首页 网站地图
 您现在的位置:首页 > 相关论文 > 正文
负离子技术对地铁站环境改善效果的研究
作者: admin | 2014-08-19 14:29:18 | 浏览量:

  摘要:在三个典型空调运行季节对上海徐家汇地铁站环境使用负离子技术前后人流高峰期的污染物与人流量进行了监测,研究了负离子技术对地铁站台、站厅环境的改善效果。着重分析了负离子技术的特性,评价了其与人流量、气流分布相关的净化效应,探讨了负离子在地铁站台、站厅应用的可行性。

  关键词:负离子地铁站人流量可吸入颗粒物浓度悬浮菌浓度

  Abstract Monitors the change of the contamination and the amount of passengers in peakhours before and after using the technique in Xujiahui underground railway station in three typicalair conditioning seasons . Explores the effects of environment improvement in platform and  station hall of the station. Emphatically analyses the characteristics of this technique , evaluates its  cleaning effect in response to passenger flow and air distribution , and discusses the practicability of applying negative ion technique t o such locations .

  Keywords :negative ion , underground railway station , passenger flow , inspirable particle concentration , airborne bacterial concentration.

  引言

  地铁站客流量很大,大的车站每天可达12~13万人次。地铁站是相对封闭的特殊环境,自然通风不足,不利于空气中污染物的稀释与排放;地铁站是人流集散中心,人群密集、流动性大,易引起流行性疾病传播。特别是那些老的地铁站,现实际人流量已远远超过设计人流量,使得这些车站的站台、站厅的空气质量问题尤为突出[1]。加上车站的空气处理机组中的空气过滤器效率偏低,机组老化,空调系统积尘,站台与站厅的送风口多已发黑。众多文献给出的检测结果表明,地铁站内空气质量大多不佳。如何改善车站内空气质量已成为一个迫在眉睫的问题。

  改善室内空气质量的传统做法是通过提高空气过滤效果,将室内不良颗粒污染物从高浓度降低至可接受水平。尽管空气过滤是一项十分有效的措施,但是过滤器效率越高,阻力越大,使得空调通风系统压头高、能耗大、噪声难以控制。而且过滤器运行中不断增长的阻力以及过滤器积尘后需及时清洗、更换,维修工作量较大,往往成为运行管理人员的负担。如果过滤器积尘后又受潮,会给微生物滋长提供潜在条件,增大运行期间生物污染的风险。因此地铁站设计、运行管理人员一直在寻求其他净化措施。国际标准ISO16814提出了改善室内空气质量的措施,除空气过滤手段外,还有静电除尘、活性炭吸附、光电催化、负离子技术等其他改善措施[2]。

  本课题着重对负离子技术改善地铁站站台和站厅的大空间环境的效果进行研究。

  1、负离子技术背景

  负离子是空气中一种带负电荷的气体离子。空气中的中性分子或原子,在自然界电离源(自然界的宇宙射线、紫外线、土壤或空气放射线)的作用下,其外层电子会脱离原子核的束缚而成为自由电子。自由电子很快会附着在气体分子或原子上,特别容易附在氧分子和水分子上,而成为空气负离子[3]。负离子的正面效应早已被人认识,除了对人体健康有积极生物学方面的效用外,还具有降尘、杀菌、分解一些有害化学物等改善室内环境的效应[4]。

    目前人工负离子发生器利用脉冲、振荡电路将交流低电压升至直流高压,利用尖端直流高压产生电晕,高速地放出大量的电子e-,附在气体分子上成为空气负离子。利用负离子技术改善室内空气质量已有较长的历史[3,5]。近年来负离子发生技术的进步,使得起晕电压下降,控制了臭氧发生,同时负离子发生量也增加了[5]。新一代空气负离子装置对环境改善的效果也更为明显,应用范围也更为广泛。国际标准 ISO16814明确肯定负离子技术是改善室内空气质量的技术之一[2]。空气中烟尘、粉尘、飘尘等带正电荷的颗粒物很容易吸附空气中的负离子,使得这些尘粒凝并,成为大粒子沉降下来,净化了空气,尤其是对粒径小至0.01μm 的微粒和难以去除的飘尘[6],如香烟烟雾、致敏微粒等的凝并效果明显,对过敏性花粉热、支气管哮喘、上呼吸道黏膜炎等均能起到缓解或治愈作用。负离子抑菌机理在于负离子与细菌结合后,使细菌产生结构的改变或能量的转移,导致细菌死亡。负离子也能有效去除空气中的多种有害物质,如一些有害的化学物质和挥发性有机化合物VOC 等[7]。

  负离子技术对改善室内环境,特别是对人流量较少,或室内人员虽较多、但活动强度不大,污染物发生量较为稳定的闭合场所起的作用已得到公认,并取得了大量的数据。但对于人流量较大、污染发生量变化大的开放性大空间是否适用,目前的应用研究不多。为此笔者首先选取同济大学学生食堂作为人流量大、滞留人员较多的典型场所进行研究,证实了负离子对开放性的场所中环境空气质量的改善效果[8],再将其应用于地铁站台与站厅,研究其实际效果以及应用推广的前景。

  现场实验研究

  徐家汇地铁站由上层(站厅)和下层(站台)组成,有南北两个配电间、南北两个通风空调房,通风空调管道分别从南北两边向车站中间延伸,站厅两边的风管(上、下行)各有18个出风口,站台两边(上、下行)的风管各有32个出风口。每个风口安装一个负离子发生装置,利用通风空调气流将产生的高浓度负离子流输送到工作区域,使负离子与污染物充分接触。站台负离子发生总数约为7.2×108个,站厅负离子发生总数约为1.14×109个。风口分布示意图见图1。

 

  图一地铁站台、站厅风口分布示意图

  为了研究负离子技术对地铁环境的改善效果,在冬季、过渡季和夏季三个典型的运行季节对站厅和站台环境进行现场测试与监测。检测的指标主要有温湿度、CO2浓度、负离子浓度、悬浮菌总数、可吸入颗粒物(PM10)浓度、总含尘浓度、颗粒物计数浓度和人流量。根据站台层、站厅层的面积,测试分5个断面进行,每个断面各取3个测点,总计15个测点,测点距地面1.2~1.5m(呼吸区),断面选取见图2。

  

   图2 站台层、站厅层断面位置

  现场监测结果可以反映出典型测点处对象污染物的变化过程,而现场测试结果则可以反映出人流高峰期间站台与站厅内的污染平均水平。

  2.1、监测

  负离子净化装置效果主要由可吸入颗粒物PM10和悬浮菌指标反映,为此在站台上选取一个典型测点监测PM10和悬浮菌的动态变化过程其中一天关闭负离子装置,另一天开启装置,对比可吸入颗粒物PM10和悬浮菌指标的动态变化。

  2.1.1 可吸入颗粒物PM10的动态过程

  两种不同状态下可吸入颗粒物PM10与人流量的动态变化过程对比见图3,由此可得出:

 

 图3 PM10 与人流量曲线

  1)两天的人流量相似,人流量与可吸入颗粒物PM10的质量浓度显著相关,人流量大,PM10的质量浓度相对就大,反之亦然;但是两者峰值存在一定的延迟,根据测试结果分析,PM10的质量浓度峰值点比人流量峰值点延迟15~30min。

  2)通过分析负离子装置开启与关闭对应的两条PM10质量浓度变化曲线可以发现,负离子装置开启后PM10质量浓度的增长速度明显低于装置关闭时,而负离子装置开启后

  PM10质量浓度的下降速度明显大于装置关闭时。这就说明采取负离子净化措施能有效地降低PM10的质量浓度,即使随着人流量的不断增加,也能有效地抑制PM10质量浓度的增长速度。

  3)在负离子装置开启期间PM10质量浓度出现三个峰值点。由于在8:00打开负离子装置时,负离子还没有跟环境中的悬浮颗粒物充分作用,所以随着人流量的增大,PM10质量浓度出现峰值点A;经过一段时间的充分作用后,PM10质量浓度逐渐下降,但是随着人流高峰的到来,出现峰值点B;同理晚高峰来临时,出现峰值点C。而装置关闭期间PM10质量浓度曲线只有两个峰值点,即早高峰和晚高峰来临时各出现一个峰值点,这说明负离子作用需要一个过程才能体现出效果。

  2.1.2 悬浮菌浓度的动态过程

  负离子装置开启状态下悬浮菌浓度与人流量的动态变化过程见图4,由此可得出:

  

图4 悬浮菌浓度与人流量曲线

  1)负离子对悬浮菌的作用在短时间内就显出效果,这点与负离子对PM10的作用有所差别。从图中可以看出,悬浮菌浓度由7:45时的高值降到8:00时的低值只用了约15min,这说明负离子对悬浮菌的作用是迅速的,而不需要一个长期的过程。

  2)负离子对悬浮菌的抑制作用也存在一个迟延。从人流量的高峰点和悬浮菌浓度出现的高峰点来看,负离子对悬浮菌的抑制作用存在滞后。

  2.2、检测

  2.2.1 三个典型的空调运行季节可吸入颗粒物(PM10)水平在冬季、过渡季和夏季三个空调运行季节中分别对地铁站台、站厅人流高峰期间的

  PM10质量浓度进行了全面测试,在负离子装置开启和关闭两种状态下的平均质量浓度对比见图5。

  

图5 三个典型的运行季节高峰时段PM10 质量浓度平均值

  由图5可以得出:

  1)由于负离子对PM10的作用效果(用负离子装置开机前后PM10质量浓度差值与开机前PM10质量浓度的比值来表示)受多种因素影响是一个变量,因此将其用一个范围来表示较为确切。由测试数据可以得出,站台内作用效果范围为13%~56.9%,站厅内作用效果范围为13%~70%,负离子装置应用在站厅时对PM10的作用效果普遍要好于站台。就运行季节而言,其作用效果范围,冬季为13%~41.4%,过渡季为20.4%~70%,夏季为13%~38.5%,过渡节>冬季>夏季早高峰的作用效果普遍要好于晚高峰。

  2)在两个高峰时段中,由于早高峰PM10的本底浓度比较高,特别是在过渡季时,站台和站厅中的PM10质量浓度甚至超过了卫生许可要求的0.25mg/m3,主要是因为过渡季采取的是全新风运行,这很大程度上导致了PM10本底浓度值的偏高。但是从负离子所呈现的作用效果来看,在本案例中,高负离子浓度时的作用效果要好于低负离子浓度时。

  3)可吸入颗粒物PM10的质量浓度基本上都能控制在0.15mg/m3以下,低于国家标准《公共交通等候室卫生标准》(GB9672—1996)中对可吸入颗粒物质量浓度的限值0.25mg/m3。

  2.2.2 三个典型的空调运行季节的悬浮菌水平

  在冬季、过渡季和夏季三个空调运行季节中分别对地铁站台、站厅人流高峰期间的悬浮菌浓度进行了全面测试,在负离子装置开启和关闭两种状态下的平均浓度对比见图6和图7。

  

  由图6与图7可以得出:

  1)同样,负离子装置对悬浮菌浓度的作用效果也用一个范围来表示,站台作用效果范围为13.8%~61.5%,站厅作用效果范围为10.3%~47.2%,负离子装置对悬浮菌的作用效果在站台和站厅没有呈现明显的规律性;就季节而言,其作用图7 站厅高峰时段悬浮菌浓度效果范围,冬季为22.3%~61.5%,过渡季为10.3%~20.3%,夏季为13.8%~22.7%,冬季>夏季>过渡季。由于霉菌主要来源于室外新风,过渡节采用全新风,造成霉菌在总悬浮菌中比例增大。负离子对霉菌的作用效果低于对细菌的作用效果,致使过渡季负离子的作用效果稍差。晚高峰负离子的作用效果稍要好于早高峰。

  2)单纯从与负离子发生作用的悬浮菌总数来说,夏季>过渡季>冬季。这是因为细菌的主要发生源是人,夏季温湿度偏高,人的新陈代谢较快、衣着比较单薄,人体发菌量较大,也比较容易散发到空气中;冬季反之。而过渡季霉菌增多,这是三个运行季节悬浮菌相差较大的主要原因。但是从负离子对悬浮菌的作用效果来看,夏季相对显著。测试结果表明,检测期间地铁站台、站厅的温度、湿度、CO2浓度均能控制在相关标准规定的范围内。用总含尘浓度、不同粒径颗粒物的计数浓度定性描述负离子的效应,可以明显地反映负离子对小粒子的凝并作用。

  分析

  3.1、由于负离子有不同的作用机理,只有正确认识负离子效应,才能得出一个较为客观的评价。

  1)负离子装置的发生量与室内温湿度等因素有关,并非一个稳定值。

  2)负离子在空间内的分布,与空气中尘粒的结合,尘粒的凝并、沉降等,均与室内气流、人员活动、尘粒分散度、尘粒浓度等因素有关。特别是凝并后大粒径尘粒的沉降效率受横向气流影响。因此负离子技术的净化效率是不稳定的,或者说不是固定不变的,而是一个范围,不像空气过滤器效率是一个较为稳定的值。

  3)负离子从发生、捕集、凝并到沉降是一个作用过程,降低污染物效应不是瞬间发生的,需要一定的作用时间,特别是在大空间中。这一作用过程也可认为是持续作用效应。没有完全作用的残余负离子仍会持续作用,特别是在第二天早上,会感到室内空气质量特别好,这就是延迟效应。

  负离子发生量以及作用效应受很多因素影响加上负离子作用有一个过程,因此负离子在不同场所的净化效应常常不同。国内外研究负离子的人不少,研究报告很多,但报道的效率有高也有低,有的甚至认为是无效的,造成人们对负离子改善室内环境的作用有不同看法。这主要是因为对负离子技术及其作用机理存在认识差异所引起的。因此本案例在不同季节、不同时段的负离子净化效率采用一个范围来表示较为合适。

  3.2、任何一项技术都有其长处,也有其不足。由于空调通风是送风技术,服务对象是人。所采用的去除污染物技术不同于排风技术,有一定限制,或者说送风技术要求较高,必须对人是绝对无害的有时净化技术不得不为此牺牲一些效率。正如送风系统只得采用效率较低的正电晕静电除尘器而不能采用效率很高的排风用负电晕静电除尘器同样,使用负离子技术不能为了提高其净化效率而盲目加大发生量,发生量不当(一些负离子发生技术产生负离子的同时会产生臭氧等有害物质)甚至会造成负面效应。

  负离子是利用电效应凝并微粒(aggregate fine particulates using electrical effects),降低室内污染物(air pollutant modify),而非像空气过滤器、静电除尘器一样去除污染物(air pollutant remove)[6]。因此负离子技术是一项改善室内空气质量的技术,不是除尘技术[4]。ISO16814对两者不同的作用原理已作了明确的定义,因此两者不能用同一种评价方法进行评价。去除污染物的装置去除污染物是发生在瞬间,往往用一次通过效率来表示。而降低室内污染物的装置降低污染物浓度是一个过程,需要通过循环效率来表示。但是制造商为了各自的利益,混淆两种不同评价方法,为了取得较高效率,往往用自循环效率来替代一次通过效率。本课题采用现场检测与监测的考核方法,可以较为真实地反映负离子的实际效应。就送风技术来说,负离子技术有其特点及优势,体现在有益于人体健康与环境保护,如能降尘,作用时间长;能消除VOC,去除异味,能杀菌,无副作用;不会产生任何污染,运行简便、成本少、耗能低、维护费用极少;几乎无风阻,无噪声,有利于加装在既有的通风空调系统中,无积尘装置,无需更换或清理,不会出现二次污染。负离子技术以上的这些功能,就某个单项来说也许无法与某些技术相比,但是负离子技术对改善室内空气质量的综合效应有着独特的优势。

  3.3、对于大空间,可以借助于通风空调气流有效输送和分布负离子,负离子分布与空间内气流组织有很密切的关联。如何让负离子在大空间内均匀分布,使负离子从发生点到人员逗留区有足够的路径和时间与悬浮粒子、悬浮菌发生作用,发挥效应,对暖通空调工程师的气流组织设计提出了新的课题。

  从同济大学学生食堂与徐家汇地铁站的研究结果来看,同济大学学生食堂采用侧送侧回的气流组织[8],其负离子效应要优于采用上送上回(采用直片下送风口)气流组织的地铁站台。这是因为负离子作用是一个过程,从侧送侧回的气流组织来看,气流流经路径较长,作用时间较充分,人员逗留区域处于气流的回流区,使所发生的负离子随气流有较长的途径(或时间)与尘粒去结合、凝并与沉降。而地铁站台采用上送上回的气流组织,气流流经路径很短(只有2m 多),人员逗留区域处于气流的主流区,使所发生的负离子随气流直接送到人员逗留区,途径(或时间)太短,没有足够的作用时间,负离子分布的均匀性也较差。人流量是影响大空间公共场所环境污染物的主要因素,人流量与污染物的产生量密切相关,而且悬浮尘粒的沉降与人流量、人行走速度以及上升气流也有关。地铁站台不仅人流量大、人行走速度快,瞬时密集的人群形成的上升热气流强度[9]也大大高于同济大学学生食堂,而且随着列车到站的间隔,人员高峰周期一波又一波到来。在交通高峰期,列车密度加大,间隔周期变短,因此徐家汇地铁站的负离子净化效果明显差于同济大学学生食堂。这对负离子技术提出了新的要求,不仅要从理论上提出动态控制,而且要求负离子装置的发生量能随污染物产生量的实时变化而变化,维持人员逗留区合适的负离子浓度,并应考虑负离子作用的延迟性留出相应的提前量。

  负离子净化装置后侧不宜采用金属风管或送风口,有文献报道[7],负离子发生后,由于负离子对金属器件碰撞、吸附的概率,降低了负离子浓度有人在金属管道内进行了高浓度负离子的衰减实验,当负离子相对浓度为1000个/cm3时,通过13cm 的风道后,负离子浓度下降了95%[10],低浓度负离子的下降速度比高浓度负离子慢[11]。

  结论

  鉴于负离子作用是一个过程,负离子效应受到许多因素的影响,因此不能用空气过滤器效率的方法来评价。在徐家汇地铁站台、站厅内一年三个典型空调运行季节对负离子效应进行了现场考核,经对现场监测与测试数据的统计分析,可得出如下主要结论:

  1)可吸入颗粒物PM10和悬浮菌浓度与人流量正相关,但是两者峰值存在一定的延迟,根据测试结果分析,PM10质量浓度的峰值点比人流量峰值点延迟15~30min。

  2)负离子的作用效应是一个过程,因此对降低PM10、悬浮菌浓度有滞后性。但悬浮菌浓度的滞后性小于PM10。采用负离子技术时应对此有相应的动态控制对策。

  3)检测结果表明负离子技术能有效降低可吸入颗粒物PM10和悬浮菌浓度,即使随着人流量增大,负离子技术仍能有效地抑制PM10和悬浮菌的浓度,将其控制在相关标准要求的范围内。

  4)尽管本案例的尘埃计数浓度不能定量反映负离子净化效果,但能定性反映出负离子技术可有效凝并小粒径颗粒物,导致大粒径颗粒物的计数浓度呈上升趋势,对粒径范围在0.3~0.5μm 和0.5~1μm 内的可吸入颗粒物的凝并效果尤为显著。可改善人呼吸到的空气质量,有利健康[12]。

  5)负离子净化装置对室内轻微活动的人员有一定的生物效应[11],可降低人的CO2呼出量。但站台内人流量大、行走速度快、滞留时间短,检测结果表明负离子净化装置对降低地铁站台、站厅内CO2浓度的效果不明显。

  6)本案例表明,在PM10本底浓度越高、负离子作用越充分的情况下,负离子净化效果越好,残留在空气中的负离子浓度越低,因此较适合有人流高峰的场合。

  总之,对于送风系统来说,负离子技术是一项有效的降尘抑菌技术[13],对改善地铁环境有正面效应。尽管徐家汇地铁站台的人流量已经大大超过了设计量,而且人流量在全国地铁站台中也名列前茅,但是本课题的研究还是证实了负离子技术对站台环境空气质量的改善效果。说明负离子技术应用在这种人流量大、污染物发生量变化大、开放性的场所是合适的。如能从负离子净化装置的技术特性出发,改进送风系统与气流分布,切实做到动态控制负离子发生量,则可在地铁站台、站厅的环境控制上取得更好的效果。

  致谢

  本课题实施过程得到了上海城建集团、上海轨道交通设计研究院及地铁公司的大力支持,在此表示衷心的感谢。

  参考文献:

  [1] 张泽.会诊地铁空气[J ] .环境,2005 (12) :46248

  [2] ISO/ TC 205. ISO/ DIS 16814 Building environment design— indoor air quality—methods of expressing the quality of indoor air for human occupancy [ S ] .Geneva ,2005

  [3] Kellogg E W. Air ions : their possible biological significance and effect s [ J ] .Bioelectricity , 1984 , 3(1/ 2) :1192136

  [4] 沈晋明,俞卫刚.国际标准《建筑环境设计- 室内空气质量- 人居环境室内空气质量的表述方法》简介[J ] .暖通空调,2007 ,37 (11) :53259

  [5] 沈晋明. 生物气候与空气调节[J ] . 上海城建学院学报,1988 (4) :29234

  [6] Daniell W ,Camp J , Horstman S. Trial of a negative ion generator device in re2mediating problems related to indoor quality [J ] . J Occup Med ,1991 ,33 (6) :68

  [7] 吴玉珍,张秀珍,杨沛,等.空调房间中的负离子与健康[J ] .江苏预防医学杂志,1997(4) :39241

  [8] 饶松涛,沈晋明,陈巍,等.负离子对某食堂环境改善效果的实验研究[J ] . 建筑热能通风空调,2008 , 27(3) :125

  [9] Bend A G, 高世辅. 对亚特兰大地铁隧道系统的气体动力与热动力的评述[J ] . 隧道译丛,1990 (11) :39247

  [10] Schafer A , Victor D G. The future mobility of theworld population [J ] . Transportation Research Part A : Policy , 2000 , 34 (3) : 1712205

  [11] 陆际晨,蒋巍,张泓,等.负离子流降低门诊室空气中细菌数的初步试验[J ] .上海医学,1996 ,19 (7) :391 - 393

  [12] Nishi J , Tannaka T , Seiki T , et al . Estimation of the value of the internal and external  environment in underground space use [ J ] . Tunneling and Underground Space Technology ,2002 , 15 (1) :79289

  [13] 朱明明.公共场所室内空气质量监测结果分析[J ] .江苏预防医学,2003 ,3 (14) :42 – 43

  [14] 中国预防医学科学院环境卫生监测所. WS/ T 206 —2001 公共场所空气中可吸入颗粒物( PM10)测定方法— — — 光散射法[ S] .北京:中国标准出版社,2001

  [15] 中国预防医学科学院环境卫生监测所. GB/ T18204. 1 —2000 公共场所空气微生物检验方法细菌总数测定[ S] .北京:中国标准出版社,2000

  [16] 中国预防医学科学院环境卫生监测所. GB/ T17220 —1998 公共场所卫生监测技术规范[ S ] . 北京:中国标准出版社,1998

Copyright 2009 © 高科负氧离子研究所 All Rights Reserved
地址:山东济南市槐荫区齐州路2477号  联系我们
京ICP备050103065