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截至2018年底，中国内地累计有35个城市建成投运城轨线路5 761.4 km，其中地铁运营线路4 354.3 km，占线路总长度的75.6%，我国已成为世界地铁线路总长度最长的国家[1]。地铁已成为人们日常出行的重要交通工具，地铁车站的空气品质会影响到乘客尤其是车站工作人员的健康，因此，地铁车站颗粒物浓度也越来越多地为学者们所关注[2-6]。樊越胜等[7]对线地铁环境中的颗粒物浓度进行了测试与分析，发现地铁环境中的细颗粒物污染较为严重，且站台、车站PM10浓度水平与室外浓度有较强相关性。何生全等[8]测试了北京某地铁车站，站台环境中PM2.5浓度超过我国环境空气质量二级标准规定的日均值75 μg·m−3。对重庆市某地铁车站的颗粒物测试结果显示，颗粒物浓度具有显著的时空分布特性[9]。史俊祥等[10]对某地铁车站的PM10和PM2.5进行了形貌和成分分析，结果表明，地铁车站颗粒物具有粒径大、形状不规则等特征，主要成分为Si、C、O和Fe。赵敬德等[11]对上海市、南京市轨道交通环控系统颗粒物质量浓度进行了实测分析，结果表明，不同地铁环控系统均存在不同程度的PM2.5超标，尤以半高安全门系统为甚。但也有相关研究指出，由于一般乘客的暴露时间有限，当前测得的颗粒物浓度对其健康威胁程度有限[12]。
公共区域的机械通风系统是地铁车站的重要组成部分，被视为控制其公共区域颗粒物浓度的重要设备与途径。而以往研究对机械通风系统的颗粒物浓度控制效果的实际测试较为有限。本文以某夏热冬冷地区的某地铁车站为研究对象，对其公共区域的机械通风系统的运行现状展开实地测试，并结合公共区域PM2.5与PM10浓度的测试，分析机械通风系统对于地铁车站公共区域颗粒物浓度的实际控制效果，为评价地铁车站公共区域颗粒物与保障其环境洁净需求提供参考。
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该地铁车站位于我国夏热冬冷地区，测试车站为地下非换乘屏蔽门车站，站厅位于地下一层，通过2个出入口通道与室外相连，面积为3 070 m2，站台为岛式站台，位于地下二层，面积1 467 m2。测试日期为2018年1月，测试车站的运行时段为06:00—23:00，该车站的早晚高峰客进出流量约1 200~1 500人次·h−1，其他运行时段的进出客流量约300人次·h−1。
根据气象数据记录[13]，该月室外PM2.5与PM10日均浓度如图1所示。测试时段室外PM2.5与PM10的日均浓度分别为52.7 μg·m−3与74.8 μg·m−3，接近该月的平均水平，可以作为典型室外工况。
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在该地铁车站内公共区域设置8个颗粒物浓度测点，室外设置1个测点，测点分布如图2所示。测点1位于室外；对于车站的公共区域，站厅与站台各布置4个测点，测点2~5位于站厅，测点6~9位于站台，测点高度距地面1.5 m，测点布置见图2。本研究使用的颗粒物采样仪器型号为FLUKE 983，计数误差为5%[14]。
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该地铁车站公共区域的机械通风系统如图3所示。室外的新风经过空调箱，被初效过滤器过滤，过滤后的新风作为送风由图2所示的机械送风口送入室内。对于排风侧，一部分室内空气经由图2所示的机械排风口，由排风道排至室外。在整个空气处理过程中，初效过滤器是唯一的空气过滤单元。颗粒物浓度测点布置在初效过滤器的前后，以探究该机械通风系统对颗粒物的过滤效果。
1.1. 地铁站内空间基本信息及其空气现状
1.2. 站内空气中颗粒物监测点布置
1.3. 站内机械通风系统的设置
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机械通风系统过滤的前后位置，不同时刻的空气颗物浓度如图4所示。过滤前后，PM2.5的平均浓度分别为52.7 μg·m−3与34.3 μg·m−3，该初效过滤器对于PM2.5的质量去除率为34.9%。过滤前后，PM10的平均浓度分别为74.8 μg·m−3与34.9 μg·m−3，该初效过滤器对于PM10质量去除率为53.5%。在当前的实际运行状态下，由图4可知，该地铁车站机械通风系统可以对新风颗粒物实现一定程度的过滤，尤其是对于大粒径颗粒物 (PM10)，过滤效果较为明显。综上所述，该车站的机械通风系统可以为其公共区域提供颗粒物浓度较低的洁净送风。
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测试时段，列车发车间隔为5 min。站厅、站台与室外的颗粒物浓度整体水平的差异有限，各时刻站厅、站台与室外的PM2.5与PM10浓度差异均小于10 μg·m−3。颗粒物浓度随时间的分布情况如图5所示。在一个发车间隔内，室外颗粒物浓度基本维持稳定。而站厅与站台的颗粒物浓度随列车的进出存在浓度波动，但波动幅度小于20 μg·m−3。在列车驶入站台前，由于隧道内为正压，屏蔽门外隧道的颗粒物随着活塞风经屏蔽门缝隙进入站台，使得站台的颗粒物浓度升高，出现图5所示的PM2.5与PM10浓度增加的情况。而对于列车驶出时段，由于隧道内为负压，空气从站台经屏蔽门缝隙进入隧道，室外空气从地铁站出入口流进站厅与站台，使得室外、站厅与站台的颗粒物浓度逐渐趋近。由于站台紧贴列车隧道，因此，在此颗粒物浓度的波动过程中，站台的颗粒物浓度波动最为显著。站厅位于室外与站台之间的过渡空间，因此，站厅的颗粒物浓度的波动幅度弱于站台。
基于以上分析可知，屏蔽门外的隧道空间是该车站的颗粒物源，列车经过时的扬尘、与轨道的摩擦、列车车厢内颗粒物源等因素对应的颗粒物将由活塞风带入与带出车站公共区域，引起地铁车站内公共区域的颗粒物浓度变化。但是，从颗粒物浓度的整体水平来看，随着列车的进出，车站公共区域的颗粒物浓度波动幅度有限，且室外、站厅与站台之间的颗粒物浓度差异较小。
在列车非进出时段，不同位置测点的颗粒物浓度如图6所示。室外PM2.5浓度为50.4 μg·m−3，机械送风PM2.5的浓度为22.2 μg·m−3，站厅与站台PM2.5的浓度为44.6~49 μg·m−3；室外PM10的浓度为71 μg·m−3，机械送风PM10浓度为46.2 μg·m−3，站厅与站台PM10浓度为65~68.1 μg·m−3。
从颗粒物浓度的整体水平上来看，室外、站厅与站台的颗粒物浓度较为接近，而被机械通风系统过滤后的机械送风的颗粒物浓度水平较低。由图6可知，机械通风系统提供的洁净空气被送入站厅与站台后，站厅与站台的颗粒物浓度并没有显著降低。机械通风系统的过滤作用没有对站厅与站台的颗粒物起到显著的控制效果。
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为解释机械通风系统对于公共区域颗粒物浓度控制效果微弱的原因，本研究对该地铁车站的通风换气情况进行了测试。该地铁车站公共区域通过2种途径与室外进行换气：1)机械通风；2)活塞风引起的出入口渗风。上述2个部分的风量的测试采用文献中的方法[15-17]。
机械新风量与出入口渗风量的测试结果如图7所示。可以看出，出入口渗风是整个地铁车站公共区域与室外换气的主要方式，约占总换气量的95%，而机械通风仅占总换气量的5%。因此，即使机械通风系统可以提供洁净的送风，但由于其风量有限，对总换气量的贡献较小，机械通风系统的过滤作用对车站公共区域颗粒物浓度整体水平的控制效果微弱。
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为降低机械通风系统在冬季的运行能耗，该地铁车站尝试运行停机工况，即关闭图3所示的机械通风系统，完全依靠出入口渗风，以实现该地铁车站公共区域的通风换气。该停机工况的可行性已从温湿度控制效果、人员新风供给2个方面进行了论证[15]。本研究将从颗粒物浓度控制效果的角度，对该停机工况的可行性进行论证。
机械通风系统分别运行原工况与停机工况时，室外、站厅与站台的颗粒物浓度水平如图8所示。2种机械通风系统运行工况的测试工作，选择在室外颗粒物浓度相近的2 d进行，以保证对比的公平性。由图8可知，在室外颗粒物浓度一定时，2种工况下，站厅与站台的颗粒物浓度(PM2.5与PM10)没有显著差异。室外、站厅与站台的颗粒物浓度整体水平的差异有限，低于10 μg·m−3。基于图7所示的公共区域换气量的构成，占到绝对优势的出入口渗风量将直接决定室内外颗粒物浓度的差异水平，足够大的出入口渗风将使室外、站厅与站台的换气充分，进而导致三者间的颗粒物浓度差异不显著。因此，本研究将对出入口渗风量的具体数值水平进行定量说明。
在停机工况下，测得出入口渗风量为3.7×104 m3·h−1。测试期间，该非换乘地铁车站的客流量水平如图9 (a)所示。测试期间，跟随进站与出站乘客，统计得到该站的人均进出站停留时间分别为2.8 min和2 min。综合换气量与客流量，可得3.7×104 m3·h−1总换气量时，人均新风量随客流量的变化情况，结果如图9 (b)所示。由图9 (b)可知，当前客流高峰时刻的人均新风量为308 m3·h−1，远超客流需求。即使对于设计客流高峰，当前出入口渗入的巨大风量仍能满足客流新风需求。因此，在停机模式下，出入口足够大的渗风量得以印证，室外、站厅与站台之间的通风换气充分。
从颗粒物浓度的角度而言，当前足够大的室内外换气量将使室外、站厅与站台之间的颗粒物浓度的差异有限，差异小于10 μg·m−3。对于停机工况，虽然没有机械通风系统的新风供应，但出入口渗风仍能保证室外、站厅与站台之间的充分换气。因此，停机工况不会带来公共区域颗粒物浓度的显著恶化。
2.1. 机械通风系统对站内空气中颗粒物的过滤效果
2.2. 公共区域颗粒物浓度分布
2.3. 机械通风系统对公共区域颗粒物控制效果
2.4. 停机工况与原工况的颗粒物控制效果
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1)对本研究中测试的地铁车站而言，其机械通风系统对车站公共区域的颗粒物浓度的控制效果微弱。虽然机械通风系统内的初效过滤器可以实现对机械新风的过滤，但由于机械新风占总换气量的比例仅为5%，洁净的机械新风不会显著改善车站公共区域的颗粒物浓度。当前室外颗粒物浓度的条件下，室外、站厅与站台的颗粒物浓度差异有限，小于10 μg·m−3。
2)列车的进出将引起车站公共区域颗粒物浓度的变化。在列车驶入站台前夕，由于隧道内为正压，屏蔽门外隧道的颗粒物将随着活塞风经屏蔽门缝隙进入站台，使得站台的颗粒物浓度升高。而当列车驶出车站时，由于隧道内为负压，空气从室外引入公共区域，使得室外、站厅与站台的颗粒物浓度逐渐趋近。
3)停止运行机械通风系统，不会引起车站公共区域颗粒物浓度的显著恶化。当前客流高峰时刻的人均新风量为308 m3·h−1，足够大的出入口渗风量使得车站公共区域与室外的换气足够充分，关闭机械通风系统不会引起车站公共区域颗粒物浓度的显著增加，公共区域颗粒物浓度水平仍与室外颗粒物浓度水平接近。
