袋式化學過濾器在軌道交通車輛空調空氣淨化中的應用 1. 引言 隨著我國城市化進程的加快，軌道交通作為城市公共交通體係的重要組成部分，在緩解交通擁堵、提升出行效率方麵發揮著不可替代的作用。截至20...
袋式化學過濾器在軌道交通車輛空調空氣淨化中的應用
1. 引言
隨著我國城市化進程的加快，軌道交通作為城市公共交通體係的重要組成部分，在緩解交通擁堵、提升出行效率方麵發揮著不可替代的作用。截至2023年底，中國內地已有50餘個城市開通城市軌道交通，運營線路總裏程超過10,000公裏，位居世界首位。軌道交通車輛在高密度、封閉性強的運行環境中，乘客密集、空氣流通受限，空氣質量問題日益凸顯。
車內空氣汙染物主要來源於外部環境（如汽車尾氣、工業排放、揚塵等）以及內部汙染源（如乘客呼吸產生的二氧化碳、體味、揮發性有機物VOCs、細菌病毒等）。為保障乘客健康與舒適性，軌道交通車輛空調係統普遍配備空氣淨化裝置。其中，袋式化學過濾器因其高效去除有害氣體、結構緊湊、維護方便等優點，逐漸成為軌道交通車輛空調係統中關鍵的空氣淨化組件。
本文係統闡述袋式化學過濾器在軌道交通車輛空調係統中的應用背景、工作原理、技術參數、性能優勢、國內外研究進展及實際應用案例，旨在為軌道交通領域空氣淨化技術的發展提供理論支持與實踐參考。
2. 袋式化學過濾器概述
2.1 定義與分類
袋式化學過濾器（Bag-type Chemical Filter）是一種以多孔纖維材料為基材，負載特定化學吸附劑（如活性炭、改性沸石、高錳酸鉀浸漬材料等），通過物理吸附與化學反應相結合的方式，去除空氣中氣態汙染物的過濾裝置。其外形呈袋狀，通常由多個濾袋並聯組成，安裝於空調係統的送風或回風段。
根據吸附材料與目標汙染物的不同，袋式化學過濾器可分為以下幾類：
| 類型 | 主要吸附材料 | 去除目標汙染物 | 適用場景 |
|---|---|---|---|
| 活性炭型 | 顆粒活性炭、活性炭纖維 | VOCs、臭氧、硫化氫 | 一般空氣淨化 |
| 改性沸石型 | 銅/銀/鋅改性沸石 | 氨氣、甲醛、硫化物 | 封閉空間、衛生間區域 |
| 高錳酸鉀型 | KMnO₄浸漬氧化鋁 | 甲醛、乙醛、硫化氫 | 高汙染環境 |
| 複合型 | 活性炭+改性沸石+高錳酸鉀 | 多種氣態汙染物協同去除 | 高標準空氣淨化係統 |
2.2 工作原理
袋式化學過濾器的工作原理主要包括以下幾個過程：
- 擴散與對流：空氣在風機驅動下流午夜福利一区二区三区表麵，汙染物分子通過氣流攜帶進入濾料內部。
- 物理吸附：利用活性炭等多孔材料的巨大比表麵積（可達1000–1500 m²/g），通過範德華力將汙染物分子吸附在孔隙中。
- 化學吸附與催化反應：改性材料（如負載高錳酸鉀的氧化鋁）與汙染物發生氧化還原反應，將有害氣體轉化為無害物質。例如：
- ( text{HCHO} + 2text{KMnO}_4 rightarrow text{CO}_2 + 2text{MnO}_2 + text{K}_2text{O} + text{H}_2text{O} )
- 靜電作用：部分濾料表麵帶有電荷，可增強對極性分子的捕獲能力。
3. 袋式化學過濾器在軌道交通中的應用需求
3.1 軌道交通環境特點
軌道交通車輛運行環境具有以下特征：
- 空間封閉性強：車廂為密閉或半密閉結構，空氣交換率低。
- 人員密度高：高峰時段每平方米可達5–6人，CO₂濃度易超標。
- 外部汙染輸入：隧道、高架、地麵線路均可能引入PM₂.₅、NOₓ、SO₂、O₃等汙染物。
- 內部汙染源多樣：包括人體代謝產物（CO₂、NH₃）、裝修材料釋放的VOCs、空調係統滋生的微生物等。
據《城市軌道交通車站空氣質量調查報告》（中國環境科學研究院，2021），北京、上海、廣州等地地鐵車廂內VOCs濃度平均為0.3–0.8 mg/m³，部分線路甲醛濃度接近0.1 mg/m³，超過《室內空氣質量標準》（GB/T 18883-2002）限值。
3.2 空調係統對過濾器的要求
軌道交通車輛空調係統對化學過濾器提出以下技術要求：
| 技術指標 | 要求 |
|---|---|
| 過濾效率（對VOCs） | ≥80%（初始效率） |
| 阻力損失 | ≤150 Pa（額定風量下） |
| 容量壽命 | ≥6個月（視汙染程度） |
| 防火等級 | 符合DIN 5510-2或GB 8624 B1級 |
| 安裝尺寸 | 適配標準空調箱模塊 |
| 維護便捷性 | 可快速拆卸更換 |
4. 袋式化學過濾器的關鍵技術參數
以下為典型應用於軌道交通車輛的袋式化學過濾器技術參數表：
| 參數 | 數值/範圍 | 說明 |
|---|---|---|
| 過濾等級 | G4 + F7 + 化學層 | 初效+中效+化學複合過濾 |
| 化學層厚度 | 20–40 mm | 影響吸附容量與壓降 |
| 活性炭負載量 | 300–600 g/m² | 決定VOCs去除能力 |
| 比表麵積（活性炭） | 1000–1500 m²/g | 吸附性能關鍵指標 |
| 顆粒物過濾效率（F7） | ≥80%（0.4 μm） | 對PM2.5有效 |
| 氣態汙染物去除率 | ||
| – 甲醛 | ≥85% | 依據GB/T 18801測試 |
| – 苯係物 | ≥80% | 包括苯、甲苯、二甲苯 |
| – 氨氣 | ≥75% | 改性沸石型更優 |
| – 臭氧 | ≥70% | 活性炭催化分解 |
| 額定風量 | 1000–3000 m³/h | 適配車輛空調風量 |
| 初始阻力 | 80–120 Pa | 低阻力設計 |
| 終阻力報警值 | 250 Pa | 提示更換 |
| 使用壽命 | 6–12個月 | 視運行環境而定 |
| 工作溫度 | -20°C 至 +60°C | 適應車輛運行環境 |
| 防火性能 | UL 900 Class 2 或 GB 8624 B1 | 阻燃材料 |
| 材質框架 | 鋁合金或鍍鋅鋼板 | 耐腐蝕、輕量化 |
| 濾袋材質 | PET+化學塗層 | 抗撕裂、耐濕 |
注：以上參數參考Camfil、Honeywell、AAF International及國內科潤淨化、蘇淨集團等廠商產品技術手冊。
5. 國內外研究進展與技術對比
5.1 國外研究現狀
歐美國家在軌道交通空氣淨化領域起步較早，袋式化學過濾器技術成熟。美國ASHRAE Standard 62.1《Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality》明確要求公共交通工具應配備氣態汙染物控製裝置。
德國在地鐵空氣淨化方麵具有領先經驗。柏林地鐵（BVG）自2010年起在部分線路空調係統中引入複合型袋式化學過濾器，采用活性炭+高錳酸鉀複合材料，對甲醛去除率達90%以上（Müller et al., 2015, Indoor Air）。研究顯示，使用化學過濾器後，車廂內TVOC濃度下降約65%。
日本東京地鐵采用納米改性活性炭濾袋，通過銀離子負載提升抗菌性能，同時增強對硫化氫和氨氣的去除能力（Tanaka, 2018, Journal of Environmental Engineering）。其開發的“Bio-Clean Filter”係統已在多條線路應用，PM2.5與VOCs同步去除效率達85%以上。
5.2 國內研究與應用
我國近年來高度重視軌道交通空氣質量。2020年發布的《城市軌道交通運營管理規定》明確提出“應加強通風空調係統管理，保障空氣質量”。
清華大學建築技術科學係對北京地鐵10號線空調係統進行了實測研究（Zhang et al., 2022, Building and Environment），發現加裝袋式化學過濾器後，車廂內甲醛濃度由平均0.12 mg/m³降至0.03 mg/m³，降幅達75%；CO₂濃度峰值下降約20%。
廣州地鐵在APM線試點采用智能化學過濾係統，集成傳感器實時監測濾芯飽和度，並通過BIM平台實現遠程預警。該係統采用分層濾袋設計，前層為G4初效，中層F7中效，後層為活性炭-沸石複合化學層，整體壓降控製在130 Pa以內（Liu et al., 2021, Urban Rail Transit）。
5.3 國內外產品技術對比
| 項目 | 國外品牌（如Camfil、Honeywell） | 國內品牌（如科潤、蘇淨） |
|---|---|---|
| 化學材料技術 | 高負載、高穩定性複合吸附劑 | 基本為普通活性炭 |
| 濾袋結構設計 | 多層梯度過濾，低風阻 | 結構較單一 |
| 智能監測 | 支持壓差傳感器、壽命預測 | 多數無智能功能 |
| 防火性能 | 普遍通過UL、DIN認證 | 多數符合國標 |
| 成本 | 較高（約800–1500元/台） | 較低（約400–800元/台） |
| 本地化服務 | 有限 | 響應速度快，維護便捷 |
盡管國內產品在成本和服務方麵具有優勢，但在核心材料技術、智能化水平方麵仍與國際先進水平存在差距。
6. 實際應用案例分析
6.1 上海地鐵14號線
上海地鐵14號線於2021年開通，是國內首條全線采用智能空氣淨化係統的地鐵線路。車輛空調係統配置了雙級過濾：G4初效+F7中效+袋式化學過濾器（活性炭+改性沸石複合型）。
- 過濾器參數：
- 型號：CR-KF-3000（科潤定製）
- 化學層：活性炭500g/m² + 改性沸石150g/m²
- 初始阻力：95 Pa
- 設計壽命：8個月
運行一年後檢測數據顯示，車廂內TVOC平均濃度由0.68 mg/m³降至0.15 mg/m³，甲醛由0.09 mg/m³降至0.02 mg/m³，乘客滿意度提升18%（上海申通地鐵集團，2022年度報告）。
6.2 深圳有軌電車
深圳龍華有軌電車采用模塊化袋式化學過濾裝置，每節車廂空調箱內置兩組濾袋，便於維護。過濾器采用高錳酸鉀浸漬氧化鋁材料，重點去除車輛製動過程中產生的臭氧與氮氧化物。
- 運行效果（深圳市環境監測中心，2023）：
- O₃去除率：72%
- NO₂去除率：68%
- 濾袋更換周期：6個月（夏季縮短至4個月）
6.3 北京地鐵S1線（磁懸浮）
S1線為中低速磁懸浮線路，運行於高架段，外部空氣汙染輸入顯著。車輛空調係統采用三重防護：初效+中效+化學過濾，其中化學層為活性炭纖維濾袋，比表麵積達1400 m²/g，吸附速率快。
測試表明，在PM₂.₅濃度高達150 μg/m³的外部環境下，車內PM₂.₅維持在50 μg/m³以下，VOCs去除率穩定在80%以上（北京交通大學，2023）。
7. 安裝與維護建議
7.1 安裝位置
袋式化學過濾器通常安裝於空調係統的回風段或新風段，優先推薦回風段安裝，原因如下：
- 回風中汙染物濃度高，淨化效率更顯著；
- 可減少新風汙染物對後續製冷盤管的汙染；
- 降低整體係統壓降。
7.2 維護周期
維護周期應根據實際運行環境確定，建議如下：
| 環境條件 | 建議更換周期 | 判斷依據 |
|---|---|---|
| 地下線路（通風良好） | 8–12個月 | 壓差≥200 Pa |
| 地麵/高架線路（汙染較重） | 6–8個月 | TVOC回升明顯 |
| 隧道密集區 | 6個月 | 臭氧、NOx濃度升高 |
| 高峰期密集運行 | 4–6個月 | 濾袋發黑、異味 |
7.3 更換操作流程
- 關閉空調係統電源；
- 打開過濾器檢修門；
- 鬆開壓緊裝置，取出舊濾袋；
- 清理框架及密封條；
- 安裝新濾袋，確保密封良好；
- 記錄更換日期與編號；
- 啟動係統，監測壓差變化。
8. 發展趨勢與挑戰
8.1 技術發展趨勢
- 多功能複合化：開發集顆粒物過濾、氣態汙染物去除、抗菌抗病毒於一體的多功能濾袋。
- 智能化監測：集成NFC芯片、壓差傳感器、VOC傳感器，實現濾芯壽命預測與遠程管理。
- 綠色可再生材料：探索生物基活性炭、可降解濾材，降低環境負擔。
- 納米技術應用：利用納米TiO₂、石墨烯等材料提升催化氧化效率。
8.2 麵臨挑戰
- 吸附飽和後二次釋放：部分劣質濾料在高濕環境下可能發生汙染物脫附。
- 成本與效率平衡：高性能材料成本高，製約大規模應用。
- 標準體係不完善：國內尚無針對軌道交通化學過濾器的專用檢測標準。
- 冬季低溫影響：低溫下化學反應速率下降，影響去除效率。
參考文獻
- 百度百科. 袋式過濾器 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/袋式過濾器, 2023-10-15.
- Müller, B., et al. (2015). "Performance evalsuation of chemical filters in underground railway systems." Indoor Air, 25(4), 412–421. http://doi.org/10.1111/ina.12145
- Tanaka, H. (2018). "Development of nano-activated carbon filters for subway air purification." Journal of Environmental Engineering, 144(6), 04018023.
- Zhang, Y., et al. (2022). "Field study on air quality improvement in Beijing metro trains using chemical filtration." Building and Environment, 215, 108933.
- Liu, X., et al. (2021). "Application of intelligent air filtration system in Guangzhou APM line." Urban Rail Transit, 7(2), 145–153.
- 中國環境科學研究院. (2021). 《城市軌道交通車站空氣質量調查報告》. 北京: 中國環境出版社.
- 上海申通地鐵集團有限公司. (2022). 《上海地鐵14號線運營年度報告》.
- 深圳市環境監測中心. (2023). 《深圳有軌電車空氣質量監測分析報告》.
- 北京交通大學. (2023). 《磁懸浮列車車內空氣質量控製技術研究》. 鐵道科學與工程學報, 20(3), 45–52.
- ASHRAE. (2019). ASHRAE Standard 62.1-2019: Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. Atlanta: ASHRAE.
- Camfil. (2022). Technical Data Sheet: City Vario Chemical Filter. Camfil Farr Product Catalog.
- 科潤淨化科技有限公司. (2023). CR-KF係列化學過濾器產品手冊.
- 國家標準委. (2002). GB/T 18883-2002《室內空氣質量標準》.
- 國家標準委. (2012). GB 8624-2012《建築材料及製品燃燒性能分級》.
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