地下空间空气质量及外环境因素影响分析研究

2022-06-01邱泽正庞丽萍杨晨媛

制冷与空调 2022年2期

邱泽正庞丽萍杨晨媛

（1.武汉第二船舶设计研究所武汉 430064；2.北京航空航天大学航空科学与工程学院北京 100191）

0 引言

地面空间运行的地铁作为人们日常出行时，最常用的一种交通工具，在缓解地面交通压力方面，扮演了重要角色。乘客每天要在地铁中花费0.3-3小时，但是地铁内部环境相对封闭，通风不畅，容易污染物聚集[1]。这些污染性气体对人体都会产生一定的损害。因此，了解地铁站内部的空气质量变得非常有必要。

查询大量参考文献，对于地铁内部空气质量的研究比较片面，对于地铁内部整体环境的评估也较少。并且只是针对地铁中的气体环境进行了单一的评价[2,3]。王刚等[4]通过评估地铁车厢内的CO2和颗粒物浓度，分析了乘客密度对于地铁空气质量的影响。左甜甜[5]虽然评估的污染物参较多（CO 浓度、CO2浓度、甲醛浓度、TVOC 浓度、颗粒物浓度、氡浓度），但是对于地铁内部的空气质量没有进行整体概括分析。

而我们本次测试，不仅测试6 个地铁站台内部了8 种气体，而且对于地铁内部整体空气质量进行了评价。相比较以往的研究，本文更加全面的描述地铁内部环境。

1 方法

1.1 测试站点基本信息

本次研究从2019.5.30 至2019.6.21 的夏季开始进行。对6 个地铁站台内的8 种气体（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs）进行陆续的实际测试。气体环境因素的测试周期为早8:00 至晚22:00，每隔两分钟测量一次。列车频率以及人流量是由地铁公司提供得来的，每30min 测试一次。

每个地铁站的测试地点都在在站台中间，距离地面1.2 米。测试站点具体信息如表1所示，其中2019.6.15 为周六、2019.6.16 为周日，其余时间为工作日。由于大多数公司周六也要工作，因此周六为半工作日。在夏季，地铁站内部的空调通风系统处于运行状态。六个地铁站内部的空调通风系统皆采用“一次回风系统”，即1/2 回风与1/2 新风混合后，进入地铁内部。

表1 测试站点基本信息Table 1 Essential information of subway

自动记录了各自站台的客流量数据和列车频率（每隔半小时统计一次）。并从http://beijingair.sinaapp.com/获得各站点的室外气体环境（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO）。

1.2 测试设备和精度

本次研究使用CPR-KA 空气质量监测器对全屏蔽地铁站台内气体环境进行实际测试，测量仪器设备的具体特点以及环境参数的测量范围和精度如表2所示。

表2 各环境参数的测量范围及精度Table 2 Measuring range and accuracy of each environmental parameter

1.3 分析方法

本项研究依据标准[6-9]，给定各气体的最大浓度允许值，如表3所示。

表3 各环境参数期间的最大允许浓度Table 3 Maximum allowable concentration of environmental parameters

除此之外，本文采用SPSS Statistics 23.0 软件（IBM,United States）分析了PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 浓度与客流量、室外气体、列车频率等的相关性，所有统计检验均使用0.05 置信度。

2 结果和讨论

2.1 地下空间质量测试分析

由图1可得：

图1 地铁列车频率和客流量Fig.1 Frequency and passenger flow of subway trains

（1）S1-S4 地铁站的列车频率和客流量随时间都有一定的变化。在测试时间段内，列车频率和客流量的高峰都在8:00-9:00 和18:00-19:00。四个地铁站的列车频率和客流量各不相同。

（2）S5 与S6 站台客流量和列车频率高峰在8:00-9:00 和18:00-19:00。S5-2 与S6-2 客流量想接近。S5 与S6 站台的列车频率在工作日和周六日相同，且工作日列车频率高于周六日。

在本次现场调查研究中，一共测试了六个车站，每个车站测试了8 种气体（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs），为了解每种气体的来源及影响因素，S1-S4 站为工作日，图2为在工作日期间不同站台之间的气体对比图；S5-1、S6-2 为工作日，S5-1 为周六，S6-2 为周日，图3为在工作日与周六周日站台气体浓度对比图。

图2 工作日期间S1、S2、S3 和S4 地铁站台地铁环境参数（PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs）Fig.2 Environmental parameters(PM10、PM2.5、NH3、CH2O、CO、NO2、SO2、TVOCs)of subway platforms S1,S2,S3 and S4 during weekdays

图3 在工作日、周六日期间S5 和S6 地铁站台环境参数（PM10、PM2.5、02、NH3、CH2O、CO、CO2、NO2、SO2、TVOCs）Fig.3 Environmental parameters(PM10、PM2.5、02、NH3、CH2O、CO、CO2、NO2、SO2、TVOCs)of S5 and S6 subway platform during weekdays and weekends

从图2、图3可得出如下结论：

（1）由于地铁内部有卫生间，导致地铁内有一定的NH3影响乘客身体健康。图2（a）、图3（a）中测试的所有站台的NH3浓度基本保持在17-18ppb 左右，在规定允许范围内[8]，且NH3浓度在时间和空间上都没有变化。

（2）图2（b）、图3（b）中，S4（28-60ppb）的CH2O 浓度最高，低于规定[6]。图3（b）中，同一车站，S6-2（工作日）高于S6-1（周日）的CH2O浓度，CH2O 受客流量的影响；S5-2 与S6-2 的客流量相同，而CH2O 浓度不同，可能是由于通风条件不同造成的[10]。

（3）图2（c）、图3（c）中S3（103-111ppb）、S4（100-112ppb）的TVOCs 浓度最高，在标准规定范围内[8]。客流量高，TVOCs 浓度高，说明地铁站内的TVOCs 与空气流通相关[11]。

（4）图2（d）、图3（d）中，S2（2.8-10.8ppb）、S3（2.6-15.2ppb）站台的NO2浓度最高，在标准范围内[8]。图3（d），客流量高的站台NO2浓度略高于客流量低的站台；图3（d），同一站台，工作日时期NO2浓度高于周六日时期。

（5）图2（e）、图3（e）中，S4（1.6-4.4ppb）站台的SO2浓度波动范围最大，浓度最高，低于规定值[8]。图3（e），客流量高的站台SO2浓度高于客流量低的站台；图3（e），在列车频率高峰时刻，工作日与周六日的SO2浓度相差较大，其余时刻列车频率相同时，SO2浓度变化不大。说明人员流动和列车频率对SO2浓度有一定的影响。

（6）图2（f）、图3（f）中，S4（44-63ppb）的CO 浓度最高，在规定值范围内[6-8]。图3（g），客流量高的站台CO 浓度高于客流量低的站台；图3（f），工作日与周日的CO 浓度差比工作日与周六CO 浓度差大。说明CO 受客流量的影响。S5-2与S6-2 客流量相近、列车频率相差较大时，CO浓度相差较大，可能受列车频率的影响。

（7）由图2（g）（h）、图3（g）（h）中，S4站台在所测试站台中PM10（0.046-0.15mg/m）、PM2.5（0.038-0.12mg/m）最高，在规定值范围内[6,7,9]。图3（g）（h）中，同一站台，客流量高时，PMX浓度高。人员的流动导致颗粒物的再悬浮，并且客流量大的同时，导致空气流通不佳，从而导致污染性气体不能及时排出。S5-2 与S6-2 客流相同，但列车频率相差较大，其PMX浓度相差较大，因此，人员流动与列车运行都会影响PMX的浓度[12]。

2.2 大气环境对地下空间空气质量影响分析

地铁是一个封闭的空间环境，除了内部产生的污染物外，还有外部进入地铁内部的污染物。为了解地铁站台气体污染物与室外气体污染的联系，我们主要选择了工作日时期的四个站台（S1-S4）进行分析。对室内外五种气体进行平均浓度和标准差分析，并计算了室内外气体浓度比值，如图4所示。

图4 S1、S2、S3 和S4 站台室内外气体平均浓度和标准差对比（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO）Fig.4 Comparison of mean indoor and outdoor parameters and standard deviations on platforms S1,S2,S3 and S4(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO)

从图4，可得出如下结论：

（1）图4（a）（b）中，我们可以得到，PM2.5室内外比I/O 为0.25-2.45，PM10室内外比I/O 为0.11-1.53。因此表明除了室外进入地铁内部的颗粒物外，由于铁路的摩擦和车轮的制动系统，地铁内部也会产生一定的PMx[13]。在四个地铁站中，S2的PM2.5、PM10室内外浓度比最大。由表1可知，S2 为半屏蔽站，当列车驶入车站，大量颗粒物也会随之进入站台，导致其地铁内部颗粒物浓度明显高于室外[14]。

（2）图4（c）中，SO2的室内外I/O 为0.5-3.21，整体来说，室内SO2浓度高于室外。这与其他研究一致，夏季室内高于室外，冬季则相反。可能是因为夏季室内外温度较高，汽车尾气和工业排气大量排到空气中，扩散较快。同时，夏季地铁空调通风机处于运行状态，通风机中没有SO2过滤设施，因此导致室外SO2涌入地铁含量较多，室内SO2与室外SO2浓度以及空气流通速度有关[15]。

（3）地铁内部NO2主要通过通风系统、手扶梯等来自室外。图4（d）显示六个车站中，室外NO2浓度明显高于室内，室内外比I/O 为0.27-0.55。

（4）地铁内部CO 也主要来源于大气环境。图4（e）显示室内外CO 浓度有数量级上的差异，其室内外比I/O 为0.07-0.1。

2.3 主要污染物室内外浓度相关性分析

由表4可知，PM2.5浓度与列车频率（r=0.337，p<0.01）、客流量（r=0.378，p<0.01）和室外气体（r=0.532，p<0.01）有显著相关性，受室外气体影响大于列车频率和客流量。PM10浓度受到客流量，室外气体浓度和列车频率的影响。PM10浓度与室外气体相关性（r=0.220，p<0.05）低于客流量（r=0.390，p<0.01）和列车频率（r=0.385，p<0.01）相关性。颗粒物浓度与客流量有关，这可能是因为人员的走动会导致颗粒物漂浮在空气中，并且人员密度大，通风不畅，空气中的总体污染含量增加。并且，铁路的摩擦和车轮的制动系统，导致地铁内部也会产生一定颗粒物。除此之外，由于通风系统以及地铁口的影响，导致室外的颗粒物进入地铁站台内部。SO2浓度受到室外气体影响，但相关性（r=0.152）较弱。SO2浓度与客流量（r=0.334，p<0.01）和列车频率（r=0.526，p<0.01）相关性显著，其中受列车频率影响大于客流量。NO2与客流量（r=-0.029）和列车频率（r=-0.147）负相关性较弱，与室外气体（r=0.537，p<0.01）的相关性显著，主要受室外气体的影响。CO 浓度与列车频率（r=0.0.320，p<0.01）、客流量（r=0.348，p<0.01）和室外气体（r=0.584，p<0.01）有显著相关性，受室外气体影响大于列车频率和客流量。NO2和CO均来自于室外环境，主要受室外影响较大。SO2和CO 受列车频率以及客流量的影响，主要是因为，通风量一定的情况下，人流量大，导致空气流通不畅，因此污染物含量增加。