基于行驶状态的地下车库污染物排放量分析.pdf
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1、1 5 0 暖通空调H V&A C 2 0 2 3年第5 3卷第1 1期专题研究引用本文:程康,牛冬茵,倪龙,等.基于行驶状态的地下车库污染物排放量分析J.暖通空调,2 0 2 3,5 3(1 1):1 5 0 1 5 5,4 8.D O I:1 0.1 9 9 9 1/j.h v a c 1 9 7 1.2 0 2 3.1 1.2 3基于行驶状态的地下车库污染物排放量分析程 康1,2 牛冬茵1,2 倪 龙1,2 姚 杨1,2(1.哈尔滨工业大学,哈尔滨;2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,哈尔滨)摘要:燃油汽车污染物的排放量与行驶状态密切关联,有必要针对地下车库特定行驶特
2、征计算污染物排放量。通过对地下车库内机动车行驶状态的分解,利用MOV E S模型对居民区和商业区地下车库C O、PM 2.5和PM 1 0的排放量进行了模拟计算。结果表明:车库内的污染物主要来源于车位处机动车的启动排放,车道处的运行排放量占比很小(仅占0.3%2.6%);冬季污染物的排放量均大于夏季,C O排放量几乎相差1倍,PM 2.5与PM 1 0相差2倍;利用稀释法计算出控制C O浓度对应的换气次数,居民区地下车库换气次数为2.6h-1(夏)和5.5h-1(冬),商业区地下车库为4.3h-1(夏)和8.8h-1(冬);虽然C O排放量远大于PM 2.5和PM 1 0,但即使新风安装粗效+
3、中效过滤器,按照控制C O浓度计算的通风量也难以消除颗粒物。关键词:地下车库;污染物;排放量;行驶状态;换气次数P o l l u t a n tem i s s i o na n a l y s i so fu n d e r g r o u n dg a r a g e sb a s e do nd r i v i n gs t a t eC h e n gK a n g1,2,N i uD o n g y i n1,2,N iL o n g1,2,Y a oY a n g1,2(1.H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,H
4、a r b i n;2.K e yL a b o r a t o r yo fC o l dR e g i o nU r b a na n dR u r a lH u m a nS e t t l e m e n tE n v i r o n m e n tS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,M i n i s t r yo f I n d u s t r ya n dI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y,H a r b i n)A b s t r a c t:T h ee m i s s i o n so f
5、po l l u t a n t sf r o mf u e lv e h i c l e sa r ec l o s e lyr e l a t e dt ot h ed r i v i ngs t a t e,s oi t i sn e c e s s a ryt oc a l c u l a t e t h ee m i s s i o n s a c c o r d i ngt ot h e spe c i f i cd r i v i ngc h a r a c t e r i s t i c s i nu n d e rgr o u n dga r age s.Byd e c o
6、mpo s i ngt h ed r i v i ngs t a t eo fv e h i c l e s i nu n d e rgr o u n dga r age s,t h eMOV E Sm o d e l i su s e dt os i m u l a t et h ee m i s s i o n so fC O,P M 2.5a n dP M 1 0i nu n d e rgr o u n dga r age sf o rr e s i d e n t i a la n dc o mm e r c i a la r e a s.T h er e s u l t ss h o
7、 wt h a tt h epo l l u t a n t si nt h ega r age m a i n lyc o m ef r o mt h es t a r t i nge m i s s i o n so fv e h i c l e si nt h epa r k i ngspa c e s,a n dt h eope r a t i nge m i s s i o n s i n t h ed r i v e w aya c c o u n t f o ra s m a l lpr opo r t i o n(o n ly0.3%t o2.6%).T h ee m i s
8、s i o n so fpo l l u t a n t s i nw i n t e ra r e l a rge r t h a nt h o s e i ns u mm e r,a n dt h ed i f f e r e n c e i nC Oe m i s s i o ni sa l m o s td o u b l e,a n dt h ed i f f e r e n c e i nPM 2.5a n dPM 1 0i s t w ot i m e s.T h ed i l u t i o nm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et
9、 h ea i rc h a nger a t e(A C R)c o r r e spo n d i ngt ot h ec o n t r o lo fC Oc o n c e n t r a t i o n.A C R so ft h eu n d e rgr o u n dga r agea r e2.6h-1(s u mm e r)a n d5.5h-1(w i n t e r)i nr e s i d e n t i a la r e a s,4.3h-1(s u mm e r)a n d8.8h-1(w i n t e r)i nc o mm e r c i a l a r e
10、a s.A l t h o ughC Oe m i s s i o ni sm u c hgr e a t e rt h a nt h a to fP M 2.5a n dPM 1 0,a n db o t h m e d i u me f f i c i e n cya n dr o ughf i l t e r sa r ei n s t a l l e df o rt h eo u t d o o ra i r,i ti sd i f f i c u l tt oe l i m i n a t epa r t i c u l a t e m a t t e ra c c o r d i
11、ngt ot h ev e n t i l a t i o nv o l u m ec a l c u l a t e dt oc o n t r o lC Oc o n c e n t r a t i o n.K eyw o r d s:u n d e rgr o u n dga r age;po l l u t a n t;e m i s s i o n;d r i v i ngs t a t e;a i rc h a nger a t e程康,男,1 9 9 8年生,硕士研究生倪龙(通信作者)1 5 0 0 9 0哈尔滨市南岗区黄河路7 3号哈尔滨工业大学二校区E-m a i l:n i
12、 l o n g g n h i t.e d u.c n收稿日期:2 0 2 2 0 1 1 8修回日期:2 0 2 2 0 3 2 40 引言2 0 2 0年我国民用汽车拥有量达到了2 80 8 7万辆1。庞大的机动车数量使得城市有限的地面停车位数量难以满足快速增长的停车需求,停车供需关系失衡严重影响市民生活品质2。地下车库不仅能够缓解城市地面停车空间不足的压力,还可以有效提高城市土地资源的利用率。相比于地上开放停车区,地下车库是密闭场所,当尾气不能及时通过通风系统排除时,会导致车库内污染物浓度提高。汽车尾气的主要成分为C O、HC、NOx和颗粒污染物等,在3种主要的气态污染物(C O、HC
13、和NOx)中,C O的排放比例最大,且因C O中毒情况最多,在各种汽车污染物排放限值标准中,一般将C O作为车库气态污染物控制的指标3。文献4分析了我国封闭式汽车库卫生标准及通风量的演2 0 2 3(1 1)程 康,等:基于行驶状态的地下车库污染物排放量分析1 5 1 变,发现文献中给出的通风量计算结果差异很大,风量最大值与最小值相差近1 1倍,认为差异主要体现在单辆车C O排放量的取值不同,目前的取值并未反映汽车污染物排放控制技术方面的进步。此外,尾气、轮胎和刹车摩擦产生的小粒径颗粒物可长期悬浮于空气中,在地下车库内积聚5,通过呼吸道进入肺部沉积,导致各种呼吸系统疾病。事实上,汽车污染物的排
14、放量与行驶状态关联很大6,地下车库有其自身的行驶特性,针对该行驶特性定量计算污染物的排放有很好的实用价值。为此,利用MOV E S模型对小型汽油客车的污染物排放因子进行模拟,计算居民区和商业区地下车库内机动车C O和颗粒物(细颗粒物PM 2.5、可吸入颗粒物PM 1 0)的排放量,为地下车库的通风系统设计提供参考。1 研究方法1.1 地下车库内机动车行驶状态机动车进出地下车库的行驶动作一般可分解为:低速下坡低速行驶驻车;启动低速行驶低速上坡。考虑到上下坡道一般与室外相通,其污染物可以很容易消散到室外,本文不作计算。为此,将机动车在地下车库中的运行状态细化为2个部分:低速行驶和启动。低速行驶即机
15、动车由车库入口到停放车位或由车位驶出车库这2种情况,启动则由机动车在车位处发生。启动状态根据机动车发动机热浸时间(即停止工作的时间)的长短可分为热启动、温启动和冷启动3种,不同启动状态对应的启动排放因子不同。1.2 计算模型选择目前 机 动 车 污 染 物 模 拟 的 大 部 分 模 型 如MO B I L E模型、C O P E R T模型和I V E模型只能在宏观层面进行模拟测算,而MOV E S模型可以针对宏观、中观、微观模拟场景进行不同层次规模的排放测算。在拟合精度上,美国E P A(环境保护署)针对MOV E S模型和MO B I L E模型进行了大量的测试,发现MOV E S模型的
16、模拟结果更具准确性7。微观层面模拟主要是针对某一特定的交通走廊或者单一的非道路源进行排放模拟测算,如停车场、公交站等区域的机动车启动和怠速的排放区81 0。本研究中对地下车库污染物模拟属于微观 层 次,故 选 择MOV E S模 型(最 新 版 本MOV E S 2 0 1 4 a)。MOV E S模型将总活动量分解到各个源组和单元,再将这些单元的分布和排放速率相结合得到排放量,其模型框架及主要模块示意图见图1,其中“b i n”为排放源和运行工况的组合,排放速率b i n即不同组合对应的污染物排放速率,排放单元b i n分布指不同组合下机动车排放时间和启动次数等行驶特征参数。图1 M O V
17、 E S模型的主要模块及功能1.3 计算案例居民区和商业区车库污染物排放模拟选取同一实际车库。车库采用环形车道单向车流,设计泊车位8 4个,2个车辆出入口,车库尺寸为7 0.2m5 4.3m3.0m,面积为38 1 2m2,容积为1 14 3 6m3,其平面图见图2。目前汽油车仍占据中国乘用车的绝大多数份额,柴油乘用车的占比一直在1%以下徘徊,普及率很低1 1,2 0 2 1年的柴油乘用车的产量占比也仅有3%1 2。虽然随着节能减排的推进,电动车的推广力度越来越大,但是交通管理局的统计数据显示,截至2 0 2 1年6月,我国电动车的保有量也仅占机动车总量的1.6 8%1 3,而且电动车的尾气排
18、放要远小于汽油车。因此考虑到最不利情况及车库内不同类型机动车随机分布带来的复杂性,本次计算车库内污染物排放源时均选用小型汽油车,车用燃油采用国A标准汽油,低速行驶状态对应的速度取地下车库限速值5k m/h,车库内的温度工况分冬、夏季设定,冬季设为5,夏季设为2 8。根 据 小 型 汽 油 客 车 车 龄 分 布 比例1 4及各车龄情况下的排放因子值,使用权重法计算得出排放因子平均值,该值与车龄为5年时的机动车排放因子最为接近,因此车库内小型汽油客车平均车龄选定为5年。1.3.1 居民区地下车库使用规律和行驶模式根据小区居民早中晚的日常作息规律,居民区地下车库的使用规律和行驶模式为:1 5 2
19、暖通空调H V&A C 2 0 2 3年第5 3卷第1 1期专题研究注:18 4为车位编号;字母为路段编号。图2 地下车库平面及车位、路段编号1)早通勤冷启动驶出。小区居民前一天晚上下班回家停车入库,第二天早上开车离开。此过程分为机动车冷启动和低速驶出两部分。2)午休时间低速驶入后又温启动驶出。居民中午下班回家停车入库,经过短暂午休后再次启动机动车离开。此过程具体由低速驶入、温启动及低速驶出三部分组成,其中温启动对应的热浸时间取3 06 0m i n。3)晚通勤低速驶入。居民晚上下班回家停车入库,此过程只包含机动车低速驶入部分。一般来说,小区居民在车库内一般拥有固定车位,通勤时间段内任意1h,
20、居民区车位周转率(单位时间内每个停车位的平均停放车辆次数)都小于1h-1,通常为0.40.8h-1。通过对比3个时段的污染物排放量,可得到居民区地下车库1天中最大的污染物排放量及对应的排放时段,为通风系统的设计提供参考。1.3.2 商业区地下车库使用规律和行驶模式商业区地下车库行车规律不像居民区地下车库那样固定,文献1 5 1 8 中调查统计的各商业区停车库的车位周转率如表1所示。表1 商业区停车库车位周转率文献项目车位周转率/h-11 5济南市泉城路商业区停车库峰值1.4 7,平时0.9 01 6广州天河城百货地下停车场节假日1.2 5,平日1.0 0广州正佳广场地下停车场节假日1.1 2,
21、平日0.8 71 7天津市滨江道中心商业区停车库节假日2.0 5,平日1.8 11 8宁波市海曙区和义大道地下停车场周末2.0 8,平时1.3 6 结合上述文献,本文将商业区地下车库的使用规律分为工作日和非工作日的高峰时段和平峰时段共4种情况,并设定4种情况下的车位周转率如表2所示。同时参考文献1 5,1 9 2 1 中统计的车辆停放时间比例,本研究确定的车辆停放时间分布比例如表3所示。将确定的车位周转率乘以车库车位总数得到1h内车库内车位使用总次数,结合停放时间的比例可求出各停放时长的机动车数量,在此基础上进行商业车库内污染物排放量的模拟计算。表2 商业区地下车库周转率h-1工作日非工作日高
22、峰时段1.52.0低峰时段1.01.5表3 车辆停放时间分布比例%车辆停放平峰时段高峰时段时间/m i n工作日非工作日工作日非工作日1 53 01 23 23 52 63 06 02 32 22 53 86 09 082 041 69 01 2 01 01 451 21 2 03 6 02 361 533 6 07 2 02 461 652 结果分析2.1 居民区地下车库2.1.1 车道路段污染物排放分布小区居民在车库内一般拥有固定车位,故每辆机动车驶入车位或驶出车库行驶的车道几乎各不相同,这可能造成每段车道的利用率不同。地下车库周转率为0.5h-1时从车库入口到出口大U形路线(图2中A-T
23、-A g-A)各路段的利用率及污染物排放情况(以C O排放量为代表)如图3所示,其中车道路段编号见图2。图3 车道路段利用率及C O排放量分布从图3可以看出:对于机动车驶入而言,紧靠车库入口处的车道路段的利用率最高,而紧靠出口路段的利用率最低,机动车驶出情况则与驶入情况刚好相反;驶入状态下车库中入口到出口的C O排放量整体趋势减小,驶出状态下的变化趋势则相2 0 2 3(1 1)程 康,等:基于行驶状态的地下车库污染物排放量分析1 5 3 反,这与车道利用率基本一致;由于行驶速度统一取为5k m/h,相同变化趋势下的排放量波动体现为路段长度的不同,有的路段左右均设有车位,而有的只有一侧设有车位
24、,加上各路段的长度不一,造成折线出现尖点;当机动车驶入又驶出时,每段车道的利用次数应该相同,此时各路段上的污染物排放量只跟各自长度有关,不会产生明显减小或增大的趋势,折线会比较平,各段车道区域的污染物分布比较均匀,所以车道区域的通风口只需要沿车道均匀布置即可。2.1.2 不同使用模式下污染物排放规律居民区地下车库周转率为0.5h-1时,车库内3种污染物(C O、PM 2.5、PM 1 0)的排放总量如图4所示。图4 居民区车库污染物排放量 由图4可以看出:1)对比图4 a与图3,车库内的污染物主要来源于车位处机动车的启动排放,车道处的运行排放占比很小。此外,晚通勤时段,仅有低速驶入,污染物排放
25、量的数量级明显小于其他2个时间段。数据分析表明,早通勤时段车道排放量仅占总排放量的0.3%2.6%。2)对比同一温度工况下不同时间段的污染物排放量,发现早通勤时段的污染物排放量最大,与文献2 2 中对居民区地下车库污染物排放量实测时发现早通勤时段车库污染物浓度达到峰值的现象相吻合,这也说明在通风量设计时应该基于早通勤时段的污染物总排放量。此外早通勤时段(冷启动+低速驶出)是午休时段(低速驶入+温启动驶出)污染物排放量的2倍以上,说明冷启动的污染物排放量要大于温启动排放量,这是因为冷启动时催化剂达到工作温度的时间更长,使得污染物排放量增大。3)对比冬、夏季工况,除了晚通勤时段(低速驶入),冬季3
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