TVOC化学过滤器在地铁环控系统中的工程实践
引言
随着城市化进程的不断加快，地铁作为城市公共交通的重要组成部分，其运行环境质量日益受到关注。地铁车站及隧道空间密闭、人员密集、空气流通受限，导致空气中挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, 简称TVOC）浓度显著升高。TVOC主要来源于建筑材料释放、乘客携带物品、车辆运行排放及通风系统污染等，长期暴露于高浓度TVOC环境中可能引发头痛、疲劳、呼吸道刺激甚至致癌风险，严重影响乘客与工作人员的健康。
为有效控制地铁环境中的TVOC污染，近年来化学过滤器逐渐成为地铁环控系统（Environmental and Control System, ECS）中的关键净化设备。其中，TVOC化学过滤器凭借其高效吸附与催化分解能力，在国内外多个城市的地铁系统中得到广泛应用。本文将系统阐述TVOC化学过滤器的工作原理、核心参数、选型依据、工程应用案例及运行维护策略，并结合国内外权威文献与实际工程数据，深入分析其在地铁环控系统中的工程实践价值。
一、TVOC的来源与危害
1.1 TVOC的定义与主要成分
根据《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002），TVOC是指在标准大气压101.3 kPa下，沸点在50℃至260℃之间的有机化合物的总和，主要包括苯、甲苯、二甲苯、甲醛、乙醛、苯乙烯、正己烷等。这些物质具有较强的挥发性，易在密闭空间中积聚。
1.2 地铁环境中TVOC的主要来源
| 来源类别 | 具体来源 | 主要TVOC成分 |
|---|---|---|
| 建筑材料 | 涂料、胶粘剂、密封胶、地毯 | 苯、甲苯、二甲苯、甲醛 |
| 车辆运行 | 制动系统磨损、轮胎摩擦、空调系统 | 多环芳烃、醛类、酮类 |
| 乘客活动 | 化妆品、香水、清洁剂、衣物 | 乙醇、酯类、萜烯类 |
| 通风系统 | 过滤器老化、管道污染 | 醛类、微生物代谢产物 |
据北京市地铁环境空气质量监测数据显示，部分地下车站站厅层TVOC浓度峰值可达0.8 mg/m³，超过国家标准限值（0.6 mg/m³）[1]。上海地铁研究也表明，早高峰期间TVOC浓度较平峰期上升约40%[2]。
二、TVOC化学过滤器的工作原理
TVOC化学过滤器是一种通过物理吸附与化学反应相结合的方式去除空气中有机污染物的设备。其核心技术包括：
2.1 物理吸附
利用高比表面积的多孔材料（如活性炭、分子筛）对TVOC分子进行物理捕获。活性炭因其孔隙结构丰富、成本低廉，被广泛应用于初效与中效过滤层。
2.2 化学催化
在活性炭表面负载催化剂（如纳米二氧化钛TiO₂、铂Pt、钯Pd等），在常温或紫外光照射下激发催化反应，将TVOC氧化为无害的CO₂和H₂O。该过程称为光催化氧化（Photocatalytic Oxidation, PCO）或常温催化氧化。
2.3 复合净化技术
现代TVOC化学过滤器多采用“活性炭+催化剂+紫外灯”复合结构，实现多级净化。例如，Honeywell的Aeropure系列采用“三级净化”技术：初效过滤→活性炭吸附→TiO₂光催化[3]。
三、TVOC化学过滤器的核心技术参数
为确保过滤器在地铁环控系统中的高效运行，需综合考虑以下关键参数：
| 参数名称 | 典型值/范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 过滤效率（TVOC） | ≥90%（针对苯、甲苯） | 按GB/T 17095-1997测试 |
| 风量范围 | 1000–50000 m³/h | 适用于不同规模车站 |
| 初阻力 | ≤120 Pa | 降低风机能耗 |
| 终阻力 | ≤450 Pa | 达到后需更换滤芯 |
| 活性炭填充量 | 300–1500 g/m² | 影响吸附容量 |
| 催化剂类型 | TiO₂、Pt/Al₂O₃、MnO₂ | 决定催化活性 |
| 使用寿命 | 6–24个月 | 受TVOC浓度与风量影响 |
| 工作温度 | 5–40℃ | 适用于地铁环境 |
| 湿度适应范围 | 30%–80% RH | 高湿环境可能影响效率 |
表1：TVOC化学过滤器主要技术参数
根据ASHRAE Standard 62.1-2019《Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality》，化学过滤器应具备持续去除低浓度污染物的能力，且不应产生二次污染[4]。
四、国内外典型产品对比分析
| 品牌 | 型号 | 技术路线 | TVOC去除率 | 适用风量（m³/h） | 产地 |
|---|---|---|---|---|---|
| Camfil | HiSorb® | 活性炭浸渍+化学改性 | 95%（苯） | 2000–30000 | 瑞典 |
| Munters | Eurovent | 分子筛+催化氧化 | 92% | 1500–25000 | 瑞典 |
| 东丽（Toray） | TOYOBUSTER | 活性炭纤维+光催化 | 90% | 1000–20000 | 日本 |
| 中材科技 | ZC-TVOC | 改性活性炭+MnO₂催化剂 | 88% | 1200–18000 | 中国 |
| 3M | C-PAPR | 复合滤芯（活性炭+HEPA） | 85% | 800–10000 | 美国 |
表2：主流TVOC化学过滤器产品性能对比
其中，Camfil的HiSorb®系列采用专利的“浸渍活性炭”技术，通过在活性炭表面负载碱性或酸性化学物质（如高锰酸钾KMnO₄），增强对酸性或碱性TVOC的吸附能力。其在新加坡地铁（SMRT）的实测数据显示，TVOC浓度下降率达91.3%[5]。
中材科技研发的ZC-TVOC系列是国内首款专为地铁环境设计的化学过滤器，已在南京地铁10号线试点应用，实测苯去除效率达86.7%，运行6个月后阻力增长低于15%[6]。
五、工程应用案例分析
5.1 北京地铁14号线化学过滤系统改造
北京地铁14号线部分地下车站因装修材料释放TVOC，导致乘客投诉异味问题。2020年，北京市轨道交通设计研究院联合清华大学环境学院开展空气质量提升工程，在通风空调系统中加装Camfil HiSorb®化学过滤模块。
系统配置：
- 安装位置：车站环控机房送风段
- 过滤器型号：HiSorb® C300
- 风量：18,000 m³/h
- 活性炭填充量：1200 g/m²
- 催化剂：KMnO₄浸渍
运行效果（监测周期：2020.6–2021.6）：
| 监测指标 | 改造前均值 | 改造后均值 | 去除率 |
|---|---|---|---|
| TVOC总浓度（mg/m³） | 0.72 | 0.18 | 75.0% |
| 苯（μg/m³） | 45 | 8 | 82.2% |
| 甲苯（μg/m³） | 68 | 15 | 77.9% |
| 臭气强度（级） | 3.2 | 1.1 | —— |
表3：北京地铁14号线TVOC治理前后对比
数据表明，化学过滤器显著改善了车站空气质量，乘客满意度提升40%以上。
5.2 东京地铁东西线光催化净化系统
东京地铁在东西线部分车站试点安装东丽公司开发的TOYOBUSTER光催化净化装置。系统采用UVC紫外灯（波长254 nm）激发TiO₂催化剂，实现TVOC的常温分解。
研究显示，在平均风速2.5 m/s条件下，该系统对甲醛的去除效率达89%，对甲苯为83%[7]。但高湿度环境（>70% RH）下效率下降约15%，表明湿度控制对光催化系统至关重要。
六、地铁环控系统中的集成设计
TVOC化学过滤器通常集成于地铁环控系统的空气处理机组（Air Handling Unit, AHU）中，其典型安装位置如下：
新风入口 → 初效过滤器 → 中效过滤器 → TVOC化学过滤器 → 表冷器/加热器 → 风机 → 送风管道 → 车站公共区6.1 设计要点
- 前置过滤保障：必须设置G4级初效与F7级中效过滤器，防止粉尘堵塞化学滤芯孔隙。
- 气流均匀性：过滤器迎风面风速宜控制在1.5–2.5 m/s，避免局部短路。
- 压降监控：配备差压传感器，实时监测阻力变化，提示更换周期。
- 维护通道：预留足够检修空间，便于滤芯更换与清洗。
6.2 控制策略
现代地铁环控系统多采用BAS（Building Automation System）实现智能控制。TVOC化学过滤器可接入BAS系统，实现：
- 根据TVOC传感器反馈自动调节风机转速
- 阻力超限报警
- 滤芯寿命预测（基于累计风量与污染物负荷）
广州地铁BAS系统已实现对化学过滤器的远程监控，运维效率提升30%[8]。
七、运行维护与经济性分析
7.1 维护周期
| 维护项目 | 周期 | 内容 |
|---|---|---|
| 外观检查 | 每月 | 检查滤芯变形、积尘 |
| 阻力检测 | 每季度 | 测量初/终阻力 |
| 性能测试 | 每半年 | 抽样检测TVOC去除率 |
| 滤芯更换 | 6–24个月 | 根据阻力或效率下降决定 |
7.2 经济性对比（以10,000 m³/h风量为例）
| 成本项目 | 一次性投入（万元） | 年运行成本（万元） | 使用寿命 |
|---|---|---|---|
| 普通活性炭过滤器 | 8.5 | 6.2（含更换） | 1年 |
| 改性活性炭+催化剂 | 15.0 | 4.8 | 2年 |
| 光催化系统 | 22.0 | 3.5（含电费） | 5年 |
表4：不同净化技术经济性对比
尽管光催化系统初期投资较高，但其运行成本低、寿命长，在长期运营中更具经济优势。
八、国内外研究进展与标准规范
8.1 国际标准
- ASHRAE Standard 62.1-2019：明确要求在高污染风险区域使用化学过滤器。
- EN 13779:2007（欧洲通风标准）：将化学过滤列为“高效率空气清洁”手段。
- ISO 16000-9:2006：规定TVOC检测方法，为过滤器性能评估提供依据。
8.2 国内研究与政策
- 《地铁设计规范》（GB 50157-2013）虽未强制要求TVOC过滤，但2020年修订草案已建议在新建线路中配置化学净化装置。
- 清华大学环境科学与工程系研究表明，地铁站TVOC浓度与装修材料VOC释放率呈显著正相关（R²=0.83）[9]。
- 同济大学团队开发了基于机器学习的TVOC预测模型，可提前预警空气质量恶化[10]。
九、挑战与发展趋势
9.1 当前挑战
- 二次污染风险：部分劣质活性炭在高湿环境下可能释放吸附的TVOC。
- 催化剂失活：硫化物、氯化物等污染物可能导致催化剂中毒。
- 标准缺失：国内尚无TVOC化学过滤器专用检测标准。
9.2 发展趋势
- 智能化：集成传感器与AI算法，实现自适应运行。
- 绿色材料：开发可再生、生物基吸附材料（如竹炭、壳聚糖）。
- 模块化设计：便于地铁系统灵活配置与快速更换。
- 多污染物协同控制：集成PM2.5、NOx、O₃等复合净化功能。
参考文献
[1] 北京市疾病预防控制中心. 北京市地铁环境空气质量调查报告[R]. 2019.
[2] 上海市环境科学研究院. 上海地铁站室内空气污染特征研究[J]. 环境科学与技术, 2020, 43(5): 112-118.
[3] Honeywell International Inc. Aeropure Air Purification Systems Technical Manual[Z]. 2021.
[4] ASHRAE. ASHRAE Standard 62.1-2019, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality[S]. Atlanta: ASHRAE, 2019.
[5] SMRT Corporation. Indoor Air Quality Improvement Project Report[R]. Singapore, 2020.
[6] 中材科技股份有限公司. ZC-TVOC系列化学过滤器在南京地铁的应用评估报告[R]. 2021.
[7] 东丽株式会社. 光触媒空气净化装置在轨道交通中的应用研究[J]. 日本空气净化学会志, 2018, 36(3): 45-50.
[8] 广州地铁集团. 地铁环控系统智能化运维技术白皮书[Z]. 2022.
[9] 清华大学环境学院. 地铁站挥发性有机物来源解析与控制对策[J]. 中国环境科学, 2021, 41(7): 2987-2995.
[10] 同济大学交通运输工程学院. 基于LSTM的地铁站TVOC浓度预测模型[J]. 城市轨道交通研究, 2022, 25(4): 67-72.
（全文约3,680字）
