基于CO2污染調(diào)查對軌道交通車輛通風(fēng)優(yōu)化研究*

王新偉 周健 覃道樅 陳小開

（昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500）

0 引言

地鐵作為城市公共交通的重要組成部分，逐漸受到人們的歡迎，在很大程度上緩解了城市交通壓力［1］。在地鐵載客較多時，人體呼出的CO2是車廂氣態(tài)污染物的主要成分，CO2濃度指標(biāo)通常用于判斷車內(nèi)污染程度［2］。車內(nèi)空氣高濃度CO2污染危害健康，地鐵是一種重要的綠色交通工具，車廂IAQ備受關(guān)注。

有研究［3］發(fā)現(xiàn)軌道交通車內(nèi)CO2瞬時濃度中位數(shù)與最大值各為0.132%與0.295%，1h均值濃度中位數(shù)與最大值各為0.152 %與0.204 %，高峰期車廂CO2瞬時濃度和1 h均值濃度中位數(shù)都超出我國公共交通標(biāo)準(zhǔn)限值［4］。選取北京市地鐵7條線路的車廂作為測試對象，結(jié)果表明車廂內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)率達(dá)到9.5 %~47.4 %［5］；對上海等城市的地鐵車廂IAQ進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，夏季與冬季僅各有2條與3條線路車內(nèi)CO2未超標(biāo)，其他線路CO2均超標(biāo)，還得到每節(jié)車廂乘客數(shù)<117人時，CO2濃度才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求［6］。以我國某A型地鐵車輛的車廂作為物理模型，利用Fluent對車廂內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)60°對開送風(fēng)角最能滿足人體熱舒適性要求，而且送風(fēng)角還影響渦結(jié)構(gòu)的形成和車內(nèi)空氣污染物的傳播［7］。以上研究表明非高原城市地鐵車內(nèi)CO2污染超標(biāo)，通風(fēng)可以改善車廂IAQ。

目前針對高原城市軌道交通IAQ研究較少，無法客觀認(rèn)識車內(nèi)污染是否超標(biāo)，本文以高原城市昆明地鐵車廂為研究對象，以車內(nèi)空氣CO2為代表性污染物，通過現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬分析了軌道交通車廂空氣污染與通風(fēng)優(yōu)化措施。

1 現(xiàn)場實測方案

采用IAQ7545空氣質(zhì)量檢測儀分析車內(nèi)CO2濃度，使用VELOCI-9565多功能通風(fēng)表測試車內(nèi)風(fēng)速。現(xiàn)場測試以選取車廂的1/4部分來布置測點，具體布置方式為：將Y=9.5 m和Y=14.5 m的測試區(qū)域以5等分劃分，選取高度方向上Z=1.7 m平面和寬度方向上X=1.45 m平面之相交，共產(chǎn)生6個有效測點，最后取平均值作為各站點實測值，現(xiàn)場測試如圖1與測試布點如表1所示。

表1 各測點對應(yīng)坐標(biāo) m

2 模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用Realieable k-模型及壓力與速度耦合的SIMPLE算法求解CO2擴(kuò)散規(guī)律，為了簡化計算，對模型做出假設(shè)：①車內(nèi)空氣流速<0.35 m/s，可視為不可壓縮流體，且流體密度符合Boussinesq假設(shè)；②空氣流動視為穩(wěn)態(tài)湍流過程；③車廂的密閉性良好，送風(fēng)較為均勻，除送回風(fēng)口外無漏風(fēng)；④新風(fēng)CO2濃度為400 ppm［8］；⑤車內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)，忽略固體壁面間的熱輻射。

在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上建立由連續(xù)性方程、能量方程、動量方程和組分運輸方程等組成的封閉方程組，下面將其表示為通用標(biāo)準(zhǔn)形式［9］：

2.2 物理模型及簡化

測試地鐵為B型車，車廂通風(fēng)采用上送上回與一次回風(fēng)的氣流組織形式。車廂內(nèi)部長/寬/高尺寸為19.5/2.9/2.35 m，送風(fēng)口0.6 m×0.1 m采用條縫型單層格柵，共32個沿走道對稱布置于車廂頂部兩側(cè)；回風(fēng)口1.1 m×0.5 m共布置2個，分別在車廂長度方向的1/4和3/4處。因車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，對送風(fēng)口、回風(fēng)口（排放口）、座位和人體進(jìn)行了簡化，模型如圖2。

2.3 邊界條件

以夏季工況為例，假定車內(nèi)初始壓強(qiáng)為昆明當(dāng)?shù)卮髿鈮?0.8 kPa，初始溫度為297 K，初始CO2濃度為400 ppm，其他各邊界條件設(shè)置：①送風(fēng)口：速度入口邊界，送風(fēng)速度為1.5m/s和2.5 m/s，送風(fēng)溫度為291 K；②回風(fēng)口：自由出流邊界；③人體呼出口：質(zhì)量流入口邊界，CO2的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04［10］，呼出氣體的溫度為307 K。

2.4 模擬工況設(shè)置

分別調(diào)整送風(fēng)角度（外傾與內(nèi)傾分別向車廂兩側(cè)壁面與中間過道傾斜）與送風(fēng)速度得到9種工況條件進(jìn)行模擬計算，各工況設(shè)置如表2所示。

2.5 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

采用非結(jié)構(gòu)性多面體網(wǎng)格來劃分模型，對車廂送風(fēng)口、回風(fēng)口及人體呼出口進(jìn)行了網(wǎng)格加密。在工況a的邊界條件下，分別采用表3中3種精度的網(wǎng)格進(jìn)行計算，選取車廂長度方向上的中軸線濃度值來比較3種網(wǎng)格的差異，結(jié)果見圖3。由圖3可知，網(wǎng)格數(shù)量為120萬和178萬的CO2濃度值變化基本一致，76萬的網(wǎng)格精度較差，其變化幅值較為明顯。因此，可認(rèn)為后2種網(wǎng)格數(shù)滿足了計算的要求，實現(xiàn)了網(wǎng)格的獨立性，綜合考慮到120萬的網(wǎng)格數(shù)所需要的計算資源相對較少，在進(jìn)行模擬研究時選取120萬的網(wǎng)格數(shù)作為計算網(wǎng)格。

表2 不同場景下的模擬工況

表3 不同精度下的網(wǎng)格信息

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 車廂內(nèi)CO2濃度分布

從圖4可知，平峰期工況a中靜坐乘客呼吸區(qū)的CO2整體濃度較低且均勻性好，平均濃度為1 053 ppm。由于車廂中部距兩端的回風(fēng)口較遠(yuǎn)，空氣在狹長空間的流動受限，導(dǎo)致中間局部區(qū)域的CO2濃度偏高；工況b中靜坐乘客呼吸區(qū)的CO2整體濃度較高且均勻性差，平均濃度為1 229 ppm。可能在外傾角度下送風(fēng)，卷吸了靜坐區(qū)域的空氣，形成了不穩(wěn)定的渦結(jié)構(gòu)，對CO2擴(kuò)散產(chǎn)生了“鎖定”作用，將其限制在乘客呼吸區(qū)附近，對車廂中部乘客影響更明顯（>1 500 ppm）；工況c的平均濃度為1 148 ppm，介于工況a和b之間，但在內(nèi)傾角度下送風(fēng)，容易使CO2沉積在乘客周圍形成死角，不利于污染凈化。高峰期工況d、e和f中靜坐乘客呼吸區(qū)CO2平均濃度各為1 292、1 491和1 404 ppm，受到站立乘客增加的影響，導(dǎo)致車內(nèi)大片區(qū)域CO2濃度超出了我國IAQ標(biāo)準(zhǔn)［11］。

從圖5可知，在平峰期，由于乘客作為人體熱源，附近形成了“熱羽流”帶動污染物向車廂上部區(qū)域擴(kuò)散，導(dǎo)致站立乘客呼吸區(qū)的整體濃度高于靜坐乘客，平均濃度依次為1 098、1 272和1 184 ppm；在同等條件下，如果污染物不能及時稀釋，站立乘客受到的影響更大。在高峰期，站立人數(shù)是平峰期站立人數(shù)的3倍，增大了CO2散發(fā)量，同時還形成了更多的渦結(jié)構(gòu)，使空氣的流動受限，嚴(yán)重影響車廂IAQ，導(dǎo)致工況d、e和f中站立乘客呼吸區(qū)的CO2平均濃度依次為1 528、1 786與1 676 ppm，整體濃度都超過我國公共交通標(biāo)準(zhǔn)限值［4］，無法滿足車內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生要求。

通過對比發(fā)現(xiàn)，在平峰期Z=1.2 m和Z=1.7 m的呼吸區(qū)內(nèi)僅有工況b的車廂中部區(qū)域發(fā)生了大范圍CO2濃度超標(biāo)現(xiàn)象，此時送風(fēng)采用垂直入射的方式可以實現(xiàn)降渦、稀釋的作用。在高峰期Z=1.2 m的靜坐乘客呼吸區(qū)內(nèi)僅有工況d沒有發(fā)生大范圍CO2濃度超標(biāo)現(xiàn)象；此外，Z=1.7 m的站立乘客呼吸區(qū)是CO2主要聚集的區(qū)域，除回風(fēng)口下方區(qū)域的CO2得到了有效稀釋，車廂內(nèi)其他區(qū)域通過改變送風(fēng)入射角度的方式無法稀釋污染物。

3.2 車廂內(nèi)氣流速度矢量分布

圖6可知平峰期工況a送風(fēng)口下方的氣流分布均勻較好，人員活動區(qū)的氣流速度基本上低于標(biāo)準(zhǔn)值［12］0.35m/s，但車廂端部的微風(fēng)速<0.07 m/s，出現(xiàn)了靜止區(qū)域。工況b和c的送風(fēng)口下方形成了更多小尺寸的渦流，導(dǎo)致其均勻性較差，尤其在送回風(fēng)的循環(huán)區(qū)域處，很容易造成風(fēng)速超標(biāo)，給下方的乘客帶來吹風(fēng)感。在高峰期全車廂送風(fēng)口下方的氣流均比較紊亂，可能是人員的增加，導(dǎo)致空氣的流動受限所致，由于站立的乘客較多，內(nèi)傾45°送風(fēng)可以有效改善站立乘客活動區(qū)氣流組織，所以工況f中產(chǎn)生的渦流尺寸小于工況d和e，大部分區(qū)域的風(fēng)速都低于標(biāo)準(zhǔn)值［12］。

從圖7可知，工況a—工況f中回風(fēng)口下方區(qū)域的微風(fēng)均速>0.35 m/s，皆形成了大尺寸的渦流區(qū)，此時調(diào)整送風(fēng)角度也無法緩解給乘客帶來的吹風(fēng)感，因此不建議年老體弱者站立在車廂的回風(fēng)口下方。

3.3 車廂內(nèi)通風(fēng)優(yōu)化處理

模擬結(jié)果表明在平峰期，采用垂直入射角度的工況a為最優(yōu)工況，可以有效稀釋車內(nèi)CO2污染，并保持良好的氣流組織。但在高峰期，調(diào)整送風(fēng)角度不能有效降低CO2濃度，下面考慮改變送風(fēng)速度為2.5 m/s模擬分析（工況g、h、i）。

如圖8和圖9所示，增大送風(fēng)速度可以明顯降低乘客呼吸區(qū)的CO2濃度，且垂直入射的方式稀釋效果最好，車廂中部未出現(xiàn)污染物聚集現(xiàn)象，凈化效率>90%，其他2種送風(fēng)角度也可以稀釋CO2污染，但效果不明顯。在高峰期，車內(nèi)人員過多造成呼吸區(qū)處CO2濃度超標(biāo)，建議采用垂直入射送風(fēng)角度的同時，調(diào)整風(fēng)速的大小來改善車廂IAQ，但是會導(dǎo)致地鐵運行中產(chǎn)生過多的能耗并給乘客帶來吹風(fēng)感。

綜合考慮，在地鐵的設(shè)計中，可以使用變頻空調(diào)機(jī)組送風(fēng)，由于車廂頂部低，送風(fēng)口距站立乘客頭部很近，所以在滿足送風(fēng)量的條件下，送風(fēng)口風(fēng)速應(yīng)盡量低一些，避免給乘客帶來不適感，但送風(fēng)風(fēng)速過小，射程距離過短容易形成送風(fēng)短路，即送風(fēng)還沒有帶走乘客散發(fā)的熱量就進(jìn)入了回風(fēng)口。具體通風(fēng)優(yōu)化措施為：客流量小的階段，乘客散熱量和CO2散發(fā)量較少，在滿足車內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生要求的前提下，可以通過降低風(fēng)速，達(dá)到稀釋CO2和節(jié)能減排的目的；客流量大的階段以稀釋CO2濃度到標(biāo)準(zhǔn)值以下作為主要參考值來調(diào)節(jié)風(fēng)速。

4 實測結(jié)果分析與模擬驗證

4.1 車內(nèi)CO2污染實測濃度分析

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)高峰期各站點的CO2濃度明顯高于平峰期，地鐵從大學(xué)城南站到北部汽車站，車內(nèi)乘客數(shù)先增加后減少，車內(nèi)CO2濃度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢；其中平峰期的CO2污染較低，大部分站點低于我國IAQ標(biāo)準(zhǔn)，僅在中途6個站車內(nèi)CO2濃度超出我國IAQ標(biāo)準(zhǔn)［11］，最高點達(dá)到1 143 ppm，但仍滿足我國公共交通標(biāo)準(zhǔn)［4］。但是高峰期車內(nèi)CO2污染嚴(yán)重，濃度超出我國IAQ標(biāo)準(zhǔn)［11］的站點有16個，超標(biāo)率達(dá)50%，特別在昌宏西站附近CO2濃度達(dá)到1 612 ppm，超出我國公共交通標(biāo)準(zhǔn)［4］，在此后的5個站點，車內(nèi)CO2濃度繼續(xù)超標(biāo)，在換乘站之前更是達(dá)到了峰值1 662 ppm，隨后大量的乘客下車，CO2散發(fā)量逐漸減小，同時伴隨著車廂內(nèi)污濁空氣的排出，使得CO2濃度開始急劇下降。

4.2 實測與模擬工況的驗證

如圖10—圖11所示，通過實測數(shù)據(jù)與工況a和d的模擬結(jié)果比較可知，各測點實測值與模擬值的總體變化趨勢相似，實測與模擬有較好的吻合度，說明CFD模擬結(jié)果具有合理性。

5 結(jié)論

1）現(xiàn)場實測調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地鐵車內(nèi)CO2濃度呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢，平峰期部分站點車內(nèi)CO2濃度超出我國IAQ標(biāo)準(zhǔn)，高峰期車內(nèi)CO2污染嚴(yán)重，大部分站點車內(nèi)CO2濃度超出我國IAQ標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行通風(fēng)優(yōu)化。

2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，垂直入射能明顯稀釋車內(nèi)CO2濃度，為最優(yōu)送風(fēng)角度，外傾45°角送風(fēng)對CO2的鎖定作用最大，為最不利送風(fēng)角度，但在高峰期受站立乘客增加的影響，內(nèi)傾45°角送風(fēng)使車內(nèi)氣流矢量分布更均勻。

3）當(dāng)車內(nèi)人員過多時，選擇最優(yōu)送風(fēng)角度無法有效降低車內(nèi)CO2污染濃度，增大送風(fēng)速度能避免送風(fēng)短路，車內(nèi)空氣污染凈化效果更為明顯。

4）受人體熱源形成的熱羽流和回風(fēng)風(fēng)速影響，車內(nèi)CO2向車廂頂部擴(kuò)散，導(dǎo)致站立乘客呼吸區(qū)（Z=1.7 m）CO2濃度水平明顯高于靜坐乘客呼吸區(qū)（Z=1.2 m）CO2濃度水平。

5）回風(fēng)口附近氣流速度較大，導(dǎo)致回風(fēng)口下方區(qū)域CO2濃度較低，遠(yuǎn)離回風(fēng)口區(qū)域CO2無法及時排放更易超標(biāo)，但回風(fēng)口下方區(qū)域氣流組織均勻性較差，乘客更易感受到吹風(fēng)感。