运营地铁内污染物浓度的计算方法及应用研究

摘要

随着我国城市化进程的持续推进和市内交通运输压力的不断增加，地铁的客流量逐年提高，并日益呈现出高速化的趋势。地铁客流量和行车速度的增加不可避免地引起地铁内空气品质下降问题，部分地铁在运营过程中已经多次出现了乘客在车厢内晕倒等现象。对运营地铁内污染物浓度进行研究，可为提高地铁的运行效率提供可靠的参考依据，对提高车厢内的空气品质和乘坐环境舒适性也有重要的实际意义。本文采用理论分析、现场测试和数值仿真等手段，根据空气在地铁内的流动过程，对地铁站厅、站台、区间隧道和车厢内污染物浓度的演化过程和分布规律进行了系统研究。结合列车在区间隧道内运行时的车体压力变化，探讨了车体压力、车辆通风和车厢内污染物浓度的演化过程和影响因素，提出了运营地铁内污染物浓度的计算方法，并实现了工程应用。论文的主要研究内容和研究成果如下：
　　 (1)以理论分析和现场测试等手段，根据空气在地铁内的流动过程，建立了基于外部大气、站厅、站台、区间隧道和车厢内的地铁内污染物浓度的计算模型；以CO2为示踪气体，对外部大气、地铁车站、区间隧道和车厢内的污染物浓度进行了现场同步测试研究，分析了地铁内污染物浓度的变化过程和分布规律。研究结果表明地铁内空气的CO2浓度水平与周围乘客人数是直接相关的，客流高峰时段的车厢和区间隧道内的污染物浓度水平较高。
　　 (2)建立地铁区间隧道——列车相对运动的数值仿真模型，模拟列车在区间隧道内的实际运动过程，分析了地铁条件下车体压力的分布特性、变化机理。根据地铁的特点，探讨了影响车体压力的区间隧道通风方式、地铁内附属结构物、列车速度和列车车型等主要影响因素，并提出了相关的经验计算公式。研究结果表明：地铁的阻塞比一般在0.48～0.56之间，表现出较显著的活塞运动特性。地铁区间长度不利于降低车体压力。减小竖井面积面积、增加竖井数量和打开风阀有利于降低车体压力。区间隧道通风可同时改变车体压力的最高和最低压力峰值，对车体压力幅度的影响较小。
　　 (3)以地铁车厢为研究对象，将车体压力、车辆通风和空气质量看作一个整体系统，从列车在区间隧道内行驶时车体表面压力的变化过程出发，结合车辆的密封条件、车辆风机性能曲线、管网特性曲线和地铁内外污染物演化计算公式，建立了车体压力、通风量和污染物演化的统一计算模型。
　　 (4)以MATLAB为平台，开发了地铁内污染物浓度的计算软件，软件实现了参数化输入，具有集总参数分析和模块化调用的功能，并结合广州地铁2、3号线的6个车站和3个区间段的实际情况，对模型的可靠性进行了验证，实现了在地铁内污染物浓度计算中的应用。
　　 (5)根据列车在区间隧道内运动时车体压力的变化过程，结合车厢密封性，同时对车厢内外压力差、车厢漏风量、车辆风机风量和车厢内污染物浓度的变化过程进行了计算和对比分析。
　　 (6)基于车厢内污染物浓度水平，对影响车厢空气质量的列车速度、车厢密封性、区间隧道通风、附属结构物和风机风压等因素进行分析，为现有地铁线路的运营和未来的地铁设计提供可靠的参考。研究结果表明：低速条件下车厢内污染物的累积效应不显著，污染物浓度可看作是恒定的。高速条件下密封车辆车厢内的总进风量是减小；非密封车辆车厢内的总进风量是增大的，提速应注意对密封车辆通风和车厢空气质量的影响。开启风阀和选用高压力车辆风机有助于提高密封车厢内的送风量，降低车厢内污染物浓度。