地鐵車站內部空氣污染原因分析

陳嘉麒

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地鐵車站內部空氣污染原因分析

陳嘉麒

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043）

針對地鐵地下車站空氣污染來源進行調查分析，從地鐵車站新風井環(huán)境以及新風量取值，車站新風量計算方法，以及空調系統(tǒng)純滯后大慣性的特征等方面分析了地鐵車站公共區(qū)域空氣污染原因，對提升地鐵車站公共區(qū)品質具有一定的借鑒意義。

新風量；在站乘客；通風空調系統(tǒng)；行車間隔

0 引言

目前地鐵車站內的衛(wèi)生情況所引發(fā)的人體不舒適及不健康的影響已開始被社會普遍關注，尤其是近兩年來空氣污染嚴重，霧霾天氣頻發(fā)，由于室內空氣質量下降，乘客往往感到眼、鼻、咽喉部粘膜干燥和刺激，并伴有頭痛、嗜睡、惡心等癥狀，統(tǒng)稱為“病態(tài)建筑綜合癥SBS（Sick Building syndrome）”，引起SBS這些癥狀的確切原因與在低品質室內環(huán)境中停留的時間長短有關，地下車站空氣中主要的污染物有室內揮發(fā)性有機物、懸浮微生物和塵埃粒子等，同時存在CO、CO2、甲醛、氨等，相關研究表明地鐵車站空氣中的污染物濃度比其他環(huán)境中要高得多，提升地鐵地下車站空氣品質顯得尤為必要，影響地鐵車站室內空氣品質的原因是綜合性的、多方面的，除了車站出入口、風亭所在位置的空氣品質與站內空氣質量有直接的關系外，地鐵車站本身的幽閉特征，通風換氣不足以及系統(tǒng)運行特點等都是造成車站內部污染物濃度偏高、空氣品質下降的主要因素。

1 原因分析

1.1 通風不良

地鐵地下車站多數為狹長封閉空間，常規(guī)車站僅有兩端兩組風井、車站出入口與室外大氣相通，一般6輛A型車編組的地鐵車站長度約為250m，標準島式車站主體面積約為6000～7200m2，車站兩端用于通風的新風井總面積約為20m2，兩者面積比僅為1:300。地下車站基本在地下十幾米甚至幾十米深處，車站通風換氣全靠風機機械做功將室外新鮮空氣送入車站內，受到室外地塊規(guī)劃限制，車站風道一般較長，風井、風道呈扁平狀，車站內部管線較多，風管彎頭、風管閥門，消聲器等附件偏多，導致通風系統(tǒng)運行不良，換氣次數不足導致車站內污染物濃度得不到及時稀釋。

1.2 新風污染

地鐵線路一般沿城市交通干線敷設，車站新風井均設置在交通干線兩側，交通干線兩側空氣污濁，空氣中充斥著汽車尾氣與車流擾動浮起來的懸浮顆粒物。由于規(guī)劃等因素，地鐵大多數新風井均為敞口低矮風井，地鐵規(guī)范規(guī)定，當車站新風井設置在道路邊時，風井口部距地不應小于2m，當新風井周邊有3m寬的綠化帶時，風井高度可以降低至2m，而實際工程中，新風井的設置均很難達到要求，如圖1所示。風井風道裝修標準不高是形成車站空氣源污染另一個重要因素，與車站公共區(qū)、強弱電設備用房裝修標準不同，車站新風道一般僅采用水泥抹面，地面采用水泥砂漿找平，通風空調機房內地面為水泥地面或水磨石地面。由于設置道路邊低矮敞口風井，風井底部雜物與廢棄物長期無人清理，風井底部雨水口長期存水，對新風道造成一定程度的污染，如圖2所示。

圖1 路邊敞口風井

圖2 風井底部設備

1.3 空調新風量不足

對于大多數城市采用站臺設置封閉站臺門的空調系統(tǒng)，車站公共區(qū)與軌行區(qū)獨立分隔，車站公共區(qū)空調系統(tǒng)均采用一次回風系統(tǒng)，車站人員新風量采用12.6m3/（h·人）與空調系統(tǒng)總送風量的10%的較大值，一般車站新風量只能取到車站總送風量的10%。

首先，《地鐵設計規(guī)范》GB 50157中車站公共區(qū)人員新風量標準采用12.6m3/（h·人）較小，國內現行《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB 50019中規(guī)定工業(yè)建筑應保證每人不小于30m3/（h·人）的新風量，對于人員密集的公共建筑，《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB 50736有具體規(guī)定，其中人員密度P≤0.4的區(qū)域，如公共交通候車室，新風量不小于19m3/（h·人），《公共場所集中空調通風衛(wèi)生規(guī)范》WS394中要求，候車（機、船）室、公共交通工具人員新風量應大于等于20m3/（h·人）。與地面通暢開闊的公共建筑相比，地鐵車站空間顯得幽閉壓抑，而實際設計過程中地鐵車站新風量標準卻遠低于同類型的公共建筑。

其次，車站公共區(qū)新風量是根據遠期公共區(qū)客流預測計算的，公共區(qū)高峰小時瞬時人數計算一般按照如下公式：

其中：G為站廳計算人員數量；G為站臺計算人員數量；1為車站遠期乘超高峰小時系數的高峰預測上車客流；2為車站遠期乘超高峰小時系數的高峰預測下車客流；1為上車乘客在站廳停留的時間，一般取2min；2為上車乘客在站臺停留的時間，取高峰時段行車間隔；1為下車乘客在站廳停留的時間，一般取1.5min；2為下車乘客在站臺停留的時間，一般取1.5min。

目前國內地鐵最大行車對數均按照30對/h控制，即行車最小間隔為2min，而運營線路實際客流比預測客流嚴重不符是國內地鐵建設的一個常見現象。列車運行對數與行車數量在早晚高峰與乘客數量不匹配。在越來越多的車站，早晚高峰乘客滯留一趟甚至兩趟行車時間間隔的現象出現（見圖3）。因此早晚高峰乘客在站人數與通風空調計算方法存在偏差，導致實際新風量不足。

圖3 乘客滯留站臺

1.4 空調系統(tǒng)運行模式

車站通風空調在空調季節(jié)最小新風與全新風的轉換依據為室外空氣焓值，當測點的焓值大于室內空氣的焓值時，空調系統(tǒng)運行小新風工況，當室外空氣焓值小于室內空氣焓值且室外溫度大于室內溫度時，運行全新風工況，當室外溫度低于室內溫度時，運行通風工況，在全新風工況與通風工況下，公共區(qū)通風換氣次數基本可達到在5次/h以上，在最小新風工況下，CO2濃度為公共區(qū)空氣品質的主控因素，目前在建或新開通線路車站公共區(qū)也有設置CO2濃度探頭，車站CO2濃度升高時，加大空調系統(tǒng)的新風風量，設置最小新風機的系統(tǒng)關閉最小新風機，開啟全新風新風閥并調節(jié)大風閥角度，保證車站新風量。這種運行模式能降低車站公共區(qū)的CO2濃度，與公共區(qū)溫度控制邏輯相同，CO2濃度控制為閉環(huán)控制，單回路控制框圖（見圖4）如下。

圖4 CO2濃度控制單回路框圖

但在實際運行過程中，車站公共區(qū)空調系統(tǒng)具有純滯后大慣性控制過程的特征，這類控制過程的特點是：當控制作用產生后，在滯后時間范圍內，被控參數完全沒有響應，使得系統(tǒng)不能及時隨被控量進行調整以克服系統(tǒng)所受的擾動。即公共區(qū)污染物濃度升高后，空調系統(tǒng)運行策略才有改變，車站的舒適度已經降低，人員不適感已經發(fā)生，公共區(qū)新風量增加后，由于公共區(qū)本身氣體容量大，以及空氣的流動性，CO2濃度改變具有大的慣性，當公共區(qū)污染物濃度下降，但乘客已乘車離開，高峰客流已經回落。由于大空間的濃度控制存在較大的遲滯性，因此控制量的控制效果不能在短時間內完成，根據空調系統(tǒng)的運行特性，可將CO2濃度控制簡化為大滯后一階系統(tǒng)，傳遞公式如下：

其中：為放大系數，為時間常數。

當輸入信號為階躍函數時，系統(tǒng)的響應函數是一個遞增的指數函數，時間常數不同，單位階躍響應曲線上升的速度不同，時間常數越大，上升越慢（見圖5）。對于一般地鐵公共區(qū)通風空調系統(tǒng)，可取200～400s，當容許誤差取2%時，一階系統(tǒng)過渡時間約為4，即公共區(qū)CO2濃度控制系統(tǒng)響應時間在800～1600s。高峰小時最小行車間隔為120s，其系統(tǒng)響應時間約為6～12個行車間隔，而高峰客流一般滯留不超過3個行車間隔。

圖5 CO2濃度控制系統(tǒng)響應曲線

另外，在通風季節(jié)，部分車站執(zhí)行只排不送的工況，即車站公共區(qū)回排風機運行，新風從車站出入口引入，這種工況能減少公共區(qū)風機運行數量，降低運行能耗，但車站出入口一般設置在交通干線上人員密集處，出入口口部直接與室外地面連接，出入口內部為乘客通行通道，當公共區(qū)排風機運行時，出入口會形成至上而下的自然風速，將出入口口部地面、通道內的塵土、顆粒物卷席到空氣中，導致車站公共區(qū)污染物濃度增加，空氣品質下降，因此在通風季節(jié)，雖然換氣次數足夠，但由于新風品質不高，同樣污染了車站內部空氣。

1.5 其他污染源

公共區(qū)地面一般采用人造大理石材，墻面采用鋼化玻璃或石材，吊頂采用金屬方通，主材一般導致公共區(qū)空氣污染的概率較低，施工用的玻璃膠、粘結劑等輔材是形成公共區(qū)空氣污染的又一因素，車站公共區(qū)衛(wèi)生間設置在車站站臺時，由于通風系統(tǒng)不順暢，污染站臺公共區(qū)的空氣品質，設置在出入口時，影響出入口空氣品質，當車站公共區(qū)執(zhí)行排風模式時，就會影響車站公共區(qū)空氣品質。

2 結論

車站公共區(qū)室內空氣品質的控制是一項復雜的系統(tǒng)控制工程，除了上述影響車站空氣品質的因素外，擁擠的乘客也是一個重要的污染源。針對室內空氣品質的提升，除了對地鐵通風空調系統(tǒng)控制方式進行完善外，針對室外汽車尾氣、霧霾天氣等方面的措施也是十分有必要的，提高風道裝修標準、加裝新風道過濾器等保證新風潔凈度的措施等對提高室內空氣品質具有重要意義。

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Analysis of Air Pollution in Subway Station

Chen JiaQi

( China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Xi'an, 710043 )

This paper makes an investigation and analysis of the sources of air pollution of underground subway station. It analyzes the cause of air pollution in the public area of the subway station from the environment of the fresh air shaft and the value of fresh air, the calculation method of the station fresh air, the characteristics of pure lag and large inertia of air conditioning system. It has a certain reference for improving the quality of the public district of the subway station.

Fresh Air Rate; Passenger at Station; Ventilation and Air condition; Headway

U231+.5

A

1671-6612（2018）02-175-04

陳嘉麒（1970-），男，工程師，E-mail：1094721542@qq.com

2018-01-15