許俊，廖云丹，2，何曉平，唐川宇

1. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州，510006 2. 廣東省建筑節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州，510006

0 引言

地鐵、動(dòng)車等交通工具作為城市的主要交通手段，承載著城市居民通勤和出行的重要任務(wù)。地鐵車廂是一個(gè)相對(duì)封閉的空間，存在著高人員密度、高流動(dòng)性、滯留時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，車廂環(huán)境嚴(yán)重影響著出行人員的生命健康、安全和舒適性［1～3］。而地鐵列車運(yùn)行過程中只能通過送、排風(fēng)系統(tǒng)與列車隧道空間進(jìn)行氣流交換，列車蓄熱難以通過隧道微弱的自然通風(fēng)解決，只能依靠地鐵內(nèi)部溫控系統(tǒng)（22℃-26℃）進(jìn)行控制［4］。如果空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控不合理，車廂內(nèi)的熱環(huán)境和空氣品質(zhì)都會(huì)受到嚴(yán)重的影響。地鐵車廂內(nèi)部的污染物由CO2以及顆粒物PM1.0、PM2.5、PM10組成［5］。其中PM2.5通過呼吸道進(jìn)入人體易誘發(fā)各種疾?。?］，而CO2濃度過高會(huì)使人體產(chǎn)生不適，出現(xiàn)注意力不集中，疲乏等癥狀［7］。地鐵列車長(zhǎng)期封閉，如果車廂內(nèi)部通風(fēng)不足，CO2濃度及顆粒物PM含量將會(huì)達(dá)到一個(gè)嚴(yán)重超限的水平，嚴(yán)重危害乘客的身體健康。

隨著我國(guó)粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，九市二區(qū)的交匯越來(lái)越頻繁。11座城市中目前有9座超過12條在建地鐵線。而廣州作為粵港澳大灣區(qū)的中心樞紐，目前已開通14條線路，共282個(gè)地鐵站，并且仍在不斷新建。了解粵港澳大灣區(qū)地鐵通行情況，測(cè)試車廂環(huán)境變化規(guī)律及主要影響因素，進(jìn)而為地鐵環(huán)境改造或新建線路設(shè)計(jì)提供實(shí)際數(shù)據(jù)和分析，既是對(duì)地鐵高效、健康、舒適的列車環(huán)境建設(shè)的支持，也是對(duì)綠色、健康灣區(qū)建設(shè)的支持。因此，本文通過對(duì)華南某城市地鐵線路行進(jìn)過程中的車廂環(huán)境變化進(jìn)行測(cè)量，分析列車在不同運(yùn)行負(fù)荷時(shí)的內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，定量分析各環(huán)境參數(shù)的主要影響因素，從而為后續(xù)地鐵建設(shè)、車廂舒適環(huán)境營(yíng)造及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化等提供數(shù)據(jù)支持。

1 調(diào)研內(nèi)容及方法

1.1 案例選取

本次調(diào)研選取了華南某地鐵線路。該線路作為連通城市南北向的大動(dòng)脈，既承擔(dān)著火車東站和汽車客運(yùn)站的密集客流，又穿梭于中心城區(qū)，有多個(gè)換乘站，客流密度和人員流動(dòng)速度遠(yuǎn)超其他地鐵線路，具有地鐵極端空間環(huán)境的典型特征——“高密度、高強(qiáng)度、高流動(dòng)”。該線路采用的是6節(jié)編組B型列車，屬于我國(guó)目前應(yīng)用最廣的車廂類型。通過針對(duì)此典型案例的研究，可以為我國(guó)地鐵車廂環(huán)境的評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。因此，本次研究選擇車廂環(huán)境作為測(cè)試對(duì)象，通過數(shù)據(jù)分析提出空間環(huán)境的變化特征，為后期優(yōu)化地鐵車廂環(huán)境提供數(shù)據(jù)和方法論支持。

本次調(diào)研時(shí)間選取在下午3:00-6:00，其中，3:00-4:30為地鐵低負(fù)荷狀態(tài)，4:30-6:00為地鐵高負(fù)荷狀態(tài)。調(diào)研對(duì)象選取不同的列車班次，在不同日期進(jìn)行測(cè)試（共10個(gè)班次）。通過記錄列車從起始站到終點(diǎn)站間13個(gè)站行進(jìn)過程中環(huán)境參數(shù)的變化，以獲取多因素影響下地鐵車廂空間環(huán)境的變化特征并分析其關(guān)鍵影響因素。具體測(cè)試條件如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試日期及氣候參數(shù)

1.2 調(diào)研方法

本次調(diào)研重點(diǎn)關(guān)注地鐵車廂中影響人體熱舒適（相關(guān)參數(shù)：溫度、濕度、風(fēng)速）和健康（空氣品質(zhì)參數(shù)：二氧化碳濃度CO2、可吸入顆粒物PM2.5、PM10）的環(huán)境參數(shù)［8］。其中，溫度、濕度和風(fēng)速會(huì)影響人體熱舒適水平，而空氣品質(zhì)參數(shù)主要影響高密度空間人員的身體健康。車廂環(huán)境的主要擾動(dòng)因素為人員密度、屏蔽門開閉及車廂空調(diào)系統(tǒng)。通過記錄屏蔽門的開啟情況、同一車廂人員的變化情況（增加、減少、不變）、以及環(huán)境參數(shù)的變化，了解地鐵車廂環(huán)境調(diào)控的真實(shí)情況，從而對(duì)車廂環(huán)境進(jìn)行分析。

本次所用儀器型號(hào)及測(cè)量精度詳見表2。測(cè)試頻率為1分鐘/次，同時(shí)記錄車廂屏蔽門啟閉情況及人員密度變化情況。由于實(shí)際人員流動(dòng)大，空間擁擠，人員密度采用估算形式進(jìn)行定性區(qū)分，具體劃分形式如表3所示。測(cè)試時(shí)由3位同學(xué)分別就座于兩側(cè)乘客區(qū)域的中間位置，遠(yuǎn)離兩側(cè)車門。其中一位同學(xué)記錄屏蔽門開啟情況和荷載量情況，另外兩位同學(xué)分別記錄環(huán)境參數(shù)測(cè)量值。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)及參數(shù)

表3 車廂人員密度等級(jí)劃分

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 熱環(huán)境分析

溫度和濕度是表征熱環(huán)境狀態(tài)的主要參數(shù)，而熱環(huán)境的擾動(dòng)因素主要包含：人員密度、屏蔽門的啟閉以及地鐵空調(diào)的調(diào)節(jié)性能。其中，車廂內(nèi)人體的散熱、呼吸及皮膚散濕都會(huì)使環(huán)境溫濕度產(chǎn)生變化，因此人員密度直接影響車廂溫度與濕度。當(dāng)?shù)罔F靠站時(shí)，屏蔽門打開，車廂內(nèi)部空氣環(huán)境因與站臺(tái)空氣環(huán)境接觸而受其影響。當(dāng)車廂與站臺(tái)環(huán)境差異較大，或上下乘客較多時(shí)，擾動(dòng)更明顯。車廂內(nèi)部的空調(diào)通風(fēng)與制冷是調(diào)控車廂環(huán)境的主要手段，其調(diào)控性能也是影響車廂熱環(huán)境變化的主要因素。以下將對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析。

2.1.1 溫度變化分析

本次測(cè)量的10條線路中，溫度變化均出現(xiàn)較大的波動(dòng)性，而這個(gè)波動(dòng)性中最大影響因素是車廂內(nèi)空調(diào)的調(diào)節(jié)性能。圖1（a）和（b）分別為非高峰期（16:00-16:30）和高峰期（17:36-18:15）列車行進(jìn)過程中的溫度變化圖。首先可以看出，車廂的溫度與人員密度和空調(diào)的調(diào)控性能有很大的關(guān)系。圖1（a）列車大部分時(shí)間處于低負(fù)荷狀態(tài)下（密度等級(jí)為1和2），人員密度變化小，但此時(shí)車廂的溫度隨著空調(diào)系統(tǒng)的啟停出現(xiàn)了大幅度升高或降低的變化，變化幅值高達(dá)5℃。圖1（b）處于高負(fù)荷狀態(tài)（密度等級(jí)為3），此時(shí)車廂環(huán)境溫度雖然隨著空調(diào)的調(diào)節(jié)而有周期性變化特征，但變化幅度遠(yuǎn)小于低負(fù)荷狀態(tài)，最大幅度為2.1℃。

同時(shí)，由圖1（a）和（b）可知，在非高峰時(shí)段或高峰時(shí)段，當(dāng)人員密度等級(jí)增加或減少時(shí)，溫度并未隨之增加或減少。且當(dāng)人員密度等級(jí)無(wú)變化時(shí)，溫度仍呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。由此分析得，車廂內(nèi)溫度與人員密度變化并無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。值得注意的是，雖然換乘時(shí)屏蔽門的開啟會(huì)帶來(lái)一定的內(nèi)外空氣熱交換，但由于空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，屏蔽門開啟并不會(huì)在較大程度上影響車廂內(nèi)溫度。

綜上，根據(jù)影響因素的構(gòu)成分析，構(gòu)建車廂溫度變化的主要因素有人體散熱量、車廂與站臺(tái)在屏蔽門開啟時(shí)的換熱量、空調(diào)的傳熱量、車廂外壁/外窗與隧道空間的換熱量。由于地鐵在地下行進(jìn)，隧道溫度較穩(wěn)定（18～20℃）且以導(dǎo)熱傳熱為主［9］，相比于其他因素對(duì)車廂溫度變化的影響較低，故在本次傳熱模型中不加以考慮。因此，可建立車廂溫度變化模型如下：

模型適用于求解各車廂環(huán)境溫度的變化情況，為相關(guān)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，以提高列車運(yùn)行過程中車廂內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定性。

圖1（a）非高峰期地鐵車廂溫度變化曲線；（b）高峰期地鐵車廂溫度變化曲線

2.1.2 相對(duì)濕度的變化分析

濕度是熱環(huán)境的第二個(gè)重要參數(shù)。圖2（a）和（b）分別為非高峰期（16:00-16:30）和高峰期（17:36-18:15）列車行進(jìn)過程中溫度、相對(duì)濕度和人員密度變化曲線。由圖可知，車廂內(nèi)相對(duì)濕度與人員密度和空調(diào)的調(diào)控性能相關(guān)性顯著。圖2（a）中列車大部分時(shí)間處于低負(fù)荷狀態(tài)下（密度等級(jí)為1和2），此時(shí)人員密度小，車廂的相對(duì)濕度隨著人員密度的變化而產(chǎn)生較大幅度變化。例如當(dāng)人員密度從22增加到23，相對(duì)濕度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而當(dāng)人員密度從等級(jí)3降低到等級(jí)2時(shí)，相對(duì)濕度降低到40%以下。圖2（b）中列車大部分時(shí)間處于高負(fù)荷狀態(tài)下（密度等級(jí)為3），相對(duì)濕度與溫度均呈現(xiàn)較大數(shù)值，并具有相似的波動(dòng)變化。由此可見，在高人員密度條件下，車廂內(nèi)處于高溫高濕狀態(tài)，空調(diào)的啟停和運(yùn)行會(huì)引起相關(guān)參數(shù)波動(dòng)變化，但調(diào)濕能力受到一定程度限制。

圖2 （a）非高峰期地鐵車廂相對(duì)濕度變化曲線；（b）高峰期地鐵車廂相對(duì)濕度變化曲線

2.2 車廂空氣質(zhì)量分析

地鐵車廂內(nèi)部的污染物由CO2、顆粒物及各種揮發(fā)物組成，其中，最具代表性的參數(shù)是CO2濃度。在密閉狹小空間里，CO2濃度極容易快速上升，過高的CO2濃度可能引起人員疲乏、頭暈甚至于暈倒的情況；顆粒物中，PM2.5通過呼吸道進(jìn)入人體，將誘發(fā)咳嗽、肺炎等疾??；PM10由于顆粒物較大，容易誘發(fā)鼻炎、支氣管炎等敏感性疾病，是密閉空間重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。因此，本次測(cè)量重點(diǎn)關(guān)注CO2、PM2.5和PM10。

2.2.1CO2濃度變化分析

《空氣質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》［10］根據(jù)CO2濃度對(duì)人體的影響對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行了等級(jí)劃分，CO2濃度小于700ppm以下屬于清潔氣體，700-1000ppm屬于正常范圍，1000-1500ppm屬于臨界區(qū)，很多人開始產(chǎn)生不適，超過2000ppm則屬于嚴(yán)重污染。人體長(zhǎng)期吸入濃度過高的CO2會(huì)導(dǎo)致生物鐘紊亂，抑制呼吸中樞，容易感到疲勞。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，以下對(duì)地鐵車廂測(cè)量的CO2濃度進(jìn)行分析。

圖3是本次調(diào)研中10趟列車的CO2濃度分布情況，圖中所標(biāo)記數(shù)字為單個(gè)站臺(tái)CO2測(cè)試濃度最高值。可以看出，盡管每趟列車行進(jìn)過程中的CO2濃度變化不盡相同，但列車內(nèi)的CO2濃度基本處于超標(biāo)狀態(tài)。十趟列車的CO2濃度處于600—2400ppm范圍，其濃度分布范圍如圖4所示。從圖可以看出，地鐵車廂內(nèi)CO2濃度常超過1000ppm，個(gè)別列車超過2000ppm。如列車A峰值達(dá)到2110ppm、列車B峰值達(dá)到2314ppm、列車F峰值達(dá)到2006ppm、列車I峰值達(dá)到2185ppm。在測(cè)試的10趟列車中，只有列車E的CO2濃度控制在1000ppm以下，峰值為951ppm。對(duì)所有測(cè)點(diǎn)CO2濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得，在260個(gè)測(cè)點(diǎn)中，CO2濃度均值為1362ppm，遠(yuǎn)超過規(guī)范手冊(cè)中健康標(biāo)準(zhǔn)的推薦值800ppm。其中，只有5%測(cè)點(diǎn)小于800ppm，卻有8.8%的測(cè)點(diǎn)高于2000ppm，80%左右的測(cè)點(diǎn)位于800～2000ppm的范圍，空氣品質(zhì)屬于嚴(yán)重污染狀態(tài)，嚴(yán)重威脅乘車人員的身體健康及精神狀態(tài)。由此可見，即使車廂內(nèi)溫度得到良好控制，污染物濃度卻遠(yuǎn)超出健康設(shè)計(jì)要求。

圖3 列車運(yùn)行過程中CO 2濃度的變化曲線

圖4 列車運(yùn)行過程中CO 2濃度的概率密度分布

另外，從變化曲線圖可以看出，人員密度越高、行進(jìn)時(shí)間越長(zhǎng)，CO2濃度越高，人員密度的增減直接影響CO2濃度的增減。例如，列車B處于下班高峰期，人員密度等級(jí)高，其CO2濃度維持1500ppm在以上；而隨著列車行進(jìn)后段乘客人數(shù)減少，CO2濃度也隨之下降到1500ppm以下。因此，可認(rèn)為影響車廂CO2濃度的主要因素是人員密度。

2.2.2 PM 2.5和PM 10濃度分析

PM2.5和PM10濃均為可吸入顆粒物，容易被從呼吸道進(jìn)入肺部并引發(fā)相關(guān)疾病，在室內(nèi)環(huán)境和地鐵等環(huán)境中應(yīng)受到重點(diǎn)關(guān)注。表4是《PM2.5檢測(cè)網(wǎng)—空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于環(huán)境顆粒物PM2.5和PM10濃度的新標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)較《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)污染等級(jí)進(jìn)行了更詳細(xì)的劃分。因此，本研究中以該標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)所測(cè)車廂環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

表4 顆粒物PM 2.5和PM 10濃度標(biāo)準(zhǔn)

圖5是該地鐵線路上十趟列車的PM2.5濃度變化分布圖，圖6是PM10變化分布圖。首先，從濃度水平上可以看出，PM2.5濃度基本控制在75μg/m3以下，僅起始段部分站臺(tái)的測(cè)量濃度處于輕度污染狀態(tài)。PM10濃度也基本控制在良好等級(jí)以上，260個(gè)測(cè)點(diǎn)中僅有13%的測(cè)點(diǎn)濃度高于100μg/m3。此外，經(jīng)觀測(cè)可得，列車從郊區(qū)進(jìn)入城區(qū)的過程中，顆粒物濃度是一個(gè)逐漸下降的過程。同樣，列車從城區(qū)向郊區(qū)行進(jìn)時(shí)，顆粒物濃度是一個(gè)逐漸增加的過程。由此可知，顆粒物PM2.5和PM10與外界環(huán)境有較強(qiáng)相關(guān)性。

圖5 某城市地鐵線路上PM2.5濃度變化分布曲線

圖6 某城市地鐵線路上PM10濃度變化分布曲線

并且在該線路上，城區(qū)的顆粒物濃度較郊區(qū)要低很多。例如，列車B在起始站1（郊區(qū)），PM2.5和PM10的濃度分別是63μg/m3和127μg/m3，而到達(dá)城區(qū)中心終點(diǎn)站站臺(tái)13時(shí)，車廂內(nèi)測(cè)量的PM2.5和PM10濃度分別為10μg/m3和16μg/m3。由圖可知，每次屏蔽門的開啟都會(huì)引起顆粒物濃度的波動(dòng)變化，但波動(dòng)幅度在整體變化趨勢(shì)中相對(duì)較小。因此，引起PM2.5和PM10等顆粒物濃度變化的因素主要包括屏蔽門啟閉情況以及線路上外環(huán)境情況，而該線路上的顆粒物濃度主要受外界環(huán)境顆粒物濃度的影響。

3 討論

通過數(shù)據(jù)分析可以看出，車廂溫度的變化分別受人員密度、屏蔽門的啟閉以及地鐵空調(diào)的綜合影響，其中空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行對(duì)其影響最大。當(dāng)車廂內(nèi)人員密度較低時(shí)，溫度變化幅度較大；當(dāng)人員密度較高時(shí)，空調(diào)運(yùn)行所導(dǎo)致的溫度變化幅度因人體散熱量抵消而減小。目前溫度控制通常以最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，易導(dǎo)致車廂內(nèi)溫度大幅度波動(dòng)，對(duì)低負(fù)荷狀態(tài)下乘客的舒適感影響較大。因此在優(yōu)化環(huán)境溫度控制時(shí)可考慮分情景控制。例如，根據(jù)人員計(jì)數(shù)或其他人數(shù)識(shí)別技術(shù)來(lái)確定高低負(fù)荷情景，從而運(yùn)行不同的空調(diào)模式或調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。

車廂內(nèi)的相對(duì)濕度在不同載客量條件下同樣呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律。在乘客人員密度較低時(shí)，車廂內(nèi)的相對(duì)濕度隨人員增加而增加；當(dāng)車廂滿負(fù)荷時(shí)，相對(duì)濕度與車廂溫度同樣成正相關(guān)。由此可見，人員散濕是地鐵車廂濕度增加的主要因素，低負(fù)荷狀態(tài)人員密度主導(dǎo)了相對(duì)濕度的變化；而高負(fù)荷狀態(tài)下濕空氣處于飽和狀態(tài)，相對(duì)濕度與溫度變化規(guī)律相似。對(duì)于地鐵空調(diào)系統(tǒng)控制而言，濕度控制應(yīng)考慮人員密度，可將其作為前饋信號(hào)，而非簡(jiǎn)單依靠相對(duì)濕度作為單一反饋?zhàn)兞俊?/p>

地鐵車廂的CO2濃度在大部分運(yùn)行過程中均超出了人員健康需求標(biāo)準(zhǔn)值，甚至在8%以上的時(shí)間達(dá)到了嚴(yán)重污染程度。已知CO2濃度的主要影響因素是人員密度，而地鐵作為高荷載的交通工具，人員密度超過設(shè)計(jì)值的時(shí)間較長(zhǎng)，因此在空調(diào)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行中，應(yīng)充分利用人員識(shí)別技術(shù)，利用變頻風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量，既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，也可以保障乘客身體健康安全。

另外，本次測(cè)量的地鐵車廂PM2.5和PM10等顆粒物濃度得到了較好的控制，但在一定情況下隨外界環(huán)境顆粒物濃度變化而變化。如果其他線路的地鐵經(jīng)過外環(huán)境顆粒物濃度較高區(qū)域或地鐵隧道內(nèi)污染物沒有得到較好的控制，應(yīng)考慮在列車上增加過濾設(shè)施，保障車廂內(nèi)良好的空氣品質(zhì)。

4 結(jié)論

本文展示了對(duì)華南某城市核心地鐵線路的車廂環(huán)境的調(diào)研情況，通過選取不同時(shí)間運(yùn)行的十趟列車進(jìn)行熱環(huán)境和空氣質(zhì)量測(cè)量，進(jìn)而對(duì)地鐵環(huán)境參數(shù)的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析。

由測(cè)量結(jié)果可知，車廂溫度主要受控于列車的空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)，人員密度決定了溫度波動(dòng)幅度的大小。車廂濕度主要受控于人員密度和空調(diào)調(diào)控情況，對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)不能簡(jiǎn)單依靠相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)，應(yīng)結(jié)合人員識(shí)別技術(shù)開展不同場(chǎng)景的運(yùn)行控制。對(duì)于車廂內(nèi)空氣品質(zhì)，重點(diǎn)關(guān)注了CO2濃度和PM2.5/PM10等顆粒物濃度。結(jié)果表明車廂中的CO2濃度決定于車廂人員密度，而且所測(cè)濃度在大部分時(shí)間高于標(biāo)準(zhǔn)值；所測(cè)列車的PM2.5和PM10等顆粒物濃度得到了較好的控制，但其存在隨外界環(huán)境顆粒物濃度變化而變化的情況。最后，通過討論分析，認(rèn)為在進(jìn)行車廂空氣品質(zhì)提升時(shí)，應(yīng)充分利用現(xiàn)代人員識(shí)別技術(shù)，開展通風(fēng)量變頻調(diào)節(jié)，提高乘客舒適體感和健康安全保障。