高速列車客室空氣污染物傳播特征與凈化效果

王宗昌，周新喜，馬冰冰，*，伍 釩

(1. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111；2. 中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410075)

0 引 言

高速列車的舒適性和安全性是我國軌道交通領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)永恒話題。目前，關(guān)于列車客室環(huán)境的研究主要聚焦于流場溫濕度和速度指標(biāo)下的乘客舒適性研究，對(duì)于列車客室污染物空間擴(kuò)散規(guī)律的研究相對(duì)較少。相關(guān)研究表明，客室內(nèi)的小粒徑固態(tài)污染物（如PM2.5、PM10等）濃度通常是室外環(huán)境的2～5倍，極端情況下可以高達(dá)100倍[1]。在高濃度可吸入顆粒物暴露的環(huán)境下，人體的患病和死亡風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)顯著增加[2-4]。隨著新冠疫情的爆發(fā)，以固態(tài)和液態(tài)懸浮顆粒為代表的空氣污染物在封閉空間內(nèi)的傳播特性引起了各界的廣泛關(guān)注[5]。對(duì)于高速列車而言，明確污染物在客室內(nèi)的動(dòng)態(tài)傳播規(guī)律、空間分布以及典型凈化技術(shù)對(duì)污染物傳播的抑制效果，對(duì)列車客室空氣污染物的抑控、凈化以及客室空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)和送風(fēng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

目前，針對(duì)載運(yùn)工具客室污染物傳播模型的研究主要分為數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究兩類。在數(shù)值模擬研究方面，針對(duì)載運(yùn)工具客室的湍流流動(dòng)環(huán)境，先后有不同學(xué)者基于各類瞬態(tài)湍流模型（雷諾時(shí)均模型、分離渦模型、大渦模擬等）針對(duì)載運(yùn)工具客室環(huán)境開展了系統(tǒng)性計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真研究[6-8]。此外，一些學(xué)者在流場特性研究的基礎(chǔ)上研究了流場中液態(tài)[9]、固態(tài)[10]污染物在客室空氣中的擴(kuò)散機(jī)制。雖然數(shù)值模擬研究相比于實(shí)驗(yàn)研究具有更高的計(jì)算效率，但是其對(duì)于邊界條件、計(jì)算域和幾何結(jié)構(gòu)均做出了不同程度的簡化，其計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況不可避免地存在一定的偏差。因此，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬研究方法的準(zhǔn)確性，同時(shí)真實(shí)反應(yīng)包括風(fēng)道系統(tǒng)、客室內(nèi)裝和標(biāo)準(zhǔn)送風(fēng)模式下的客室環(huán)境流場特征，多位學(xué)者相繼針對(duì)飛機(jī)、汽車等代表性載運(yùn)工具的客室環(huán)境流場結(jié)構(gòu)和溫濕度等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[11-12]。然而，針對(duì)高速列車客室內(nèi)流場環(huán)境的研究，尤其是固態(tài)、液態(tài)污染物在客室環(huán)境中的擴(kuò)散傳播過程的實(shí)驗(yàn)研究目前為止還較為匱乏?，F(xiàn)有研究大多圍繞客室的溫濕度和壓力舒適性的內(nèi)流場實(shí)驗(yàn)展開[13]，無法為污染物在客室內(nèi)的傳播特征提供直接借鑒。

對(duì)于空氣環(huán)境中的污染物擴(kuò)散這一問題，已經(jīng)有多名學(xué)者從醫(yī)學(xué)和工程等多個(gè)研究領(lǐng)域開展了系統(tǒng)性分析。結(jié)果表明，雖然大多數(shù)致病污染物主要以液態(tài)氣溶膠顆粒的形式懸浮在空氣中[14]，但是如果為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于污染物顆粒統(tǒng)計(jì)學(xué)傳播特征的全面動(dòng)態(tài)捕捉，不論當(dāng)前的數(shù)值模擬研究技術(shù)或者是實(shí)驗(yàn)技術(shù)均無法滿足上述需求。Luca學(xué)者從數(shù)值模擬角度證明，室內(nèi)流場中的小粒徑固態(tài)顆粒（如PM2.5，PM10）和液態(tài)顆粒的動(dòng)力學(xué)傳播特征差異并不明顯。因此，可以通過對(duì)固態(tài)污染物顆粒的釋放、追蹤和檢測，實(shí)現(xiàn)對(duì)客室空氣污染物動(dòng)態(tài)傳播特征的歸納和概括[15]。

在高鐵客室污染物凈化研究方面，現(xiàn)役列車常見的凈化方式為G1或G2級(jí)濾網(wǎng)凈化，該濾網(wǎng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)混合腔內(nèi)由新風(fēng)和回風(fēng)組成的混合空氣進(jìn)行過濾處理，能實(shí)現(xiàn)對(duì)一定粒徑以上的固態(tài)、液態(tài)顆粒的凈化[16-18]。然而，上述濾網(wǎng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒徑固態(tài)污染顆粒物的攔截，而無法針對(duì)污染顆粒物內(nèi)的有害成分實(shí)現(xiàn)凈化。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下高速列車客室污染物的持續(xù)清潔，可以借鑒現(xiàn)有的針對(duì)建筑環(huán)境內(nèi)空氣凈化的基于介質(zhì)阻擋放電技術(shù)（dielectric barrier discharge, DBD）[19]和靜電除塵技術(shù)（intense field dielectric, IFD）[20]等高效環(huán)保的滅菌除塵方式。

鑒于上述現(xiàn)狀，本研究基于具有完整空調(diào)功能、風(fēng)道結(jié)構(gòu)和客室內(nèi)裝結(jié)構(gòu)的某型高速列車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過播撒濃度、速度可控的固態(tài)污染物顆粒發(fā)生裝置模擬污染物的產(chǎn)生過程，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備對(duì)客室污染物濃度進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型高速列車客室通風(fēng)模式下污染物在客室空間內(nèi)傳播過程的捕捉。在此基礎(chǔ)上，檢驗(yàn)基于靜電除塵技術(shù)和介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的兩種代表性空氣凈化方案對(duì)客室污染物的凈化效果。研究成果能夠揭示典型客室流動(dòng)環(huán)境對(duì)污染物動(dòng)態(tài)傳播過程的影響機(jī)制，明確污染源對(duì)客室不同代表性位置的影響程度，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供技術(shù)方法借鑒，為高速列車客室數(shù)值模擬研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證支撐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)基于具有完整內(nèi)部裝飾、風(fēng)道系統(tǒng)和全部空調(diào)功能的某型高速列車客室。該客室的風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的進(jìn)出風(fēng)方式為分散式送風(fēng)、集中回風(fēng)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，新風(fēng)口位于新風(fēng)/回風(fēng)混合腔的兩個(gè)側(cè)面，回風(fēng)口位于混合腔的底面，呈對(duì)稱分布?？褪夜灿?3排座椅，每排5個(gè)座位，呈3+2模式分布，如圖1所示。污染源由顆粒污染物發(fā)生器進(jìn)行釋放，釋放的初始流量為0.004 m3/s，初始方向?yàn)閳D1中x方向的正向。釋放的固態(tài)污染物粒徑范圍在1～100 μm之間。釋放位置在客室流場的中游（如圖1所示），以此代表列車中部過道位置附近乘客釋放的污染物的擴(kuò)散范圍。經(jīng)測量（CLIMOMATER6501），污染源在發(fā)生位置附近的溫度為36°左右?？紤]到污染源的釋放速率和列車客室流場的空氣體積，本研究不考慮污染源對(duì)客室流場溫度的影響。此外，除了現(xiàn)役高速列車中常見的G2等級(jí)濾網(wǎng)之外，本研究還在客室內(nèi)裝天花板的4個(gè)代表性位置以及車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)/回風(fēng)混合腔內(nèi)（A區(qū)域）的兩個(gè)代表性位置安裝了基于介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的小型凈化設(shè)備。并且在空調(diào)的混合腔內(nèi)加裝了可控制開啟的基于靜電除塵技術(shù)的空氣凈化濾網(wǎng)。客室結(jié)構(gòu)和凈化裝置如圖2所示。

圖1 客室結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)布置示意圖Fig. 1 Schematics of the passenger cabin structure and experimental layout

圖2 凈化裝置和客室結(jié)構(gòu)布置圖:(a)污染物發(fā)生裝置；(b)介質(zhì)阻擋放電裝置代表性安裝位置(圖片左上方)；(c)靜電除塵裝置安裝位置(圖中左側(cè)濾網(wǎng)附近位置)Fig. 2 Air purification unit and passenger cabin structure:(a) air pollutants generator; (b) typical installation location of the DBD unit (upper left of the picture); (c) installation location of the IFD unit (near the filter on the left of the picture)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

基于客室的風(fēng)道回風(fēng)結(jié)構(gòu)，在空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，客室內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)沿過道方向的縱向氣流。為了全面反映污染物在客室流場中的動(dòng)態(tài)傳播過程，本研究選擇了上游、中游、下游三個(gè)測點(diǎn)，針對(duì)空氣污染物的濃度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測指標(biāo)為PM2.5，即粒徑在2.5 μm 及以下的總懸浮顆粒濃度?；诒狙芯康奶厥庑枨?，本實(shí)驗(yàn)采用的測量設(shè)備為項(xiàng)目組自行研發(fā)的高頻污染物濃度檢測設(shè)備，目前有三臺(tái)工程樣機(jī)進(jìn)行持續(xù)、準(zhǔn)確監(jiān)測，因此本實(shí)驗(yàn)只能針對(duì)三個(gè)代表性測點(diǎn)進(jìn)行測量研究。污染物濃度監(jiān)控傳感器具體參數(shù)如表1所示。

表1 污染物濃度傳感器性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the pollutant concentration sensor

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中，三臺(tái)監(jiān)測設(shè)備均處于記錄狀態(tài)。本研究將污染源視為一個(gè)固定位置的點(diǎn)源，以此模擬列車中部過道位置附近乘客釋放的污染物。在每輪實(shí)驗(yàn)開始前，首先使客室空調(diào)持續(xù)工作10 min，然后進(jìn)行污染物顆粒的釋放，釋放時(shí)間為10 min。污染物釋放完畢后，通過監(jiān)測設(shè)備持續(xù)記錄客室內(nèi)污染物濃度的示數(shù)20 min，即為一輪實(shí)驗(yàn)。此外，在實(shí)驗(yàn)全程中，列車客室的所有車門處于封閉狀態(tài)，即客室與外部環(huán)境的新風(fēng)交換完全通過空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行。上述實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際運(yùn)行時(shí)的列車條件一致。

2 結(jié)果與討論

為了提取污染物在高鐵客室中的典型擴(kuò)散特征，本研究基于客室空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)模式，針對(duì)內(nèi)循環(huán)模式、外循環(huán)模式、頂部送風(fēng)模式、底部送風(fēng)模式，以及加裝空氣凈化設(shè)備之后的送風(fēng)模式等幾類關(guān)鍵參數(shù)綜合作用下的工作模式，梳理了8種典型工況進(jìn)行對(duì)比分析。

由于列車客室送風(fēng)系統(tǒng)是多變量綜合作用的結(jié)果，本研究針對(duì)不同影響因素之間的組合共選取了八種代表性工況，在結(jié)果討論分析中以工況1至工況8進(jìn)行表示，每個(gè)工況具體內(nèi)容如表2所示。

表2 研究工況Table 2 Cases under investigation

2.1 送風(fēng)模式對(duì)污染物空間擴(kuò)散規(guī)律的影響機(jī)制

基于客室的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，通過熱線風(fēng)速儀（CLIMOMATER6501）的測量結(jié)果表明，在客室的縱向方向（圖1中x方向）上會(huì)形成一個(gè)平均速度為0.6 m/s左右的縱向氣流。而污染源的產(chǎn)生位置又介于上游測點(diǎn)和中游測點(diǎn)之間。因此，本研究首先對(duì)空氣凈化裝置關(guān)閉狀態(tài)下的四種代表性工況（工況1、工況4、工況7、工況8）進(jìn)行分析。結(jié)果表明，所有空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)下的典型工況均會(huì)造成污染顆粒物在上中下游的全場分布。為了進(jìn)一步分析污染物顆粒的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，選取上述四種工況的實(shí)驗(yàn)過程中污染物峰值濃度最高的工況（工況1）下不同測點(diǎn)位置污染濃度（PM2.5）的時(shí)程變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。

圖3 內(nèi)循環(huán)、底部送風(fēng)工況下不同測點(diǎn)位置污染物濃度變化時(shí)程曲線Fig. 3 Time history curves of pollutant concentration change at different measuring points for the case of internal circulation and bottom air inlet

從圖3中可以看出，實(shí)驗(yàn)最初十分鐘，即污染物發(fā)生裝置開啟之前，客室的顆粒物濃度呈現(xiàn)小幅下降趨勢，這是由于安裝在空調(diào)系統(tǒng)中的G2濾網(wǎng)對(duì)空氣起到了一定的凈化作用。在污染物發(fā)生裝置開啟之后，中游測點(diǎn)由于受到列車客室內(nèi)縱向流動(dòng)的影響，其污染物濃度上升的速度明顯高于其余兩個(gè)測點(diǎn)，且PM2.5峰值濃度也高于次高的下游測點(diǎn)24.18 %。此外，下游測點(diǎn)的污染物濃度上升速度也明顯高于上游測點(diǎn)，其峰值濃度高于上游測點(diǎn)17.87%。值得注意的是，雖然本研究通過熱線風(fēng)速儀對(duì)客室環(huán)境中的流速和流向的測試發(fā)現(xiàn)環(huán)境中存在0.6 m/s左右的持續(xù)縱向流動(dòng)。但是圖3中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分布在上游測點(diǎn)和中游測點(diǎn)之間的污染物顆粒發(fā)生器產(chǎn)生的污染物同樣能造成上游測點(diǎn)污染物濃度的顯著提升。這種現(xiàn)象是由于客室內(nèi)裝結(jié)構(gòu)和送風(fēng)風(fēng)道、回風(fēng)風(fēng)道和廢排風(fēng)道的導(dǎo)致的局部湍流效應(yīng)造成了空氣對(duì)流效應(yīng)下空氣污染物顆粒從下游向上游方向的傳遞。

從圖3中還可以看出，在污染物的初始播撒過程中（即開始播撒后的3～5 min內(nèi)），車廂內(nèi)所有測點(diǎn)的PM2.5濃度均會(huì)產(chǎn)生較快的上升。在播撒開始5 min之后，客室PM2.5濃度的增長速度顯著放緩，并且呈現(xiàn)一定的波動(dòng)趨勢。造成上述現(xiàn)象的主要原因主要來自于以下兩個(gè)方面：1）污染物發(fā)生裝置的產(chǎn)生速率是恒定的，在污染物釋放一定時(shí)間之后客室內(nèi)的污染物濃度會(huì)在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的作用下逐漸達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，在此過程中濃度的增速會(huì)逐漸放緩。2）客室的空調(diào)系統(tǒng)會(huì)依據(jù)設(shè)定的溫度和室內(nèi)溫度調(diào)整壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)壓縮機(jī)打開或關(guān)閉時(shí)會(huì)造成送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量在一定范圍的波動(dòng)，從而對(duì)客室內(nèi)的流場穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的擾動(dòng)。上述現(xiàn)象是造成圖3中中游測點(diǎn)污染物濃度在實(shí)驗(yàn)階段第14 min至第20 min波動(dòng)的原因。除上述影響因素之外，從圖3中還可以看出，當(dāng)污染物釋放停止之后，客室內(nèi)所有測點(diǎn)位置的污染物濃度均顯著下降，并且濃度高的測點(diǎn)位置污染物濃度下降更為迅速。在實(shí)驗(yàn)的第24 min，上中下游的三個(gè)測點(diǎn)污染物濃度基本上下降到同一數(shù)值水平（200 μg/m3）,并自此之后保持基本一致的速率持續(xù)下降，直到實(shí)驗(yàn)時(shí)間結(jié)束。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)污染源停止播撒時(shí)，客室內(nèi)裝和送風(fēng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的對(duì)流效應(yīng)能夠在 5 min左右的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)污染物在客室過道上中下游的均勻分布，而這種均布也不會(huì)受到客室中持續(xù)縱向流動(dòng)的影響。

基于不同工況下所有測點(diǎn)污染物顆粒濃度的峰值數(shù)據(jù)分析結(jié)果，污染物顆粒的濃度峰值均出現(xiàn)在中游測點(diǎn)。為了更加詳細(xì)地展現(xiàn)客室污染物濃度的動(dòng)態(tài)變化，圖4呈現(xiàn)出了在4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況下客室中游測點(diǎn)污染物濃度的變化情況。表3基于上述典型送風(fēng)工況，列出了在每種工況下空氣污染物顆粒濃度的峰值及其對(duì)應(yīng)時(shí)間。

表3 典型工況下污染物顆粒濃度峰值及達(dá)峰時(shí)刻Table 3 Peak concentration and the time to peak of pollutant particle concentration for typical cases

圖4 客室污染物顆粒的動(dòng)態(tài)濃度變化Fig. 4 Dynamic concentration change of pollutant particles in the passenger cabin

從表3 中可以看出，內(nèi)循環(huán)、底部送風(fēng)模式下的污染物濃度最高，其次是外循環(huán)、底部送風(fēng)模式，而外循環(huán)頂部送風(fēng)模式的污染物峰值濃度最低。上述結(jié)果表明，在內(nèi)循環(huán)模式下，頂部送風(fēng)模式更容易抑制污染物的傳播擴(kuò)散，其污染物濃度峰值比底部送風(fēng)下降了20.06%。除此之外還可以看出，外循環(huán)模式相比內(nèi)循環(huán)模式能夠顯著地降低客室污染物濃度的峰值，且具有更高的凈化效率。本研究的實(shí)驗(yàn)中所使用的外循環(huán)工況為62.5%回風(fēng)、37.5%新風(fēng)，相比于100%回風(fēng)的內(nèi)循環(huán)工況，在頂部送風(fēng)模式下能夠降低污染物峰值濃度4.73%，在底部送風(fēng)模式下能夠降低客室污染物峰值濃度的14.53%。然而，考慮到本實(shí)驗(yàn)的污染物播撒設(shè)置在實(shí)驗(yàn)的第20 min截止，上述結(jié)果表明底部送風(fēng)模式下，在10 min的播撒時(shí)間內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)所采用的播撒設(shè)置參數(shù)并沒有與客室的通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)平衡的狀態(tài)，且隨著污染物顆粒濃度的升高，中游測點(diǎn)的污染物濃度波動(dòng)更為劇烈。上述結(jié)果表明，在客室污染物顆粒濃度較高時(shí)，污染物時(shí)空分布的不均勻性會(huì)相較于低污染物濃度情況下顯著增強(qiáng)，并且底部送風(fēng)造成的湍流脈動(dòng)和污染物濃度的時(shí)空波動(dòng)相較于頂部送風(fēng)更為劇烈。

此外，在客室污染物播撒停止之后，客室環(huán)境中的污染物濃度仍處于一個(gè)較高的水平。此時(shí)，客室污染物的濃度會(huì)隨著時(shí)間的推移緩慢下降，以每種工況下PM2.5濃度從160 μg/m3降低到80 μg/m3所需時(shí)間作為凈化效率參考，可以得出以下結(jié)論：在上述濃度區(qū)間內(nèi)，外循環(huán)模式對(duì)PM2.5的凈化效率比內(nèi)循環(huán)模式高4.68%，底部送風(fēng)模式對(duì)PM2.5濃度的凈化效率比頂部送風(fēng)模式高5.76%。造成上述現(xiàn)象的原因是由于底部送風(fēng)模式下創(chuàng)造了更加明顯的沿客室底部向頂部送風(fēng)的氣流，由此一來客室頂部的回風(fēng)口能夠收集到更多的污染物顆粒，從而通過裝在新風(fēng)、回風(fēng)混合腔內(nèi)的濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)污染物顆粒的凈化。

鑒于現(xiàn)有列車上已經(jīng)裝配有濾網(wǎng)裝置，該裝置能夠通過物理過濾的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中固態(tài)污染顆粒物的攔截和凈化。因此，圖4中的四種工況下污染物濃度平穩(wěn)下降的區(qū)域，即客室污染物濃度從160 μg/m3降低到80 μg/m3（污染物濃度減半）過程的時(shí)間，展示于表4中，從而比較不同送風(fēng)模式下空調(diào)系統(tǒng)混合腔中G2級(jí)濾網(wǎng)對(duì)污染物的凈化效率。結(jié)果表明，不同送風(fēng)模式對(duì)于G2級(jí)濾網(wǎng)的污染凈化效果影響有限，除了內(nèi)循環(huán)、頂部送風(fēng)模式下濾網(wǎng)的凈化效果在12′20?左右，其余三種工況的污染物濃度下降時(shí)間均在11′09?至11′30?之間，差異并不明顯。

表4 PM2.5濃度從160 μg/m3降低到80 μg/m3所需時(shí)間Table 4 Time required for PM2.5 concentration to decrease from 160 μg/m3 to 80 μg/m3

2.2 空氣凈化技術(shù)對(duì)污染物空間擴(kuò)散規(guī)律的影響機(jī)制

本研究選取了兩種典型的空氣凈化技術(shù)的工程化裝置，并在高鐵列車客室內(nèi)進(jìn)行了安裝（如圖1所示）。為了排除外循環(huán)模式下外界環(huán)境污染物濃度變化對(duì)不同凈化技術(shù)凈化效率的影響，本研究全部選取內(nèi)循環(huán)工況對(duì)凈化技術(shù)的凈化效率進(jìn)行測試。兩種空氣凈化技術(shù)的基本原理如下：

2.2.1 靜電除塵技術(shù)

基于靜電除塵技術(shù)的工程裝置原理如下：首先，將空氣送入電介質(zhì)材料內(nèi)的眾多空氣流動(dòng)微通道中。此時(shí)，電介質(zhì)材料包裹的電極片會(huì)在微通道內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)高壓電場。在電場的作用下，流經(jīng)微通道的空氣污染物粒子會(huì)在一系列物理化學(xué)反應(yīng)下吸附在材料表面。通過上述方式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于空氣中固態(tài)污染顆粒物的高效過濾，還能在電場的作用下有效殺滅依附于固態(tài)污染顆粒物表面的細(xì)菌和病毒等微生物。本研究將基于靜電除塵技術(shù)的空氣過濾裝置安裝于高速列車的空調(diào)機(jī)組送風(fēng)口處，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試表明，增加了靜電除塵技術(shù)的過濾模塊將空調(diào)系統(tǒng)的沿程阻力提升了30 Pa左右，屬于空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中可以接受的范圍。

2.2.2 介質(zhì)阻擋放電技術(shù)

基于介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的空氣凈化技術(shù)主要依靠電場對(duì)空氣的電離，并依靠空氣中產(chǎn)生的正離子、負(fù)離子實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣污染物的凈化。上述技術(shù)尤其對(duì)以細(xì)菌和病毒為代表的污染物成分具有顯著的凈化效果。本研究共使用了6個(gè)基于介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的裝置，其中兩個(gè)裝置安裝于空調(diào)混合腔的回風(fēng)口出口附近（圖1中的灰色區(qū)域），另外四個(gè)裝置呈U型均布于客室頂部的天花板結(jié)構(gòu)中（如圖1中標(biāo)注所示）。由于上述裝置較小，對(duì)于客室氣流組織和風(fēng)道結(jié)構(gòu)沿程阻力的影響可以忽略不計(jì)。

2.2.3 底部送風(fēng)模式下不同凈化技術(shù)的凈化效果

圖5展示出了底部送風(fēng)模式下，不同凈化裝置開啟時(shí)中游測點(diǎn)污染物濃度的時(shí)程變化曲線。從圖中可以看出，兩種空氣凈化技術(shù)均能夠在既有的G2濾網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升客室空氣的凈化效率。從圖5中可以看出，靜電除塵技術(shù)的空氣凈化效果明顯優(yōu)于介質(zhì)阻擋放電技術(shù)。在兩種凈化技術(shù)均未開啟時(shí)，實(shí)驗(yàn)全程中游測點(diǎn)污染物峰值濃度為344 μg/m3，在開啟靜電除塵裝置和介質(zhì)阻擋放電凈化裝置的實(shí)驗(yàn)中，中游污染物測點(diǎn)的峰值濃度分別降低到了243 μg/m3和292 μg/m3，相比未開啟凈化裝置的工況，峰值濃度分別降低了29.36%和15.11%。

圖5 底部送風(fēng)模式下不同空氣凈化技術(shù)的凈化效果Fig. 5 Purification performance of different air purification techniques for the case of bottom air inlet

上述討論中已經(jīng)提及，由于在實(shí)驗(yàn)過程中客室空氣污染物濃度會(huì)在送風(fēng)方式和流場特性的綜合作用下出現(xiàn)小幅波動(dòng)。因此，為了更為準(zhǔn)確地比較不同凈化技術(shù)的凈化效率，現(xiàn)將每次播撒時(shí)間結(jié)束后客室污染物穩(wěn)定下降的過程中分為兩個(gè)污染物濃度區(qū)間（80～120 μg/m3和120～160 μg/m3）并計(jì)算其在單位時(shí)間內(nèi)的下降效率，結(jié)果如表5所示。

從表5中可以看出，靜電除塵技術(shù)對(duì)于空氣的凈化效率明顯高于介質(zhì)阻擋放電技術(shù)，在高濃度區(qū)間和低濃度區(qū)間，靜電除塵技術(shù)比介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的凈化效率分別高169.91%和258.66%。

表5 空氣凈化技術(shù)的凈化效率Table 5 Purification efficiency of air purification techniques

2.2.4 頂部送風(fēng)模式下不同凈化技術(shù)的凈化效果

圖6展示出了頂部送風(fēng)模式下不同空氣凈化技術(shù)的凈化效果。從圖中可以看出，靜電除塵技術(shù)對(duì)于客室空氣的凈化效果同樣優(yōu)于介質(zhì)阻擋放電技術(shù)。此結(jié)論與底部送風(fēng)模式下污染物濃度的變化趨勢研究一致。此外，對(duì)比圖5和圖6可以明顯看出，無論基于本研究中所涉及的任何一類凈化技術(shù)，底部送風(fēng)模式下的污染物峰值濃度均會(huì)明顯高于頂部送風(fēng)。該結(jié)論與2.1節(jié)中得出的結(jié)論一致。造成該現(xiàn)象的原因是底部送風(fēng)模式下導(dǎo)致客室內(nèi)產(chǎn)生了的更加強(qiáng)烈的上升氣流，從而降低了由污染物顆粒自身重力導(dǎo)致的沉降效應(yīng)。因此更容易造成污染物顆粒在客室中部的長時(shí)間擴(kuò)散。在頂部送風(fēng)模式下，基于靜電除塵技術(shù)和介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的空氣凈化裝置開啟時(shí)的峰值濃度分別為230 μg/m3和228 μg/m3，相比于無凈化裝置開啟時(shí)的凈化效果分別提升了16.79%和16.06%。在此基礎(chǔ)上，同樣選用兩個(gè)污染物濃度穩(wěn)步下降的測試區(qū)間進(jìn)行空氣凈化技術(shù)凈化效率的評(píng)價(jià)，其結(jié)果如表5所示。從結(jié)果中可以看出，靜電除塵技術(shù)相對(duì)于介質(zhì)阻擋放電技術(shù)仍然具有更高的凈化效率。此外，綜合凈化技術(shù)在頂部送風(fēng)模式和底部送風(fēng)模式結(jié)果中可以看出，在客室污染物濃度較高時(shí)，兩種空氣凈化技術(shù)的凈化效率也會(huì)隨之提升。然而當(dāng)客室污染物濃度較低時(shí)，兩種空氣凈化技術(shù)的凈化效率也會(huì)發(fā)生一定程度的下降。

圖6 頂部送風(fēng)模式下不同空氣凈化技術(shù)的凈化效果Fig. 6 Purification performance of different air purification techniques for the case of top air inlet

3 結(jié) 論

本文通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)的方式，整理出了固態(tài)顆?？諝馕廴疚镌诖硇愿哞F列車客室送風(fēng)模式下沿客室縱向方向的典型傳播特征，并在此基礎(chǔ)上探索了基于靜電除塵技術(shù)和介質(zhì)阻擋放電技術(shù)兩類實(shí)時(shí)空氣凈化技術(shù)對(duì)客室內(nèi)污染物顆粒的凈化效果。本研究的主要結(jié)論如下：

1）基于高速列車客室的風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在客室內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)縱向氣流，但是中下游區(qū)域產(chǎn)生的空氣污染物仍會(huì)通過湍流對(duì)流的形式傳播到上游區(qū)域。

2）在客室污染物顆粒濃度較高時(shí)，污染物時(shí)空分布的不均勻性會(huì)顯著增強(qiáng)，該不均勻性是由流場的湍流脈動(dòng)隨機(jī)性造成的。由于客室風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，底部送風(fēng)造成的湍流脈動(dòng)和污染物濃度的時(shí)空波動(dòng)相較于頂部送風(fēng)更為劇烈。

3）基于現(xiàn)有的高速列車客室結(jié)構(gòu)、風(fēng)道設(shè)計(jì)和送風(fēng)條件，外循環(huán)模式對(duì)PM2.5的凈化效率比內(nèi)循環(huán)模式高4.68%；由于底部送風(fēng)模式會(huì)在一定程度上促進(jìn)污染物由客室內(nèi)垂向的下部向回風(fēng)口所在的上方區(qū)域運(yùn)動(dòng)，從而一定程度上增強(qiáng)了回風(fēng)結(jié)構(gòu)混合腔中濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)污染物的凈化效率。因此，底部送風(fēng)模式對(duì)PM2.5的凈化效率比頂部送風(fēng)模式高5.76%。

4）介質(zhì)阻擋放電技術(shù)和靜電除塵技術(shù)均能一定程度上降低客室內(nèi)固態(tài)污染物顆粒的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在80～160 μg/m3的濃度區(qū)間內(nèi)，靜電除塵技術(shù)對(duì)客室污染物的凈化效率比介質(zhì)阻擋放電技術(shù)高60%以上。

本研究的成果在高鐵客室污染物濃度實(shí)車實(shí)驗(yàn)和空氣凈化技術(shù)的工程應(yīng)用方面具有先導(dǎo)性的借鑒意義，其結(jié)論能夠?yàn)楹罄m(xù)的高速列車客室流場空氣動(dòng)力學(xué)研究和高速列車客室環(huán)境友好優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。在下一步的研究工作中，建議更加全面地分析客室座位橫向位置的污染物濃度擴(kuò)散規(guī)律，并優(yōu)化凈化技術(shù)在高速列車工程應(yīng)用過程中的空間布局，進(jìn)一步提升空氣凈化技術(shù)的凈化效率。