冬夏两季北京地铁车厢内空气品质研究*

庞雪莹 王立鑫 王丹丹 江雨薇 张舟同 李宇航

（北京建筑大学供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室，100044,北京∥第一作者，硕士研究生）

地铁车厢相对封闭且人员密集，车厢内空气污染较重。有研究表明，地铁车厢内颗粒物浓度显著高于地面轻轨、地面和地下站台［1-4］。北京市地铁车厢内污染严重［5-6］，乘坐地铁的PM2.5个体暴露水平高于乘公交车及步行［7］。车厢内空气品质的优劣对人体的健康影响至关重要，因此本研究选取北京市7条地铁线路，分别在夏、冬两季工作日和非工作日的早、中、晚测试车厢内的空气质量，分析地铁车厢内空气品质特征，为制定有关地铁车厢内空气品质标准和改善地铁车厢内空气环境提供科学依据。

1 对象与方法

1.1 对象

本研究选取北京市地铁 1、2、4、5、7、9 和 10 号线作为测试对象。这几条线路分别始建于1971年、1984年、2009年、2007年、2014年、2012年和 2008年。2014年7月（夏季）、2015年1月（冬季）和2016年1月（冬季），分别对这些线路的早晚高峰时段和中午平峰时段以及工作日和周末，共进行了32个车次的测试，其中包括夏季8个车次和冬季24个车次。具体测试内容如表1所示。

表1 不同时间不同线路的测试内容

1.2 测试要求

测试时，实时记录途经站点车厢内人流量。CO2浓度测试仪器为HCZY-1型环境测量自记仪，该仪器CO2质量分数测量范围：0～0.5%，测量精度：±0.007 5%；温度测量范围：-40～100℃；相对湿度测量范围：0～100%。颗粒物监测仪器采用便携式仪器QT50空气质量检测器，该仪器温度测量范围：-20～60℃，相对湿度测量范围：0～90%，PM2.5和PM10质量浓度测量范围：0～990 μg/m3。室外 24 h环境参数数据和颗粒物浓度通过北京市环境监测网获取。

1.3 数据分析

通过SPSS19.0进行数据统计分析。首先对数据进行Shapiro-Wilk检验，判断数据是正态分布，若P＞0.05，则对数据的检验采用非参数检验。组间差异检验采用Wilcoxon检验（两配对样本）和Kruskal-Wails检验（大于两组的独立样本）。使用Pearson（线性相关）和Spearman（非线性相关）进行相关性检验。数据分析只针对地下站点进行。

2 测试结果与讨论

各项测试项目的参考标准值及其超标率见表2、表3。由表可知，地铁车厢内各项指标对比标准［8-10］均有不同程度的超标。夏季和冬季的温度超标率分别为23.8%～28.0%和29.0%～82.7%；夏季相对湿度均满足标准，冬季超标率为17.9%～64.8%；CO2的质量分数超标率为9.5%～47.4%；PM2.5的质量浓度超标率为59.2%；PM10的质量浓度超标率为39.9%～57.2%。Li等［7-8］对北京市公共交通工具车厢内微环境的研究结果表明，其CO2浓度超标率为37%，PM10浓度超标率在30%以上，污染较为严重，与本研究中CO2和PM10浓度超标结果相近。

表2 各测试项目的参考标准值

表3 各测试项目的超标率

2.1 温度、相对湿度和CO2的质量分数

车厢内空气质量参数均值、范围及正态性检验如表4所示，Shapiro-Wilk检验结果P＞0.05，数据服从正态分布。对2014年夏季、2015年冬季4号线进行两配对样本组间差异的Wilcoxon检验，其他线路进行独立样本Kruskal-Wails检验。检验结果表明温度和相对湿度在线路间存在显著性差异（P＜0.05），CO2的质量分数不存在显著性差异（P＞0.05）。温度和相对湿度存在季节性差异，CO2的质量分数未见季节性差异。原因是地铁车厢内人是CO2的来源，CO2的质量分数与人员数量及活动状态有关。2016年冬季1、2和4号线温度和相对湿度较2015年冬季有明显改善，Wilcoxon配对检验差异具有统计学意义（P＜0.05）。

对2015年冬季各站参数与客流量进行Spearman相关性分析，结果表明地铁车厢内温度和CO2的质量分数均与客运量显著正相关（P=0.00，P=0.02）；1、2和4号线相对湿度与客运量存在显著正相关关系（P=0.01，P=0.01，P=0.00）。这是因为车厢内人员可呼出CO2，同时也是热源和湿源，而且人呼出气体的水蒸气含量高于吸入气体的水蒸气含量，由此导致车厢内人员较多时，温度、相对湿度和CO2的质量分数均升高。

表4 各线路测试结果均值

2.2 PM2.5及PM10的质量浓度

2.2.1 污染水平

不同线路地铁车厢内各时间段内的PM2.5和PM10的质量浓度分布如图1所示。工作日10号线早高峰和中午平峰PM2.5的质量浓度均值最高，分别为 343.9 μg/m3和 184.7 μg/m3，1 号线晚高峰PM2.5的质量浓度均值最高为189.6 μg/m3；周末1号线所有测试时间段内PM2.5的质量浓度明显高于其余线路。工作日10号线早高峰PM10的质量浓度均值最高为767.5 μg/m3，1号线中午平峰和晚高峰的质量浓度最高，分别为296.5 μg/m3和343.9 μg/m3；周末1号线所有时段PM10的质量浓度均高于其余线路。1号线污染水平明显高于其他线路，可能与1号线始建时间最早，并全程采用敞开式屏蔽门系统有关。

对4条线路各时段进行Shapiro-Wilk检验，结果除10号线周末早间，其他线路各时段监测数据均不服从正态分布；组间差异采用Kruskal-Wails检验，不同线路不同时间段具有显著性差异（P＜0.05）。

图1 各线路PM2.5和PM10的质量浓度分布

除2号线周末PM10的质量浓度均值为148 μg/m3，10号线周末PM2.5的质量浓度均值为74 μg/m3以外，其余线路的所有时段PM10和PM2.5的质量浓度均值均超出标准。经Pearson相关性分析，结果如图2所示，4条地铁线路车厢内PM10和PM2.5的质量浓度呈显著正相关（P=0.00），PM10和PM2.5的质量浓度两者具有同源性。

图2 PM2.5与PM10的质量浓度相关性

2.2.2 室外空气质量和客运量的影响

对1月14日和1月16日的室外空气质量进行分析比较，各时段监测均值如图3所示。由图3可知，1月14日早、中、晚3个时段与1月16日同时段具有显著性差异（P=0.00，P=0.00，P=0.00）。除1月14日早高峰车厢内平均客运量为203人次/节，是1月16日早间平均客流量61人次/节的3倍以上之外，其余时间人均客流量相差不大。显然室外空气质量差，颗粒物质量浓度较高，会在一定程度上影响车厢内颗粒物浓度。

图3 室外空气污染等级对车厢内颗粒物污染的影响（1月14日与16日比较）

地铁是一个相对封闭的环境，人流作为地铁内部与外界进行物质交流的重要方式，对地铁内颗粒物质量浓度有很大影响。室外空气质量等级相同的两天，PM2.5的质量浓度受客运量影响较大，分析结果如图4所示。由图4可知，工作日客流量显著高于周末，PM2.5的质量浓度也显著高于周末；PM10具有同样趋势。对不同时间段PM2.5和PM10的质量浓度进行非参数Wilcoxon检验，1号、2号、4号和10号线工作日早高峰PM2.5和PM10的质量浓度均高于中午平峰，2号、4号和10号线的差异均具有统计学意义（P＜0.05）；工作日早间PM2.5和PM10的质量浓度明显高于周末早间的质量浓度，差异具有统计学意义（P=0.01）。由此可见，客运量对车厢内的颗粒物浓度有较大影响。

2.3 与国内外研究结果的比较

本研究结果与国内外相关研究结果的比较见表5。与国内外同类型研究相比，北京市地铁车厢内CO2的质量分数浓度和颗粒物的质量浓度更高，表明车厢内空气质量较差。原因包括以下几个方面：首先，北京市地铁客运量较高，人既是车厢内CO2来源，也是颗粒物来源之一；其次，室外空气污染也可对地铁车厢内的空气质量产生一定影响；第三，地铁隧道内由于金属摩擦而产生的颗粒物同样也是车厢内颗粒物来源［11］；最后，本研究颗粒物的测试在冬季进行，可能导致车厢内颗粒物的质量浓度较高，因为有研究表明，地铁中PM10的质量浓度在1月份高于其他月份［12］。

图4 10号线工作日与周末PM2.5的质量浓度与车厢客运量的关系

表5 不同城市和地区地铁车厢内空气品质指标比较

综上所述，由于地铁车厢相对封闭，多种因素影响车厢内空气品质，因此应该采取措施改善地铁车厢内的空气质量。一方面应该加紧制定适用于地铁空间的空气品质标准［19］，另一方面通过改善车载和地铁空间通风空调性能［20］，并根据客流量对环境参数进行调整，以改善地铁车厢内空气品质。

3 结论

（1）与其他相关研究相比，本研究更为系统和全面地对北京市地铁车厢内的空气品质进行评价。经数据统计分析，发现车厢内空气品质较差，夏季车厢内空气品质优于冬季。

（2）客流量是地铁车厢内空气品质的重要影响因素，且室外空气污染会在一定程度上影响车厢内颗粒物的浓度。

（3）不同地铁线路车厢内的空气品质有显著性差异，地铁建成与投入使用时间以及屏蔽门系统等因素会影响车厢内空气品质。

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