高效颗粒空气过滤器在地铁通风系统中的防尘与防疫应用

一、引言

随着城市化进程的不断加快，地铁作为现代城市公共交通的重要组成部分，承担着大量人员流动和运输任务。根据中国城市轨道交通协会发布的《2023年中国城市轨道交通年度统计报告》，截至2023年底，全国已有55个城市开通运营城市轨道交通线路，总里程超过10,000公里，日均客运量突破8000万人次。然而，地铁环境密闭、人流量大、空气流通受限等特点，使其成为粉尘、细菌、病毒等污染物传播的高风险区域。

为保障乘客健康和运营安全，地铁通风系统中高效颗粒空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA）的应用日益受到重视。HEPA过滤器以其卓越的颗粒物捕集能力，在防尘与防疫方面发挥着关键作用。本文将从技术原理、产品参数、实际应用效果、国内外研究进展等方面，系统阐述高效颗粒空气过滤器在地铁通风系统中的综合应用价值。

二、高效颗粒空气过滤器的技术原理

2.1 工作机理

高效颗粒空气过滤器（HEPA）是一种能够去除空气中微小颗粒物的过滤装置，其过滤效率通常针对粒径为0.3微米的颗粒物进行评估。根据美国能源部（DOE）标准，HEPA过滤器对0.3μm颗粒的过滤效率需达到99.97%以上。

HEPA过滤主要依赖以下四种物理机制实现颗粒捕集：

过滤机制	原理描述	适用粒径范围
惯性碰撞（Inertial Impaction）	大颗粒因惯性无法随气流绕过纤维，撞击并附着于纤维表面	>1μm
拦截效应（Interception）	中等颗粒在接近纤维时被直接“拦截”而滞留	0.3–1μm
扩散效应（Diffusion）	小颗粒受布朗运动影响，随机碰撞纤维被捕获	<0.1μm
静电吸附（Electrostatic Attraction）	某些HEPA材料带有静电，增强对微细颗粒的吸附力	全范围，尤其<0.3μm

资料来源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment, 2020

值得注意的是，0.3μm被称为“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS），即在此粒径下过滤效率最低，因此成为衡量HEPA性能的关键指标。

2.2 材料构成

现代HEPA过滤器多采用超细玻璃纤维（直径约0.5–2μm）或聚丙烯熔喷无纺布作为滤材，通过折叠工艺增加有效过滤面积。部分高端产品还结合驻极体技术（Electret Technology），使纤维长期保持静电荷，提升对亚微米级颗粒的捕集效率。

三、高效颗粒空气过滤器的主要产品参数

为便于比较不同型号HEPA过滤器的性能，以下列出常见用于地铁通风系统的典型参数：

参数项	标准值/范围	说明
过滤等级	H13、H14（EN 1822标准）	H13: ≥99.95% @0.3μm；H14: ≥99.995% @0.3μm
初始阻力	180–250 Pa	新滤网在额定风量下的压降
终阻力	≤450 Pa	达到更换条件时的最大允许压降
额定风量	1000–3000 m³/h	单个模块设计处理风量
滤料材质	玻璃纤维/聚丙烯熔喷布	耐湿、耐腐蚀，符合防火要求
框架材质	铝合金或镀锌钢板	结构稳定，防止变形
使用寿命	6–12个月（视环境而定）	受PM浓度、运行时间影响
防火等级	UL 900 Class 2 或更高	满足公共建筑消防规范
微生物去除率	>99.9%（针对细菌、病毒气溶胶）	实验条件下测得

数据参考：Camfil Group Technical Catalogue, 2023；中国《GB/T 13554-2020 高效空气过滤器》标准

此外，国际标准化组织（ISO）发布的ISO 29463标准已成为全球HEPA分级的通用依据，其将高效过滤器分为E10至U17共八个等级，其中E10–E12对应传统HEPA，E13–E14则属于“超高效”范畴，广泛应用于洁净室及公共卫生设施。

四、地铁环境中颗粒物污染特征

4.1 地铁站内主要污染物类型

地铁系统内部空气质量受多种因素影响，主要包括：

可吸入颗粒物（PM10、PM2.5）：来源于列车制动磨损、轨道摩擦、乘客携带灰尘等。
微生物气溶胶：包括细菌（如金黄色葡萄球菌）、病毒（如流感病毒、新冠病毒）、真菌孢子等。
挥发性有机物（VOCs）：来自装修材料、清洁剂、人体代谢产物。
臭氧与氮氧化物：电气设备放电产生。

据清华大学环境学院2021年对北京地铁1号线的研究显示，高峰时段站台PM2.5浓度可达室外水平的1.5–2倍，且粒径集中在0.25–0.5μm区间，恰好处于HEPA高效捕集范围之内（Zhang et al., Atmospheric Environment, 2021）。

4.2 病原体传播风险分析

地铁车厢属于典型的密闭空间，人均换气量有限。当有感染者存在时，咳嗽、打喷嚏产生的飞沫核（<5μm）可在空气中悬浮长达数小时，并随空调气流扩散。美国CDC研究表明，SARS-CoV-2病毒可通过气溶胶传播，且在相对封闭环境中传播效率显著提高（CDC, MMWR, 2020）。

韩国首尔大学于2022年对首尔地铁系统进行病原体监测发现，在未配备HEPA的老旧线路中，空气中检测出冠状病毒RNA的概率是安装HEPA系统的线路的3.2倍（Kim et al., Journal of Aerosol Science, 2022）。这表明高效过滤在阻断呼吸道传染病传播链中具有重要意义。

五、HEPA在地铁通风系统中的集成方式

5.1 安装位置与系统配置

高效颗粒空气过滤器通常集成于地铁车站和列车的空调机组（AHU）中，具体安装位置包括：

安装位置	功能特点	应用场景
新风入口段	过滤外部引入空气中的尘埃、花粉、PM2.5	地面站、高架站
回风段	清除循环空气中的人体脱落物、微生物	所有地下车站
送风末端	提供最后一道净化屏障，确保出风洁净度	重要区域如控制室、医疗应急点
列车空调单元	实现车厢内部空气自循环净化	地铁车辆内部

现代地铁通风系统普遍采用“新风+回风”混合模式，HEPA常设置在回风与新风汇合后的主处理段。部分新建线路（如上海地铁14号线、深圳地铁20号线）已全面采用H14级HEPA过滤器，并配备压差传感器实现智能预警更换。

5.2 运行维护策略

为保证HEPA持续高效运行，需建立科学的运维体系：

维护项目	频率	方法
压差监测	实时	通过传感器监控滤网前后压力差
外观检查	每月一次	查看是否有破损、积尘、变形
更换周期	6–12个月	根据实际阻力增长情况决定
消毒处理	按需	使用紫外线或低腐蚀性消毒剂喷雾
性能测试	每两年一次	采用粒子计数法现场检测过滤效率

依据：住房和城乡建设部《城市轨道交通通风与空调系统运行维护规程》CJJ/T 294-2019

值得注意的是，HEPA过滤器不可水洗或重复使用，否则会导致结构破坏和效率下降。废弃滤网应按照医疗废弃物管理规定进行密封处置，防止二次污染。

六、国内外地铁系统HEPA应用案例

6.1 国内典型应用

（1）北京地铁

自2020年新冠疫情爆发以来，北京市地铁公司启动“空气净化升级工程”，在全网络17条线路的重点车站空调系统中加装H13级HEPA过滤器。据北京市疾控中心跟踪评估报告，改造后站厅PM2.5平均浓度下降42%，空气中可培养细菌总数减少68%（Beijing CDC, 2021）。

（2）广州地铁

广州地铁六号线试点采用“HEPA+紫外线”复合净化技术，在空调箱内设置H14级过滤模块，并在下游加装UVC灯管（波长254nm），实现对病毒和细菌的协同灭活。实验数据显示，该系统对MS2噬菌体（替代新冠病毒模型）的去除率达到99.99%（Guangzhou Metro Technical Bulletin, 2022）。

（3）成都地铁

成都地铁9号线作为全自动无人驾驶线路，配备了智能化空气质量管理系统。每节车厢均内置微型HEPA净化单元，配合CO₂、PM2.5传感器实现动态调节。系统可根据客流密度自动切换“节能”与“强效”模式，既保障空气质量又降低能耗。

6.2 国际先进实践

（1）新加坡地铁（SMRT）

新加坡陆路交通管理局（LTA）要求所有地铁站空调系统必须配备符合EUROVENT 4/12标准的H13级及以上过滤器。同时，SMRT公司引入“Filter Life Prediction System”（滤网寿命预测系统），利用AI算法结合气象、客流量数据预测滤网堵塞趋势，提前安排更换，减少突发停机风险。

（2）东京地铁

日本东京地铁公司在银座线、丸之内线等核心线路推广“Clean Air Station”计划，除常规HEPA外，还在出入口设置静电除尘门帘，并在站台顶部安装定向送风装置，形成“洁净空气幕”，有效隔离外部污染源。

（3）伦敦地铁

尽管伦敦地铁历史悠久，但近年来也在逐步升级通风系统。Transport for London（TfL）在2023年发布《Clean Air Strategy》中明确提出，将在未来五年内投资1.2亿英镑用于安装HEPA过滤系统，优先覆盖维多利亚线和 Jubilee 线等高密度线路。

七、HEPA在防疫中的科学验证与争议

7.1 实验室研究支持

多项国内外研究证实了HEPA对病原体的有效拦截能力：

美国哈佛大学公共卫生学院在2020年模拟地铁车厢环境的实验中发现，安装H14级HEPA后，空气中流感病毒浓度在30分钟内下降90%以上（Milton et al., Nature Communications, 2020）。
中国疾病预防控制中心（China CDC）在P3实验室测试表明，HEPA对含新冠病毒的气溶胶过滤效率达99.98%，且无明显泄漏（Zhong et al., Chinese Journal of Epidemiology, 2021）。

7.2 局限性与挑战

尽管HEPA优势显著，但在实际应用中仍面临若干挑战：

挑战类型	描述	应对措施
风阻增加	HEPA导致系统阻力上升，增加风机能耗	优化风道设计，选用变频风机
成本较高	H14级滤网单价可达800–1500元/台	批量采购、延长使用寿命
密封性要求高	安装不当易造成旁通泄漏	采用刀边密封结构，定期检漏
不处理气态污染物	对VOCs、臭氧无效	需配合活性炭层或多相催化技术

此外，有学者指出，单纯依赖HEPA并不能完全替代通风换气。丹麦技术大学（DTU）的研究强调：“过滤是‘堵’，通风是‘疏’，二者必须协同作用才能实现最佳空气质量”（Wargocki et al., Indoor Air, 2021）。

八、未来发展趋势与技术创新

8.1 智能化与物联网融合

新一代HEPA系统正朝着智能化方向发展。例如，芬兰Kemppi公司开发的SmartFilter系统，内置无线传感器节点，可实时上传滤网状态、累计运行时间、颗粒物浓度等数据至云平台，实现远程诊断与预测性维护。

8.2 新型滤材研发

纳米纤维膜技术：通过静电纺丝制备直径小于100nm的聚合物纤维，大幅提升过滤精度与透气性。
光催化复合滤网：将TiO₂涂层与HEPA结合，在紫外光照下分解有机污染物并杀灭微生物。
自清洁功能：利用压电材料或微振动技术，定期抖落表面积尘，延长使用寿命。

8.3 标准体系完善

中国正在推进《地铁环境空气质量标准》的修订工作，拟将PM2.5、细菌总数、病毒载量等纳入强制监测指标，并明确HEPA过滤效率不得低于H13级。与此同时，国际电工委员会（IEC）也在制定IEC 63346标准，规范轨道交通空气净化设备的安全与性能要求。

九、经济性与社会效益分析

9.1 投资成本估算

以一座标准地下车站为例，加装HEPA系统的初期投入如下：

项目	单价	数量	小计（元）
H13级HEPA滤网	800元/片	12片	9,600
改造施工费	——	——	15,000
监测系统升级	——	——	20,000
年度更换成本	800×12	1年	9,600
合计（首年）			54,200

虽然初始投资较高，但考虑到每年可避免因空气质量问题引发的乘客投诉、员工病假及潜在疫情传播带来的经济损失，投资回收期通常在2–3年内。

9.2 公共健康效益

据世界卫生组织（WHO）估计，良好的室内空气质量可使呼吸系统疾病发病率下降15–30%。若在全国主要城市地铁系统普及HEPA，预计每年可减少呼吸道感染病例逾百万例，显著减轻公共卫生负担。

十、相关标准与法规支持

标准编号	名称	发布机构	适用内容
GB/T 13554-2020	高效空气过滤器	国家市场监督管理总局	性能测试与分类
GB 50736-2012	民用建筑供暖通风与空气调节设计规范	住建部	通风系统设计依据
EN 1822:2019	High efficiency air filters (HEPA and ULPA)	欧洲标准化委员会	国际通行测试方法
ASHRAE Standard 52.2	Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices	美国采暖制冷与空调工程师学会	过滤效率评定
ISO 29463	High-efficiency filters	国际标准化组织	全球统一认证基础

这些标准为HEPA在地铁系统的规范化应用提供了技术支撑和法律依据。

（注：本文未设结语部分，内容延续至实际信息结束）