地铁车站公共区CO2浓度测试及新风量分析研究

陈永江



地铁车站公共区CO2浓度测试及新风量分析研究

陈永江

（中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610000）

通过对以沙坪坝站为主要研究对象的全年测试及其余站点的对比测试，得到了关于地铁站站内CO2浓度的变化规律及不同工况下出入口自然通风新风量的大小。结果表明，一般出入口进风时间长、客流少，出口尺寸大时CO2浓度越低，站厅层和站台层的CO2浓度变化规律近似，且均与客流呈正负相关性，站台浓度略高于站厅；关闭及近似关闭新风机后，CO2浓度仍远远小于1500ppm的限值要求，出入口自然通风新风量完全可以充分满足站内人员新风需求。

地铁车站；二氧化碳浓度；实测；自然通风

0 引言

随着我国城市化的不断深入，地铁建设也迈入了高速发展期。地铁运营能耗的组成中，环控能耗高占30%-50%[1-2]，合理优化通风空调系统的运行，有效减少设备容量及能源消耗，对于我国节能减排的战略意义重大[3-5]。当前地铁站通风空调中常见的运行模式均包括新风机的使用，全年运行费用较高[6]。

当前国内地铁设计规范：《地铁设计规范》（GB 50157-2013）[7]和《城市轨道交通技术规范》（GB50490-2009）[8]中对新风量规定均为人员定量新风要求：每个乘客每小时需供应的新鲜空气量不少于12.6m3，且系统的新风量不应少于总风量的10%；《地铁设计规范》（GB 50157-2013）中对二氧化碳浓度的要求是，地下车站公共区内的二氧化碳（CO2）日平均浓度应小于1.5‰。

本文通过研究不同季节及工况条件下地铁站区CO2浓度，特别是在关闭新风机时CO2浓度的变化规律，探讨新风机在实际运行过程中的运行效果。并通过比较出入口自然通风的总新风量与所需新风量，评价利用自然通风取代新风机提供新风的可行性。

1 测试方案

1.1 测试地点及工况

在2015年1月15日至2016年7月8日期间，共进行13次测试，其中在重庆完成11次，在成都完成2次。测试站点分别为重庆地铁一号线沙坪坝站、马家岩站和鹅岭站，成都地铁一号线锦江宾馆站和人民北路站。其中沙坪坝站的测试次数最多，春季三次，夏季两次，秋冬各一次，共七次；马家岩站春季一次，夏季两次；鹅岭站、锦江宾馆站和人民北路站夏季各一次。

过渡季（非空调季节）测试工况为运营期间机械通风和自然通风混合，停运期间自然通风。夏季空调工况为运营期间新风、空调和自然通风混合，停运期间自然通风。部分工况在运营期间暂时关闭新风机，则为空调和自然通风混合。

1.2 测试内容及方案

地铁站的CO2浓度测试主要分边界及站外测试和站内测试两部分。（1）边界及站外测试：①室外温湿度测试，②出入口温湿度测试；（2）站内测试：①站厅层温湿度测试，②站台层温湿度测试。测试中由于人员的限制和测点合理分布的要求，站厅站台一般分别设3至4个测点，具体测点分布以沙坪坝站为例见图1和2，站内测点均匀分布于测试区域，站外测点仅取三峡广场中心偏2出口的一个室外点进行测试，图2中用箭头标出。

图1 沙坪坝站室内CO2浓度及温湿度测点分布

图2 沙坪坝站春季工况室外测点布置

2 沙坪坝站测试分析

2.1 过渡季节测试分析

过渡季工况包括除夏季空调工况以外的测试情形，该阶段站地铁站内空气调节方式主要为：运营阶段机械通风（地铁到站时屏蔽门打开引起的活塞风、新风机系统）及自然通风的混合通风；夜间停运阶段为纯自然通风。由于在相同测试工况下测试结果相似，因此沙坪坝站过渡季仅选取代表性工况进行分析。

2.1.1 交界处测试分析

（1）出入口测试分析

（1）3月28日测试结果

（2）3月28日测试结果

图3 交界处CO2浓度分布

Fig.3 CO2concentration distribution in junction

1）2015年3月28日8:00-23:00沙坪坝站各出入口的测试结果如图3（1）所示。出口1交界处的CO2浓度高于出口2和3，测试时间段内CO2浓度的平均值，出口1等于489ppm、出口2等于431ppm、出口3等于371ppm。出口1交界处CO2浓度最高，出口3交界处CO2浓度最低。各出入口空气流动状态中，出口2和3基本为进风，出口1进出风时长近似相等，同时出口2、3面积比出口1面积大，并且出口1、2的客流量多于出口3，因此以上测试数据是合理的，符合客观事实。

2）2015年11月14日08:00-23:00沙坪坝站的测试结果如图3（2）所示。出口2的CO2浓度高于出口1和3，测试时间段内CO2浓度的平均值出口1等于478ppm，出口2等于543ppm，出口3等于502ppm。出口2中CO2浓度最大，出口1中CO2浓度最低。各出入口空气流动状态中，出口1进风量大于出风量，出口2、3中出风量大于进风量，且出口2人流量大于出口3，因此出口1交界处CO2浓度最低，出口2交界处CO2浓度最高，数据比较合理，符合客观事实。

（2）室外测试分析

（1）室外

（2）室内

图4 CO2浓度分布

Fig.4 CO2concentration distribution

1）2016年4月1日8:00-11:00及16:00-19:00沙坪坝站的室外测试结果如图4（1）所示。8:00-11:00平均CO2浓度等于373ppm，16:00-19:00平均CO2浓度等于362ppm。CO2浓度在8:00-8:10之间处于一个快速下降阶段，与设备刚开启不稳定有关。上午室外的CO2浓度比下午略高，上午8:10-10:30处于上下波动区间，10:30之后开始明显下降。下午波动幅度较大，在17:00-18:30附近有数个明显的峰值，这与地铁站晚高峰客流量增大有关，全天整体变化不大。

2）2016年4月22日8:00-12:00及16:00-19:00沙坪坝站的室外CO2浓度测试结果如图4（2）所示。08:00-12:00平均CO2浓度等于360ppm，16:00-19:00平均CO2浓度等于363ppm，室外全天CO2浓度变化幅度较小。

2.1.2 站内测试分析

（1）2015年1月23日8:00-23:00沙坪坝站冬季的测试结果如图5所示。测试时间内，站厅层CO2浓度平均值等于570ppm，站台层CO2浓度平均值为620ppm，大多时间站台层浓度较大。站厅层CO2浓度变化无特定规律，与过渡季站厅层受室外空气影响较大有关；站台层CO2浓度变化具有早晚峰值期，上午九点和下午六点，CO2浓度显著增加与客流量变化相同。

（1）站厅层

（2）站台层

图5 CO2浓度分布

Fig.5 CO2concentration distribution

（2）2015年11月14日08:00-23:00沙坪坝站秋季的测试结果如图6所示。

（1）站厅层

（2）站台层

图6 CO2浓度分布

Fig.6 CO2concentration distribution

测试时段内站厅层CO2浓度平均值等于506.2ppm，站台层CO2浓度平均值为617.7ppm。站厅层和站台层的CO2浓度变化趋势相同，均从上午逐渐升高，下午基本维持稳定，晚上逐渐降低，测试日为周六，故CO2浓度值上升持续时间长，大部分时间内，站台层CO2浓度高于站厅层CO2浓度。

（3）2016年4月22日08:00-19:00沙坪坝站的测试结果如图7所示。

（1）站厅层

（2）站台层

图7 CO2浓度分布

Fig.7 CO2concentration distribution

站厅层测试时间段内8:00-12:00平均CO2浓度等于540ppm，16:00-19:00平均CO2浓度等于506ppm。在8:00-10:00时间段内，受早高峰客流影响，在8:30左右站厅层CO2浓度出现小高峰。在10:00-12:00机械通风关闭后20分钟内，CO2浓度最大值升高150ppm左右，并维持于较稳定值。在16:00-19:00时间段内，CO2浓度受晚高峰客流影响，17:00之后略有升高。

站台层测试时间段内8:00-12:00平均CO2浓度等于563ppm，16:00-19:00平均CO2浓度等于569ppm。站台层当日存在早晚高峰，不存在午高峰，10:00-12:00机械通风系统关闭后,CO2浓度略有升高但幅度小于站厅。由于晚高峰客流影响，CO2浓度在17:30-19:00时间段内始终处于较高值。

2.2 过渡季自然新风量分析

针对沙坪坝站的过渡季，选取2016年4月1日及4月22日进行自然通风的新风量分析，两个测试日CO2浓度与客流变化之间的关系见图8。图中双纵轴的左轴表示折算人数，单位为人/h，右轴表示CO2浓度，单位为ppm。

（1）4月21日

（2）4月22日

图8 站台层CO2浓度及客流量曲线

Fig.8 CO2concentration and traffic curve in platform layer

折算人数是通过调取车站当日出入匝机的真实出入站客流量，但直接将其用于计算人员需求新风量显然偏大，应考虑客流停站时间，本文沿用地铁站通风空调设计方法中常用的取值，即站厅站台的客流停站时间分别为：（1）站厅上车：2min、站厅下车：1.5min；（2）站台上车：2min、站台下车：1.5min，超高峰系数取1.3。以2016年4月1日的折算人数计算为例，当天沙坪坝站的客流情况如表1所示。按照站内计算人数=（站内进站人数×2÷60+站内出站人数×1.5÷60）×超高峰系数进行处理，即得沙坪坝站该测试日每小时的折算人数，将其与对应的CO2浓度一起绘制成上述双坐标图。

表1 沙坪坝站折算客流

由于测试人员有限及条件的限制，CO2浓度的图像无法做到与折算人数逐时对应，但从有限的七个小时的图像可得，CO2浓度变化与客流变化呈正负相关性。以4月1日测试日为例，统计得到出进出风时长比、出风平均风速、出入口面积见表2。

表2 沙坪坝站进出风流量

1号口相关计算：平均进风量：0.66×5.28=3.48 m3/s，依次可计算得2、3号口的平均进风量，求和得总自然进风量1=19.86m3/s=71496m3/h。根据GB 50157-2013相关规定，人均新风量不得少于30m3/（人·h），取4月1日当天最大折算人数为342人，即最大小时新风量2=30×342=10260m3/h，由于1>>2，所以自然进风量已远远大于新风量要求。同理计算可得4月22日沙坪坝站总进风量1=66925m3/h，取当日最大折算人数为300人，即最大小时新风量2=30×300=9000m3/h，由于1>>2，所以自然进风量已远远大于新风量要求。

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2.3 空调季节测试分析

空调季节工况时地铁站内的空气调节方式：运营时段为新风空调和自然通风的混合模式，在23:00至次日06:00之间的停运阶段，地铁车站为纯自然通风状态。

2.3.1 交界处测试分析

（1）出入口测试分析

图9 交界处CO2浓度分布

2015年7月12日8:00-23:00沙坪坝站的测试结果如图9所示。可得出口2的CO2浓度高于出口1和2，测试时间段内CO2浓度平均值，出口1等于607ppm、出口2等于707ppm、出口3等于589ppm。测试日为周六，从中午到下午存在持续高峰客流，因此CO2浓度从中午开始一直上升，各出入口变化规律相同。根据各出入口尺寸和空气流动状态，出口1气流流出时间较长但出口面积狭小，出口2进出风量基本相等，3号口进风时间最长进风量最大，因此出口3CO2浓度最低。

（2）室外CO2分析

2016年6月25日8:00-7月13日06:00沙坪坝站的测试结果如图10所示。室外CO2浓度全天波动较小，且无峰值特性，始终处于370ppm-390ppm区间。

图10 室外温度及CO2浓度

（1）站厅层

（2）站台层

图11 CO2浓度分布

Fig.11 CO2concentration distribution

（1）2015年7月12日8:00-23:00沙坪坝站夏季的测试结果如图11所示。在测试时间段内，站厅层CO2浓度平均值为703.65ppm，全天站厅层的CO2浓度值呈现出逐步上升又逐步下降的过程。测试当天为周六，地铁站在下午迎来客流高峰期，因此CO2浓度值较大。站台层CO2浓度平均值等于760.6ppm，全天变化情况与站厅层类似，大部分时间站台层CO2浓度较站厅层高。

（2）2016年6月25日8:00-19:00沙坪坝站夏季的测试结果如图12所示。

（1）站厅层

（2）站台层

图12 CO2浓度分布

Fig.12 CO2concentration distribution

1）站厅层CO2分析

站厅层CO2浓度，8:00-11:30平均值等于475ppm，15:30-19:00平均值等于541ppm。由于周末客流规律与工作日不同，上午站厅层的CO2浓度一直升高，无早高峰后的下降。在10:00-11:30、15:30-17:00新风机关闭期间，站内CO2浓度缓慢上升，幅度较小。在17:00-19:00晚高峰时段，新风机重开，CO2浓度一定时间内仍逐渐升高。

2）站台层CO2分析

站台层CO2浓度，8:00-11:30平均值等于537ppm，15:30-19:00平均值等于599ppm。从图中可以得出，站台层CO2浓度变化规律与站厅层较为一致，上午浓度逐渐升高，在晚高峰时段浓度达到全天最大值，新风机关闭对CO2浓度的影响较小。站台层的CO2浓度始终略大于站厅层。

2.4 空调季自然新风量测试分析

图13 站台层6月25日CO2浓度及客流量曲线

针对沙坪坝站的过渡季，选取2016年6月25日进行自然通风的新风量的分析，测试日的CO2浓度与客流变化之间的关系如图13所示。通过计算得到6月25日沙坪坝站总进风量1=101096m3/h，取当日最大折算人数为250人，即最大小时新风量2=30×250=7500m3/h，由于1>>2，所以自然进风量已远远大于新风量要求。

3 其它站测试分析

3.1 过渡季节测试分析

（1）交界处测试分析

图14 交界处CO2浓度分布

2015年4月19日7:00-17:00马家岩站春季的测试结果见图14。1出口CO2浓度平均值等于515.6ppm，2出口CO2浓度平均值等于513.8ppm。马家岩站客流量较小，常规高峰期人员引起的浓度变化也很小，整个空间分布较为均匀，CO2的浓度较低，符合公共场所的基本要求。

（2）站内测试分析

（1）站厅层

（2）站台层

图15 CO2浓度分布

Fig.15 CO2concentration distribution

2015年4月19日7:00-17:00马家岩站春季的测试结果，见图15。站厅层CO2浓度平均值等于637.6ppm，站台层CO2浓度平均值为709ppm，站厅层温湿度变化与出入口较为相似，CO2浓度也和交界处基本相等，而站台层由于处于最下层，自然通风无法直接达到，其变化受到站厅层气流和列车、乘客的共同影响，所以一定程度上还受到早晚高峰的影响。

3.2 其它站空调季自然新风量分析

针对其它站点空调季进行自然通风的新风量分析，共三个测试日的CO2浓度变化与客流变化之间的关系见图16。

（1）6月23日

（2）6月29日

（3）7月7日

由于测试人员有限及条件的限制，CO2浓度的图像无法做到与折算人数逐时对应，但从有限的七个小时的图像可得，CO2浓度变化与客流变化呈正负相关性。通过计算得到，6月23日马家岩站总进风量1=21.4×3600m3/h=77040m3/h，取当日最大折算人数为30人，即最大小时新风量2=30×30=900m3/h，由于1>>2，所以自然进风量已远远大于新风量要求。6月29日鹅岭站总进风量1=26.3×3600m3/h=94680m3/h，取当日最大折算人数为85人，即最大小时新风量2=30×85=2550m3/h。由于1>>2，所以自然进风量已远远大于新风量要求。7月7锦江宾馆站总进风量1=27.6×3600m3/h=99360m3/h取当日最大折算人数为180人，即最大小时新风量2=30×180=5400 m3/h，由于1>>2，所以自然进风量已远远大于新风量要求。

4 结论

（1）对于出入口，一般进风时间占比重越长，客流越少，出口面积越大，CO2浓度越低。过渡季或空调季，室外空气CO2浓度全天变化不大，趋势平缓，所有工况最大极差不超过100ppm。

（2）站厅层和站台层的CO2浓度变化规律近似，但站台层浓度始终略大于站厅层，大多数工况下，客流量与CO2浓度之间呈正负相关性的变化。关闭新风机的时段内，站内CO2浓度不一定会升高，即使升高也不会超过100ppm，且升高到一定值即保持相对稳定。

（3）所有测试工况中，站内的CO2浓度都小于规定限值1500ppm，即使在大型站迎来高峰期的最不利工况，CO2浓度也不超过900ppm，所测试站点CO2浓度都能满足限值要求。

（4）在过渡季或空调季，经出入口进入站区的自然通风量，都远远超过规范要求的30m3/（人·h）的新风量要求，因此可以考虑有效利用自然通风对公共区空气品质进行改善，减少或取消新风机改变现行的系统运行模式达到更高节能的要求。

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[7] GB 50157-2013,地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.

[8] GB50490-2009,城市轨道交通技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

Field Tests of Carbon Dioxide Concentration and Analysis of Fresh Air Amount in Subway Public Areas

Chen Yongjiang

( China railway eryuan engineering group Co., Ltd, Chengdu, 610000 )

By means of annual field measurement of Shapingba subway station and partially seasonal tests of other stations in comparison, the change law of carbon dioxide concentration within the station and naturally ventilated fresh air amount of entrance in different operating conditions can be obtained. The results show that if natural air performs mainly as inlet air, the passenger flow is low and the entrance is wide, the carbon dioxide concentration will be low. The change law of carbon dioxide concentration in the hall layer is similar with that in the platform layer which is relatively higher. Furthermore, there is positive and negative correlation between carbon dioxide concentration and passenger flow. In the absence of fresh air fan, carbon dioxide concentration is still far less than 1500 ppm, which is set as the maximum acceptable value. It can be concluded that naturally entilated fresh air amount of entrance is much more than the personnel fresh air demands within the station.

subway station; carbon dioxide; field test; concentration

1671-6612（2017）02-122-08

U231+.5

A

2017-01-26

作者（通讯作者）简介：陈永江（1973.10-），男，工学学士，高级工程师，E-mail：83212231@qq.com