基于行駛狀態(tài)的地下車庫(kù)污染物排放量分析

程 康 牛冬茵 倪 龍△ 姚 楊

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱;2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱)

0 引言

2020年我國(guó)民用汽車擁有量達(dá)到了28 087萬(wàn)輛[1]。龐大的機(jī)動(dòng)車數(shù)量使得城市有限的地面停車位數(shù)量難以滿足快速增長(zhǎng)的停車需求,停車供需關(guān)系失衡嚴(yán)重影響市民生活品質(zhì)[2]。地下車庫(kù)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(qū),地下車庫(kù)是密閉場(chǎng)所,當(dāng)尾氣不能及時(shí)通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)排除時(shí),會(huì)導(dǎo)致車庫(kù)內(nèi)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(tài)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(biāo)準(zhǔn)中,一般將CO作為車庫(kù)氣態(tài)污染物控制的指標(biāo)[3]。文獻(xiàn)[4]分析了我國(guó)封閉式汽車庫(kù)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及通風(fēng)量的演變,發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)中給出的通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果差異很大,風(fēng)量最大值與最小值相差近11倍,認(rèn)為差異主要體現(xiàn)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(shù)方面的進(jìn)步。此外,尾氣、輪胎和剎車摩擦產(chǎn)生的小粒徑顆粒物可長(zhǎng)期懸浮于空氣中,在地下車庫(kù)內(nèi)積聚[5],通過(guò)呼吸道進(jìn)入肺部沉積,導(dǎo)致各種呼吸系統(tǒng)疾病。

事實(shí)上,汽車污染物的排放量與行駛狀態(tài)關(guān)聯(lián)很大[6],地下車庫(kù)有其自身的行駛特性,針對(duì)該行駛特性定量計(jì)算污染物的排放有很好的實(shí)用價(jià)值。為此,利用MOVES模型對(duì)小型汽油客車的污染物排放因子進(jìn)行模擬,計(jì)算居民區(qū)和商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)內(nèi)機(jī)動(dòng)車CO和顆粒物(細(xì)顆粒物PM2.5、可吸入顆粒物PM10)的排放量,為地下車庫(kù)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究方法

1.1 地下車庫(kù)內(nèi)機(jī)動(dòng)車行駛狀態(tài)

機(jī)動(dòng)車進(jìn)出地下車庫(kù)的行駛動(dòng)作一般可分解為:低速下坡→低速行駛→駐車;啟動(dòng)→低速行駛→低速上坡?？紤]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(jì)算。為此,將機(jī)動(dòng)車在地下車庫(kù)中的運(yùn)行狀態(tài)細(xì)化為2個(gè)部分:低速行駛和啟動(dòng)。低速行駛即機(jī)動(dòng)車由車庫(kù)入口到停放車位或由車位駛出車庫(kù)這2種情況,啟動(dòng)則由機(jī)動(dòng)車在車位處發(fā)生。啟動(dòng)狀態(tài)根據(jù)機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)熱浸時(shí)間(即停止工作的時(shí)間)的長(zhǎng)短可分為熱啟動(dòng)、溫啟動(dòng)和冷啟動(dòng)3種,不同啟動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)排放因子不同。

1.2 計(jì)算模型選擇

目前機(jī)動(dòng)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(jìn)行模擬測(cè)算,而MOVES模型可以針對(duì)宏觀、中觀、微觀模擬場(chǎng)景進(jìn)行不同層次規(guī)模的排放測(cè)算。在擬合精度上,美國(guó)EPA(環(huán)境保護(hù)署)針對(duì)MOVES模型和MOBILE模型進(jìn)行了大量的測(cè)試,發(fā)現(xiàn)MOVES模型的模擬結(jié)果更具準(zhǔn)確性[7]。微觀層面模擬主要是針對(duì)某一特定的交通走廊或者單一的非道路源進(jìn)行排放模擬測(cè)算,如停車場(chǎng)、公交站等區(qū)域的機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)和怠速的排放區(qū)[8-10]。本研究中對(duì)地下車庫(kù)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(dòng)量分解到各個(gè)源組和單元,再將這些單元的分布和排放速率相結(jié)合得到排放量,其模型框架及主要模塊示意圖見(jiàn)圖1,其中“bin”為排放源和運(yùn)行工況的組合,排放速率bin即不同組合對(duì)應(yīng)的污染物排放速率,排放單元bin分布指不同組合下機(jī)動(dòng)車排放時(shí)間和啟動(dòng)次數(shù)等行駛特征參數(shù)。

圖1 MOVES模型的主要模塊及功能

1.3 計(jì)算案例

居民區(qū)和商業(yè)區(qū)車庫(kù)污染物排放模擬選取同一實(shí)際車庫(kù)。車庫(kù)采用環(huán)形車道單向車流,設(shè)計(jì)泊車位84個(gè),2個(gè)車輛出入口,車庫(kù)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(jiàn)圖2。目前汽油車仍占據(jù)中國(guó)乘用車的絕大多數(shù)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(chǎn)量占比也僅有3%[12]。雖然隨著節(jié)能減排的推進(jìn),電動(dòng)車的推廣力度越來(lái)越大,但是交通管理局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,截至2021年6月,我國(guó)電動(dòng)車的保有量也僅占機(jī)動(dòng)車總量的1.68%[13],而且電動(dòng)車的尾氣排放要遠(yuǎn)小于汽油車。因此考慮到最不利情況及車庫(kù)內(nèi)不同類型機(jī)動(dòng)車隨機(jī)分布帶來(lái)的復(fù)雜性,本次計(jì)算車庫(kù)內(nèi)污染物排放源時(shí)均選用小型汽油車,車用燃油采用國(guó)ⅥA標(biāo)準(zhǔn)汽油,低速行駛狀態(tài)對(duì)應(yīng)的速度取地下車庫(kù)限速值5 km/h,車庫(kù)內(nèi)的溫度工況分冬、夏季設(shè)定,冬季設(shè)為5 ℃,夏季設(shè)為28 ℃。根據(jù)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(quán)重法計(jì)算得出排放因子平均值,該值與車齡為5年時(shí)的機(jī)動(dòng)車排放因子最為接近,因此車庫(kù)內(nèi)小型汽油客車平均車齡選定為5年。

注:1～84為車位編號(hào);字母為路段編號(hào)。圖2 地下車庫(kù)平面及車位、路段編號(hào)

1.3.1居民區(qū)地下車庫(kù)使用規(guī)律和行駛模式

根據(jù)小區(qū)居民早中晚的日常作息規(guī)律,居民區(qū)地下車庫(kù)的使用規(guī)律和行駛模式為:

1) 早通勤冷啟動(dòng)駛出。小區(qū)居民前一天晚上下班回家停車入庫(kù),第二天早上開車離開。此過(guò)程分為機(jī)動(dòng)車?yán)鋯?dòng)和低速駛出兩部分。

2) 午休時(shí)間低速駛?cè)牒笥譁貑?dòng)駛出。居民中午下班回家停車入庫(kù),經(jīng)過(guò)短暫午休后再次啟動(dòng)機(jī)動(dòng)車離開。此過(guò)程具體由低速駛?cè)?、溫啟?dòng)及低速駛出三部分組成,其中溫啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的熱浸時(shí)間取30～60 min。

3) 晚通勤低速駛?cè)?。居民晚上下班回家停車入?kù),此過(guò)程只包含機(jī)動(dòng)車低速駛?cè)氩糠帧?/p>

一般來(lái)說(shuō),小區(qū)居民在車庫(kù)內(nèi)一般擁有固定車位,通勤時(shí)間段內(nèi)任意1 h,居民區(qū)車位周轉(zhuǎn)率(單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)停車位的平均停放車輛次數(shù))都小于1 h-1,通常為0.4～0.8 h-1。通過(guò)對(duì)比3個(gè)時(shí)段的污染物排放量,可得到居民區(qū)地下車庫(kù)1天中最大的污染物排放量及對(duì)應(yīng)的排放時(shí)段,為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1.3.2商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)使用規(guī)律和行駛模式

商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)行車規(guī)律不像居民區(qū)地下車庫(kù)那樣固定,文獻(xiàn)[15-18]中調(diào)查統(tǒng)計(jì)的各商業(yè)區(qū)停車庫(kù)的車位周轉(zhuǎn)率如表1所示。

表1 商業(yè)區(qū)停車庫(kù)車位周轉(zhuǎn)率

結(jié)合上述文獻(xiàn),本文將商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)的使用規(guī)律分為工作日和非工作日的高峰時(shí)段和平峰時(shí)段共4種情況,并設(shè)定4種情況下的車位周轉(zhuǎn)率如表2所示。同時(shí)參考文獻(xiàn)[15,19-21]中統(tǒng)計(jì)的車輛停放時(shí)間比例,本研究確定的車輛停放時(shí)間分布比例如表3所示。將確定的車位周轉(zhuǎn)率乘以車庫(kù)車位總數(shù)得到1 h內(nèi)車庫(kù)內(nèi)車位使用總次數(shù),結(jié)合停放時(shí)間的比例可求出各停放時(shí)長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)車數(shù)量,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行商業(yè)車庫(kù)內(nèi)污染物排放量的模擬計(jì)算。

表2 商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)周轉(zhuǎn)率 h-1

表3 車輛停放時(shí)間分布比例 %

2 結(jié)果分析

2.1 居民區(qū)地下車庫(kù)

2.1.1車道路段污染物排放分布

小區(qū)居民在車庫(kù)內(nèi)一般擁有固定車位,故每輛機(jī)動(dòng)車駛?cè)胲囄换蝰偝鲕噹?kù)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(kù)周轉(zhuǎn)率為0.5 h-1時(shí)從車庫(kù)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(hào)見(jiàn)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(duì)于機(jī)動(dòng)車駛?cè)攵?緊靠車庫(kù)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(jī)動(dòng)車駛出情況則與駛?cè)肭闆r剛好相反;駛?cè)霠顟B(tài)下車庫(kù)中入口到出口的CO排放量整體趨勢(shì)減小,駛出狀態(tài)下的變化趨勢(shì)則相反,這與車道利用率基本一致;由于行駛速度統(tǒng)一取為5 km/h,相同變化趨勢(shì)下的排放量波動(dòng)體現(xiàn)為路段長(zhǎng)度的不同,有的路段左右均設(shè)有車位,而有的只有一側(cè)設(shè)有車位,加上各路段的長(zhǎng)度不一,造成折線出現(xiàn)尖點(diǎn);當(dāng)機(jī)動(dòng)車駛?cè)胗竹偝鰰r(shí),每段車道的利用次數(shù)應(yīng)該相同,此時(shí)各路段上的污染物排放量只跟各自長(zhǎng)度有關(guān),不會(huì)產(chǎn)生明顯減小或增大的趨勢(shì),折線會(huì)比較平,各段車道區(qū)域的污染物分布比較均勻,所以車道區(qū)域的通風(fēng)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(guī)律

居民區(qū)地下車庫(kù)周轉(zhuǎn)率為0.5 h-1時(shí),車庫(kù)內(nèi)3種污染物(CO、PM2.5、PM10)的排放總量如圖4所示。

圖4 居民區(qū)車庫(kù)污染物排放量

由圖4可以看出:

1) 對(duì)比圖4a與圖3,車庫(kù)內(nèi)的污染物主要來(lái)源于車位處機(jī)動(dòng)車的啟動(dòng)排放,車道處的運(yùn)行排放占比很小。此外,晚通勤時(shí)段,僅有低速駛?cè)?污染物排放量的數(shù)量級(jí)明顯小于其他2個(gè)時(shí)間段。數(shù)據(jù)分析表明,早通勤時(shí)段車道排放量?jī)H占總排放量的0.3%～2.6%。

2) 對(duì)比同一溫度工況下不同時(shí)間段的污染物排放量,發(fā)現(xiàn)早通勤時(shí)段的污染物排放量最大,與文獻(xiàn)[22]中對(duì)居民區(qū)地下車庫(kù)污染物排放量實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)早通勤時(shí)段車庫(kù)污染物濃度達(dá)到峰值的現(xiàn)象相吻合,這也說(shuō)明在通風(fēng)量設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該基于早通勤時(shí)段的污染物總排放量。此外早通勤時(shí)段(冷啟動(dòng)+低速駛出)是午休時(shí)段(低速駛?cè)?溫啟動(dòng)駛出)污染物排放量的2倍以上,說(shuō)明冷啟動(dòng)的污染物排放量要大于溫啟動(dòng)排放量,這是因?yàn)槔鋯?dòng)時(shí)催化劑達(dá)到工作溫度的時(shí)間更長(zhǎng),使得污染物排放量增大。

3) 對(duì)比冬、夏季工況,除了晚通勤時(shí)段(低速駛?cè)?,冬季3種污染物的排放量均大于夏季,CO排放量在數(shù)值上幾乎相差1倍,PM2.5與PM10相差2倍。較低的環(huán)境溫度延長(zhǎng)了催化劑達(dá)到工作溫度的時(shí)間,導(dǎo)致污染物排放量增大,而環(huán)境溫度主要影響啟動(dòng)排放,發(fā)動(dòng)機(jī)充分預(yù)熱后的運(yùn)行排放水平受環(huán)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(xiàn)象。

4) 不論什么時(shí)段、什么季節(jié),CO排放量均遠(yuǎn)大于PM2.5和PM10,CO是主要污染物。

此外,當(dāng)車庫(kù)周轉(zhuǎn)率變化時(shí),各類污染物基本同比例變化,在此不再贅述。

2.2 商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)

商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)冬、夏季2種設(shè)計(jì)溫度下工作日、非工作日的高峰時(shí)段、平峰時(shí)段對(duì)應(yīng)的CO、PM2.5和PM10的排放量如圖5所示。

圖5 商業(yè)車庫(kù)污染物排放量

與居民區(qū)車庫(kù)類似,各類污染物冬季工況的排放量均比夏季工況大。對(duì)比同一天高峰、平峰時(shí)段的污染物排放量可以看出,由于車流量的關(guān)系,高峰時(shí)段的污染物排放量比平峰時(shí)段約高出25%。但對(duì)比同一條件下工作日和非工作日的污染物排放量,發(fā)現(xiàn)無(wú)論是高峰時(shí)段還是平峰時(shí)段,3種污染物的排放量相差無(wú)幾。雖然工作日的車流量比非工作日小,但工作日停放時(shí)間長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)車占比更大,而機(jī)動(dòng)車停放時(shí)間越長(zhǎng),發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度降低得越多,啟動(dòng)時(shí)催化劑達(dá)到工作溫度的時(shí)間也就越長(zhǎng),下一次啟動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)排放量就越大,所以2種工況下單臺(tái)機(jī)動(dòng)車的排放量和機(jī)動(dòng)車的數(shù)量產(chǎn)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(kù)理論通風(fēng)量比較

2.3.1單輛車CO排放量

以居民區(qū)地下車庫(kù)周轉(zhuǎn)率為0.5 h-1和商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)非工作日時(shí)段的污染物排放量為例進(jìn)行車庫(kù)內(nèi)單輛車CO排放量分析,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同類型地下車庫(kù)內(nèi)單輛車CO排放量 mg/min

ASHRAE手冊(cè)給出的1996年單輛機(jī)動(dòng)車在單位時(shí)間內(nèi)的CO排放量[3]如表5所示。文獻(xiàn)[4]對(duì)于單輛機(jī)動(dòng)車的CO排放量進(jìn)行了深入的探討,其根據(jù)不同設(shè)計(jì)手冊(cè)中的公式計(jì)算得到的單輛車CO排放量如表6所示,文獻(xiàn)[4]建議輕型汽車CO排放量取4 750 mg/min。

表5 ASHRAE手冊(cè)中1996年單輛機(jī)動(dòng)車在單位時(shí)間內(nèi)CO排放量取值[3]

表6 根據(jù)不同設(shè)計(jì)手冊(cè)公式計(jì)算得到的單輛車CO排放量[4]

將表4中的各車庫(kù)內(nèi)單輛車CO排放量與表6進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)居民區(qū)地下車庫(kù)夏季工況早通勤對(duì)應(yīng)的排放量與規(guī)范推薦值[23]接近,商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)較推薦值約大60%;居民區(qū)和商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)冬季排放量分別為規(guī)范推薦值[23]的2倍和3倍。居民區(qū)地下車庫(kù)冬夏季早通勤排放量的平均值與文獻(xiàn)[4]接近。冷啟動(dòng)駛出(早通勤)屬于冷態(tài)運(yùn)行,而午休屬于熱態(tài),午休的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[3]取值接近。

2.3.2理論通風(fēng)量

地下車庫(kù)通風(fēng)設(shè)計(jì)基本計(jì)算方法為根據(jù)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(jìn)行通風(fēng)量的計(jì)算,再根據(jù)車庫(kù)的容積換算成換氣次數(shù)。根據(jù)GBZ 2.1—2019《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分:化學(xué)有害因素》[31]中規(guī)定的CO接觸濃度限值,將車庫(kù)內(nèi)CO的允許質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)取為30 mg/m3,新風(fēng)中污染物CO質(zhì)量濃度取室外CO質(zhì)量濃度3.0 mg/m3。圖6顯示了居民區(qū)地下車庫(kù)(周轉(zhuǎn)率為0.5 h-1)和商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)按照CO排放量計(jì)算出的換氣次數(shù)(車庫(kù)層高按照3.0 m選取)。如圖6所示,最不利工況對(duì)應(yīng)的居民區(qū)地下車庫(kù)換氣次數(shù)為2.6 h-1(夏)和5.5 h-1(冬),商業(yè)區(qū)為4.3 h-1(夏)和8.8 h-1(冬)。

圖6 地下車庫(kù)換氣次數(shù)

圖4、5同時(shí)給出了按照最不利工況下控制CO濃度的通風(fēng)量能夠消除的PM2.5和PM10的排放量,計(jì)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(jì)算得到的換氣次數(shù),h-1;V為車庫(kù)的容積,m3,為11 436 m3;y1為車庫(kù)內(nèi)顆粒污染物的允許質(zhì)量濃度,按照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[32]中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)選取,日平均質(zhì)量濃度PM10取150 μg/m3,PM2.5取75 μg/m3;y0為室外新風(fēng)過(guò)濾后的顆粒物質(zhì)量濃度,μg/m3。

如圖4、5所示,安裝粗效+中效過(guò)濾器的效果優(yōu)于粗效過(guò)濾器,尤其是對(duì)于PM2.5,相同的換氣次數(shù)下,安裝粗效+中效過(guò)濾器時(shí)可消除的PM2.5 排放量是僅安裝粗效過(guò)濾器時(shí)的1.5倍。但是用僅控制CO濃度時(shí)的通風(fēng)量對(duì)顆粒物進(jìn)行稀釋時(shí)其效果并不理想,對(duì)于居民區(qū)地下車庫(kù),除了晚通勤外,其他時(shí)段顆粒物均滿足不了稀釋要求,尤其是早通勤時(shí)段,顆粒物的污染最為嚴(yán)重;對(duì)于商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)而言,按照控制CO濃度計(jì)算的通風(fēng)量可消除的顆粒物量均遠(yuǎn)低于各個(gè)時(shí)段實(shí)際的顆粒物排放量。由此可見(jiàn),車庫(kù)的控制參數(shù)不能只參考CO,還要兼顧PM2.5和PM10,且在無(wú)法滿足顆粒物稀釋要求的時(shí)段需延長(zhǎng)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間,保證顆粒物日平均濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

1) 車庫(kù)內(nèi)的污染物主要來(lái)源于車位處機(jī)動(dòng)車的啟動(dòng)排放,車道處的運(yùn)行排放占比很小,在早通勤時(shí)段車道排放量?jī)H占總排放量的0.3%～2.6%。

2) 從排放量來(lái)說(shuō),CO是主要污染物,其排放量遠(yuǎn)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(shù)值上幾乎相差1倍,PM2.5與PM10相差2倍。

3) 居民區(qū)地下車庫(kù)夏季工況早通勤對(duì)應(yīng)的排放量與規(guī)范推薦值接近,商業(yè)區(qū)地下車庫(kù)較推薦值約大60%;居民區(qū)和商業(yè)區(qū)冬季排放量分別為規(guī)范推薦值的2倍和3倍。最不利工況下居民區(qū)地下車庫(kù)的換氣次數(shù)為2.6 h-1(夏)和5.5 h-1(冬),商業(yè)區(qū)為4.3 h-1(夏)和8.8 h-1(冬)。

4) 根據(jù)控制CO濃度計(jì)算的通風(fēng)量難以消除顆粒物,除晚通勤時(shí)段外,其他時(shí)段均需延長(zhǎng)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。