地铁车厢内人员新风量的研究摘要通过对有屏蔽门时地铁隧道和车厢内ＣＯ2浓度的建模与分析指出,在冬季如关闭地铁线各车站轨顶站台底的排风机,仅依靠活塞风,在早晚高峰时期能满足隧道中的温度要求,但不能满足列车内人员的卫生要求。经计算得出,最不利段隧道内早晚高峰时最小新风量为41ｍ3/ｓ,此值正好与车站轨顶站台底排风机风量相吻合,说明有屏蔽门时早晚高峰时必须开启车站轨顶站台底的排风机。关键词地铁屏蔽门ＣＯ2浓度新风量1问题的提出地铁环境控制(以下简称环控)是地铁能够正常运行的重要保证,车厢内环境品质(ＩＥＱ)的控制是地铁环控的重要内容,目前国内外的研究与实际工程设计[17]均主要针对地铁站厅、站台和隧道的空气新风量进行分析,提出相应的技术指标,并未涉及乘客逗留时间长、人员密度大的车厢内部的人员新风量问题。目前对车厢内部的研究仅指车辆生产厂家配置通风空调系统,其中新风量和空调负荷的算法和固定建筑一样,没有考虑列车停站时的换气量、运行时产生的一系列压力问题以及隧道空气并非室外新风的问题。《地铁设计规范》[1]中规定:当通风系统开式运行时,每个乘客所需的新风量不应少于30ｍ3/ｈ;当闭式运行时,其新风量不应少于12.6ｍ3/ｈ,且系统的新风量不应少于总送风量的10%。当采用空调系统时,每个乘客所需的新风量不应少于12.6ｍ3/ｈ,且系统的新风量不应少于总送风量的10%。而并未涉及地铁车厢内通风量与新风量。文献[1]中还规定:空调车新风量20ｍ3/(人·ｈ),正压5～10Ｐａ,能提供45ｍｉｎ的应急通风,每节地铁列车通风量不少于4000ｍ3/ｈ,目前设计通风量为7000～8000ｍ3/ｈ。然而地铁列车车厢内的新风量,实际是隧道内的空气,并非真正意义上的新风。无屏蔽门时,由于站台送风、列车运行的活塞风作用,站台空气和隧道空气有一定的掺混,掺混系数随着站台送风速度和活塞风作用的增强而减小,但掺混量是增加的。为减少站台空调能耗,减少掺混量,一般在站台两端设置迂回风道,减少活塞风对站台的影响,目前地铁运行情况和2003年8月清华大学对广州地铁一号线测试结果表明,这种结构能满足地铁列车车厢内人员要求。地铁有屏蔽门时,在夏季或过渡季,一般都要开启车站轨顶站台底排风机,其排风量为40～50ｍ3/ｓ,由ＳＴＥＳＳ模拟可知,这时隧道内新风量已大于无屏蔽门时的机械通风工况。但在冬季,隧道中温度不是很高,如关闭地铁线所有车站轨顶站台底的排风机,仅依靠活塞风道的进、排风量是否能满足列车内人员卫生要求?笔者将对此进行探讨。2车厢内ＣＯ2浓度的研究目前地铁列车采用的新型组合式通风机,经测试,在列车运行过程中,其首末车厢环境压差为600Ｐａ时,动态进风量为787ｍ3/ｈ且基本不变,每节车厢安装11台,总风量不小于7000ｍ3/ｈ,车厢尺寸为19.0ｍ×2.4ｍ×2.3ｍ。不管有无屏蔽门,以车厢为控制体,车厢壳体为边界,地铁列车在隧道中运行时流入流出控制体的ＣＯ2浓度平衡示意图见图1。假设车厢内温度不变,则车厢内空气密度ρ为常数,取ρ=1.2ｋｇ/ｍ3。在一般农村和城市,室外空气中ＣＯ2的质量分数为0.050%～0.075%(体积分数为0.033%～0.049%),卫生要求地铁车站、车厢内ＣＯ2的体积分数不大于0.15%,即质量分数不大于0.228%。不考虑车厢内外的温差影响,此时车厢内ＣＯ2质量平衡微分方程为式中Ｇ为车厢内进、排风量,ｋｇ/ｈ;Ｃ1为隧道内ＣＯ2的体积分数,%;ｔ为时间变量,ｈ;ｍ为每个人的ＣＯ2发生量,ｇ/(人·ｈ),数值见表1;ｎ为每节地铁列车车厢内人员数,人,额定载客量为260人,超员载客量上限为312人;1000为换算系数,ｇ/ｋｇ;Ｃ为车厢内ＣＯ2的体积分数,%;Ｖ为车厢体积,ｍ3,车厢内体积为104 88ｍ3,净空间体积为Ｖ=104.88-0.08ｎ。式中Ｃ0为站台的ＣＯ2体积分数,%,可作为列车的初始ＣＯ2体积分数;Ｃｎ为车厢内ＣＯ2的最终体积分数,%,该值应不大于满足车厢内人员卫生要求的ＣＯ2的允许浓度Ｃｃ;τ为列车运行时间,ｈ,1700ｍ的区间大概运行116ｓ。车厢内初始ＣＯ2体积分数Ｃ0与隧道内ＣＯ2体积分数Ｃ1的关系见图2。由图2可知,当车厢内ＣＯ2初始体积分数变小时,隧道内空气的ＣＯ2体积分数可以高一些。而车厢内ＣＯ2初始体积分数主要跟车站站台内的ＣＯ2体积分数有关。根据文献[2],对上海地铁一号线部分站台的ＣＯ2浓度进行测试,其质量分数为0.064%～0.083%(体积分数为0.042%～0.055%)。假设车厢内ＣＯ2初始质量分数为0.083%(体积分数0.055%),由图2可知,隧道内ＣＯ2质量分数应不大于0.0955%(体积分数不大于0.063%),就可以满足最不利工况下车厢内人员卫生的新风量要求。进一步讨论的问题是,为保证隧道内ＣＯ2质量分数不大于0.0955%(体积分数不大于0.063%),隧道的通风量与ＣＯ2浓度的关系。3隧道内ＣＯ2浓度的研究有屏蔽门时,在冬季如仅靠活塞风道进排风,能否满足车厢内乘客的卫生要求?以隧道作为控制体,隧道围护结构为边界,流入流出控制体的ＣＯ2浓度平衡示意图见图3。图中Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3,Ｌ4分别为从站台流入、从隧道流入、从隧道流出、从站台流出的空气量;Ｃ室外,Ｃ隧道1,Ｃ隧道2分别为室外、隧道1、隧道2空气中ＣＯ2的质量分数。图3中,在Δｔ时间内,如果从活塞风井进入隧道的室外空气量能把列车各车厢排放出的ＣＯ2稀释到隧道允许体积分数0.063%(质量分数0.0955%)以下,就可以认为隧道内ＣＯ2浓度不再升高,也就满足了车厢内人员的卫生要求。应满足如下不等式:4结论地铁无屏蔽门时,不论是开式运行还是闭式运行,由于列车的活塞风作用,能满足地铁列车车厢内人员的卫生要求;地铁有屏蔽门时,在夏季或过渡季,一般都要开启车站轨顶站台底排风机,其排风量为40～50ｍ3/ｓ,由ＳＴＥＳＳ模拟可知,这时隧道内新风量已大于无屏蔽门时的机械通风工况。但在冬季,隧道中的温度不是很高,如关闭地铁线所有的车站轨顶站台底的排风机,仅依靠活塞风道的进、排风量,在早晚高峰时期是不能满足列车内人员卫生要求的,经计算,最不利段隧道内早晚高峰时最小新风量为41ｍ3/ｓ,这正好是车站轨顶站台底排风机的排风量,也就是说,有屏蔽门时,早晚高峰时必须开启车站轨顶站台底的排风机。参考文献[1]北京城建设计研究总院.ＧＢ50157—2003地铁设计规范[Ｓ].北京:中国计划出版社,2003[2]唐漪灵,朱献忠,严惠琴,等.上海地铁站空气微生物污染情况调查[Ｊ].中国卫生检验杂志,1999,9(4)[3]ＤｏｉＭ,ＫｏｂａｙａｓｈｉＳ.ＳｕｒｖｅｙｓｏｆｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎｉｓｏｔｏｐｅｓｉｎｉｎｄｏｏｒａｎｄｏｕｔｄｏｏｒａｉｒｉｎＪａｐａｎ[Ｊ].ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ,1995,22(1)[4]ＮｉｓｈｉＪ,ＴａｎａｋａＴ,ＳｅｉｋｉＴ,ｅｔａｌ.Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｐａｃｅｕｓｅ[Ｊ].ＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,2000,151[5]ＮａｇａｏｋａＴ,ＳａｋａｍｏｔｏＲ,ＴｓｕｔｓｕｍｉＭ,ｅｔａｌ.Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒａｄｉａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｉｎｌｉｖｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ—ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｂｓｏｒｂｅｄｄｏｓｅｒａｔｅｉｎａｉｒｄｕｅｔｏｇａｍｍａａｎｄｃｏｓｍｉｃｒａｙｓｏｎｔｒａｉｎｌｉｎｅｓｗｉｔｈｉｎＴｏｋｙｏｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎａｒｅａ(Ⅱ)[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎ,1990,32(5)[6]ＲｕｓｓｅｌｌＲＡ.Ｔｒａｃｋｉｎｇｃｈｅｍｉｃａｌｐｌｕｍｅｓｉｎｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ[Ｊ].Ｒｏｂｏｔｉｃａ,2001,19(4)[7]ＯｕｙａｎｇＱｉｎ,ＪｉａｎｇＹｏｎｇ,ＺｈｕＹｉｎｇｘｉｎ.ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｒｉｔｉｃａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｆｏｒｔｈｅｔｒａｉｎｊａｍｉｎｓｕｂｗａｙｔｕｎｎｅｌｕｓｉｎｇＣＦＤｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ(Ⅱ)[Ｊ].ＰｒｏｃｅｓｓｉｎＳａｆｅｔｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ:ＰａｒｔＢ,2002,3[8]董秀梅,孙志钧.地下铁道空调客车卫生学调查[Ｊ].铁道劳动安全卫生与环保,1995,22(4)（本文来源：《论文资料库》http://lw.zaizhiboshi.com）。
