摘要　通过对有屏蔽门时地铁隧道和车厢内ｃｏ2浓度的建模与分析指出,在冬季如关闭地铁线各车站轨顶站台底的排风机,仅依靠活塞风,在早晚高峰时期能满足隧道中的温度要求,但不能满足列车内人员的卫生要求。经计算得出,最不利段隧道内早晚高峰时最小新风量为41ｍ3/ｓ,此值正好与车站轨顶站台底排风机风量相吻合,说明有屏蔽门时早晚高峰时必须开启车站轨顶站台底的排风机。

关键词　地铁　屏蔽门　ｃｏ2浓度　新风量
 
1问题的提出
      地铁环境控制(以下简称环控)是地铁能够正常运行的重要保证,车厢内环境品质(ｉｅｑ)的控制是地铁环控的重要内容,目前国内外的研究与实际工程设计[17]均主要针对地铁站厅、站台和隧道的空气新风量进行分析,提出相应的技术指标,并未涉及乘客逗留时间长、人员密度大的车厢内部的人员新风量问题。目前对车厢内部的研究仅指车辆生产厂家配置通风空调系统,其中新风量和空调负荷的算法和固定建筑一样,没有考虑列车停站时的换气量、运行时产生的一系列压力问题以及隧道空气并非室外新风的问题。
      《地铁设计规范》[1]中规定:当通风系统开式运行时,每个乘客所需的新风量不应少于30ｍ3/ｈ; 当闭式运行时,其新风量不应少于12.6ｍ3/ｈ,且系统的新风量不应少于总送风量的10%。当采用空调系统时,每个乘客所需的新风量不应少于12.6ｍ3/ｈ,且系统的新风量不应少于总送风量的10%。WWW.11665.cOM而并未涉及地铁车厢内通风量与新风量。
      文献[1]中还规定:空调车新风量20ｍ3/(人·ｈ),正压5～10ｐａ,能提供45ｍｉｎ的应急通风,每节地铁列车通风量不少于4000ｍ3/ｈ,目前设计通风量为7000～8000ｍ3/ｈ。然而地铁列车车厢内的新风量,实际是隧道内的空气,并非真正意义上的新风。
      无屏蔽门时,由于站台送风、列车运行的活塞风作用,站台空气和隧道空气有一定的掺混,掺混系数随着站台送风速度和活塞风作用的增强而减小,但掺混量是增加的。为减少站台空调能耗,减少掺混量,一般在站台两端设置迂回风道,减少活塞风对站台的影响,目前地铁运行情况和2003年8月清华大学对广州地铁一号线测试结果表明,这种结构能满足地铁列车车厢内人员要求。
      地铁有屏蔽门时,在夏季或过渡季,一般都要开启车站轨顶站台底排风机,其排风量为40～50ｍ3/ｓ,由ｓｔｅｓｓ模拟可知,这时隧道内新风量已大于无屏蔽门时的机械通风工况。但在冬季,隧道中温度不是很高,如关闭地铁线所有车站轨顶站台底的排风机,仅依靠活塞风道的进、排风量是否能满足列车内人员卫生要求?笔者将对此进行探讨。
2 车厢内ｃｏ2浓度的研究
      目前地铁列车采用的新型组合式通风机,经测试,在列车运行过程中,其首末车厢环境压差为600ｐａ时,动态进风量为787ｍ3/ｈ且基本不变,每节车厢安装11台,总风量不小于7000ｍ3/ｈ,车厢尺寸为19.0ｍ×2.4ｍ×2.3ｍ。
      不管有无屏蔽门,以车厢为控制体,车厢壳体为边界,地铁列车在隧道中运行时流入流出控制体的ｃｏ2浓度平衡示意图见图1。

      假设车厢内温度不变,则车厢内空气密度ρ为常数,取ρ=1.2ｋｇ/ｍ3。在一般农村和城市,室外空气中ｃｏ2的质量分数为0.050%～0.075%(体积分数为0.033%～0.049%),卫生要求地铁车站、车厢内ｃｏ2的体积分数不大于0.15%,即质量分数不大于0.228%。不考虑车厢内外的温差影响,此时车厢内ｃｏ2质量平衡微分方程为

      式中　ｇ为车厢内进、排风量,ｋｇ/ｈ;ｃ1为隧道内ｃｏ2的体积分数,%;ｔ为时间变量,ｈ;ｍ为每个人的ｃｏ2发生量,ｇ/(人·ｈ),数值见表1;ｎ为每节地铁列车车厢内人员数,人,额定载客量为260人,超员载客量上限为312人;1000为换算系数,ｇ/ｋｇ;ｃ为车厢内ｃｏ2的体积分数,%;ｖ为车厢体积,ｍ3,车厢内体积为104 88ｍ3,净空间体积为ｖ=104.88-0.08ｎ。

      式中　ｃ0为站台的ｃｏ2体积分数,%,可作为列车的初始ｃｏ2体积分数;ｃｎ为车厢内ｃｏ2的最终体积分数,%,该值应不大于满足车厢内人员卫生要求的ｃｏ2的允许浓度ｃｃ;τ为列车运行时间,ｈ,1700ｍ的区间大概运行116ｓ。
      车厢内初始ｃｏ2体积分数ｃ0与隧道内ｃｏ2体积分数ｃ1的关系见图2。

      由图2可知,当车厢内ｃｏ2初始体积分数变小时,隧道内空气的ｃｏ2体积分数可以高一些。而车厢内ｃｏ2初始体积分数主要跟车站站台内的ｃｏ2体积分数有关。根据文献[2],对上海地铁一号线部分站台的ｃｏ2浓度进行测试,其质量分数为0.064%～0.083%(体积分数为0.042%～0.055%)。假设车厢内ｃｏ2初始质量分数为0.083%(体积分数0.055%),由图2可知,隧道内ｃｏ2质量分数应不大于0.0955%(体积分数不大于0.063%),就可以满足最不利工况下车厢内人员卫生的新风量要求。
      进一步讨论的问题是,为保证隧道内ｃｏ2质量分数不大于0.0955%(体积分数不大于0.063%),隧道的通风量与ｃｏ2浓度的关系。

3 隧道内ｃｏ2浓度的研究
      有屏蔽门时,在冬季如仅靠活塞风道进排风,能否满足车厢内乘客的卫生要求?以隧道作为控制体,隧道围护结构为边界,流入流出控制体的ｃｏ2浓度平衡示意图见图3。图中ｌ1,ｌ2,ｌ3,ｌ4分别为从站台流入、从隧道流入、从隧道流出、从站台流出的空气量;ｃ室外,ｃ隧道1,ｃ隧道2分别为室外、隧道1、隧道2空气中ｃｏ2的质量分数。

      图3中,在δｔ时间内,如果从活塞风井进入隧道的室外空气量能把列车各车厢排放出的ｃｏ2稀释到隧道允许体积分数0.063%(质量分数0.0955%)以下,就可以认为隧道内ｃｏ2浓度不再升高,也就满足了车厢内人员的卫生要求。
应满足如下不等式:

4 结论
      地铁无屏蔽门时,不论是开式运行还是闭式运行,由于列车的活塞风作用,能满足地铁列车车厢内人员的卫生要求;地铁有屏蔽门时,在夏季或过渡季,一般都要开启车站轨顶站台底排风机,其排风量为40～50ｍ3/ｓ,由ｓｔｅｓｓ模拟可知,这时隧道内新风量已大于无屏蔽门时的机械通风工况。但在冬季,隧道中的温度不是很高,如关闭地铁线所有的车站轨顶站台底的排风机,仅依靠活塞风道的进、排风量,在早晚高峰时期是不能满足列车内人员卫生要求的,经计算,最不利段隧道内早晚高峰时最小新风量为41ｍ3/ｓ,这正好是车站轨顶站台底排风机的排风量,也就是说,有屏蔽门时,早晚高峰时必须开启车站轨顶站台底的排风机。
 
参考文献
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