高速列車客室空氣污染物傳播特征與凈化效果

王宗昌，周新喜，馬冰冰，*，伍 釩

(1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111；2. 中南大學 軌道交通安全教育部重點實驗室，長沙 410075)

0 引 言

高速列車的舒適性和安全性是我國軌道交通領域發展的一個永恒話題。目前，關于列車客室環境的研究主要聚焦于流場溫濕度和速度指標下的乘客舒適性研究，對于列車客室污染物空間擴散規律的研究相對較少。相關研究表明，客室內的小粒徑固態污染物（如PM2.5、PM10等）濃度通常是室外環境的2～5倍，極端情況下可以高達100倍[1]。在高濃度可吸入顆粒物暴露的環境下，人體的患病和死亡風險都會顯著增加[2-4]。隨著新冠疫情的爆發，以固態和液態懸浮顆粒為代表的空氣污染物在封閉空間內的傳播特性引起了各界的廣泛關注[5]。對于高速列車而言，明確污染物在客室內的動態傳播規律、空間分布以及典型凈化技術對污染物傳播的抑制效果，對列車客室空氣污染物的抑控、凈化以及客室空調系統風道結構和送風參數的優化設計具有重要的參考意義。

目前，針對載運工具客室污染物傳播模型的研究主要分為數值模擬研究和實驗研究兩類。在數值模擬研究方面，針對載運工具客室的湍流流動環境，先后有不同學者基于各類瞬態湍流模型（雷諾時均模型、分離渦模型、大渦模擬等）針對載運工具客室環境開展了系統性計算流體力學數值仿真研究[6-8]。此外，一些學者在流場特性研究的基礎上研究了流場中液態[9]、固態[10]污染物在客室空氣中的擴散機制。雖然數值模擬研究相比于實驗研究具有更高的計算效率，但是其對于邊界條件、計算域和幾何結構均做出了不同程度的簡化，其計算結果與真實情況不可避免地存在一定的偏差。因此，為了驗證數值模擬研究方法的準確性，同時真實反應包括風道系統、客室內裝和標準送風模式下的客室環境流場特征，多位學者相繼針對飛機、汽車等代表性載運工具的客室環境流場結構和溫濕度等參數進行了實驗研究[11-12]。然而，針對高速列車客室內流場環境的研究，尤其是固態、液態污染物在客室環境中的擴散傳播過程的實驗研究目前為止還較為匱乏。現有研究大多圍繞客室的溫濕度和壓力舒適性的內流場實驗展開[13]，無法為污染物在客室內的傳播特征提供直接借鑒。

對于空氣環境中的污染物擴散這一問題，已經有多名學者從醫學和工程等多個研究領域開展了系統性分析。結果表明，雖然大多數致病污染物主要以液態氣溶膠顆粒的形式懸浮在空氣中[14]，但是如果為了實現對于污染物顆粒統計學傳播特征的全面動態捕捉，不論當前的數值模擬研究技術或者是實驗技術均無法滿足上述需求。Luca學者從數值模擬角度證明，室內流場中的小粒徑固態顆粒（如PM2.5，PM10）和液態顆粒的動力學傳播特征差異并不明顯。因此，可以通過對固態污染物顆粒的釋放、追蹤和檢測，實現對客室空氣污染物動態傳播特征的歸納和概括[15]。

在高鐵客室污染物凈化研究方面，現役列車常見的凈化方式為G1或G2級濾網凈化，該濾網對空調系統混合腔內由新風和回風組成的混合空氣進行過濾處理，能實現對一定粒徑以上的固態、液態顆粒的凈化[16-18]。然而，上述濾網只能實現對不同粒徑固態污染顆粒物的攔截，而無法針對污染顆粒物內的有害成分實現凈化。為了實現對運行狀態下高速列車客室污染物的持續清潔，可以借鑒現有的針對建筑環境內空氣凈化的基于介質阻擋放電技術（dielectric barrier discharge, DBD）[19]和靜電除塵技術（intense field dielectric, IFD）[20]等高效環保的滅菌除塵方式。

鑒于上述現狀，本研究基于具有完整空調功能、風道結構和客室內裝結構的某型高速列車實驗平臺，通過播撒濃度、速度可控的固態污染物顆粒發生裝置模擬污染物的產生過程，利用實時監測設備對客室污染物濃度進行記錄，實現對典型高速列車客室通風模式下污染物在客室空間內傳播過程的捕捉。在此基礎上，檢驗基于靜電除塵技術和介質阻擋放電技術的兩種代表性空氣凈化方案對客室污染物的凈化效果。研究成果能夠揭示典型客室流動環境對污染物動態傳播過程的影響機制，明確污染源對客室不同代表性位置的影響程度，為后續的實驗研究提供技術方法借鑒，為高速列車客室數值模擬研究提供實驗數據驗證支撐。

1 實驗設置

1.1 實驗環境

本實驗基于具有完整內部裝飾、風道系統和全部空調功能的某型高速列車客室。該客室的風道結構對應的進出風方式為分散式送風、集中回風的通風結構，新風口位于新風/回風混合腔的兩個側面，回風口位于混合腔的底面，呈對稱分布。客室共有13排座椅，每排5個座位，呈3+2模式分布，如圖1所示。污染源由顆粒污染物發生器進行釋放，釋放的初始流量為0.004 m3/s，初始方向為圖1中x方向的正向。釋放的固態污染物粒徑范圍在1～100 μm之間。釋放位置在客室流場的中游（如圖1所示），以此代表列車中部過道位置附近乘客釋放的污染物的擴散范圍。經測量（CLIMOMATER6501），污染源在發生位置附近的溫度為36°左右。考慮到污染源的釋放速率和列車客室流場的空氣體積，本研究不考慮污染源對客室流場溫度的影響。此外，除了現役高速列車中常見的G2等級濾網之外，本研究還在客室內裝天花板的4個代表性位置以及車內空調系統的新風/回風混合腔內（A區域）的兩個代表性位置安裝了基于介質阻擋放電技術的小型凈化設備。并且在空調的混合腔內加裝了可控制開啟的基于靜電除塵技術的空氣凈化濾網。客室結構和凈化裝置如圖2所示。

圖1 客室結構和實驗布置示意圖Fig. 1 Schematics of the passenger cabin structure and experimental layout

圖2 凈化裝置和客室結構布置圖:(a)污染物發生裝置；(b)介質阻擋放電裝置代表性安裝位置(圖片左上方)；(c)靜電除塵裝置安裝位置(圖中左側濾網附近位置)Fig. 2 Air purification unit and passenger cabin structure:(a) air pollutants generator; (b) typical installation location of the DBD unit (upper left of the picture); (c) installation location of the IFD unit (near the filter on the left of the picture)

1.2 實驗設備

基于客室的風道回風結構，在空調系統正常運行時，客室內部會形成一個沿過道方向的縱向氣流。為了全面反映污染物在客室流場中的動態傳播過程，本研究選擇了上游、中游、下游三個測點，針對空氣污染物的濃度進行監測，監測指標為PM2.5，即粒徑在2.5 μm 及以下的總懸浮顆粒濃度。基于本研究的特殊需求，本實驗采用的測量設備為項目組自行研發的高頻污染物濃度檢測設備，目前有三臺工程樣機進行持續、準確監測，因此本實驗只能針對三個代表性測點進行測量研究。污染物濃度監控傳感器具體參數如表1所示。

表1 污染物濃度傳感器性能參數Table 1 Performance parameters of the pollutant concentration sensor

1.3 實驗方法

實驗過程中，三臺監測設備均處于記錄狀態。本研究將污染源視為一個固定位置的點源，以此模擬列車中部過道位置附近乘客釋放的污染物。在每輪實驗開始前，首先使客室空調持續工作10 min，然后進行污染物顆粒的釋放，釋放時間為10 min。污染物釋放完畢后，通過監測設備持續記錄客室內污染物濃度的示數20 min，即為一輪實驗。此外，在實驗全程中，列車客室的所有車門處于封閉狀態，即客室與外部環境的新風交換完全通過空調系統進行。上述實驗條件與實際運行時的列車條件一致。

2 結果與討論

為了提取污染物在高鐵客室中的典型擴散特征，本研究基于客室空調系統的送風模式，針對內循環模式、外循環模式、頂部送風模式、底部送風模式，以及加裝空氣凈化設備之后的送風模式等幾類關鍵參數綜合作用下的工作模式，梳理了8種典型工況進行對比分析。

由于列車客室送風系統是多變量綜合作用的結果，本研究針對不同影響因素之間的組合共選取了八種代表性工況，在結果討論分析中以工況1至工況8進行表示，每個工況具體內容如表2所示。

表2 研究工況Table 2 Cases under investigation

2.1 送風模式對污染物空間擴散規律的影響機制

基于客室的風道結構，通過熱線風速儀（CLIMOMATER6501）的測量結果表明，在客室的縱向方向（圖1中x方向）上會形成一個平均速度為0.6 m/s左右的縱向氣流。而污染源的產生位置又介于上游測點和中游測點之間。因此，本研究首先對空氣凈化裝置關閉狀態下的四種代表性工況（工況1、工況4、工況7、工況8）進行分析。結果表明，所有空調運行狀態下的典型工況均會造成污染顆粒物在上中下游的全場分布。為了進一步分析污染物顆粒的動態演化規律，選取上述四種工況的實驗過程中污染物峰值濃度最高的工況（工況1）下不同測點位置污染濃度（PM2.5）的時程變化規律進行分析，結果見圖3。

圖3 內循環、底部送風工況下不同測點位置污染物濃度變化時程曲線Fig. 3 Time history curves of pollutant concentration change at different measuring points for the case of internal circulation and bottom air inlet

從圖3中可以看出，實驗最初十分鐘，即污染物發生裝置開啟之前，客室的顆粒物濃度呈現小幅下降趨勢，這是由于安裝在空調系統中的G2濾網對空氣起到了一定的凈化作用。在污染物發生裝置開啟之后，中游測點由于受到列車客室內縱向流動的影響，其污染物濃度上升的速度明顯高于其余兩個測點，且PM2.5峰值濃度也高于次高的下游測點24.18 %。此外，下游測點的污染物濃度上升速度也明顯高于上游測點，其峰值濃度高于上游測點17.87%。值得注意的是，雖然本研究通過熱線風速儀對客室環境中的流速和流向的測試發現環境中存在0.6 m/s左右的持續縱向流動。但是圖3中的實驗結果表明，分布在上游測點和中游測點之間的污染物顆粒發生器產生的污染物同樣能造成上游測點污染物濃度的顯著提升。這種現象是由于客室內裝結構和送風風道、回風風道和廢排風道的導致的局部湍流效應造成了空氣對流效應下空氣污染物顆粒從下游向上游方向的傳遞。

從圖3中還可以看出，在污染物的初始播撒過程中（即開始播撒后的3～5 min內），車廂內所有測點的PM2.5濃度均會產生較快的上升。在播撒開始5 min之后，客室PM2.5濃度的增長速度顯著放緩，并且呈現一定的波動趨勢。造成上述現象的主要原因主要來自于以下兩個方面：1）污染物發生裝置的產生速率是恒定的，在污染物釋放一定時間之后客室內的污染物濃度會在空調通風系統的作用下逐漸達到一個平衡狀態，在此過程中濃度的增速會逐漸放緩。2）客室的空調系統會依據設定的溫度和室內溫度調整壓縮機的工作狀態，當壓縮機打開或關閉時會造成送風系統風量在一定范圍的波動，從而對客室內的流場穩定性產生一定的擾動。上述現象是造成圖3中中游測點污染物濃度在實驗階段第14 min至第20 min波動的原因。除上述影響因素之外，從圖3中還可以看出，當污染物釋放停止之后，客室內所有測點位置的污染物濃度均顯著下降，并且濃度高的測點位置污染物濃度下降更為迅速。在實驗的第24 min，上中下游的三個測點污染物濃度基本上下降到同一數值水平（200 μg/m3）,并自此之后保持基本一致的速率持續下降，直到實驗時間結束。上述實驗結果表明，當污染源停止播撒時，客室內裝和送風結構導致的對流效應能夠在 5 min左右的時間內實現污染物在客室過道上中下游的均勻分布，而這種均布也不會受到客室中持續縱向流動的影響。

基于不同工況下所有測點污染物顆粒濃度的峰值數據分析結果，污染物顆粒的濃度峰值均出現在中游測點。為了更加詳細地展現客室污染物濃度的動態變化，圖4呈現出了在4個標準工況下客室中游測點污染物濃度的變化情況。表3基于上述典型送風工況，列出了在每種工況下空氣污染物顆粒濃度的峰值及其對應時間。

表3 典型工況下污染物顆粒濃度峰值及達峰時刻Table 3 Peak concentration and the time to peak of pollutant particle concentration for typical cases

圖4 客室污染物顆粒的動態濃度變化Fig. 4 Dynamic concentration change of pollutant particles in the passenger cabin

從表3 中可以看出，內循環、底部送風模式下的污染物濃度最高，其次是外循環、底部送風模式，而外循環頂部送風模式的污染物峰值濃度最低。上述結果表明，在內循環模式下，頂部送風模式更容易抑制污染物的傳播擴散，其污染物濃度峰值比底部送風下降了20.06%。除此之外還可以看出，外循環模式相比內循環模式能夠顯著地降低客室污染物濃度的峰值，且具有更高的凈化效率。本研究的實驗中所使用的外循環工況為62.5%回風、37.5%新風，相比于100%回風的內循環工況，在頂部送風模式下能夠降低污染物峰值濃度4.73%，在底部送風模式下能夠降低客室污染物峰值濃度的14.53%。然而，考慮到本實驗的污染物播撒設置在實驗的第20 min截止，上述結果表明底部送風模式下，在10 min的播撒時間內，本實驗所采用的播撒設置參數并沒有與客室的通風系統實現一個平衡的狀態，且隨著污染物顆粒濃度的升高，中游測點的污染物濃度波動更為劇烈。上述結果表明，在客室污染物顆粒濃度較高時，污染物時空分布的不均勻性會相較于低污染物濃度情況下顯著增強，并且底部送風造成的湍流脈動和污染物濃度的時空波動相較于頂部送風更為劇烈。

此外，在客室污染物播撒停止之后，客室環境中的污染物濃度仍處于一個較高的水平。此時，客室污染物的濃度會隨著時間的推移緩慢下降，以每種工況下PM2.5濃度從160 μg/m3降低到80 μg/m3所需時間作為凈化效率參考，可以得出以下結論：在上述濃度區間內，外循環模式對PM2.5的凈化效率比內循環模式高4.68%，底部送風模式對PM2.5濃度的凈化效率比頂部送風模式高5.76%。造成上述現象的原因是由于底部送風模式下創造了更加明顯的沿客室底部向頂部送風的氣流，由此一來客室頂部的回風口能夠收集到更多的污染物顆粒，從而通過裝在新風、回風混合腔內的濾網實現污染物顆粒的凈化。

鑒于現有列車上已經裝配有濾網裝置，該裝置能夠通過物理過濾的方法，實現對空氣中固態污染顆粒物的攔截和凈化。因此，圖4中的四種工況下污染物濃度平穩下降的區域，即客室污染物濃度從160 μg/m3降低到80 μg/m3（污染物濃度減半）過程的時間，展示于表4中，從而比較不同送風模式下空調系統混合腔中G2級濾網對污染物的凈化效率。結果表明，不同送風模式對于G2級濾網的污染凈化效果影響有限，除了內循環、頂部送風模式下濾網的凈化效果在12′20?左右，其余三種工況的污染物濃度下降時間均在11′09?至11′30?之間，差異并不明顯。

表4 PM2.5濃度從160 μg/m3降低到80 μg/m3所需時間Table 4 Time required for PM2.5 concentration to decrease from 160 μg/m3 to 80 μg/m3

2.2 空氣凈化技術對污染物空間擴散規律的影響機制

本研究選取了兩種典型的空氣凈化技術的工程化裝置，并在高鐵列車客室內進行了安裝（如圖1所示）。為了排除外循環模式下外界環境污染物濃度變化對不同凈化技術凈化效率的影響，本研究全部選取內循環工況對凈化技術的凈化效率進行測試。兩種空氣凈化技術的基本原理如下：

2.2.1 靜電除塵技術

基于靜電除塵技術的工程裝置原理如下：首先，將空氣送入電介質材料內的眾多空氣流動微通道中。此時，電介質材料包裹的電極片會在微通道內產生一個高壓電場。在電場的作用下，流經微通道的空氣污染物粒子會在一系列物理化學反應下吸附在材料表面。通過上述方式，不僅能夠實現對于空氣中固態污染顆粒物的高效過濾，還能在電場的作用下有效殺滅依附于固態污染顆粒物表面的細菌和病毒等微生物。本研究將基于靜電除塵技術的空氣過濾裝置安裝于高速列車的空調機組送風口處，經實驗測試表明，增加了靜電除塵技術的過濾模塊將空調系統的沿程阻力提升了30 Pa左右，屬于空調系統運行過程中可以接受的范圍。

2.2.2 介質阻擋放電技術

基于介質阻擋放電技術的空氣凈化技術主要依靠電場對空氣的電離，并依靠空氣中產生的正離子、負離子實現對空氣污染物的凈化。上述技術尤其對以細菌和病毒為代表的污染物成分具有顯著的凈化效果。本研究共使用了6個基于介質阻擋放電技術的裝置，其中兩個裝置安裝于空調混合腔的回風口出口附近（圖1中的灰色區域），另外四個裝置呈U型均布于客室頂部的天花板結構中（如圖1中標注所示）。由于上述裝置較小，對于客室氣流組織和風道結構沿程阻力的影響可以忽略不計。

2.2.3 底部送風模式下不同凈化技術的凈化效果

圖5展示出了底部送風模式下，不同凈化裝置開啟時中游測點污染物濃度的時程變化曲線。從圖中可以看出，兩種空氣凈化技術均能夠在既有的G2濾網基礎上進一步提升客室空氣的凈化效率。從圖5中可以看出，靜電除塵技術的空氣凈化效果明顯優于介質阻擋放電技術。在兩種凈化技術均未開啟時，實驗全程中游測點污染物峰值濃度為344 μg/m3，在開啟靜電除塵裝置和介質阻擋放電凈化裝置的實驗中，中游污染物測點的峰值濃度分別降低到了243 μg/m3和292 μg/m3，相比未開啟凈化裝置的工況，峰值濃度分別降低了29.36%和15.11%。

圖5 底部送風模式下不同空氣凈化技術的凈化效果Fig. 5 Purification performance of different air purification techniques for the case of bottom air inlet

上述討論中已經提及，由于在實驗過程中客室空氣污染物濃度會在送風方式和流場特性的綜合作用下出現小幅波動。因此，為了更為準確地比較不同凈化技術的凈化效率，現將每次播撒時間結束后客室污染物穩定下降的過程中分為兩個污染物濃度區間（80～120 μg/m3和120～160 μg/m3）并計算其在單位時間內的下降效率，結果如表5所示。

從表5中可以看出，靜電除塵技術對于空氣的凈化效率明顯高于介質阻擋放電技術，在高濃度區間和低濃度區間，靜電除塵技術比介質阻擋放電技術的凈化效率分別高169.91%和258.66%。

表5 空氣凈化技術的凈化效率Table 5 Purification efficiency of air purification techniques

2.2.4 頂部送風模式下不同凈化技術的凈化效果

圖6展示出了頂部送風模式下不同空氣凈化技術的凈化效果。從圖中可以看出，靜電除塵技術對于客室空氣的凈化效果同樣優于介質阻擋放電技術。此結論與底部送風模式下污染物濃度的變化趨勢研究一致。此外，對比圖5和圖6可以明顯看出，無論基于本研究中所涉及的任何一類凈化技術，底部送風模式下的污染物峰值濃度均會明顯高于頂部送風。該結論與2.1節中得出的結論一致。造成該現象的原因是底部送風模式下導致客室內產生了的更加強烈的上升氣流，從而降低了由污染物顆粒自身重力導致的沉降效應。因此更容易造成污染物顆粒在客室中部的長時間擴散。在頂部送風模式下，基于靜電除塵技術和介質阻擋放電技術的空氣凈化裝置開啟時的峰值濃度分別為230 μg/m3和228 μg/m3，相比于無凈化裝置開啟時的凈化效果分別提升了16.79%和16.06%。在此基礎上，同樣選用兩個污染物濃度穩步下降的測試區間進行空氣凈化技術凈化效率的評價，其結果如表5所示。從結果中可以看出，靜電除塵技術相對于介質阻擋放電技術仍然具有更高的凈化效率。此外，綜合凈化技術在頂部送風模式和底部送風模式結果中可以看出，在客室污染物濃度較高時，兩種空氣凈化技術的凈化效率也會隨之提升。然而當客室污染物濃度較低時，兩種空氣凈化技術的凈化效率也會發生一定程度的下降。

圖6 頂部送風模式下不同空氣凈化技術的凈化效果Fig. 6 Purification performance of different air purification techniques for the case of top air inlet

3 結 論

本文通過實車實驗的方式，整理出了固態顆粒空氣污染物在代表性高鐵列車客室送風模式下沿客室縱向方向的典型傳播特征，并在此基礎上探索了基于靜電除塵技術和介質阻擋放電技術兩類實時空氣凈化技術對客室內污染物顆粒的凈化效果。本研究的主要結論如下：

1）基于高速列車客室的風道結構設計，在客室內部會形成一個縱向氣流，但是中下游區域產生的空氣污染物仍會通過湍流對流的形式傳播到上游區域。

2）在客室污染物顆粒濃度較高時，污染物時空分布的不均勻性會顯著增強，該不均勻性是由流場的湍流脈動隨機性造成的。由于客室風道結構的設計，底部送風造成的湍流脈動和污染物濃度的時空波動相較于頂部送風更為劇烈。

3）基于現有的高速列車客室結構、風道設計和送風條件，外循環模式對PM2.5的凈化效率比內循環模式高4.68%；由于底部送風模式會在一定程度上促進污染物由客室內垂向的下部向回風口所在的上方區域運動，從而一定程度上增強了回風結構混合腔中濾網結構對污染物的凈化效率。因此，底部送風模式對PM2.5的凈化效率比頂部送風模式高5.76%。

4）介質阻擋放電技術和靜電除塵技術均能一定程度上降低客室內固態污染物顆粒的濃度。實驗結果表明，在80～160 μg/m3的濃度區間內，靜電除塵技術對客室污染物的凈化效率比介質阻擋放電技術高60%以上。

本研究的成果在高鐵客室污染物濃度實車實驗和空氣凈化技術的工程應用方面具有先導性的借鑒意義，其結論能夠為后續的高速列車客室流場空氣動力學研究和高速列車客室環境友好優化設計提供理論支持。在下一步的研究工作中，建議更加全面地分析客室座位橫向位置的污染物濃度擴散規律，并優化凈化技術在高速列車工程應用過程中的空間布局，進一步提升空氣凈化技術的凈化效率。