻[4]對于單輛機動車的CO排放量進行了深入的探討,其根據不同設計手冊中的公式計算得到的單輛車CO排放量如表6所示,文獻[4]建議輕型汽車CO排放量取4 750 mg/min。

表5 ASHRAE手冊中1996年單輛機動車在單位時間內CO排放量取值[3]

表6 根據不同設計手冊公式計算得到的單輛車CO排放量[4]

將表4中的各車庫內單輛車CO排放量與表6進行比較,發現居民區地下車庫夏季工況早通勤對應的排放量與規范推薦值[23]接近,商業區地下車庫較推薦值約大60%;居民區和商業區地下車庫冬季排放量分別為規范推薦值[23]的2倍和3倍。居民區地下車庫冬夏季早通勤排放量的平均值與文獻[4]接近。冷啟動駛出(早通勤)屬于冷態運行,而午休屬于熱態,午休的計算結果與文獻[3]取值接近。

2.3.2理論通風量

地下車庫通風設計基本計算方法為根據污染物排放和滿足人體健康的濃度限值,采用污染物稀釋濃度法進行通風量的計算,再根據車庫的容積換算成換氣次數。根據GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業接觸限值 第1部分:化學有害因素》[31]中規定的CO接觸濃度限值,將車庫內CO的允許質量濃度標準取為30 mg/m3,新風中污染物CO質量濃度取室外CO質量濃度3.0 mg/m3。圖6顯示了居民區地下車庫(周轉率為0.5 h-1)和商業區地下車庫按照CO排放量計算出的換氣次數(車庫層高按照3.0 m選取)。如圖6所示,最不利工況對應的居民區地下車庫換氣次數為2.6 h-1(夏)和5.5 h-1(冬),商業區為4.3 h-1(夏)和8.8 h-1(冬)。

圖6 地下車庫換氣次數

圖4、5同時給出了按照最不利工況下控制CO濃度的通風量能夠消除的PM2.5和PM10的排放量,計算方法為

G=nV(y1-y0)×10-6

(1)

式中G為消除的顆粒物排放量,g/h;n為控制CO濃度計算得到的換氣次數,h-1;V為車庫的容積,m3,為11 436 m3;y1為車庫內顆粒污染物的允許質量濃度,按照GB 3095—2012《環境空氣質量標準》[32]中的二級標準選取,日平均質量濃度PM10取150 μg/m3,PM2.5取75 μg/m3;y0為室外新風過濾后的顆粒物質量濃度,μg/m3。

如圖4、5所示,安裝粗效+中效過濾器的效果優于粗效過濾器,尤其是對于PM2.5,相同的換氣次數下,安裝粗效+中效過濾器時可消除的PM2.5 排放量是僅安裝粗效過濾器時的1.5倍。但是用僅控制CO濃度時的通風量對顆粒物進行稀釋時其效果并不理想,對于居民區地下車庫,除了晚通勤外,其他時段顆粒物均滿足不了稀釋要求,尤其是早通勤時段,顆粒物的污染最為嚴重;對于商業區地下車庫而言,按照控制CO濃度計算的通風量可消除的顆粒物量均遠低于各個時段實際的顆粒物排放量。由此可見,車庫的控制參數不能只參考CO,還要兼顧PM2.5和PM10,且在無法滿足顆粒物稀釋要求的時段需延長通風系統的運行時間,保證顆粒物日平均濃度達到標準要求。

3 結論

1) 車庫內的污染物主要來源于車位處機動車的啟動排放,車道處的運行排放占比很小,在早通勤時段車道排放量僅占總排放量的0.3%～2.6%。

2) 從排放量來說,CO是主要污染物,其排放量遠大于PM2.5和PM10。冬季污染物的排放量均大于夏季,CO排放量在數值上幾乎相差1倍,PM2.5與PM10相差2倍。

3) 居民區地下車庫夏季工況早通勤對應的排放量與規范推薦值接近,商業區地下車庫較推薦值約大60%;居民區和商業區冬季排放量分別為規范推薦值的2倍和3倍。最不利工況下居民區地下車庫的換氣次數為2.6 h-1(夏)和5.5 h-1(冬),商業區為4.3 h-1(夏)和8.8 h-1(冬)。

4) 根據控制CO濃度計算的通風量難以消除顆粒物,除晚通勤時段外,其他時段均需延長通風系統運行時間。