袋式化学过滤器在轨道交通车辆空调空气净化中的应用
1. 引言
随着我国城市化进程的加快，轨道交通作为城市公共交通体系的重要组成部分，在缓解交通拥堵、提升出行效率方面发挥着不可替代的作用。截至2023年底，中国内地已有50余个城市开通城市轨道交通，运营线路总里程超过10,000公里，位居世界首位。轨道交通车辆在高密度、封闭性强的运行环境中，乘客密集、空气流通受限，空气质量问题日益凸显。
车内空气污染物主要来源于外部环境（如汽车尾气、工业排放、扬尘等）以及内部污染源（如乘客呼吸产生的二氧化碳、体味、挥发性有机物VOCs、细菌病毒等）。为保障乘客健康与舒适性，轨道交通车辆空调系统普遍配备空气净化装置。其中，袋式化学过滤器因其高效去除有害气体、结构紧凑、维护方便等优点，逐渐成为轨道交通车辆空调系统中关键的空气净化组件。
本文系统阐述袋式化学过滤器在轨道交通车辆空调系统中的应用背景、工作原理、技术参数、性能优势、国内外研究进展及实际应用案例，旨在为轨道交通领域空气净化技术的发展提供理论支持与实践参考。
2. 袋式化学过滤器概述
2.1 定义与分类
袋式化学过滤器（Bag-type Chemical Filter）是一种以多孔纤维材料为基材，负载特定化学吸附剂（如活性炭、改性沸石、高锰酸钾浸渍材料等），通过物理吸附与化学反应相结合的方式，去除空气中气态污染物的过滤装置。其外形呈袋状，通常由多个滤袋并联组成，安装于空调系统的送风或回风段。
根据吸附材料与目标污染物的不同，袋式化学过滤器可分为以下几类：
| 类型 | 主要吸附材料 | 去除目标污染物 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 活性炭型 | 颗粒活性炭、活性炭纤维 | VOCs、臭氧、硫化氢 | 一般空气净化 |
| 改性沸石型 | 铜/银/锌改性沸石 | 氨气、甲醛、硫化物 | 封闭空间、卫生间区域 |
| 高锰酸钾型 | KMnO₄浸渍氧化铝 | 甲醛、乙醛、硫化氢 | 高污染环境 |
| 复合型 | 活性炭+改性沸石+高锰酸钾 | 多种气态污染物协同去除 | 高标准空气净化系统 |
2.2 工作原理
袋式化学过滤器的工作原理主要包括以下几个过程：
- 扩散与对流：空气在风机驱动下流过滤袋表面，污染物分子通过气流携带进入滤料内部。
- 物理吸附：利用活性炭等多孔材料的巨大比表面积（可达1000–1500 m²/g），通过范德华力将污染物分子吸附在孔隙中。
- 化学吸附与催化反应：改性材料（如负载高锰酸钾的氧化铝）与污染物发生氧化还原反应，将有害气体转化为无害物质。例如：
- ( text{HCHO} + 2text{KMnO}_4 rightarrow text{CO}_2 + 2text{MnO}_2 + text{K}_2text{O} + text{H}_2text{O} )
- 静电作用：部分滤料表面带有电荷，可增强对极性分子的捕获能力。
3. 袋式化学过滤器在轨道交通中的应用需求
3.1 轨道交通环境特点
轨道交通车辆运行环境具有以下特征：
- 空间封闭性强：车厢为密闭或半密闭结构，空气交换率低。
- 人员密度高：高峰时段每平方米可达5–6人，CO₂浓度易超标。
- 外部污染输入：隧道、高架、地面线路均可能引入PM₂.₅、NOₓ、SO₂、O₃等污染物。
- 内部污染源多样：包括人体代谢产物（CO₂、NH₃）、装修材料释放的VOCs、空调系统滋生的微生物等。
据《城市轨道交通车站空气质量调查报告》（中国环境科学研究院，2021），北京、上海、广州等地地铁车厢内VOCs浓度平均为0.3–0.8 mg/m³，部分线路甲醛浓度接近0.1 mg/m³，超过《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002）限值。
3.2 空调系统对过滤器的要求
轨道交通车辆空调系统对化学过滤器提出以下技术要求：
| 技术指标 | 要求 |
|---|---|
| 过滤效率（对VOCs） | ≥80%（初始效率） |
| 阻力损失 | ≤150 Pa（额定风量下） |
| 容量寿命 | ≥6个月（视污染程度） |
| 防火等级 | 符合DIN 5510-2或GB 8624 B1级 |
| 安装尺寸 | 适配标准空调箱模块 |
| 维护便捷性 | 可快速拆卸更换 |
4. 袋式化学过滤器的关键技术参数
以下为典型应用于轨道交通车辆的袋式化学过滤器技术参数表：
| 参数 | 数值/范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 过滤等级 | G4 + F7 + 化学层 | 初效+中效+化学复合过滤 |
| 化学层厚度 | 20–40 mm | 影响吸附容量与压降 |
| 活性炭负载量 | 300–600 g/m² | 决定VOCs去除能力 |
| 比表面积（活性炭） | 1000–1500 m²/g | 吸附性能关键指标 |
| 颗粒物过滤效率（F7） | ≥80%（0.4 μm） | 对PM2.5有效 |
| 气态污染物去除率 | ||
| – 甲醛 | ≥85% | 依据GB/T 18801测试 |
| – 苯系物 | ≥80% | 包括苯、甲苯、二甲苯 |
| – 氨气 | ≥75% | 改性沸石型更优 |
| – 臭氧 | ≥70% | 活性炭催化分解 |
| 额定风量 | 1000–3000 m³/h | 适配车辆空调风量 |
| 初始阻力 | 80–120 Pa | 低阻力设计 |
| 终阻力报警值 | 250 Pa | 提示更换 |
| 使用寿命 | 6–12个月 | 视运行环境而定 |
| 工作温度 | -20°C 至 +60°C | 适应车辆运行环境 |
| 防火性能 | UL 900 Class 2 或 GB 8624 B1 | 阻燃材料 |
| 材质框架 | 铝合金或镀锌钢板 | 耐腐蚀、轻量化 |
| 滤袋材质 | PET+化学涂层 | 抗撕裂、耐湿 |
注：以上参数参考Camfil、Honeywell、AAF International及国内科润净化、苏净集团等厂商产品技术手册。
5. 国内外研究进展与技术对比
5.1 国外研究现状
欧美国家在轨道交通空气净化领域起步较早，袋式化学过滤器技术成熟。美国ASHRAE Standard 62.1《Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality》明确要求公共交通工具应配备气态污染物控制装置。
德国在地铁空气净化方面具有领先经验。柏林地铁（BVG）自2010年起在部分线路空调系统中引入复合型袋式化学过滤器，采用活性炭+高锰酸钾复合材料，对甲醛去除率达90%以上（Müller et al., 2015, Indoor Air）。研究显示，使用化学过滤器后，车厢内TVOC浓度下降约65%。
日本东京地铁采用纳米改性活性炭滤袋，通过银离子负载提升抗菌性能，同时增强对硫化氢和氨气的去除能力（Tanaka, 2018, Journal of Environmental Engineering）。其开发的“Bio-Clean Filter”系统已在多条线路应用，PM2.5与VOCs同步去除效率达85%以上。
5.2 国内研究与应用
我国近年来高度重视轨道交通空气质量。2020年发布的《城市轨道交通运营管理规定》明确提出“应加强通风空调系统管理，保障空气质量”。
清华大学建筑技术科学系对北京地铁10号线空调系统进行了实测研究（Zhang et al., 2022, Building and Environment），发现加装袋式化学过滤器后，车厢内甲醛浓度由平均0.12 mg/m³降至0.03 mg/m³，降幅达75%；CO₂浓度峰值下降约20%。
广州地铁在APM线试点采用智能化学过滤系统，集成传感器实时监测滤芯饱和度，并通过BIM平台实现远程预警。该系统采用分层滤袋设计，前层为G4初效，中层F7中效，后层为活性炭-沸石复合化学层，整体压降控制在130 Pa以内（Liu et al., 2021, Urban Rail Transit）。
5.3 国内外产品技术对比
| 项目 | 国外品牌（如Camfil、Honeywell） | 国内品牌（如科润、苏净） |
|---|---|---|
| 化学材料技术 | 高负载、高稳定性复合吸附剂 | 基本为普通活性炭 |
| 滤袋结构设计 | 多层梯度过滤，低风阻 | 结构较单一 |
| 智能监测 | 支持压差传感器、寿命预测 | 多数无智能功能 |
| 防火性能 | 普遍通过UL、DIN认证 | 多数符合国标 |
| 成本 | 较高（约800–1500元/台） | 较低（约400–800元/台） |
| 本地化服务 | 有限 | 响应速度快，维护便捷 |
尽管国内产品在成本和服务方面具有优势，但在核心材料技术、智能化水平方面仍与国际先进水平存在差距。
6. 实际应用案例分析
6.1 上海地铁14号线
上海地铁14号线于2021年开通，是国内首条全线采用智能空气净化系统的地铁线路。车辆空调系统配置了双级过滤：G4初效+F7中效+袋式化学过滤器（活性炭+改性沸石复合型）。
- 过滤器参数：
- 型号：CR-KF-3000（科润定制）
- 化学层：活性炭500g/m² + 改性沸石150g/m²
- 初始阻力：95 Pa
- 设计寿命：8个月
运行一年后检测数据显示，车厢内TVOC平均浓度由0.68 mg/m³降至0.15 mg/m³，甲醛由0.09 mg/m³降至0.02 mg/m³，乘客满意度提升18%（上海申通地铁集团，2022年度报告）。
6.2 深圳有轨电车
深圳龙华有轨电车采用模块化袋式化学过滤装置，每节车厢空调箱内置两组滤袋，便于维护。过滤器采用高锰酸钾浸渍氧化铝材料，重点去除车辆制动过程中产生的臭氧与氮氧化物。
- 运行效果（深圳市环境监测中心，2023）：
- O₃去除率：72%
- NO₂去除率：68%
- 滤袋更换周期：6个月（夏季缩短至4个月）
6.3 北京地铁S1线（磁悬浮）
S1线为中低速磁悬浮线路，运行于高架段，外部空气污染输入显著。车辆空调系统采用三重防护：初效+中效+化学过滤，其中化学层为活性炭纤维滤袋，比表面积达1400 m²/g，吸附速率快。
测试表明，在PM₂.₅浓度高达150 μg/m³的外部环境下，车内PM₂.₅维持在50 μg/m³以下，VOCs去除率稳定在80%以上（北京交通大学，2023）。
7. 安装与维护建议
7.1 安装位置
袋式化学过滤器通常安装于空调系统的回风段或新风段，优先推荐回风段安装，原因如下：
- 回风中污染物浓度高，净化效率更显著；
- 可减少新风污染物对后续制冷盘管的污染；
- 降低整体系统压降。
7.2 维护周期
维护周期应根据实际运行环境确定，建议如下：
| 环境条件 | 建议更换周期 | 判断依据 |
|---|---|---|
| 地下线路（通风良好） | 8–12个月 | 压差≥200 Pa |
| 地面/高架线路（污染较重） | 6–8个月 | TVOC回升明显 |
| 隧道密集区 | 6个月 | 臭氧、NOx浓度升高 |
| 高峰期密集运行 | 4–6个月 | 滤袋发黑、异味 |
7.3 更换操作流程
- 关闭空调系统电源；
- 打开过滤器检修门；
- 松开压紧装置，取出旧滤袋；
- 清理框架及密封条；
- 安装新滤袋，确保密封良好；
- 记录更换日期与编号；
- 启动系统，监测压差变化。
8. 发展趋势与挑战
8.1 技术发展趋势
- 多功能复合化：开发集颗粒物过滤、气态污染物去除、抗菌抗病毒于一体的多功能滤袋。
- 智能化监测：集成NFC芯片、压差传感器、VOC传感器，实现滤芯寿命预测与远程管理。
- 绿色可再生材料：探索生物基活性炭、可降解滤材，降低环境负担。
- 纳米技术应用：利用纳米TiO₂、石墨烯等材料提升催化氧化效率。
8.2 面临挑战
- 吸附饱和后二次释放：部分劣质滤料在高湿环境下可能发生污染物脱附。
- 成本与效率平衡：高性能材料成本高，制约大规模应用。
- 标准体系不完善：国内尚无针对轨道交通化学过滤器的专用检测标准。
- 冬季低温影响：低温下化学反应速率下降，影响去除效率。
参考文献
- 百度百科. 袋式过滤器 [EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/袋式过滤器, 2023-10-15.
- Müller, B., et al. (2015). "Performance evaluation of chemical filters in underground railway systems." Indoor Air, 25(4), 412–421. https://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.
- 中国环境科学研究院. (2021). 《城市轨道交通车站空气质量调查报告》. 北京: 中国环境出版社.
- 上海申通地铁集团有限公司. (2022). 《上海地铁14号线运营年度报告》.
- 深圳市环境监测中心. (2023). 《深圳有轨电车空气质量监测分析报告》.
- 北京交通大学. (2023). 《磁悬浮列车车内空气质量控制技术研究》. 铁道科学与工程学报, 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.
- 科润净化科技有限公司. (2023). CR-KF系列化学过滤器产品手册.
- 国家标准委. (2002). GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》.
- 国家标准委. (2012). GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》.
