组合式中效过滤器在轨道交通通风系统中的结构优化研究

一、引言

随着城市化进程的加快，轨道交通作为现代城市公共交通的重要组成部分，其运行环境和空气质量问题日益受到关注。特别是在地铁等密闭空间中，空气流通受限，乘客密度大，空气质量对乘客健康和舒适度具有重要影响。因此，高效的通风系统及其配套的空气净化设备成为保障轨道交通环境质量的关键。

组合式中效过滤器（Combined Medium Efficiency Air Filter）因其良好的过滤效率、较低的能耗及较长的使用寿命，在轨道交通通风系统中得到了广泛应用。然而，传统设计在实际应用过程中仍存在气流分布不均、压降过大、维护成本较高等问题，亟需通过结构优化提升其性能。近年来，国内外学者围绕空气过滤器的流体动力学特性、材料选择及结构设计等方面开展了大量研究，并取得了一定成果。例如，美国ASHRAE标准（ASHRAE Standard 52.2）对空气过滤器的分级与测试方法进行了详细规定，而中国国家标准《GB/T 14295-2019 空气过滤器》也对过滤器的性能指标提出了明确要求。

本文旨在探讨组合式中效过滤器在轨道交通通风系统中的结构优化策略，分析不同设计方案对过滤效率、气流均匀性及能耗的影响，并结合国内外相关研究成果，提出优化建议。文章将首先介绍组合式中效过滤器的基本原理及其在轨道交通通风系统中的作用，随后分析当前存在的技术挑战，并基于实验数据和数值模拟结果，探讨优化方案的具体实施路径。

二、组合式中效过滤器的基本原理与应用场景

2.1 组合式中效过滤器的工作原理

组合式中效过滤器是一种集成多个过滤单元的空气处理设备，通常由初效过滤层、中效过滤层以及支撑框架组成。其工作原理主要依赖于物理拦截、惯性碰撞、扩散效应以及静电吸附等机制。当空气流经过滤器时，较大的颗粒物被初效过滤层拦截，较小的悬浮颗粒则在中效过滤层中进一步去除。由于采用了多级过滤结构，该类过滤器能够在保证较高过滤效率的同时降低整体压降，从而减少能耗并延长使用寿命。

根据《GB/T 14295-2019 空气过滤器》标准，中效过滤器的过滤效率通常在60%至85%之间，适用于粒径为1 μm 至10 μm 的颗粒物。此外，部分高性能组合式中效过滤器还采用纤维复合材料或静电增强技术，以提高对亚微米颗粒的捕集能力。

2.2 在轨道交通通风系统中的功能

在轨道交通系统中，通风系统的首要任务是维持车厢和站台区域的空气流通，同时有效去除空气中的污染物，如灰尘、细菌、花粉及有害气体。组合式中效过滤器作为通风系统的核心部件之一，主要承担以下功能：

1. 空气净化：通过多级过滤结构，有效去除空气中的可吸入颗粒物（PM2.5 和PM10），改善空气质量。
2. 节能降耗：相较于高效过滤器，中效过滤器的初始阻力较低，有助于降低风机能耗，提高系统能效。
3. 延长维护周期：合理的结构设计可以减少滤材堵塞现象，从而降低更换频率，减少运营成本。
4. 适应复杂工况：轨道交通系统通常面临高湿度、温差变化大等环境因素，组合式中效过滤器具备较好的抗湿性和耐腐蚀性，能够适应多种复杂工况。

2.3 主要产品参数与性能指标

为了更直观地了解组合式中效过滤器的技术特点，以下表格列出了常见的产品参数及其性能指标：

综上所述，组合式中效过滤器凭借其较高的过滤效率、较低的能耗以及较强的适应性，在轨道交通通风系统中发挥着重要作用。然而，如何进一步优化其结构设计，以提高气流均匀性、降低压降并提升整体性能，仍然是当前研究的重点方向。

三、现有结构设计的问题与挑战

尽管组合式中效过滤器在轨道交通通风系统中具有较高的适用性，但现有的结构设计仍存在若干技术问题，主要体现在气流分布不均、压降过高以及维护成本较高等方面。这些问题不仅影响了过滤器的运行效率，还可能增加能源消耗，降低系统的整体经济性。

3.1 气流分布不均

在实际运行过程中，空气流动的均匀性直接影响过滤器的过滤效率和使用寿命。如果气流分布不均，部分区域的滤材会因局部过载而提前失效，导致整体过滤性能下降。研究表明，传统的矩形或平板式过滤器在进风口附近容易形成高速气流区，而在边缘区域则可能出现低速涡流，使得粉尘沉积不均匀，增加了局部堵塞的风险。例如，Chen et al.（2021）通过CFD（计算流体力学）模拟发现，在未优化的过滤器结构中，中心区域的气流速度可达边缘区域的2倍以上，导致滤材利用率低下。

3.2 压降过高

过滤器的压降是指空气通过滤材时所受到的阻力，通常用帕斯卡（Pa）表示。过高的压降会增加风机的负荷，进而提高能耗。根据《GB/T 14295-2019 空气过滤器》标准，中效过滤器的初始压降应控制在150 Pa以内，但在实际应用中，一些设计不佳的组合式过滤器在运行一段时间后，压降可能超过200 Pa，甚至达到250 Pa以上。这不仅增加了风机的功率需求，还可能导致系统整体风量下降，影响通风效果。例如，Wang et al.（2020）的研究表明，在某地铁车站使用的组合式中效过滤器中，由于滤材排列不合理，导致气流通道狭窄，最终使压降比预期高出约30%。

3.3 维护成本较高

维护成本是轨道交通通风系统运营过程中不可忽视的一项支出。组合式中效过滤器的维护主要包括定期清洁、更换滤材以及检查密封性能等。然而，目前许多过滤器的设计缺乏模块化和标准化，使得维护过程较为繁琐。例如，某些过滤器采用固定式安装方式，拆卸和更换需要耗费较多时间和人力；此外，由于滤材易受潮或积尘，维护周期较短，增加了更换频率和成本。Zhang et al.（2019）指出，在部分城市的地铁系统中，过滤器的年均更换次数高达2次以上，显著提高了运维成本。

3.4 国内外研究现状

针对上述问题，国内外学者已开展了一系列研究，试图通过优化过滤器结构来提升其性能。例如，Li et al.（2022）提出了一种新型蜂窝状过滤结构，通过增加气流通道数量，提高了气流分布的均匀性，降低了压降。类似地，国外研究者如Smith and Johnson（2021）则利用拓扑优化方法重新设计过滤器内部流道，使其在相同风量下减少了15%的压降。此外，一些研究还尝试引入智能监测系统，通过实时检测过滤器状态，优化维护策略，以降低长期运行成本。

综合来看，虽然组合式中效过滤器在轨道交通通风系统中具有广泛应用，但其结构设计仍存在诸多改进空间。接下来的研究将进一步探讨具体的优化策略，包括结构改进、材料创新及智能化管理等方面，以期提升其整体性能。

四、结构优化策略

4.1 改进气流分布设计

为了提高组合式中效过滤器的气流均匀性，优化其内部结构至关重要。一种有效的改进方法是采用渐扩式进风口设计，使气流在进入过滤器时逐渐扩散，从而减少局部高速气流的影响。研究表明，使用锥形或喇叭形入口可以有效降低气流集中现象，提高滤材的利用率。此外，可以在过滤器内部设置导流板或分流格栅，引导气流均匀分布在各个过滤单元之间，避免因局部过载而导致滤材提前失效。

另一种优化策略是采用蜂窝状或多孔结构的滤材布局，使气流在经过滤材时能够均匀分布。相比传统的平板式过滤结构，蜂窝状设计可以增加气流通道的数量，降低局部阻力，从而提高整体气流均匀性。例如，Li et al.（2022）通过CFD模拟验证了蜂窝状过滤结构在降低气流不均匀性方面的有效性，并发现该设计可使气流速度波动降低约25%。

4.2 降低压降

压降的优化主要依赖于滤材的选择、结构布局以及流道设计。首先，应选用透气性更高且阻力更低的滤材，如纳米纤维复合材料或静电增强型滤材，这些材料在保持较高过滤效率的同时，能够有效降低气流阻力。其次，可以通过优化滤材的排列方式，减少气流通道的弯曲程度，降低湍流损失。例如，采用直线型或波纹状滤材布置，可以减少气流在滤材之间的摩擦阻力，从而降低整体压降。

此外，研究者还可以借助计算流体力学（CFD）工具进行数值模拟，分析不同结构参数对压降的影响。例如，Smith and Johnson（2021）利用CFD仿真优化了过滤器内部流道的几何形状，并成功将压降降低了15%。这种方法不仅可以减少试验成本，还能提供更加精确的优化方案。

4.3 提高维护便利性

为了降低维护成本，提高过滤器的可维护性，优化其安装方式和模块化设计是关键。首先，应推广抽屉式或模块化嵌入式安装方式，使滤材更换更加便捷。相比于传统的固定式安装，这种设计可以大幅缩短更换时间，减少人工操作难度。其次，应在过滤器内部预留足够的检修空间，确保维护人员能够轻松接触到滤材和密封件，提高日常维护的效率。

此外，可以考虑引入智能监测系统，通过传感器实时检测过滤器的压降、污染程度及使用寿命，并在达到阈值时自动报警或提示更换。例如，Zhang et al.（2021）开发了一种基于物联网的智能过滤管理系统，该系统能够实时采集过滤器运行数据，并通过云端平台进行分析，优化维护计划，减少不必要的更换频率。

4.4 结构优化方案对比

为了更直观地比较不同优化策略的效果，以下表格列出了几种典型优化方案及其对气流分布、压降和维护便利性的影响：

从表中可以看出，不同的优化策略各有侧重，其中蜂窝状滤材布局和CFD辅助优化设计在降低压降和改善气流分布方面表现最佳，而模块化安装和智能监测系统则在提升维护便利性方面具有明显优势。因此，在实际应用中，应结合具体需求，综合采用多种优化措施，以实现最佳的性能提升效果。

五、结论与展望

组合式中效过滤器在轨道交通通风系统中扮演着至关重要的角色，其性能直接影响空气质量、能耗水平以及维护成本。通过结构优化，可以有效改善气流分布，降低压降，并提高维护便利性，从而提升整体运行效率。研究表明，采用蜂窝状滤材布局、渐扩式进风口设计以及CFD辅助优化等策略，能够显著改善气流均匀性并降低阻力，而模块化安装和智能监测系统的引入，则有助于降低运维成本，提高设备管理的智能化水平。

未来，随着新材料和智能制造技术的发展，组合式中效过滤器的优化方向将进一步拓展。例如，纳米纤维复合材料的应用有望在保持高过滤效率的同时进一步降低压降，而人工智能驱动的预测性维护系统则可以提升设备的自主管理能力。此外，结合绿色设计理念，开发可回收或生物降解滤材，也将成为轨道交通通风系统可持续发展的重要趋势。