蜂巢形圓孔通道空氣凈化器在地鐵車輛上的應用

任小玲 杜世倫 李海鋒 趙 賽 孟繁華

(1.中車唐山機車車輛有限公司，063035,唐山; 2.西南交通大學茅以升學院,611756,成都; 3.山東朗進科技股份有限公司，266071, 青島//第一作者,高級工程師)

1 地鐵環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查

經(jīng)過相關調(diào)查，地鐵環(huán)境中站臺、車廂內(nèi)的細菌總數(shù)均有不同程度的超標。文獻[1]表明，上海軌道交通1號線的監(jiān)測結果中，細菌總數(shù)最大值超標3.36倍。文獻[2]對重慶地鐵1，3號線車廂進行細菌總數(shù)、溶血性鏈球菌菌落總數(shù)、溫度和相對濕度等的檢測結果表明，車廂內(nèi)的細菌總數(shù)與車廂內(nèi)溫度、客流量呈正相關。文獻[3]對西安地鐵2號線的部分站臺大氣顆粒物濃度的研究數(shù)據(jù)表明，個別站點PM2.5濃度超標。文獻[4]表明，上海地鐵站臺顆粒物濃度超標比較嚴重，其中PM2.5比重較大。

以上研究數(shù)據(jù)說明凈化地鐵環(huán)境空氣質(zhì)量迫在眉睫。

2 蜂巢形圓孔通道空氣凈化器的選型

目前地鐵車輛空調(diào)的空氣過濾均采用傳統(tǒng)的濾網(wǎng)式空氣凈化器，通常選擇G3等級的無紡布過濾棉配合金屬框架安裝在回風口附近，使空氣流經(jīng)濾網(wǎng)，達到過濾顆粒物的目的。這種方法通常只能過濾較大的顆粒物，對PM2.5等顆粒物基本沒有過濾效果，更沒有殺菌效果。

也有一些空調(diào)機組在安裝G3過濾網(wǎng)的同時安裝紫外線凈化器，雖然有殺菌效果，但由于紫外線凈化器燈管的可靠性或更換操作不方便等原因，難以得到廣泛應用。也有安裝低溫等離子凈化器的案例，但雖有殺菌效果，除塵功能卻不顯著。因此，地鐵車輛空調(diào)需要既滿足殺菌又滿足除塵功能的凈化器，以保證乘客擁有更優(yōu)良的乘車環(huán)境。

蜂巢形圓孔通道凈化器采用靜電式殺菌除塵的原理，在殺菌、除塵方面均有很好的效果。蜂巢形圓孔通道空氣凈化器結構如圖1所示。

圖1中，金屬圓管呈蜂窩狀布局，相互連接到金屬板負極；針狀電極位于金屬圓管的軸心線上，在高壓電源作用下，針尖與圓管形成一個穩(wěn)定的電暈區(qū)。當空氣中含有細菌、真菌、病毒等微生物或粉塵等經(jīng)過電暈區(qū)時，微生物被電離炭化，塵埃粒子帶電后被有效吸附，達到殺菌除塵的目的。

蜂巢形圓孔通道空氣凈化器的優(yōu)點：

1) 同時具備殺菌、除塵功能；

2) 圓管針狀結構設計，易于從工藝設計上保證軸心與管壁距離相等；

3) 臭氧產(chǎn)生量可控；

4) 軸心與管壁等距設計，沒有低壓區(qū)，保證殺菌、除塵效率；

5) 外形尺寸易于安裝，在地鐵車輛空調(diào)中替換傳統(tǒng)濾網(wǎng)即可；

6) 初濾與蜂巢形圓孔通道為分體式安裝，便于拆卸清洗。

3 凈化效率測試

3.1 殺菌效率計算與測試

根據(jù)GB/T18801—2015[5]以及GB 21551.3—2010[5]的要求，按如下步驟進行試驗：

1) 在30 m3實驗艙內(nèi)的實驗臺(距地面高0.8 m)上安裝空氣凈化器。

2) 產(chǎn)生規(guī)定量的氣體污染物(白色葡萄球菌)，攪拌均勻。

3) 打開凈化器電源，試驗環(huán)境下測試不同時間的污染物濃度。

4) 計算自然消亡率

5) 計算除菌率

除菌率=

經(jīng)過測試，除菌前的初始濃度為1×105cfu/m3。

除菌時風速為3 m/s；運行30 min。

試驗結果顯示除菌率≥99%。

3.2 除塵效率計算與測試

按照空氣凈化器相關標準GB/T 18801—2015附錄B中的方法進行測試。測試初始濃度后，規(guī)定的試驗條件下每間隔10 min測試一次數(shù)據(jù)，持續(xù)1 h結束試驗。

凈化效率計算：

經(jīng)過測試，除塵前的初始體積濃度為5 mg/m3。

除塵過程中的數(shù)據(jù)記錄如表1所示，凈化效率大于99%。

表1 試驗室測試PM2.5濃度數(shù)據(jù)

4 蜂巢形圓孔通道空氣凈化器與傳統(tǒng)濾網(wǎng)對比試驗

為確認蜂巢形圓孔通道空氣凈化器在車廂內(nèi)的除塵效果，以及與傳統(tǒng)濾網(wǎng)的對比效果，使用模型車實驗室對其除塵效率、對比效果進行驗證。

車輛空調(diào)機組凈化器安裝在回風口兩側，如圖2所示。車廂的新風、回風均經(jīng)過凈化器后才能進入車廂，以保證凈化效果。

4.1 試驗方法

1) 參考GB/T 18801—2015附錄B規(guī)定的試驗方法，將凈化器安裝在模型車試驗車廂上，選取12個采樣點進行測試。測試過程中，車廂密封，新風口密封。車廂內(nèi)采樣點布置如圖3所示。

2) 測試前，開啟凈化裝置，凈化試驗車廂內(nèi)空氣，使PM2.5背景質(zhì)量濃度小于35 μg/m3。

圖2 凈化器在地鐵車輛空調(diào)上的安裝位置

3) 試驗開始時，PM2.5濃度≥2 000 μg/m3(±200 μg/m3)，計算時對應t=0 min；

4) 記錄初始濃度后，開啟凈化器，每2 min測定并記錄一次顆粒物的濃度，連續(xù)測試60 min。

5) 將凈化器更換為傳統(tǒng)濾網(wǎng)，重復1～4項試驗。

注：各采樣點距地面1.2 m；尺寸單位為m

4.2 測試結果

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，凈化器除塵效果如圖4所示，傳統(tǒng)濾網(wǎng)除塵效果如圖5所示。

圖4 凈化器除塵效率

經(jīng)過測試與對比，靜電式凈化器針對PM2.5的除塵效率為98.6%，運行1 h后車廂內(nèi)PM2.5的質(zhì)量濃度為33 μg/m3，空氣質(zhì)量達到“優(yōu)”級別；傳統(tǒng)濾網(wǎng)運行1 h后車廂內(nèi)PM2.5濃度為188 μg/m3，PM10濃度為199 μg/m3，仍為中度污染。因此傳統(tǒng)濾網(wǎng)對PM2.5、PM10顆粒物的過濾不能滿足要求。

圖5 傳統(tǒng)濾網(wǎng)除塵效率

5 結語

根據(jù)對地鐵環(huán)境調(diào)查研究及數(shù)據(jù)分析，確定了空調(diào)機組安裝凈化器及提高凈化效率的必要性。通過凈化器原理、性能對比，表明蜂巢形圓孔通道凈化器適合用于地鐵車輛環(huán)境，經(jīng)過實驗室試驗驗證除菌效率、除塵效率均滿足要求。在模型車車廂實驗室進行的對比試驗，進一步證明了凈化器具有顯著的除塵效率，而傳統(tǒng)濾網(wǎng)不能有效過濾PM2.5、PM10顆粒物。

因此，安裝使用蜂巢形圓孔通道凈化器凈化器，可以凈化車廂空氣，且殺菌除塵效率顯著提升，保證乘客身體健康不受細菌、顆粒物的侵害。優(yōu)化了乘客出行環(huán)境。