活塞风对地铁区间隧道空气品质的影响研究

中国铁路设计集团有限公司 徐 驰 贾 萌 刘英杰

随着城市地面交通变得日益拥挤，地铁以其特有的安全、快捷、舒适、环保等特点，被国内大中城市作为疏解城市交通拥堵的重要出行方式。截止到2020年底，全国已有45个城市的地铁投入运营，运营线路数量超过200条，总里程将近8 000 km。地铁内部的空气品质直接关系到乘客及地铁工作人员的身体健康，已越来越受到重视。

1 研究背景

地铁内部的空气品质由地铁环控系统控制，包括地铁内部的温湿度控制及空气品质控制。对于地铁系统的空气品质评价，往往偏重于地下车站站内空气品质评价，而忽略了区间及列车车厢内的空气品质评价。地铁环控系统设计主要依托模拟计算，偏重于温度控制，往往忽略区间的空气品质控制。因此亟需对地铁区间内的空气品质进行研究分析，为乘客提供更加安全舒适的乘车环境。

乘客自进入地铁车站一般需经过站厅安检、购票、闸机，继而进入站台公共区候车，平均每位乘客进站时在站厅停留2 min，站台停留2 min(含候车时间)；绝大多数乘客乘坐地铁在3站以上，一般在车厢内停留时间超过5 min，远距离乘客在车厢内停留的时间甚至达到30 min以上；乘客出站平均在站台停留1.5 min，站厅停留1.5 min。综上，大多数乘客在车厢内停留的时间远长于在地铁车站内停留的时间，车厢内的空气品质不容忽视。

随着新冠疫情的暴发，如何抑制病毒等有害物在地铁系统内的快速及大范围传播，研究地铁环控系统针对突发疫情或抑制污染物的应对模式，成为当务之急。地铁车站一般采用机械通风，地铁区间一般采用自然通风，地铁列车在地铁区间内运行，车厢内部空气通过车载空调器与隧道内空气进行交换，区间内的空气品质直接影响车厢内的空气品质。相对于地铁车站，地铁区间及车厢内部的有害物稀释更加困难。应有效加大室外新风量，稀释系统内有害物浓度，并使污风顺利排向室外，使地铁内部区间、车站、车厢内部均维持在一个相对安全的环境。

2 地铁区间隧道空气品质主要评价指标

根据设计规范，列车正常运行、列车车厢设置空调、车站设置全封闭站台门时，区间隧道内夏季最高温度不得高于40 ℃，冬季最低温度不应低于5 ℃。区间隧道内每个乘客每小时需供应的新风量不应少于12.6 m3；区间隧道内的二氧化碳日平均体积分数应小于0.15%；相关规范暂无区间隧道可吸入颗粒物浓度标准。地下车站公共区空气中粒径小于或等于10 μm的颗粒物日平均质量浓度应小于0.25 mg/m3[1-2]。

PM2.5与PM10的浓度也是评价区间隧道空气品质的重要指标，目前行业设计规范中尚无针对PM2.5与PM10浓度指标的具体要求，但随着近年来严重的空气污染问题的出现，以及民众对自身健康及环境的关注，空气品质越来越受到重视。

3 地铁区间隧道空气品质主要影响因素

3.1 室外空气品质

地铁区间隧道通过隧道峒口及设置在车站端部的活塞风道、风井与室外大气直接相通，利用列车运行时产生的活塞效应引入新风并排出污风，通常风道内不设置空气处理设备。因此，室外空气品质直接影响进入区间隧道的新风空气品质。

3.2 区间隧道内污染物

区间隧道内的空气含有可吸入颗粒物、PM2.5、金属粉尘、CO、CO2、NO2、甲醛、有机化合物甚至放射性物质等污染物，以及有害细菌、病毒等致病微生物[3]。区间隧道作为车辆行驶的通道，很难设置过滤除尘杀菌等设施，目前最有效的控制方法仍然是依靠通风换气进行稀释，将其浓度水平控制在安全范围内。

3.3 隧道通风系统

地铁区间隧道通风系统包括活塞通风系统及机械通风系统。活塞通风系统可以分为采用活塞风道的通风系统及采用迂回风道的通风系统。采用活塞风道的通风系统，利用列车运行所产生的活塞风与室外空气进行气流交换，称之为开式系统；利用迂回风道的通风系统，列车运行所产生的活塞风通过迂回风道在上下行区间隧道内进行气流交换，仅通过隧道两端出地面峒口与外界发生气流交换，称之为闭式系统。不同城市的地铁环控系统根据气候条件选择适宜的区间隧道通风模式。目前国内大多数地铁采用活塞通风系统，利用列车行驶产生的活塞效应对区间隧道进行通风换气。活塞通风系统又可分为单活塞通风系统及双活塞通风系统，单活塞通风系统在车站端部各设置1个活塞风井与外界连通，双活塞通风系统在车站端部各设置2个活塞风井与外界连通。机械通风系统通过隧道风机对区间隧道进行通风换气，通常包括运营维护通风及阻塞、火灾等事故工况通风[4-5]。不同的隧道通风形式所产生的区间隧道换气效果不同，从而对区间隧道污染物的稀释能力也有所不同。

4 列车车厢内部空气品质主要影响因素

4.1 地铁列车空调设备工作原理

列车在隧道内运行时，通过车辆顶部设置的车载空调器向车厢送风并控制车厢内空气温度，区间隧道内的空气作为新风通过车载空调器进入车厢内部。车厢内部空气一部分作为废气，通过自然通风器排至车外，另一部分作为回风再次进入空调机组，经处理后送入车厢。

地铁列车车载空调器位于车顶，一般每节车厢1～2台，一般情况下每节车厢的车载空调器的通风量为6 000～10 000 m3/h，新风量为2 500～4 000 m3/h，应急通风量≥2 800 m3/h，一列车以6辆编组计，所需新风量在20 000 m3/h左右。

4.2 区间隧道内空气品质对车厢内部空气品质的影响

由于地铁列车车载空调器的新风取自区间隧道，区间隧道内空气品质直接影响车厢内部的空气品质。区间隧道内污染物随着车载空调器的换气功能直接进入车厢内部，车厢内污染物(以乘客代谢的CO2为主)同样会进入区间隧道。当区间隧道无法及时稀释CO2、可吸入颗粒物、粉尘等污染物时，车厢内部空气品质会逐渐下降，危及乘客身体健康。

5 区间隧道活塞效应模拟分析

利用SES软件，根据某实际工程进行建模[6-7]，对区间隧道通风系统进行模拟计算分析。该工程为北方某地区地铁工程，单活塞形式，列车最高时速80 km/h，最大能力行车密度30对/h。研究方式为对比性研究，即在其他边界条件设置均相同的前提下，对比不同系统形式、不同行车速度、不同发车间隔、车站排热系统开启与关闭对区间隧道通风情况的影响。

该工程全线共24座车站，全部为地下车站。选取Z08、Z09、Z10、Z11 4座车站为重点研究对象，其中Z09、Z10为典型标准车站，与以上4座车站相邻的区间为J07、J08、J09、J10、J11。车站及区间示意见图1。

图1 车站及区间示意图

5.1 单一列车活塞效应

模拟一列车沿右线区间自Z08车站行驶至Z11车站的过程，研究各区间及各车站活塞风井通风换气量随列车运行的变化过程。以列车从Z08车站发车为初始时间，至列车于Z11车站停站30 s后结束，模拟过程持续280 s。重要时间节点及对应事件见表1，模拟结果见图2、图3。

表1 重要时间节点及对应事件

图2 区间通风量随时间变化图

图3 车站风井通风量随时间变化图

由图2可以看出：列车运行时，活塞效应会对行驶区间前后各2个区间造成明显影响，其中对于行车方向后方区间的影响大于前方区间。0～95 s，列车由Z08车站行驶至Z09车站，除直接产生活塞效应的J08区间外，前方J09、J10区间均有明显的空气流动，平均通风量可分别达到J08区间通风量的31.7%、10.51%。199～280 s，列车由Z10车站行驶至Z11车站，除直接产生活塞效应的J10区间外，后方J09、J08区间均有明显的空气流动，平均通风量可分别达到J10区间通风量的52.8%、34.3%。每次列车停站30 s的时长内，各区间活塞风量并未衰减至0。根据模拟计算，列车从车站发车后，大约需要3～4 min，其相邻区间内风速能降至0～0.2 m/s，即风力等级中的无风状态。

由图3可以看出：列车运行时，活塞效应会对前方第2座车站和后方第2、3座车站的活塞风井造成明显影响，对于行车方向后方车站的影响大于前方车站。受配线区左右线连通及迂回风道、排热风道漏风的影响，右线行车会造成左线活塞风井产生空气流动，其趋势与右线活塞风井大致相同，反应时间滞后于右线活塞风井。列车行驶前方车站的活塞风井，在列车发车后，处于对外排风的状态；列车到达该车站停车后，列车前方活塞风受惯性的影响继续流向下一区间，活塞风井受此影响，转为少量进风状态。列车发车车站的活塞风井，在列车发车后，处于对外排风状态；列车进入区间后，转为进风状态。0～95 s，列车由Z08车站行驶至Z09车站，除活塞效应直接影响的Z09车站外，前方Z10车站活塞风井有明显的空气流动，平均通风量分别可达Z09车站活塞风井通风量的18.1%(排风)、3.1%(进风)。

结合重要时间节点对应的事件，列车发车后，受列车前方正压的影响，发车车站及前方车站活塞风井对外排风；待车头驶过发车车站活塞风井进入区间后，发车车站内转为负压，活塞风井转为进风，前方车站继续对外排风，同时断面阻塞比增大，活塞效应增强；待车尾完全进入区间后，活塞风趋于稳定，并与车速变化呈现相同趋势；待车头进入下一车站并驶过活塞风井后，区间阻力减小，活塞效应增强；待车尾完全进入车站后，断面阻塞比减小，活塞效应减弱。由于Z11车站活塞风井未设置在车站端头，且小里程端存在单渡线，其活塞风井风量发生明显变化的时间与标准车站不同，其时间点与列车车头、车尾驶过单渡线的时间点相吻合；该站左线活塞风井风量明显大于其他车站，其变化趋势偏向于双活塞形式。

5.2 活塞风影响因素

5.2.1行车间隔和行车速度

其他输入条件不变，对2、4、6、10 min 4种不同行车间隔及60、80、100、120 km/h 4种不同最高允许行车速度进行模拟计算，待全线线路内行车稳定后，以1 h为周期，统计典型区间J09左、右线通风量，结果见图4、图5。

图4 行车间隔与小时通风量关系

图5 最高允许行车速度与小时通风量关系

由图4、图5可知：对于左、右线线路特性无较大差别的区间，待全线线路内行车稳定后，其左、右线通风量大致相同。随着行车间隔的增大，区间通风量减小。随着行车速度的增大，区间通风量增大。100 km/h与120 km/h的结果相同，经分析，是因为受区间距离限制，在车辆既有加、减速度不变的情况下，实际行驶速度无法达到120 km/h的最高车速。

5.2.2系统形式

其他输入条件不变，分别将隧道通风系统设置为单活塞、双活塞形式，对2、4、6、10 min 4种不同行车间隔进行模拟计算，待全线线路内行车稳定后，以1 h为周期，统计典型区间J09右线通风量，结果见图6。

图6 系统形式与小时通风量关系

由图6可知，根据计算结果，采用双活塞形式的典型区间隧道通风效果优于单活塞形式，双活塞形式通风量比单活塞形式大30%以上，且行车间隔越短，通风效果越好。

5.2.3车站排热系统

以80 km/h行车速度的单活塞通风系统为例，分别计算关闭车站排热系统与开启车站排热系统工况下活塞风井的小时进风量，提取典型车站计算结果。当关闭车站排热系统时，活塞风井小时进风量为28 000 m3左右，进风状态时间占比为50.7%；当开启车站排热系统时，活塞风井小时进风量均大于75 000 m3，进风状态时间占比均为72%以上。

根据计算结果，开启车站排热系统可以增大各站活塞风井进风量，并且将进风状态时间占比由50%左右提高至70%以上，即降低车站轨行区的平均空气龄，从而使更多的新鲜空气被带入区间，改善了区间的空气品质。

6 结语

通过对某实际工程进行模拟计算，研究得出单一列车在行驶过程中，活塞效应可对列车所在区间前后共计四站三区间产生影响。根据上述分析，提高行车速度、缩短发车间隔，客观上造成了列车活塞风速度增加，使活塞效应增强。在设计中，应尽量控制活塞风道长度，缩短活塞风与外界气流交换的进程，从而加强活塞风效应，提高区间新风量。

开启车站排热系统，可有效地将列车车顶自然通风器排出的车厢内废气排至隧道外，将列车所产生的热量及污染物及时排出，从而降低区间隧道的污染物浓度，同时有效控制轨行区温度。当有疫情突发时，车厢内带有病毒的污浊空气在列车停站时通过开启的轨顶排热风道直接迅速排至隧道外，可避免污染空气滞留并扩散至站台公共区，从而感染更多的乘客。同时由于排热系统所产生的局部负压，可增加活塞风井进风量，对改善区间隧道的空气品质也有加强作用。活塞风道进风量加大，可更有效地稀释区间隧道内的污染物，避免污染物、病毒、粉尘等聚集，为列车车厢内提供更加优质的空气环境。

此外，鉴于双活塞风道通风换气量大于单活塞风道的特点，日后工程设计中，即便全线设置单活塞风道能满足区间温度及新风量要求，对于有条件的车站，也建议考虑设置双活塞风道，从而提高区间新风量，以更好地满足区间隧道空气品质要求。