過渡季假日上海地鐵城郊線路車廂內空氣環(huán)境的實測

陳文超，鐘　珂，王亞楠，李蔚陽，吳叢歡

(東華大學 環(huán)境科學與工程學院， 上海 201620)

過渡季假日上海地鐵城郊線路車廂內空氣環(huán)境的實測

陳文超，鐘珂，王亞楠，李蔚陽，吳叢歡

(東華大學 環(huán)境科學與工程學院， 上海 201620)

摘要：在過渡季節(jié)，乘客是地鐵車廂內部主要污染源和熱源.為了解上海地鐵城郊線路車廂空調系統的控制狀況，以上海市軌交系統9號線為城郊線路代表作為實測對象，在以國慶節(jié)為代表的過渡季假日，對車廂內空氣溫濕度、CO2濃度和人員密度進行了連續(xù)測量.實測結果表明，假日車廂內人員密度在0.3～3.0人/m2范圍內波動；當空調系統運行時，車廂內部空氣溫度在正常范圍內波動，幾乎不受人員密度影響；車廂內CO2濃度隨著人員密度增大而明顯升高，但80%的時間CO2濃度低于0.15%，通風排污效果基本能夠滿足假日地鐵運行狀況的要求.

關鍵詞：地鐵車廂； 人員密度； 空氣環(huán)境； 熱環(huán)境

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

文獻[1]對夏季臺北軌交系統中的8條共82個車站的顆粒物和COx進行了測量，發(fā)現地下空間的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濃度甚至高達地面環(huán)境的2.4倍.此外，其他實測[2-4]還發(fā)現，倫敦、多倫多、斯德哥爾摩地鐵系統內細粒子PM 2.5濃度的數量級大概是地面濃度的10倍之多.文獻[5]對我國某些城市地鐵線路中的顆粒物濃度進行了測量，結果表明，廣州地鐵內PM 2.5濃度比常規(guī)地面交通工具內的低.

以上研究結果大多集中在地鐵候車空間，車廂內空氣質量和熱環(huán)境的研究很少，僅文獻[6]對上海多條地鐵線路的車廂內的熱環(huán)境進行了實測研究.此外，已有研究主要針對空氣環(huán)境中化學成分的分析，并沒有對車廂內整體空氣質量和地鐵空調系統之間關系進行研究.實際上，地鐵的空調系統對車廂內環(huán)境控制的優(yōu)劣直接關系到地鐵車廂內空氣品質，影響人的舒適性.因此，本文擬對地鐵車廂內空氣溫度、相對濕度、CO2濃度和人員密度進行連續(xù)時間測量，分析上海地鐵車廂空調系統對車廂內空氣環(huán)境的實際控制狀況.由于在過渡季節(jié)，外界對室內環(huán)境影響較小，乘客是車廂內部的主要污染源和熱源，為著重分析人員密度和空調系統運行情況與車廂內空氣溫度、相對濕度和CO2濃度的關系，本次測量選擇在過渡季進行.

1測量方法與儀器

1.1測量方法與儀器

上海市地鐵線路較多，其中9號線作為連接郊區(qū)和市區(qū)的線路之一，線路總長44.5km，包含郊區(qū)站點和位于市中心的站點.為分析比較地鐵往返郊區(qū)和市區(qū)時車廂內空氣環(huán)境的差異，本文以9號線為城郊線路代表作為實測對象.

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

由于實測以起點至終點為周期進行測量，周期時間較長和上下班高峰特征使得工作日測量時起始時間對實測結果有較大影響.因此選擇人流波動范圍相對平穩(wěn)的假日期間進行實測，其中，過渡季假日以國慶假日為主要假期.本文于2012年10月1～3日共3天對車廂內空氣溫度、相對濕度和CO2濃度進行了實測，并記錄車廂內的乘客人數.實測時段為8:00～20:00，數據采樣和儲存時間間隔均為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置測點，測試人員站立于遠離車廂門的中間位置.測量儀器由站立著的測試人員手持，離地面高約1.2 m，位于坐姿人體的呼吸高度處，盡量遠離坐著的乘客.測量儀器為HUMLOG 20型，可以同時測量空氣的溫濕度和CO2濃度.

所測得的數據用Origin軟件進行處理和擬合，根據實測數據圖進行相關分析及對比.

1.29號線地鐵車廂內空氣控制模式

所測地鐵車廂空調系統采用定風量間歇運行模式.空調系統設置一個溫濕度范圍，當超出該范圍時，空調系統進入工作狀態(tài)，通過送回風調節(jié)車廂內的溫濕度，直到溫濕度達到設置的范圍時，空調系統進入停歇狀態(tài)，如此反復.

2實測結果與分析

2.1車廂內熱環(huán)境特征

3天的實測結果相近，因此以下僅對1天的實測數據進行分析.10月2日中部和尾部車廂內空氣溫度和人員密度隨實測時間變化的曲線如圖1所示.由圖1可以看到，由于實測期間為假日，無明顯高峰時段，人員密度呈周期性變化，變化周期與地鐵行進周期基本吻合.車廂內氣溫與人員密度變化趨勢不完全一致.中部車廂內空氣溫度大致在24～30℃ 范圍內波動，尾部車廂氣溫不超過29℃，盡管不同部位車廂的溫度不同，但溫度波動范圍均約為6℃，這可能是車廂到站開門時外部空氣侵入和空調系統間歇運行造成的.尾部車廂氣溫較低的原因可能是尾部車廂外圍護結構面積大于中部車廂，測試期間室外溫度較低，尾部車廂熱損失較大，使得其內部溫度略低于中部車廂.

由圖1還可以看到，僅就溫度而言，在某些時段，地鐵車廂內熱環(huán)境偏熱.溫度偏高的大部分時段在13:00～15:00，并且列車行進位于市區(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，這可能導致地鐵車廂內溫度偏高；另外，地鐵車廂的空調系統運行調節(jié)不能很好滿足內部負荷變化,或者空調系統對車廂環(huán)境溫度的允許波動范圍過大，也可能是原因之一.文獻[6]對上海地鐵多條線路進行實測的結果也表明，地鐵在地下線路行進時車廂溫度受地鐵空調和隧道環(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濕度與人員密度時間分布圖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空氣相對濕度和人員密度隨實測時間變化的曲線如圖2所示.由圖2可以看到，在實測時間內，包含了6個相對濕度變化周期，而人員密度的變化周期有10個，說明導致相對濕度波動的原因不完全是人員密度變化，空調系統間歇運行也是原因之一.此外人員密度較大的中部車廂內的空氣相對濕度在某些時段反而小于尾部車廂，也從另一個方面說明了車廂內相對濕度一直在空調系統控制范圍內，受人員數量變化的影響較小.

為了得到車廂內人員密度與溫度的相關性，圖3給出了10月2日二者的實測結果.由圖3可以看到，中部和尾部車廂內溫度變化幾乎均與人員密度無關，表明空調系統供冷能力可以滿足假日車廂負荷的要求.此外，也說明圖1中顯示車廂內部分時間溫度偏高的原因，不完全是空調系統能力不足造成的，而是車廂空調系統設置溫度波動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系Fig.3　Relationship between person density and temperaturein central and rear cars on Oct.2nd

10月2日車廂內人員密度與相對濕度關系的統計結果如圖4所示.由圖4可以看到，與溫度變化特征一致，中部和尾部車廂內相對濕度的變化幾乎與人員密度無關，表明空調系統除濕能力可以滿足假日車廂濕負荷的要求.

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

2.2車廂內空氣品質的實測情況

10月2日車廂中部和尾部CO2濃度和人員密度隨實測時間變化的曲線如圖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.在實測時間內，CO2濃度在0.06%～0.22%范圍之內，包含10個周期.奇數周期為地鐵從郊區(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)時車廂內CO2濃度較市區(qū)開往郊區(qū)時的要高，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濃度的關系，圖6給出了10月2日CO2實測結果與人員密度的關系.

圖6　　　　10月2日中部和尾部車廂人員密度與　　　CO2濃度的關系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，經擬合后可知，這兩者之間存在線性相關，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系與本文上述結果不同.

圖6所示的人員密度與CO2濃度的線性關系，還表明通風系統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在時段8:00～20:00內不同CO2濃度段出現的時間比率如圖7所示.由圖7可知，在實測時間段內，車廂內CO2濃度主要集中在0.10%～0.15%及其以下濃度段內，大于0.15%或者超過0.20%的時間比率較小，分別為車中13%、車尾14%和車中9%、車尾1%.根據文獻[6]可知，CO2衛(wèi)生標準濃度值應控制在0.10%以下.另外，根據文獻[7]，車廂環(huán)境內的CO2濃度不應超過0.15%.圖7還表明，乘客在8:00～20:00時間段內乘上列車中部和尾部車廂時，30%左右的時間CO2濃度小于0.10%，80%左右的時間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[2-4]對地鐵候車空間內顆粒物實測結果表明，地鐵候車空間內的顆粒物濃度數量級約是地面的10倍之多.與本文的研究結果相比可知，CO2對地鐵系統空氣品質的影響作用比細粒子小，這可能是因為氣態(tài)污染物更容易通過通風系統排出.

比較圖7中部和尾部車廂的數據，可以看到，中部車廂內CO2濃度較低時段所占百分比僅略大于尾部車廂，但是CO2濃度超過0.20%的時間所占比率約為10%，遠高于尾部車廂.

3結語

為了解上海地鐵車廂空調系統對內部空氣環(huán)境的控制狀況，本文對假日地鐵車廂內空氣溫濕度、CO2濃度進行了連續(xù)觀測.以上海市軌交系統9號線為實測對象，在過渡季假日，對車廂內空氣溫濕度、CO2濃度和人員密度進行了連續(xù)測量.根據實測結果可以得到以下結論：

(1) 假日期間盡管車廂內空氣溫濕度波動范圍過大，使部分時段偏熱，但地鐵車廂內部空氣溫濕度與人員密度無相關性.由此表明車廂內熱濕負荷沒有超出空調系統控制范圍.

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

參考文獻

[1] CHENG Y, YAN J. Comparisons of particulate matter, CO, and CO2levels in underground and ground-level stations in the Taipei mass rapid transit system [J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(28): 4882-4891.

[2] SEATON A, CHERRIE J, DENNEKAMP M, et al. The London underground: Dust and hazards to health [J]. Occupational and Environmental Medicine, 2005, 62(6): 355-362.

[4] CRUMP K S. Manganese exposures in Toronto during use of the gasoline additive, methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl[J]. Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology, 2000, 10(3): 227-239.

[4] JOHANSSON C, JOHANSSON P. Particulate matter in the underground of Stockholm [J]. Atmospheric Environment, 2003, 37(1): 3-9.

[5] CHAN L Y, LAU W L, ZOU S C, et al. Exposure level of carbon monoxide and respirable suspended particulate in public transportation modes while commuting in urban area of Guangzhou, China[J]. Atmospheric Environment, 2002, 36(38): 5831-5840.

[6] 莊曉蕓.上海地鐵車廂空氣環(huán)境實測調查與數值研究[D].上海：東華大學環(huán)境科學與工程學院，2012:57-59.

[7] 室內空氣中二氧化碳衛(wèi)生標準：GB/T 17094—1997[S].

[8] 公共交通工具衛(wèi)生標準:GB/T 9673—1996[S].

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：1671-0444(2016)02-0263-05

收稿日期：2014-12-29

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51478098);上海市科技創(chuàng)新重點資助項目(13ZZ054)

作者簡介：陳文超(1991—)，女，浙江湖州人，碩士研究生，研究方向為建筑節(jié)能與空氣環(huán)境. E-mail: vanny18021@hotmail.com 鐘珂(聯系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

中圖分類號：U 270.383

文獻標志碼：A