在地铁环境中，利用近源静电净化系统动态去除来自车轮/铁轨的微粒（UFPs）

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Dynamic removal of wheel/rail-derived UFPs in the metro environment using a near-source electrostatic purification system

地铁隧道内车轮轨道磨损产生的超细颗粒物（UFPs）污染问题，本研究提出双阶段电除尘器（ESP）系统，开发了涵盖隧道活塞风、颗粒物扩散及电除尘过程的动态多物理场数值模型，优化了ESP的布局与关键参数（电场强度、极板间距等），实现高效空气净化并降低健康风险。

　　

刘帅|娜彦玲|江崇旭|冯壮波

东南大学建筑学院，中国南京四牌楼2号，210096

摘要

由轮轨磨损产生的含金属颗粒（Fe/Ni/Cr/Mn）约占地铁车厢和站台颗粒物的90%。这些金属超细颗粒（UFPs）由于体积小且毒性高，对健康构成更严重的威胁。以往的研究建议在地铁车厢下方安装近源UFPs净化器，以在颗粒物在隧道内广泛扩散之前将其捕获。然而，对于复杂隧道气流与地铁车厢上安装的净化器之间的相互作用研究较少，这仍然是实际工程应用中的挑战。本研究提出了一种两级静电除尘器（在其上游和下游两端各设一个充电区），利用动态电场直接捕获来自轨道的UFPs。为了实现静电净化系统的定量设计，本研究开发了一个系统数值模型，该模型涵盖了隧道活塞风和空气湍流、UFPs的排放与扩散以及静电净化过程。静电除尘器的数值模型属于典型的动态多物理场模型。通过数值模拟，可以预测地铁运行过程中不稳定的隧道气流、UFPs分布以及静电净化效率。最后，对静电除尘器的空间布局和关键设计参数进行了数值优化，旨在高效去除来自轨道的UFPs，降低地铁系统内乘客的健康风险。

引言

作为现代大规模城市交通系统的重要组成部分，地铁已成为缓解地面交通拥堵的关键解决方案，其便捷性、安全性和高效性具有独特优势[1]。然而，这些系统的封闭环境和分散的污染源容易导致颗粒物（PM）的积累，引发了越来越多的关注[[2], [3], [4]]。

现有监测研究表明，地铁系统内的PM浓度普遍高于大气环境[[5], [6], [7], [8], [9]]。在隧道中，PM主要来源于制动系统、轮轨磨损和受电弓的消耗[10]。这些PM富含金属，粒径范围从超细颗粒到粗颗粒不等，对公共健康构成重大威胁[[11], [12], [13]]。颗粒大小是PM毒性的主要决定因素，会影响细胞和组织的吸收[14,15]。在细颗粒物中，超细颗粒（UFPs）由于其高浓度和健康风险不容忽视[10]。UFPs因体积小、浓度高和表面活性强而具有显著的毒性，容易被人体吸收和滞留[[16], [17], [18]]。此外，隧道中的UFPs常常含有铬（Cr）、铁（Fe）、锰（Mn）和镍（Ni）等有害元素[[19], [20], [21], [22]]。毒理学、流行病学和临床研究显示，UFPs能够逃避巨噬细胞的清除，穿越生物屏障（如空气-血液和血液-大脑屏障），并对神经系统产生不良影响[23,24]，导致心律失常[25]，并引发肺部和大脑等器官的病理变化[26,27]。特别是隧道中产生的UFPs可以通过活塞风和通风系统扩散到公共区域，包括地铁站台和车厢外部环境。因此，乘客和地铁工作人员都可能暴露在高浓度的UFPs中，面临健康风险[28]。

制动/磨损产生的细颗粒在地铁站中起主导作用[29]。此外，相关研究表明，轮轨磨损产生的PM也不容忽视，尤其是对于采用电制动系统的地铁，它们对人类健康仍构成威胁[10,30]。如今，地铁越来越多地采用电制动系统，而轮轨磨损在污染物排放中起着关键作用[10,30]。现有研究通过实验发现，轮轨磨损产生的UFPs浓度（5.6-560纳米）是细颗粒（0.3-10微米）的100多倍[10]。由于UFPs具有复杂的物理化学性质和较大的表面积，其医疗毒性和健康风险远高于较大颗粒[31]。因此，有必要控制地铁环境中由轮轨磨损产生的UFPs。

移动地铁产生的PM的扩散特性受隧道内复杂且瞬变的气流模式显著影响[29,32]。以往的研究采用RANS模型和拉格朗日方法数值分析了活塞效应引起的气流对制动产生的颗粒空间分布的影响[32]。瞬变活塞效应导致颗粒从隧道传播到站台的复杂特性。Durand等人（2021年）通过数值模拟和风洞实验定量评估了气流模式对制动产生的颗粒空间扩散的影响[29]。数值结果表明，尾流拓扑结构与颗粒扩散之间存在强相关性，这受涡流结构动态的控制。

鉴于UFPs暴露带来的重大健康风险以及它们在隧道气流驱动下的高效传输，有效的缓解策略在地下环境中至关重要。目前，站台屏蔽门（PSD）[33,34]、空调和机械通风是减少地下空间PM污染的主要方法[[35], [36], [37]]。然而，现有研究表明，上述方法在实际应用中仍存在局限性。尽管装有PSD系统的地铁站可以有效减少UFPs从隧道进入站台区域的传输，但在地铁进站时，UFPs仍可能通过PSD缝隙和打开的屏蔽门进入车厢和站台空间[38,39]。此外，即使在装有站台空间空调系统的地铁系统中，设计不当的回风系统也可能引入二次空气污染，对当地居民和行人构成健康风险[40,41]。尽管可以通过机械通风排气口（如通风亭和竖井）将隧道内的高浓度UFPs排放到外部环境，但这种策略可能会加剧局部城市空气污染，增加附近居民和行人的健康风险[40,41]。总之，现有的预防和控制措施虽然可以部分降低地下环境中UFPs暴露的风险，但PSD系统、空调系统和机械通风都无法完全消除UFPs对隧道内人员的有害影响。与上述三种措施相比，直接在源头去除UFPs是一种更高效且成本更低的解决方案。

为了解决制动摩擦或轮轨磨损产生的颗粒污染（如UFPs、细颗粒）问题，一些研究提出了在地铁车厢下方安装空气净化装置。这些净化装置（如挡板、纤维过滤器或静电过滤器）位于UFPs的释放源附近，并与地铁车厢同步移动[[42], [43], [44]]。在隧道气流的影响下，UFPs可以直接进入净化装置并被有效去除，避免在整个隧道内扩散。这种空气净化装置应具备两个关键特性：高净化效率和低气流阻力。换句话说，它应能有效利用隧道气流将UFPs输送到净化器中并高效去除。静电空气净化技术在满足上述两个要求方面具有显著优势[[45], [46], [47]]。在地铁车厢下方安装静电净化器是实现高效UFPs控制的最有前景的方法之一。然而，要在地铁车厢下方实现高效净化，需要根据隧道气流特性进行精细设计，量化优化净化系统的多个关键设计参数。现有研究主要集中在静电净化器本身的性能优化上[[48], [49], [50]]，对隧道气流与地铁车厢下方安装的净化器之间的耦合关注不足。因此，从工程应用的角度提出静电净化器的量化优化方案仍然具有挑战性。

鉴于现有安装在地铁车厢下方的静电净化装置去除UFPs的效率有限，本研究提出了一种两级静电除尘器（ESP），该除尘器具有两个颗粒充电区和一个去除区，以尽可能多地将UFPs引入静电净化系统（图1）。该系统利用两级ESP内的动态电场高效去除车轮和轨道之间的机械磨损产生的UFPs。为了实现地铁车厢下方静电净化系统的定量设计，本研究开发了一个系统数值模型，涵盖了隧道活塞风和空气湍流、UFPs的排放与扩散以及静电净化过程。两级ESP的数值模型也是典型的多物理场模型，包括电场、离子浓度场、颗粒充电/运动过程、颗粒电捕获过程等。本研究利用上述数值模型模拟了地铁车厢运动影响下的隧道气流和UFPs分布，并预测了两级ESP系统的有效去除效果。最终，数值模型用于优化地铁车厢下方两级ESP的空间布局和关键设计参数，旨在高效去除来自轨道的UFPs。

方法论

在地铁隧道中，地铁车厢和ESP都沿着轨道向前移动。关键的是，电离电场也与地铁同步移动。车轮和轨道之间的磨损会产生大量超细金属颗粒，对人类健康构成重大威胁。短时间内，这些UFPs会在地铁车厢下方积聚，随后在复杂气流的作用下被驱动进入两级ESP并被去除。

结果

地铁运行在隧道中引起的流动现象和UFPs扩散表现出显著的复杂性和非稳态特性。首先，我们分析了地铁运行产生的隧道风特性以及轮轨磨损产生的UFPs的空间分布。然后研究了不同两级ESP配置（案例2-4）对UFPs去除和隧道风的影响。

更多应用功能

除了去除来自轨道的UFPs外，地铁隧道中的两级ESP还可能具有其他功能，包括杀菌、烟雾去除和气体净化。ESP系统可以有效去除地铁隧道内外的各种类型的PM。地铁隧道通常湿度较高，这有利于细菌的生长，这些细菌可能侵入车厢或站台，对乘客构成健康风险。

结论

本研究提出了一种安装在地铁车厢下方的两级ESP系统。开发了一个动态多物理场数值模型，用于预测地铁运行影响下的不稳定隧道气流、UFPs分布和瞬态静电净化效率。随后对ESP的空间布局和关键设计参数进行了数值优化，以实现高效去除来自轨道的UFPs，降低地铁系统内乘客的健康风险。

作者贡献声明

刘帅：撰写——原始稿件、可视化、软件开发。娜彦玲：监督、概念构思。江崇旭：监督、形式分析。冯壮波：撰写——审稿与编辑、监督。