陳嘉麒
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地鐵車站內(nèi)部空氣污染原因分析
陳嘉麒
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043)
針對地鐵地下車站空氣污染來源進(jìn)行調(diào)查分析,從地鐵車站新風(fēng)井環(huán)境以及新風(fēng)量取值,車站新風(fēng)量計(jì)算方法,以及空調(diào)系統(tǒng)純滯后大慣性的特征等方面分析了地鐵車站公共區(qū)域空氣污染原因,對提升地鐵車站公共區(qū)品質(zhì)具有一定的借鑒意義。
新風(fēng)量;在站乘客;通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng);行車間隔
目前地鐵車站內(nèi)的衛(wèi)生情況所引發(fā)的人體不舒適及不健康的影響已開始被社會普遍關(guān)注,尤其是近兩年來空氣污染嚴(yán)重,霧霾天氣頻發(fā),由于室內(nèi)空氣質(zhì)量下降,乘客往往感到眼、鼻、咽喉部粘膜干燥和刺激,并伴有頭痛、嗜睡、惡心等癥狀,統(tǒng)稱為“病態(tài)建筑綜合癥SBS(Sick Building syndrome)”,引起SBS這些癥狀的確切原因與在低品質(zhì)室內(nèi)環(huán)境中停留的時(shí)間長短有關(guān),地下車站空氣中主要的污染物有室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物、懸浮微生物和塵埃粒子等,同時(shí)存在CO、CO2、甲醛、氨等,相關(guān)研究表明地鐵車站空氣中的污染物濃度比其他環(huán)境中要高得多,提升地鐵地下車站空氣品質(zhì)顯得尤為必要,影響地鐵車站室內(nèi)空氣品質(zhì)的原因是綜合性的、多方面的,除了車站出入口、風(fēng)亭所在位置的空氣品質(zhì)與站內(nèi)空氣質(zhì)量有直接的關(guān)系外,地鐵車站本身的幽閉特征,通風(fēng)換氣不足以及系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)等都是造成車站內(nèi)部污染物濃度偏高、空氣品質(zhì)下降的主要因素。
地鐵地下車站多數(shù)為狹長封閉空間,常規(guī)車站僅有兩端兩組風(fēng)井、車站出入口與室外大氣相通,一般6輛A型車編組的地鐵車站長度約為250m,標(biāo)準(zhǔn)島式車站主體面積約為6000~7200m2,車站兩端用于通風(fēng)的新風(fēng)井總面積約為20m2,兩者面積比僅為1:300。地下車站基本在地下十幾米甚至幾十米深處,車站通風(fēng)換氣全靠風(fēng)機(jī)機(jī)械做功將室外新鮮空氣送入車站內(nèi),受到室外地塊規(guī)劃限制,車站風(fēng)道一般較長,風(fēng)井、風(fēng)道呈扁平狀,車站內(nèi)部管線較多,風(fēng)管彎頭、風(fēng)管閥門,消聲器等附件偏多,導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行不良,換氣次數(shù)不足導(dǎo)致車站內(nèi)污染物濃度得不到及時(shí)稀釋。
地鐵線路一般沿城市交通干線敷設(shè),車站新風(fēng)井均設(shè)置在交通干線兩側(cè),交通干線兩側(cè)空氣污濁,空氣中充斥著汽車尾氣與車流擾動浮起來的懸浮顆粒物。由于規(guī)劃等因素,地鐵大多數(shù)新風(fēng)井均為敞口低矮風(fēng)井,地鐵規(guī)范規(guī)定,當(dāng)車站新風(fēng)井設(shè)置在道路邊時(shí),風(fēng)井口部距地不應(yīng)小于2m,當(dāng)新風(fēng)井周邊有3m寬的綠化帶時(shí),風(fēng)井高度可以降低至2m,而實(shí)際工程中,新風(fēng)井的設(shè)置均很難達(dá)到要求,如圖1所示。風(fēng)井風(fēng)道裝修標(biāo)準(zhǔn)不高是形成車站空氣源污染另一個(gè)重要因素,與車站公共區(qū)、強(qiáng)弱電設(shè)備用房裝修標(biāo)準(zhǔn)不同,車站新風(fēng)道一般僅采用水泥抹面,地面采用水泥砂漿找平,通風(fēng)空調(diào)機(jī)房內(nèi)地面為水泥地面或水磨石地面。由于設(shè)置道路邊低矮敞口風(fēng)井,風(fēng)井底部雜物與廢棄物長期無人清理,風(fēng)井底部雨水口長期存水,對新風(fēng)道造成一定程度的污染,如圖2所示。
圖1 路邊敞口風(fēng)井
圖2 風(fēng)井底部設(shè)備
對于大多數(shù)城市采用站臺設(shè)置封閉站臺門的空調(diào)系統(tǒng),車站公共區(qū)與軌行區(qū)獨(dú)立分隔,車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)均采用一次回風(fēng)系統(tǒng),車站人員新風(fēng)量采用12.6m3/(h·人)與空調(diào)系統(tǒng)總送風(fēng)量的10%的較大值,一般車站新風(fēng)量只能取到車站總送風(fēng)量的10%。
首先,《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50157中車站公共區(qū)人員新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)采用12.6m3/(h·人)較小,國內(nèi)現(xiàn)行《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50019中規(guī)定工業(yè)建筑應(yīng)保證每人不小于30m3/(h·人)的新風(fēng)量,對于人員密集的公共建筑,《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736有具體規(guī)定,其中人員密度P≤0.4的區(qū)域,如公共交通候車室,新風(fēng)量不小于19m3/(h·人),《公共場所集中空調(diào)通風(fēng)衛(wèi)生規(guī)范》WS394中要求,候車(機(jī)、船)室、公共交通工具人員新風(fēng)量應(yīng)大于等于20m3/(h·人)。與地面通暢開闊的公共建筑相比,地鐵車站空間顯得幽閉壓抑,而實(shí)際設(shè)計(jì)過程中地鐵車站新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)卻遠(yuǎn)低于同類型的公共建筑。
其次,車站公共區(qū)新風(fēng)量是根據(jù)遠(yuǎn)期公共區(qū)客流預(yù)測計(jì)算的,公共區(qū)高峰小時(shí)瞬時(shí)人數(shù)計(jì)算一般按照如下公式:
其中:G為站廳計(jì)算人員數(shù)量;G為站臺計(jì)算人員數(shù)量;1為車站遠(yuǎn)期乘超高峰小時(shí)系數(shù)的高峰預(yù)測上車客流;2為車站遠(yuǎn)期乘超高峰小時(shí)系數(shù)的高峰預(yù)測下車客流;1為上車乘客在站廳停留的時(shí)間,一般取2min;2為上車乘客在站臺停留的時(shí)間,取高峰時(shí)段行車間隔;1為下車乘客在站廳停留的時(shí)間,一般取1.5min;2為下車乘客在站臺停留的時(shí)間,一般取1.5min。
目前國內(nèi)地鐵最大行車對數(shù)均按照30對/h控制,即行車最小間隔為2min,而運(yùn)營線路實(shí)際客流比預(yù)測客流嚴(yán)重不符是國內(nèi)地鐵建設(shè)的一個(gè)常見現(xiàn)象。列車運(yùn)行對數(shù)與行車數(shù)量在早晚高峰與乘客數(shù)量不匹配。在越來越多的車站,早晚高峰乘客滯留一趟甚至兩趟行車時(shí)間間隔的現(xiàn)象出現(xiàn)(見圖3)。因此早晚高峰乘客在站人數(shù)與通風(fēng)空調(diào)計(jì)算方法存在偏差,導(dǎo)致實(shí)際新風(fēng)量不足。
圖3 乘客滯留站臺
車站通風(fēng)空調(diào)在空調(diào)季節(jié)最小新風(fēng)與全新風(fēng)的轉(zhuǎn)換依據(jù)為室外空氣焓值,當(dāng)測點(diǎn)的焓值大于室內(nèi)空氣的焓值時(shí),空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行小新風(fēng)工況,當(dāng)室外空氣焓值小于室內(nèi)空氣焓值且室外溫度大于室內(nèi)溫度時(shí),運(yùn)行全新風(fēng)工況,當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí),運(yùn)行通風(fēng)工況,在全新風(fēng)工況與通風(fēng)工況下,公共區(qū)通風(fēng)換氣次數(shù)基本可達(dá)到在5次/h以上,在最小新風(fēng)工況下,CO2濃度為公共區(qū)空氣品質(zhì)的主控因素,目前在建或新開通線路車站公共區(qū)也有設(shè)置CO2濃度探頭,車站CO2濃度升高時(shí),加大空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)風(fēng)量,設(shè)置最小新風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)關(guān)閉最小新風(fēng)機(jī),開啟全新風(fēng)新風(fēng)閥并調(diào)節(jié)大風(fēng)閥角度,保證車站新風(fēng)量。這種運(yùn)行模式能降低車站公共區(qū)的CO2濃度,與公共區(qū)溫度控制邏輯相同,CO2濃度控制為閉環(huán)控制,單回路控制框圖(見圖4)如下。
圖4 CO2濃度控制單回路框圖
但在實(shí)際運(yùn)行過程中,車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)具有純滯后大慣性控制過程的特征,這類控制過程的特點(diǎn)是:當(dāng)控制作用產(chǎn)生后,在滯后時(shí)間范圍內(nèi),被控參數(shù)完全沒有響應(yīng),使得系統(tǒng)不能及時(shí)隨被控量進(jìn)行調(diào)整以克服系統(tǒng)所受的擾動。即公共區(qū)污染物濃度升高后,空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略才有改變,車站的舒適度已經(jīng)降低,人員不適感已經(jīng)發(fā)生,公共區(qū)新風(fēng)量增加后,由于公共區(qū)本身氣體容量大,以及空氣的流動性,CO2濃度改變具有大的慣性,當(dāng)公共區(qū)污染物濃度下降,但乘客已乘車離開,高峰客流已經(jīng)回落。由于大空間的濃度控制存在較大的遲滯性,因此控制量的控制效果不能在短時(shí)間內(nèi)完成,根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特性,可將CO2濃度控制簡化為大滯后一階系統(tǒng),傳遞公式如下:
其中:為放大系數(shù),為時(shí)間常數(shù)。
當(dāng)輸入信號為階躍函數(shù)時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)是一個(gè)遞增的指數(shù)函數(shù),時(shí)間常數(shù)不同,單位階躍響應(yīng)曲線上升的速度不同,時(shí)間常數(shù)越大,上升越慢(見圖5)。對于一般地鐵公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),可取200~400s,當(dāng)容許誤差取2%時(shí),一階系統(tǒng)過渡時(shí)間約為4,即公共區(qū)CO2濃度控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在800~1600s。高峰小時(shí)最小行車間隔為120s,其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為6~12個(gè)行車間隔,而高峰客流一般滯留不超過3個(gè)行車間隔。
圖5 CO2濃度控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線
另外,在通風(fēng)季節(jié),部分車站執(zhí)行只排不送的工況,即車站公共區(qū)回排風(fēng)機(jī)運(yùn)行,新風(fēng)從車站出入口引入,這種工況能減少公共區(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量,降低運(yùn)行能耗,但車站出入口一般設(shè)置在交通干線上人員密集處,出入口口部直接與室外地面連接,出入口內(nèi)部為乘客通行通道,當(dāng)公共區(qū)排風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),出入口會形成至上而下的自然風(fēng)速,將出入口口部地面、通道內(nèi)的塵土、顆粒物卷席到空氣中,導(dǎo)致車站公共區(qū)污染物濃度增加,空氣品質(zhì)下降,因此在通風(fēng)季節(jié),雖然換氣次數(shù)足夠,但由于新風(fēng)品質(zhì)不高,同樣污染了車站內(nèi)部空氣。
公共區(qū)地面一般采用人造大理石材,墻面采用鋼化玻璃或石材,吊頂采用金屬方通,主材一般導(dǎo)致公共區(qū)空氣污染的概率較低,施工用的玻璃膠、粘結(jié)劑等輔材是形成公共區(qū)空氣污染的又一因素,車站公共區(qū)衛(wèi)生間設(shè)置在車站站臺時(shí),由于通風(fēng)系統(tǒng)不順暢,污染站臺公共區(qū)的空氣品質(zhì),設(shè)置在出入口時(shí),影響出入口空氣品質(zhì),當(dāng)車站公共區(qū)執(zhí)行排風(fēng)模式時(shí),就會影響車站公共區(qū)空氣品質(zhì)。
車站公共區(qū)室內(nèi)空氣品質(zhì)的控制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)控制工程,除了上述影響車站空氣品質(zhì)的因素外,擁擠的乘客也是一個(gè)重要的污染源。針對室內(nèi)空氣品質(zhì)的提升,除了對地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)控制方式進(jìn)行完善外,針對室外汽車尾氣、霧霾天氣等方面的措施也是十分有必要的,提高風(fēng)道裝修標(biāo)準(zhǔn)、加裝新風(fēng)道過濾器等保證新風(fēng)潔凈度的措施等對提高室內(nèi)空氣品質(zhì)具有重要意義。
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Analysis of Air Pollution in Subway Station
Chen JiaQi
( China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Xi'an, 710043 )
This paper makes an investigation and analysis of the sources of air pollution of underground subway station. It analyzes the cause of air pollution in the public area of the subway station from the environment of the fresh air shaft and the value of fresh air, the calculation method of the station fresh air, the characteristics of pure lag and large inertia of air conditioning system. It has a certain reference for improving the quality of the public district of the subway station.
Fresh Air Rate; Passenger at Station; Ventilation and Air condition; Headway
U231+.5
A
1671-6612(2018)02-175-04
陳嘉麒(1970-),男,工程師,E-mail:1094721542@qq.com
2018-01-15