王新伟 周健 覃道枞 陈小开

（昆明理工大学 建筑工程学院，昆明 650500）

地铁作为城市公共交通的重要组成部分，逐渐受到人们的欢迎，在很大程度上缓解了城市交通压力［1］。在地铁载客较多时，人体呼出的CO2是车厢气态污染物的主要成分，CO2浓度指标通常用于判断车内污染程度［2］。车内空气高浓度CO2污染危害健康，地铁是一种重要的绿色交通工具，车厢IAQ备受关注。

有研究［3］发现轨道交通车内CO2瞬时浓度中位数与最大值各为0.132%与0.295%，1h均值浓度中位数与最大值各为0.152 %与0.204 %，高峰期车厢CO2瞬时浓度和1 h均值浓度中位数都超出我国公共交通标准限值［4］。选取北京市地铁7条线路的车厢作为测试对象，结果表明车厢内CO2质量分数超标率达到9.5 %~47.4 %［5］；
对上海等城市的地铁车厢IAQ进行调查发现，夏季与冬季仅各有2条与3条线路车内CO2未超标，其他线路CO2均超标，还得到每节车厢乘客数<117人时，CO2浓度才能满足标准要求［6］。以我国某A型地铁车辆的车厢作为物理模型，利用Fluent对车厢内气流组织进行模拟计算，结果发现60°对开送风角最能满足人体热舒适性要求，而且送风角还影响涡结构的形成和车内空气污染物的传播［7］。以上研究表明非高原城市地铁车内CO2污染超标，通风可以改善车厢IAQ。

目前针对高原城市轨道交通IAQ研究较少，无法客观认识车内污染是否超标，本文以高原城市昆明地铁车厢为研究对象，以车内空气CO2为代表性污染物，通过现场实测与数值模拟分析了轨道交通车厢空气污染与通风优化措施。

采用IAQ7545空气质量检测仪分析车内CO2浓度，使用VELOCI-9565多功能通风表测试车内风速。现场测试以选取车厢的1/4部分来布置测点，具体布置方式为：将Y=9.5 m和Y=14.5 m的测试区域以5等分划分，选取高度方向上Z=1.7 m平面和宽度方向上X=1.45 m平面之相交，共产生6个有效测点，最后取平均值作为各站点实测值，现场测试如图1与测试布点如表1所示。

表1 各测点对应坐标 m

2.1 数学模型

采用Realieable k-模型及压力与速度耦合的SIMPLE算法求解CO2扩散规律，为了简化计算，对模型做出假设：①车内空气流速<0.35 m/s，可视为不可压缩流体，且流体密度符合Boussinesq假设；
②空气流动视为稳态湍流过程；
③车厢的密闭性良好，送风较为均匀，除送回风口外无漏风；
④新风CO2浓度为400 ppm［8］；
⑤车内空气为辐射透明介质，忽略固体壁面间的热辐射。

在以上假设的基础上建立由连续性方程、能量方程、动量方程和组分运输方程等组成的封闭方程组，下面将其表示为通用标准形式［9］：

2.2 物理模型及简化

测试地铁为B型车，车厢通风采用上送上回与一次回风的气流组织形式。车厢内部长/宽/高尺寸为19.5/2.9/2.35 m，送风口0.6 m×0.1 m采用条缝型单层格栅，共32个沿走道对称布置于车厢顶部两侧；
回风口1.1 m×0.5 m共布置2个，分别在车厢长度方向的1/4和3/4处。因车厢内部结构的复杂，对送风口、回风口（排放口）、座位和人体进行了简化，模型如图2。

2.3 边界条件

以夏季工况为例，假定车内初始压强为昆明当地大气压80.8 kPa，初始温度为297 K，初始CO2浓度为400 ppm，其他各边界条件设置：①送风口：速度入口边界，送风速度为1.5m/s和2.5 m/s，送风温度为291 K；
②回风口：自由出流边界；
③人体呼出口：质量流入口边界，CO2的组分质量分数为0.04［10］，呼出气体的温度为307 K。

2.4 模拟工况设置

分别调整送风角度（外倾与内倾分别向车厢两侧壁面与中间过道倾斜）与送风速度得到9种工况条件进行模拟计算，各工况设置如表2所示。

2.5 网格划分及独立性验证

采用非结构性多面体网格来划分模型，对车厢送风口、回风口及人体呼出口进行了网格加密。在工况a的边界条件下，分别采用表3中3种精度的网格进行计算，选取车厢长度方向上的中轴线浓度值来比较3种网格的差异，结果见图3。由图3可知，网格数量为120万和178万的CO2浓度值变化基本一致，76万的网格精度较差，其变化幅值较为明显。因此，可认为后2种网格数满足了计算的要求，实现了网格的独立性，综合考虑到120万的网格数所需要的计算资源相对较少，在进行模拟研究时选取120万的网格数作为计算网格。

表2 不同场景下的模拟工况

表3 不同精度下的网格信息

3.1 车厢内CO2浓度分布

从图4可知，平峰期工况a中静坐乘客呼吸区的CO2整体浓度较低且均匀性好，平均浓度为1 053 ppm。由于车厢中部距两端的回风口较远，空气在狭长空间的流动受限，导致中间局部区域的CO2浓度偏高；
工况b中静坐乘客呼吸区的CO2整体浓度较高且均匀性差，平均浓度为1 229 ppm。可能在外倾角度下送风，卷吸了静坐区域的空气，形成了不稳定的涡结构，对CO2扩散产生了“锁定”作用，将其限制在乘客呼吸区附近，对车厢中部乘客影响更明显（>1 500 ppm）；
工况c的平均浓度为1 148 ppm，介于工况a和b之间，但在内倾角度下送风，容易使CO2沉积在乘客周围形成死角，不利于污染净化。高峰期工况d、e和f中静坐乘客呼吸区CO2平均浓度各为1 292、1 491和1 404 ppm，受到站立乘客增加的影响，导致车内大片区域CO2浓度超出了我国IAQ标准［11］。

从图5可知，在平峰期，由于乘客作为人体热源，附近形成了“热羽流”带动污染物向车厢上部区域扩散，导致站立乘客呼吸区的整体浓度高于静坐乘客，平均浓度依次为1 098、1 272和1 184 ppm；
在同等条件下，如果污染物不能及时稀释，站立乘客受到的影响更大。在高峰期，站立人数是平峰期站立人数的3倍，增大了CO2散发量，同时还形成了更多的涡结构，使空气的流动受限，严重影响车厢IAQ，导致工况d、e和f中站立乘客呼吸区的CO2平均浓度依次为1 528、1 786与1 676 ppm，整体浓度都超过我国公共交通标准限值［4］，无法满足车内环境卫生要求。

通过对比发现，在平峰期Z=1.2 m和Z=1.7 m的呼吸区内仅有工况b的车厢中部区域发生了大范围CO2浓度超标现象，此时送风采用垂直入射的方式可以实现降涡、稀释的作用。在高峰期Z=1.2 m的静坐乘客呼吸区内仅有工况d没有发生大范围CO2浓度超标现象；
此外，Z=1.7 m的站立乘客呼吸区是CO2主要聚集的区域，除回风口下方区域的CO2得到了有效稀释，车厢内其他区域通过改变送风入射角度的方式无法稀释污染物。

3.2 车厢内气流速度矢量分布

图6可知平峰期工况a送风口下方的气流分布均匀较好，人员活动区的气流速度基本上低于标准值［12］0.35m/s，但车厢端部的微风速<0.07 m/s，出现了静止区域。工况b和c的送风口下方形成了更多小尺寸的涡流，导致其均匀性较差，尤其在送回风的循环区域处，很容易造成风速超标，给下方的乘客带来吹风感。在高峰期全车厢送风口下方的气流均比较紊乱，可能是人员的增加，导致空气的流动受限所致，由于站立的乘客较多，内倾45°送风可以有效改善站立乘客活动区气流组织，所以工况f中产生的涡流尺寸小于工况d和e，大部分区域的风速都低于标准值［12］。

从图7可知，工况a—工况f中回风口下方区域的微风均速>0.35 m/s，皆形成了大尺寸的涡流区，此时调整送风角度也无法缓解给乘客带来的吹风感，因此不建议年老体弱者站立在车厢的回风口下方。

3.3 车厢内通风优化处理

模拟结果表明在平峰期，采用垂直入射角度的工况a为最优工况，可以有效稀释车内CO2污染，并保持良好的气流组织。但在高峰期，调整送风角度不能有效降低CO2浓度，下面考虑改变送风速度为2.5 m/s模拟分析（工况g、h、i）。

如图8和图9所示，增大送风速度可以明显降低乘客呼吸区的CO2浓度，且垂直入射的方式稀释效果最好，车厢中部未出现污染物聚集现象，净化效率>90%，其他2种送风角度也可以稀释CO2污染，但效果不明显。在高峰期，车内人员过多造成呼吸区处CO2浓度超标，建议采用垂直入射送风角度的同时，调整风速的大小来改善车厢IAQ，但是会导致地铁运行中产生过多的能耗并给乘客带来吹风感。

综合考虑，在地铁的设计中，可以使用变频空调机组送风，由于车厢顶部低，送风口距站立乘客头部很近，所以在满足送风量的条件下，送风口风速应尽量低一些，避免给乘客带来不适感，但送风风速过小，射程距离过短容易形成送风短路，即送风还没有带走乘客散发的热量就进入了回风口。具体通风优化措施为：客流量小的阶段，乘客散热量和CO2散发量较少，在满足车内环境卫生要求的前提下，可以通过降低风速，达到稀释CO2和节能减排的目的；
客流量大的阶段以稀释CO2浓度到标准值以下作为主要参考值来调节风速。

4.1 车内CO2污染实测浓度分析

现场调查发现高峰期各站点的CO2浓度明显高于平峰期，地铁从大学城南站到北部汽车站，车内乘客数先增加后减少，车内CO2浓度呈现出先上升后下降的趋势；
其中平峰期的CO2污染较低，大部分站点低于我国IAQ标准，仅在中途6个站车内CO2浓度超出我国IAQ标准［11］，最高点达到1 143 ppm，但仍满足我国公共交通标准［4］。但是高峰期车内CO2污染严重，浓度超出我国IAQ标准［11］的站点有16个，超标率达50%，特别在昌宏西站附近CO2浓度达到1 612 ppm，超出我国公共交通标准［4］，在此后的5个站点，车内CO2浓度继续超标，在换乘站之前更是达到了峰值1 662 ppm，随后大量的乘客下车，CO2散发量逐渐减小，同时伴随着车厢内污浊空气的排出，使得CO2浓度开始急剧下降。

4.2 实测与模拟工况的验证

如图10—图11所示，通过实测数据与工况a和d的模拟结果比较可知，各测点实测值与模拟值的总体变化趋势相似，实测与模拟有较好的吻合度，说明CFD模拟结果具有合理性。

1）现场实测调查发现，地铁车内CO2浓度呈现出先上升后下降趋势，平峰期部分站点车内CO2浓度超出我国IAQ标准，高峰期车内CO2污染严重，大部分站点车内CO2浓度超出我国IAQ标准，需要进行通风优化。

2）数值模拟结果表明，垂直入射能明显稀释车内CO2浓度，为最优送风角度，外倾45°角送风对CO2的锁定作用最大，为最不利送风角度，但在高峰期受站立乘客增加的影响，内倾45°角送风使车内气流矢量分布更均匀。

3）当车内人员过多时，选择最优送风角度无法有效降低车内CO2污染浓度，增大送风速度能避免送风短路，车内空气污染净化效果更为明显。

4）受人体热源形成的热羽流和回风风速影响，车内CO2向车厢顶部扩散，导致站立乘客呼吸区（Z=1.7 m）CO2浓度水平明显高于静坐乘客呼吸区（Z=1.2 m）CO2浓度水平。

5）回风口附近气流速度较大，导致回风口下方区域CO2浓度较低，远离回风口区域CO2无法及时排放更易超标，但回风口下方区域气流组织均匀性较差，乘客更易感受到吹风感。

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