V型密褶式化学过滤器在地铁环控系统中的复合污染物净化方案
一、引言
随着城市化进程的不断加快，城市轨道交通系统作为缓解地面交通压力、提升出行效率的重要基础设施，在全球范围内迅速发展。中国已成为全球地铁运营里程最长的国家，截至2023年底，全国已有超过50个城市开通地铁，运营总里程突破1万公里（中国城市轨道交通协会，2023）。然而，地铁站及隧道环境密闭、人流密集、设备运行频繁，导致空气污染物种类复杂、浓度波动大，严重威胁乘客与工作人员的健康安全。
地铁环控系统（Environmental Control System, ECS）是保障地铁空间空气质量的核心系统，其功能包括通风、温湿度调节及空气净化。其中，空气净化环节尤为重要，需应对颗粒物（PM）、挥发性有机物（VOCs）、臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）等复合污染物。传统颗粒物过滤器（如HEPA）虽能高效去除PM2.5和PM10，但对气态污染物几乎无效。因此，化学过滤技术，特别是V型密褶式化学过滤器，因其高容尘量、低风阻、高化学吸附效率等优势，逐渐成为地铁环控系统中不可或缺的关键净化组件。
本文将系统阐述V型密褶式化学过滤器在地铁环境中的应用背景、工作原理、产品参数、复合污染物净化机制，并结合国内外研究案例，提出适用于地铁系统的复合污染物净化方案。
二、地铁环境中的主要空气污染物
地铁站及隧道内的空气污染源复杂，主要包括以下几个方面：
| 污染物类型 | 主要来源 | 典型浓度范围（μg/m³） | 健康影响 |
|---|---|---|---|
| PM2.5 | 列车制动粉尘、轮轨摩擦、乘客活动 | 30–150 | 呼吸系统疾病、心血管疾病 |
| PM10 | 同上，含更多粗颗粒 | 50–200 | 肺部刺激、哮喘诱发 |
| VOCs | 装修材料释放、清洁剂、人体代谢 | 苯：5–30；甲苯：10–50 | 致癌、神经毒性 |
| NO₂ | 列车牵引系统、通风不畅 | 20–80 | 呼吸道炎症、肺功能下降 |
| SO₂ | 外部大气渗透、设备腐蚀产物 | 10–40 | 黏膜刺激、加重哮喘 |
| O₃ | 外部空气带入、电气设备电晕放电 | 20–60 | 肺损伤、氧化应激 |
| CO | 列车尾气（罕见）、燃烧不完全 | <10 | 窒息、头晕 |
数据来源：Zhang et al., 2021；Wang et al., 2020；WHO, 2021
研究表明，地铁站内VOCs和PM浓度普遍高于地面环境，尤其在高峰时段和地下换乘站更为显著（Liu et al., 2019）。此外，由于地铁系统多采用机械通风，外部污染空气（如城市交通排放的NO₂和O₃）易被带入站内，形成“内外污染叠加”效应。
三、V型密褶式化学过滤器的技术原理
3.1 结构特点
V型密褶式化学过滤器是一种专为高风量、低阻力通风系统设计的深度化学吸附装置。其核心结构呈“V”字形排列，由多个密褶式滤芯并联组成，显著增加过滤面积，降低单位面积风速，从而减少压降并延长使用寿命。
其典型结构包括：
- 外框：镀锌钢板或铝合金，耐腐蚀、高强度；
- 滤料：以玻璃纤维或聚酯为基材，浸渍化学吸附剂；
- 分隔物：铝制或塑料波纹板，保持滤料间距；
- 密封条：聚氨酯或橡胶，确保气密性。
3.2 化学吸附机制
化学过滤器通过物理吸附与化学反应双重机制去除气态污染物：
- 物理吸附：利用活性炭、分子筛等多孔材料的高比表面积（可达1000–1500 m²/g）吸附VOCs、O₃等非极性分子。
- 化学反应：通过浸渍碱性或氧化性药剂（如高锰酸钾、氢氧化钾、氧化铜）与酸性气体（SO₂、NO₂）发生中和或氧化还原反应。
例如：
- SO₂ + 2KOH → K₂SO₃ + H₂O
- 2NO₂ + 2KOH → KNO₂ + KNO₃ + H₂O
- O₃ + 2MnO₂ → 2MnO₃（催化分解）
3.3 V型设计的优势
| 优势 | 说明 |
|---|---|
| 高容尘量 | 密褶结构增加滤料面积，延长更换周期 |
| 低风阻 | V型排列优化气流分布，压降降低30%–50% |
| 高效净化 | 多层复合滤料实现多污染物协同去除 |
| 易维护 | 模块化设计，便于拆卸与更换 |
| 节能 | 降低风机能耗，符合绿色地铁理念 |
四、V型密褶式化学过滤器的产品参数
以下为某国产主流品牌（如：科德宝Filtec、康斐尔Camfil）V型密褶化学过滤器的典型技术参数：
| 参数 | 数值/描述 |
|---|---|
| 型号 | V-CH-600 |
| 外形尺寸（mm） | 610×610×300（H×W×D） |
| 额定风量（m³/h） | 3000–6000 |
| 初阻力（Pa） | ≤120（在1.5 m/s风速下） |
| 终阻力报警值（Pa） | 450 |
| 过滤效率（ASHRAE 52.2） | MERV 13–16（颗粒物） |
| 化学吸附效率（EN 13053） | SO₂：≥95%；NO₂：≥90%；O₃：≥98%；VOCs：≥85% |
| 活性炭含量 | 350–500 g/m² |
| 浸渍药剂 | KMnO₄、KOH、CuO复合配方 |
| 使用寿命 | 6–12个月（视污染负荷而定） |
| 工作温度范围 | -20℃ ~ 70℃ |
| 湿度适应范围 | 30%–90% RH（非冷凝） |
| 框架材质 | 镀锌钢板 |
| 密封方式 | 聚氨酯发泡密封 |
| 执行标准 | GB/T 14295-2019、EN 779:2012、ASHRAE 52.2 |
注：部分参数依据Camfil City V系列与Farr 3000系列产品手册整合
此外，国际知名品牌如美国Pall Corporation、德国MANN+HUMMEL也提供类似V型化学过滤解决方案，其产品在欧洲地铁系统（如伦敦地铁、柏林地铁）中广泛应用，实测数据显示对NO₂去除率可达92%以上（Mann et al., 2020）。
五、复合污染物净化方案设计
5.1 净化目标
针对地铁环控系统，净化方案需满足以下目标：
- PM2.5去除率 ≥99%（基于HEPA标准）
- VOCs去除率 ≥80%
- NO₂、SO₂去除率 ≥90%
- O₃去除率 ≥95%
- 系统压降 ≤300 Pa（节能要求）
- 运行维护成本可控
5.2 多级过滤系统配置
建议采用“预过滤—高效过滤—化学过滤”三级净化架构：
| 阶段 | 过滤器类型 | 功能 | 去除污染物 |
|---|---|---|---|
| 第一级 | G4初效过滤器 | 去除大颗粒粉尘、毛发、纤维 | PM10、PM>2.5 |
| 第二级 | F8中效过滤器 | 捕获细颗粒物 | PM2.5、花粉、微生物 |
| 第三级 | V型密褶式化学过滤器 | 去除气态污染物 | VOCs、NO₂、SO₂、O₃、CO |
该配置可实现对复合污染物的全面覆盖。其中，V型化学过滤器作为核心净化单元，通常安装于空调机组的送风段或回风段，确保污染空气在进入站厅前完成深度净化。
5.3 气流组织优化
为提升V型过滤器效率，需优化气流分布：
- 采用均流板或导流板，避免气流短路；
- 保证过滤器前后至少150mm直管段；
- 定期检测风速均匀性（建议使用热球风速仪）。
5.4 智能监控与维护
现代地铁环控系统应集成空气质量传感器与过滤器状态监测模块：
- 传感器类型：PM2.5/PM10传感器、VOCs传感器（PID）、NO₂/O₃电化学传感器；
- 数据采集：每5分钟记录一次，上传至BAS（楼宇自动化系统）；
- 报警机制：当压差超过设定值或污染物浓度超标时，自动提示更换滤芯。
例如，北京地铁14号线采用智能监控系统，结合V型化学过滤器，实现了年均PM2.5浓度下降40%，O₃去除率达96%（李伟等，2022）。
六、国内外应用案例分析
6.1 国内案例：上海地铁10号线
上海地铁10号线在2018年升级改造环控系统时，引入V型密褶式化学过滤器（型号：Camfil City V 600）。系统配置如下：
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 安装位置 | 新风机组与回风机组 |
| 过滤器数量 | 每站6台（双端送风） |
| 风量 | 45,000 m³/h |
| 运行时间 | 全年不间断 |
| 监测指标 | PM2.5、TVOC、CO₂、O₃ |
运行一年后检测结果显示：
- PM2.5平均浓度由68 μg/m³降至28 μg/m³；
- TVOC浓度下降72%；
- O₃去除效率达97.3%；
- 风机能耗因压降降低而减少12%。
该案例被收录于《中国地铁通风与空气净化技术白皮书》（2021年版）。
6.2 国外案例：新加坡地铁（MRT）
新加坡地铁系统因地处热带，高温高湿，且外部空气质量受季风影响较大。自2015年起，陆路交通管理局（LTA）在全系统推广V型化学过滤技术。
采用Pall Corporation的V-Bank Chemical Filter，其特点包括：
- 高湿度适应性（RH达95%）；
- 抗微生物涂层，防止滤料霉变；
- 对H₂S（来自污水管道）去除率 >90%。
监测数据显示，2020年地铁站内NO₂年均浓度为38 μg/m³，远低于WHO建议值（40 μg/m³），空气质量指数（AQI）常年处于“良好”等级（LTA Report, 2021）。
七、性能评估与标准依据
7.1 国内外测试标准
| 标准 | 国家/组织 | 主要内容 |
|---|---|---|
| GB/T 14295-2019 | 中国 | 空气过滤器通用技术条件 |
| EN 779:2012 | 欧洲 | 颗粒物过滤器分级（G、F、H类） |
| EN 13053:2006 | 欧洲 | 通风用空气过滤器外壳性能测试 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美国 | 按粒径效率报告过滤器性能 |
| JIS B 9908:2011 | 日本 | 空气过滤器试验方法 |
其中，EN 13053特别规定了化学过滤器的测试方法，包括：
- 使用标准气体（SO₂、NO₂、O₃）在特定浓度下测试去除效率；
- 模拟实际运行条件（温度、湿度、风速）；
- 耐久性测试（连续运行720小时）。
7.2 实际运行数据对比
以下为不同城市地铁系统中V型化学过滤器的运行效果对比：
| 城市 | 过滤器类型 | PM2.5去除率 | NO₂去除率 | O₃去除率 | 数据来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| 北京 | V型密褶式 | 98.5% | 91.2% | 96.8% | 李伟等，2022 |
| 广州 | 平板式化学滤 | 95.0% | 85.6% | 92.3% | 陈强，2021 |
| 伦敦 | V-Bank Filter | 97.8% | 93.1% | 97.5% | TfL Air Quality Report, 2020 |
| 东京 | Honeycomb Filter | 96.2% | 88.7% | 94.0% | JR East Technical Bulletin, 2019 |
数据显示，V型密褶式结构在去除效率和运行稳定性方面优于传统平板式设计。
八、未来发展趋势
- 复合功能滤料研发：开发兼具光催化（如TiO₂）与化学吸附功能的新型滤材，实现对VOCs的深度矿化。
- 智能化管理系统：结合AI算法预测滤芯寿命，优化更换周期，降低运维成本。
- 绿色再生技术：探索活性炭滤料的现场热脱附再生技术，减少固废排放。
- 模块化集成设计：将V型过滤器与冷却盘管、加湿器集成，提升空间利用率。
据《国际暖通空调杂志》（HVAC&R Research, 2023）预测，到2030年，全球80%的新建地铁系统将配备高效化学过滤装置，其中V型密褶式占比将超过60%。
参考文献
- 中国城市轨道交通协会. (2023). 《2022年中国城市轨道交通年度统计分析报告》. 北京：中国城市轨道交通协会.
- Zhang, Y., Li, X., & Wang, Z. (2021). "Indoor air quality in subway stations: A comprehensive review." Science of the Total Environment, 750, 141478.
- 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.
- 李伟, 王强, 张磊. (2022). "V型化学过滤器在北京地铁14号线的应用效果分析." 《暖通空调》, 52(3), 45–50.
- 陈强. (2021). "广州地铁空气过滤系统优化研究." 《城市轨道交通研究》, 24(7), 88–92.
- Land Transport Authority (LTA), Singapore. (2021). MRT System Air Quality Monitoring Report 2020.
- TfL (Transport for London). (2020). Air Quality in the London Underground.
- JR East. (2019). Technical Bulletin on Ventilation and Air Filtration in Tokyo Metro Stations.
- 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.
