裴斐¹    常利²    王新如³    王姣姣⁴    杜賽賽¹    谷雅秀⁴    吳金順⁵    潘嵩¹
1 北京工業大學 建筑工程學院
2 河北工程大學 能源與環境工程學院
3 寧波諾丁漢大學
4 長安大學 環境科學與工程學院
5 華北科技學院 建筑工程學院

       【摘  要】當前地鐵內細顆粒物對健康的影響日益受到公眾的重視。相較于其他位置，地鐵車廂相對封閉，乘客停留時間長，人群密度大且流動性強，其中細顆粒物的濃度控制十分重要。要解決車廂細顆粒物的濃度控制問題，首先必須掌握地鐵車廂細顆粒物分布及變化規律。但目前這方面的研究很少，尤其缺乏與列車運行特性相結合的研究。本文通過實地測試發現，室外環境為優時，車廂內細顆粒物濃度高于室外，室外嚴重污染時，車廂內低于室外；其內部不同位置濃度不同，但都呈現出周期性變化；不同線路車廂規律不同。本文的研究將為車廂內細顆粒物濃度分布積累基本數據，明確其分布規律及擴散特性，為地鐵車廂中細顆粒物的預測及控制提供理論依據和支撐。

       【關鍵詞】車廂，細顆粒物，空間分布，動態變化

       【基金項目】基金項目：國家自然科學基金資助項目（51578011）

Abstract: Currently, fine particulate matter in the subway has arose highly attention due to its effects on the health.Compared with other locations, the subway cars are relatively closed , in which the passengers stay for a long time，the density of the population is large and the mobility of the crowd is strong .The prevention and control of fine particulate matter in subway carriages
is very important.In order to solve the problem of prevention and control of fine particulate matter in the subway car, the distribution and variation of fine particulate matter in the subway cars must be mastered first.Through field test,it is found that when the outdoor environment is excellent,the concentration of PM2.5 in the subway car is higher than that outside,when the outdoor environment is seriously polluted, the opposite is true;The concentration of PM2.5 is different at different positions inside the subway car,however,they all show periodic changes;Different lines have different rules. This study will accumulate basic data for the concentration distribution of fine particulate matter in the car, clarify its distribution and diffusion characteristics, and provide theoretical basis and support for the prediction and control of fine particulate matter in the subway car.
Keywords：subway car, fine particulate matter, space distribution, dynamic change

0 引言

       近年來，國內霧霾天氣屢見不鮮，有些霧霾嚴重的城市竟出現霧霾天氣超過 200 天的記錄^[1]，以細顆粒物為代表的大氣灰霾污染是我國當前影響人民身體健康的最突出的環境問題之一。細顆粒物指空氣動力學當量直徑小于2.5微米的顆粒物，它能夠透過肺部肺泡直接進入血液，由于其表面積大，大多數攜帶有毒有害物質，對人體健康更具有危害性。流行病學研究表明，人體發病率以及死亡率與顆粒物的質量濃度存在正相關性^[2]，人體低濃度的長期暴露和高濃度的短期暴露都會產生不利的健康效應^[3]。目前，國內對細顆粒物的研究主要集中在地面和一般公共場所，而地鐵作為近年迅速發展的交通工具，其內部特別是車廂的空氣品質正逐漸引起人們的關注。

       地鐵是一個特殊的地下建筑，按照環控系統可分為三個區域：公共區、工作區、車廂。當前國內外學者對地鐵內細顆粒物的研究主要集中在公共區，對其中的顆粒物的運動特性及分布規律進行研究。然而，相關研究表明，乘客3 /4的時間在列車上度過,在站廳和站臺等公共區停留的平均時間不會超過10min^{[4] [5]}，而在早晚高峰時間，車廂中人群密度大，人流密集，內部空間極度擁擠，人體長期處于空氣不流通或流通不暢的環境內，過高的細顆粒物濃度嚴重影響人們的身心健康。另一方面，地鐵內細顆粒物部分來自隧道，由于地鐵列車在運行和制動過程中都存在鋼鐵的機械磨損，而鋼鐵中常含有大量的鐵元素和其它微量合金元素（如錳、鉻和鎳等），這就使得隧道中的細顆粒物富含大量金屬元素，這些金屬元素進入車廂，對車廂內乘客身體健康構成了嚴重威脅^[6] 。因此，現階段充分了解車廂空氣質量，對地鐵車廂細顆粒物濃度分布進行研究十分必要。綜合國內外的研究得知，目前地鐵細顆粒物研究大多聚焦站臺、站廳，只針對車廂的很少。目前針對車廂的研究主要通過實測，研究方法基本與地鐵其他位置類似，研究內容主要有車廂內細顆粒物濃度分布、產生源及影響因素、控制策略等。通過分析發現，目前的研究缺乏大量實測數據，測試時未能體現細顆粒物隨列車運行的動態變化，本文在充分了解車廂內部結構及運動狀態的前提下，使用適合車廂的測試手段和研究方法，明確車廂內細顆粒物污染狀況，對地鐵車廂中細顆粒物的控制提供科學依據。

1 測試方案

       1.1 測試地點及時間

       本文選取北方地鐵典型線路車廂進行實測及數據分析，選取的線路站臺形式為島式，站臺與隧道的連接形式包括屏蔽門、全高安全門、半高安全門。由于地鐵車廂為狹長空間，單一測點不足以反應車廂內細顆粒物情況，在車廂中車頭、中部、車尾處布置三個測點，同時測量站臺屏蔽門處及室外細顆粒物濃度，測點距地面1.5米，測點布置如圖1所示。

       測試時間主要安排在工作日（周一至周五）的平峰期期間，測試時段在下午的一點半至四點半左右，每個測點的時長為30到60分鐘。

       1.2 測試儀器

       測試所使用的顆粒物濃度測量儀主要有兩種：（1）美國TSI8532可吸入顆粒粉塵分析儀，如圖2 (a)所示，該儀器用90°光散射的方法能夠實時顯示PM10、PM4、PM2.5和PM1可吸入顆粒物濃度，它的量程為0.001-150mg/m³，精度為±0.1%,采樣時間間隔的設定范圍是1－60秒。（2）CW—HAT200S手持空氣質量測試儀，如圖2 (b)所示，是由深圳賽納威公司生產的CW-HAT200手持式PM2.5速測儀，專用于測量空氣中的PM2.5和PM10濃度，它的采樣原理也是用光散射，量程為0-500μg/m³，測量精度為±20%，采樣間隔為60秒。

2 測試結果和分析

       2.1 車廂細顆粒物空間分布

       車廂內測點布置如圖1所示，選取1號線（半高安全門）、8號線（屏蔽門）、14號線（全高安全門）車廂進行測試，同時對比室外細顆粒物濃度， 測試時室外濃度為1月10日5.6μg/m³（1#和14#）與37.2μg/m3（8#），3月13日280.88μg/m³，圖3、圖4為測試結果，表1為統計值。

       可以發現，對于單個車廂來說，室外細顆粒物濃度較低時，總體規律為細顆粒物濃度：車頭＞車尾＞室外；室外細顆粒物濃度較高時，車內細顆粒物濃度小于室外。這一方面表明車廂相對封閉，內部細顆粒物濃度較為穩定，另一方面說明車站內可能是有源的。

       不同線路細顆粒物濃度對比表明，站臺安裝屏蔽門的線路，車廂中細顆粒物濃度較高，原因可能是屏蔽門很大程度上削弱了活塞風作用，在室外環境較好時，隧道內的細顆粒物不能通過活塞風排除而長期積累。而1號線細顆粒物濃度較高可能是由于其運行時間較長，細顆粒物在隧道中長期積累所致。如圖4所示，列車從地上站進入地下站時，細顆粒物濃度從12μg/m³升到最高100μg/m³，這也間接證明了隧道里細顆粒物濃度較高。

       2.2 車廂PM2.5濃度動態變化

       選取車廂內同一位置的測點，對不同線路車廂運行過程中細顆粒物濃度變化情況進行對比，測試時間30到60分鐘不等，測試時室外濃度為5.6μg/m³，結果如圖5所示。

       從圖5（a）可以看出，室外空氣質量為優的情況下，車廂內細顆粒物濃度普遍較高，1號線、8號線、14號線該位置測點細顆粒物濃度的平均值和標準偏差分別為96.73±48.16μg/m³、110.76±8.53μg/m³、36.61±6.33μg/m³，不同線路車廂細顆粒物平均濃度較高，但均高于同時期室外細顆粒物濃度。

       觀察發現，車廂內部細顆粒物濃度變化規律與站臺門類型有一定關系，14號線與8號線車廂細顆粒物濃度的標準差分別為6.33μg/m³與8.53μg/m³,表明屏蔽門系統和全高安全門系統線路的車廂內部細顆粒物濃度較為穩定，而1號線（半高安全門）車廂內部細顆粒物濃度變化較大。原因可能是屏蔽門的屏蔽作用使得隧道內部環境更加穩定，活塞風的周期性運動使得隧道內濃度較為平均。

       圖5（b）表現了不同線路車廂細顆粒物濃度局部變化情況，可以發現，列車運行時內部細顆粒物濃度呈現周期性波動，波動時間與列車運行狀態對應：列車加速時，濃度上升；列車到站后，濃度小幅下降。而不同線路波動情況不同，波動幅度：安全門系統＞屏蔽門系統，波動周期：1號線＞8號線＞14號線，即有屏蔽門的車站車廂內濃度較為穩定。

3 總結

       本文對北方某城市地鐵車廂細顆粒物濃度進行了實測研究，測試選取了該城市包括屏蔽門、全高安全門、半高安全門線路的列車，測試內容包括列車內不同位置測點細顆粒物濃度，同時期室外及站臺濃度，通過對相關數據的整理分析得出以下結論：

       （1）室外空氣質量為優時，車廂內部細顆粒物濃度分布規律為：車頭＞車尾＞室外，室外嚴重污染時，車廂內部細顆粒物濃度小于室外。不同線路細顆粒物濃度不同，濃度分布規律為：屏蔽門線路＞非屏蔽門線路。

       （2）列車從地上站進入地下站后細顆粒物濃度升高，表明隧道中細顆粒物濃度較高。

       （3）車廂內部細顆粒物濃度變化規律與站臺門類型有一定關系，屏蔽門系統和全高安全門系統線路的車廂內部細顆粒物濃度較為穩定，而半高安全門線路車廂內部細顆顆粒物濃度變化較大。

       （4）車廂內細顆粒物濃度隨列車進站出站呈現周期性波動，不同線路波動情況不同，總體規律為：波動幅度：安全門系統＞屏蔽門系統，波動周期：1號線＞8號線＞14號線，即有屏蔽門的車站車廂內濃度較為穩定。

       通過對地鐵車廂內細顆粒物的濃度進行實測分析，得出室外環境為優時，車廂內細顆粒物濃度較高，且車廂內部不同位置細顆粒物濃度也不相同，隨列車運行呈現周期性波動。本文通過對列車內部細顆粒物的實測，明確了車廂內細顆粒物分布和擴散規律，研究的成果將對合理控制地鐵車廂內細顆粒物的污染擴散，有效改善地鐵內空氣品質提供理論依據和支撐。

參考文獻:

       [1] 袁琦.地鐵車輛室內空氣品質分析測評[J].城軌技術, 2014, 4:79-84.
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       [3] 世界衛生組織關于顆粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空氣質量準則(2005年版)[R]Geneva：WHO，2008
       [4] 劉雪峰, 劉金平. 基于變風量的相對熱指標運行模式在地鐵空調中的應用研究[J]. 建筑科學, 2007, 23(4):78-82.
       [5] 北京交通規劃研究中心. 2016北京市交通發展年度報告[M]. 北京交通規劃研究中心, 2017.
       [6] 王繼永, 劉俊杰. 地鐵可吸入顆粒物污染研究[C]. 國際污染控制學術會議. 2006.

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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