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地铁动态通风与CO?浓度分布研究通过上海三线实地测试与CFD模拟发现，列车运行中车尾CO?浓度较车头高17%-24%，前部通风率超设计值20%，后部不足25%，建议提升至50%。压力差异与密封性不足是主因。
Xinge Chen|Jiangpeng Li|Huagan Yang|Yan Wu|Haiying Wang|Jianbin Zang
同济大学汽车与能源工程学院，上海 201804，中国
摘要
地铁环境对乘客的健康和舒适度有着显著影响。为了评估运行中的地铁列车内部的空气质量，我们在上海的三条地铁线上进行了实地测试，测量了不同车厢内的二氧化碳浓度和新鲜空气供应量。进一步通过数值模拟研究了列车在隧道中运行时，由于表面压力变化而产生的动态通风率。测试结果显示，二氧化碳浓度从列车前端逐渐增加到后端，后端车厢的二氧化碳浓度是前端的1.17到1.24倍。运行中的地铁列车前端和后端车厢的新鲜空气供应量可能分别偏离设计值20%和-25%。因此，新鲜空气的供应量需要从设计值32%增加到大约50%。交叉气流的主要原因是运行过程中的压力差，而密封性能不佳会加剧这一现象。因此，需要在压力调节和车辆密封之间找到一个优化的平衡。本研究结果可以为地铁通风设计和车内环境控制提供参考。
引言
随着城市的快速发展和进步，地铁因其高效、安全、便捷以及高载客量而被视为许多城市的主要公共交通方式。同时，乘客对地铁车厢内空气质量与舒适度的要求也在不断提高。然而，地铁车厢具有相对封闭的空间和较大的载客量。许多研究表明，地铁系统中的污染物浓度可能高于室外空气（Hernandez-Castillo等人，2014年；Rivas等人，2017年；Gong等人，2019年；Fan等人，2024年）。最近在中国北方的一项研究发现，地铁在中等污染程度下运行时，PM2.5和二氧化碳的浓度分别为115–150 μg/m3和1375–2218 ppm（Gao等人，2019年），这可能超过中国的空气质量标准（75 μg/m3和1500 ppm），对乘客的健康构成较高风险。因此，迫切需要对地铁车厢内的空气质量进行研究（Wang和Li，2025年）。
污染物浓度是评估地铁车厢空气质量的主要指标。已有部分研究针对污染物浓度进行了探讨，大多数研究首先在特定地铁线路的单节车厢内进行实地测试，然后分析污染物的化学种类、浓度水平、分布特征及影响因素（Wang和Li，2025年；Kam等人，2011年；Martins等人，2016年）。车厢内的主要污染物之一是二氧化碳（CO?），它是人类代谢产生的主要物质，排放量较大。二氧化碳浓度常被用来评估室内空气质量以及人类呼出的污染物（Li等人，2018年）。研究表明，乘客载量、室外空气质量及通风系统对车厢内二氧化碳浓度有显著影响（Laskari等人，2017年）。许多研究发现，乘客载量与车厢内二氧化碳浓度之间存在高度正相关（p < 0.05）（Xu等人，2013年；Park和Ha，2008年）。Cheng等人（Ren等人，2022年）指出，在地下隧道中运行的地铁列车内的二氧化碳浓度比在高架线路中高出约20%（p = 0.013）。
通风是改善地铁车厢空气质量的主要手段。为了满足舒适度和健康要求，车厢内的人均新鲜空气供应量必须达到10 m3/h（Cheng等人，2012年；中华人民共和国质量监督检验检疫总局，2003年）。然而，当地铁列车运行时，由于外部和内部压力的波动，通风率不再是恒定值（欧洲标准化委员会，2006年；Liu等人，2017年）。大量研究报道了运行中列车的压力特性。Liu等人（Niu等人，2017年）测量了实际列车运行过程中的外部和内部压力变化，发现外部和内部压力幅度分别与列车速度的平方和0.7次方成正比。许多研究指出，隧道内的环境压力从列车前端到后端逐渐降低（Liu等人，2019年；Xu等人，2016年）。一些研究注意到压力变化对地铁列车通风系统的影响。不同车厢排列位置的外部压力分布特征可能导致不同车厢的通风率和空气质量存在差异。Hu等人（Chen等人，2022年）发现，从列车前端到后端，外部压力逐渐减小，导致前端车厢的进气更加容易，而出气更加困难。Deng等人（Hu等人，2016年）的模拟结果显示，当列车速度达到40 m/s时，列车迎风端的空调单元新鲜空气供应量比静止时增加了37.06%。室内空间的实际通风率可以通过二氧化碳浓度来估算。Kwon等人（Deng和Hu，2007年）测量了首尔地铁的二氧化碳水平，并根据二氧化碳水平的变化趋势通过理论方法计算了车厢内的自然通风率。Niu等人（Kwon等人，2010年）和Ma等人（Niu等人，2022年）利用环境质量平衡方程计算了新鲜空气供应量。
然而，许多研究未能充分捕捉列车运行过程中空气质量的动态变化。大多数研究仅关注整列车的平均空气质量水平，且只在单节车厢内进行测试，忽略了不同车厢之间的差异。尽管研究了许多影响因素，但很少有研究关注车厢内空气质量与通风系统动态性能之间的关系。特别是，由于外部和内部空气动力压力的快速变化，车厢内的通风率和流场会发生显著变化。因此，在本研究中，我们在每列地铁的不同车厢内对二氧化碳浓度进行了实地测试，以研究空气质量及通风率的时间和空间特性。实地测试结果表明，外部和内部空气动力压力的波动可能是这些特性的形成原因。此外，通过建立三节车厢地铁车以及通风和空调系统的整体模型，应用计算流体动力学（CFD）工具模拟了地铁列车在隧道中运行时受外部压力波动影响的非稳态通风特性，从而进一步探讨其动态变化机制，并为优化通风系统和改善地铁列车空气质量提供参考。
部分内容
二氧化碳浓度的测量
我们在上海地铁X线、Y线和Z线上选取了两个工作日对运行中的地铁列车内的二氧化碳浓度进行了实地测试。每条线路选择了20到30个车站之间的部分区间，采样路线如图1(a)所示。X线的采样路线涵盖了高架和地下线路。此外，每条测量线路还选择了三条地下线路（从A站到B站、C站到D站以及E站到F站）。被测量车厢内的乘客载量为
物理和数学模型
运行中列车的空气流动条件会显著影响通过风道的机械通风率。本研究涉及的列车为A型地铁列车，车厢内的空气分布包括上层空气供应、上层空气回流和上层空气排出。A型地铁车厢的典型通风和空调系统包括两个空调单元（ACUs）以及安装在车厢顶部的风道系统。
车厢内二氧化碳浓度的时间和空间分布特性
图6显示了三条线路在高峰和非高峰时段二氧化碳浓度的瞬态变化。图6(a-b)展示了X线四节车厢在早高峰和非高峰时段的二氧化碳浓度变化。可以看出，在地铁列车运行过程中，车厢内二氧化碳浓度的变化范围较大，表现出明显的瞬态特性。
结论
本研究通过整合多线路实地测量数据和三维非稳态CFD模拟，全面研究了运行中地铁列车的动态通风和空气质量。主要发现及其意义总结如下：
(1)揭示了空气质量的显著空间差异：车厢内的空气质量沿列车长度存在明显的不均匀性。二氧化碳浓度从前端车厢开始逐渐增加
CRediT作者贡献声明
Xinge Chen： 软件开发。Jiangpeng Li： 软件支持。Huagan Yang： 验证工作及软件开发。Yan Wu： 项目管理工作及方法论研究。Haiying Wang： 项目管理工作及方法论研究。Jianbin Zang： 监督工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52578139和52108087）的支持。
