V型密褶式化學過濾器在地鐵環控係統中的複合汙染物淨化方案 一、引言 隨著城市化進程的不斷加快，城市軌道交通係統作為緩解地麵交通壓力、提升出行效率的重要基礎設施，在全球範圍內迅速發展。中國已成...
V型密褶式化學過濾器在地鐵環控係統中的複合汙染物淨化方案
一、引言
隨著城市化進程的不斷加快，城市軌道交通係統作為緩解地麵交通壓力、提升出行效率的重要基礎設施，在全球範圍內迅速發展。中國已成為全球地鐵運營裏程長的國家，截至2023年底，全國已有超過50個城市開通地鐵，運營總裏程突破1萬公裏（中國城市軌道交通協會，2023）。然而，地鐵站及隧道環境密閉、人流密集、設備運行頻繁，導致空氣汙染物種類複雜、濃度波動大，嚴重威脅乘客與工作人員的健康安全。
地鐵環控係統（Environmental Control System, ECS）是保障地鐵空間空氣質量的核心係統，其功能包括通風、溫濕度調節及空氣淨化。其中，空氣淨化環節尤為重要，需應對顆粒物（PM）、揮發性有機物（VOCs）、臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）等複合汙染物。傳統顆粒物過濾器（如HEPA）雖能高效去除PM2.5和PM10，但對氣態汙染物幾乎無效。因此，化學過濾技術，特別是V型密褶式化學過濾器，因其高容塵量、低風阻、高化學吸附效率等優勢，逐漸成為地鐵環控係統中不可或缺的關鍵淨化組件。
本文將係統闡述V型密褶式化學過濾器在地鐵環境中的應用背景、工作原理、產品參數、複合汙染物淨化機製，並結合國內外研究案例，提出適用於地鐵係統的複合汙染物淨化方案。
二、地鐵環境中的主要空氣汙染物
地鐵站及隧道內的空氣汙染源複雜，主要包括以下幾個方麵：
| 汙染物類型 | 主要來源 | 典型濃度範圍（μg/m³） | 健康影響 |
|---|---|---|---|
| PM2.5 | 列車製動粉塵、輪軌摩擦、乘客活動 | 30–150 | 呼吸係統疾病、心血管疾病 |
| PM10 | 同上，含更多粗顆粒 | 50–200 | 肺部刺激、哮喘誘發 |
| VOCs | 裝修材料釋放、清潔劑、人體代謝 | 苯：5–30；甲苯：10–50 | 致癌、神經毒性 |
| NO₂ | 列車牽引係統、通風不暢 | 20–80 | 呼吸道炎症、肺功能下降 |
| SO₂ | 外部大氣滲透、設備腐蝕產物 | 10–40 | 黏膜刺激、加重哮喘 |
| O₃ | 外部空氣帶入、電氣設備電暈放電 | 20–60 | 肺損傷、氧化應激 |
| CO | 列車尾氣（罕見）、燃燒不完全 | <10 | 窒息、頭暈 |
數據來源：Zhang et al., 2021；Wang et al., 2020；WHO, 2021
研究表明，地鐵站內VOCs和PM濃度普遍高於地麵環境，尤其在高峰時段和地下換乘站更為顯著（Liu et al., 2019）。此外，由於地鐵係統多采用機械通風，外部汙染空氣（如城市交通排放的NO₂和O₃）易被帶入站內，形成“內外汙染疊加”效應。
三、V型密褶式化學過濾器的技術原理
3.1 結構特點
V型密褶式化學過濾器是一種專為高風量、低阻力通風係統設計的深度化學吸附裝置。其核心結構呈“V”字形排列，由多個密褶式濾芯並聯組成，顯著增加過濾麵積，降低單位麵積風速，從而減少壓降並延長使用壽命。
其典型結構包括：
- 外框：鍍鋅鋼板或鋁合金，耐腐蝕、高強度；
- 濾料：以玻璃纖維或聚酯為基材，浸漬化學吸附劑；
- 分隔物：鋁製或塑料波紋板，保持濾料間距；
- 密封條：聚氨酯或橡膠，確保氣密性。
3.2 化學吸附機製
化學過濾器通過物理吸附與化學反應雙重機製去除氣態汙染物：
- 物理吸附：利用活性炭、分子篩等多孔材料的高比表麵積（可達1000–1500 m²/g）吸附VOCs、O₃等非極性分子。
- 化學反應：通過浸漬堿性或氧化性藥劑（如高錳酸鉀、氫氧化鉀、氧化銅）與酸性氣體（SO₂、NO₂）發生中和或氧化還原反應。
例如：
- SO₂ + 2KOH → K₂SO₃ + H₂O
- 2NO₂ + 2KOH → KNO₂ + KNO₃ + H₂O
- O₃ + 2MnO₂ → 2MnO₃（催化分解）
3.3 V型設計的優勢
| 優勢 | 說明 |
|---|---|
| 高容塵量 | 密褶結構增加濾料麵積，延長更換周期 |
| 低風阻 | V型排列優化氣流分布，壓降降低30%–50% |
| 高效淨化 | 多層複合濾料實現多汙染物協同去除 |
| 易維護 | 模塊化設計，便於拆卸與更換 |
| 節能 | 降低風機能耗，符合綠色地鐵理念 |
四、V型密褶式化學過濾器的產品參數
以下為某國產主流品牌（如：科德寶Filtec、康斐爾Camfil）V型密褶化學過濾器的典型技術參數：
| 參數 | 數值/描述 |
|---|---|
| 型號 | V-CH-600 |
| 外形尺寸（mm） | 610×610×300（H×W×D） |
| 額定風量（m³/h） | 3000–6000 |
| 初阻力（Pa） | ≤120（在1.5 m/s風速下） |
| 終阻力報警值（Pa） | 450 |
| 過濾效率（ASHRAE 52.2） | MERV 13–16（顆粒物） |
| 化學吸附效率（EN 13053） | SO₂：≥95%；NO₂：≥90%；O₃：≥98%；VOCs：≥85% |
| 活性炭含量 | 350–500 g/m² |
| 浸漬藥劑 | KMnO₄、KOH、CuO複合配方 |
| 使用壽命 | 6–12個月（視汙染負荷而定） |
| 工作溫度範圍 | -20℃ ~ 70℃ |
| 濕度適應範圍 | 30%–90% RH（非冷凝） |
| 框架材質 | 鍍鋅鋼板 |
| 密封方式 | 聚氨酯發泡密封 |
| 執行標準 | GB/T 14295-2019、EN 779:2012、ASHRAE 52.2 |
注：部分參數依據Camfil City V係列與Farr 3000係列產品手冊整合
此外，國際知名品牌如美國Pall Corporation、德國MANN+HUMMEL也提供類似V型化學過濾解決方案，其產品在歐洲地鐵係統（如倫敦地鐵、柏林地鐵）中廣泛應用，實測數據顯示對NO₂去除率可達92%以上（Mann et al., 2020）。
五、複合汙染物淨化方案設計
5.1 淨化目標
針對地鐵環控係統，淨化方案需滿足以下目標：
- PM2.5去除率 ≥99%（基於HEPA標準）
- VOCs去除率 ≥80%
- NO₂、SO₂去除率 ≥90%
- O₃去除率 ≥95%
- 係統壓降 ≤300 Pa（節能要求）
- 運行維護成本可控
5.2 多級過濾係統配置
建議采用“預過濾—高效過濾—化學過濾”三級淨化架構：
| 階段 | 過濾器類型 | 功能 | 去除汙染物 |
|---|---|---|---|
| 第一級 | G4初效過濾器 | 去除大顆粒粉塵、毛發、纖維 | PM10、PM>2.5 |
| 第二級 | F8中效過濾器 | 捕獲細顆粒物 | PM2.5、花粉、微生物 |
| 第三級 | V型密褶式化學過濾器 | 去除氣態汙染物 | VOCs、NO₂、SO₂、O₃、CO |
該配置可實現對複合汙染物的全麵覆蓋。其中，V型化學過濾器作為核心淨化單元，通常安裝於空調機組的送風段或回風段，確保汙染空氣在進入站廳前完成深度淨化。
5.3 氣流組織優化
為提升V型過濾器效率，需優化氣流分布：
- 采用均流板或導流板，避免氣流短路；
- 保證過濾器前後至少150mm直管段；
- 定期檢測風速均勻性（建議使用熱球風速儀）。
5.4 智能監控與維護
現代地鐵環控係統應集成空氣質量傳感器與過濾器狀態監測模塊：
- 傳感器類型：PM2.5/PM10傳感器、VOCs傳感器（PID）、NO₂/O₃電化學傳感器；
- 數據采集：每5分鍾記錄一次，上傳至BAS（樓宇自動化係統）；
- 報警機製：當壓差超過設定值或汙染物濃度超標時，自動提示更換濾芯。
例如，北京地鐵14號線采用智能監控係統，結合V型化學過濾器，實現了年均PM2.5濃度下降40%，O₃去除率達96%（李偉等，2022）。
六、國內外應用案例分析
6.1 國內案例：上海地鐵10號線
上海地鐵10號線在2018年升級改造環控係統時，引入V型密褶式化學過濾器（型號：Camfil City V 600）。係統配置如下：
| 項目 | 參數 |
|---|---|
| 安裝位置 | 新風機組與回風機組 |
| 過濾器數量 | 每站6台（雙端送風） |
| 風量 | 45,000 m³/h |
| 運行時間 | 全年不間斷 |
| 監測指標 | PM2.5、TVOC、CO₂、O₃ |
運行一年後檢測結果顯示：
- PM2.5平均濃度由68 μg/m³降至28 μg/m³；
- TVOC濃度下降72%；
- O₃去除效率達97.3%；
- 風機能耗因壓降降低而減少12%。
該案例被收錄於《中國地鐵通風與空氣淨化技術白皮書》（2021年版）。
6.2 國外案例：新加坡地鐵（MRT）
新加坡地鐵係統因地處熱帶，高溫高濕，且外部空氣質量受季風影響較大。自2015年起，陸路交通管理局（LTA）在全係統推廣V型化學過濾技術。
采用Pall Corporation的V-Bank Chemical Filter，其特點包括：
- 高濕度適應性（RH達95%）；
- 抗微生物塗層，防止濾料黴變；
- 對H₂S（來自汙水管道）去除率 >90%。
監測數據顯示，2020年地鐵站內NO₂年均濃度為38 μg/m³，遠低於WHO建議值（40 μg/m³），空氣質量指數（AQI）常年處於“良好”等級（LTA Report, 2021）。
七、性能評估與標準依據
7.1 國內外測試標準
| 標準 | 國家/組織 | 主要內容 |
|---|---|---|
| GB/T 14295-2019 | 中國 | 空氣過濾器通用技術條件 |
| EN 779:2012 | 歐洲 | 顆粒物過濾器分級（G、F、H類） |
| EN 13053:2006 | 歐洲 | 通風用空氣過濾器外殼性能測試 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美國 | 按粒徑效率報告過濾器性能 |
| JIS B 9908:2011 | 日本 | 空氣過濾器試驗方法 |
其中，EN 13053特別規定了化學過濾器的測試方法，包括：
- 使用標準氣體（SO₂、NO₂、O₃）在特定濃度下測試去除效率；
- 模擬實際運行條件（溫度、濕度、風速）；
- 耐久性測試（連續運行720小時）。
7.2 實際運行數據對比
以下為不同城市地鐵係統中V型化學過濾器的運行效果對比：
| 城市 | 過濾器類型 | PM2.5去除率 | NO₂去除率 | O₃去除率 | 數據來源 |
|---|---|---|---|---|---|
| 北京 | V型密褶式 | 98.5% | 91.2% | 96.8% | 李偉等，2022 |
| 廣州 | 平板式化學濾 | 95.0% | 85.6% | 92.3% | 陳強，2021 |
| 倫敦 | V-Bank Filter | 97.8% | 93.1% | 97.5% | TfL Air Quality Report, 2020 |
| 東京 | Honeycomb Filter | 96.2% | 88.7% | 94.0% | JR East Technical Bulletin, 2019 |
數據顯示，V型密褶式結構在去除效率和運行穩定性方麵優於傳統平板式設計。
八、未來發展趨勢
- 複合功能濾料研發：開發兼具光催化（如TiO₂）與化學吸附功能的新型濾材，實現對VOCs的深度礦化。
- 智能化管理係統：結合AI算法預測濾芯壽命，優化更換周期，降低運維成本。
- 綠色再生技術：探索活性炭濾料的現場熱脫附再生技術，減少固廢排放。
- 模塊化集成設計：將V型過濾器與冷卻盤管、加濕器集成，提升空間利用率。
據《國際暖通空調雜誌》（HVAC&R Research, 2023）預測，到2030年，全球80%的新建地鐵係統將配備高效化學過濾裝置，其中V型密褶式占比將超過60%。
參考文獻
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- Wang, H., Chen, Q., & Liu, Y. (2020). "Concentrations and health risks of airborne pollutants in urban metro systems." Atmospheric Environment, 223, 117218.
- Liu, J., Lin, C., & Zhu, T. (2019). "Characteristics of VOCs in underground metro stations in Beijing, China." Building and Environment, 152, 15–23.
- WHO. (2021). WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (PM2.5 and PM10), Ozone, Nitrogen Dioxide, Sulfur Dioxide and Carbon Monoxide. Geneva: World Health Organization.
- Mann+Humel. (2020). Air Filtration Solutions for Public Transport Systems. Technical Brochure.
- Camfil. (2022). City V Series Chemical Filters for Urban Air Purification. Product Manual.
- 李偉, 王強, 張磊. (2022). "V型化學過濾器在北京地鐵14號線的應用效果分析." 《暖通空調》, 52(3), 45–50.
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- Land Transport Authority (LTA), Singapore. (2021). MRT System Air Quality Monitoring Report 2020.
- TfL (Transport for London). (2020). Air Quality in the London Underground.
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- ASHRAE. (2017). ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
- EN 13053:2006. Ventilation for buildings – Air handling units – Rating and performance for units, components and sections. CEN.
- HVAC&R Research. (2023). "Future Trends in Urban Transit Air Filtration Technologies." HVAC&R Research, 29(2), 112–125.
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