光等離子空氣凈化技術(shù)在城市軌道交通車輛中的應(yīng)用

李小東，張 宇，張 晨，張江山，姚娟娟，王春艷，郭 強(qiáng)

（1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司 運(yùn)營三分公司，北京 100082；2.北京市地鐵運(yùn)營有限公司 地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，北京 100083；3.深圳市百歐森環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?軌道交通項(xiàng)目部，廣東 深圳 518000）

隨著城市軌道交通的發(fā)展，地鐵已成為城市居民出行的主要公共交通工具。地鐵車廂內(nèi)早晚高峰期人流量大，車輛內(nèi)高度密集的人群釋放出異味和二氧化碳，大量人群在狹小的空間活動導(dǎo)致微氣候中的有害物質(zhì)增加[1]。地鐵車廂內(nèi)空氣品質(zhì)感官受異味影響較大，異味的來源包含體味、食物異味、香水及車廂內(nèi)飾產(chǎn)生的總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)氣體，車廂內(nèi)高密度的人群活動還可能造成細(xì)菌傳播。為解決車內(nèi)異味及細(xì)菌問題，采用光等離子凈化裝置對車廂內(nèi)細(xì)菌及TVOC進(jìn)行凈化去除，主要研究在地鐵車廂空調(diào)機(jī)組內(nèi)安裝凈化裝置的可行性、運(yùn)行穩(wěn)定性，以及凈化裝置在車廂內(nèi)對TVOC、細(xì)菌的去除效果。

1 常見車廂空氣凈化技術(shù)概述

1.1 過濾式空氣凈化技術(shù)

空氣過濾技術(shù)的主要作用是去除車內(nèi)顆粒物，高效空氣過濾器(HEAP)和超高效空氣過濾器(ULPA)是目前應(yīng)用較廣的過濾產(chǎn)品。HEAP網(wǎng)對0.1～0.3μm的微粒、煙霧等有效過濾率可達(dá)到99.97%以上；ULPA網(wǎng)過濾效率更高，對0.1～0.2μm的微粒、煙霧等微粒的過濾效率可達(dá)到99.99%以上。過濾器對顆粒物和菌類有過濾效果，但不能凈化揮發(fā)性有機(jī)污染物[2]。

1.2 靜電式空氣凈化技術(shù)

靜電式空氣凈化技術(shù)采用駐極方式使過濾網(wǎng)的濾材產(chǎn)生靜電效應(yīng)。靜電效應(yīng)主要有2種作用：一是尚未沉降的顆粒通過靜電作用改變顆粒原有軌跡，使顆粒沉積；二是靜電作用可以加強(qiáng)顆粒物與過濾材料之間的作用，使已沉積的顆粒更好地粘附于過濾材料。因此，靜電作用能夠有效提升過濾效率，不增加過濾阻力，過濾材料可以通過增加靜電介質(zhì)提升過濾效率。

1.3 臭氧空氣凈化技術(shù)

臭氧空氣凈化技術(shù)是通過高壓放電或特殊波段紫外線將空氣中的氧氣分子轉(zhuǎn)化為臭氧分子，利用臭氧的氧化性對空氣中的化學(xué)性氣體及細(xì)菌進(jìn)行氧化分解。臭氧分子在空氣中停留時(shí)間較長，不會短時(shí)間還原，可在車廂內(nèi)或室內(nèi)主動與環(huán)境中的可揮發(fā)性有機(jī)物氣體、細(xì)菌等進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對空氣的凈化消毒。高濃度臭氧會對人體有害，《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883—2002)[3]規(guī)定臭氧1 h均值應(yīng)小于0.16 mg/m3。

1.4 光等離子凈化技術(shù)

光等離子凈化技術(shù)，是利用低壓氣體中顯示輝光的氣體放電現(xiàn)象(稀薄氣體中的自持放電或自激導(dǎo)電現(xiàn)象)[4]，產(chǎn)生包含大量電子和正負(fù)離子，以及具有強(qiáng)氧化性的自由基、負(fù)氧離子的等離子體，并與空氣中的污染物發(fā)生非彈性碰撞，打開有害物質(zhì)的化學(xué)鍵，使其分解成單質(zhì)原子或無害分子。利用等離子團(tuán)中各活性較高的離子氧化能力將VOCs中大分子的化學(xué)鍵斷裂，分解為酸類、酮類進(jìn)而將小分子有機(jī)物最終反應(yīng)生成CO2+H2O。光等離子團(tuán)中的高能離子與細(xì)菌、病毒等微生物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氫原子結(jié)合，通過脫氫效果改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)良好的殺菌能力，凈化能力強(qiáng)，主動快速殺菌。應(yīng)用光等離子技術(shù)凈化過程如圖1所示。

圖1 光等離子凈化過程示意

2 光等離子凈化裝置在地鐵車廂內(nèi)安裝及運(yùn)行效果

傅碧峰[5]在地鐵光等離子空氣凈化裝置凈化效果研究中指出，光等離子凈化技術(shù)的凈化裝置可應(yīng)用于地鐵車廂內(nèi)部空氣凈化，并且裝置適宜放置在混合風(fēng)道內(nèi)，風(fēng)阻較小，凈化效果較好。在此，選擇在某地鐵線路B型車內(nèi)加裝空氣凈化裝置，測試凈化裝置開啟后車廂內(nèi)細(xì)菌、TVOC的去除效率。光等離子凈化裝置規(guī)格為：290 mm×109 mm×60 mm(長×寬×高)，額定功率14 W，額定電壓24 V(DC)，輸入電壓范圍20～28 V(DC)，額定電流0.6 A。

2.1 安裝位置

光等離子空氣凈化裝置一般安裝在空調(diào)機(jī)組內(nèi)，與空調(diào)工作狀態(tài)聯(lián)動，匹配24 V直流供電。通過現(xiàn)場了解測試車輛空調(diào)結(jié)構(gòu)，結(jié)合已有地鐵線路安裝經(jīng)驗(yàn)，考察需要滿足凈化裝置安裝空間并有充足的氣流通過位置，本次測試確定空調(diào)風(fēng)閥上部位置為地鐵空氣凈化設(shè)備的安裝部位，位置如圖2所示。

圖2 空氣凈化裝置安裝位置及車內(nèi)所處位置

2.2 接電方式

通過查找電路圖并綜合車輛空調(diào)實(shí)際使用情況，確定由空調(diào)供電系統(tǒng)中直流24 V回風(fēng)門控制電路為空氣凈化裝置進(jìn)行供電；改變回風(fēng)門控制系統(tǒng)將回風(fēng)門保持常開狀態(tài)，將原回風(fēng)門供電電路調(diào)整后為空氣凈化裝置供電。電路調(diào)整需增加供電觸點(diǎn)，將原有的單常開單常閉輔助觸頭改為雙常開雙常閉輔助觸頭，并改變供電方式，使空氣凈化裝置與空調(diào)聯(lián)動。

2.3 運(yùn)行穩(wěn)定性測試

光等離子凈化裝置安裝后進(jìn)行空調(diào)與凈化器聯(lián)動測試、空氣開關(guān)控制測試及凈化裝置工作測試，連續(xù)運(yùn)行8個(gè)月，凈化裝置工作狀態(tài)正常，車輛無故障記錄。

（1）空調(diào)與凈化裝置聯(lián)動測試。觀察空氣凈化裝置工作狀態(tài)指示。測試結(jié)果表明，啟動空調(diào)電源系統(tǒng)后10 s內(nèi)光等離子凈化裝置正常工作；關(guān)閉空調(diào)電源系統(tǒng)時(shí)，光等離子凈化裝置關(guān)閉。光等離子凈化裝置與空調(diào)的啟動和關(guān)閉同步。

（2）空氣開關(guān)控制測試。設(shè)備通電正常工作后，打開、斷開裝置所連接的空氣開關(guān)，觀察光等離子空氣凈化裝置的工作狀態(tài)。測試結(jié)果表明，空氣開關(guān)打開后，凈化裝置正常工作；空氣開關(guān)斷開后，凈化裝置停止工作。

（3）凈化裝置工作測試。觀察凈化裝置工作狀態(tài)指示；模擬空氣凈化裝置正常和異常2種狀態(tài)，使用萬用表測量空氣凈化裝置的反饋信號。測試結(jié)果表明，空氣凈化裝置正常工作時(shí)，可見光等離子裝置正常發(fā)光；空氣凈化器正常工作時(shí)反饋信號間為連通狀態(tài)，異常時(shí)反饋信號斷開。

2.4 細(xì)菌、TVOC去除率測試

針對車廂空氣細(xì)菌、物表細(xì)菌、TVOC分別按照《公共場所衛(wèi)生檢驗(yàn)方法第3部分：空氣微生物》(GB/T 18204.4—2013)[6]、《公共場所衛(wèi)生檢驗(yàn)方法第4部分：公共用品用具微生物》(GB/T 18204.3—2013)[7]和《公共場所衛(wèi)生檢驗(yàn)方法第2部分：化學(xué)污染物熱解吸/毛細(xì)管氣相色譜法》(GB/T 18204.2—2014)[8]方法進(jìn)行測試。

選定測試列車1車廂與6車廂進(jìn)行車廂空氣細(xì)菌、物表細(xì)菌、TVOC去除率測試，測試前設(shè)置凈化裝置為關(guān)閉狀態(tài)，測試當(dāng)天列車上午運(yùn)營半天回車輛基地后立即開始測試。測試期間保持僅開啟列車空氣內(nèi)循環(huán)模式，封閉廢氣排放口，對測試車廂通道用牛皮紙進(jìn)行封閉，使車廂內(nèi)保持內(nèi)循環(huán)狀態(tài)。1車廂為凈化裝置去除效果測試車廂，開始測試后啟動凈化裝置；6車廂保持凈化裝置關(guān)閉，為自然衰減去除對照測試。檢測項(xiàng)目、采樣頻次及采樣位置如表2所示，測試結(jié)果如表3所示。

表2 檢測項(xiàng)目及采樣頻次位置

從表3可知，通過光等離子凈化裝置的凈化后，車廂內(nèi)細(xì)菌、TVOC去除率比未開啟凈化裝置車廂內(nèi)細(xì)菌、TVOC去除率高。開啟凈化裝置2 h后，車廂內(nèi)空氣中細(xì)菌總數(shù)去除率達(dá)到100%，TVOC去除率達(dá)到90%，空調(diào)出風(fēng)口物表細(xì)菌去除率達(dá)到98%，車廂中部拉手物表細(xì)菌去除率達(dá)到99%。

表3 采用凈化裝置和自然衰減去除率 %

3 結(jié)束語

通過在某地鐵車輛空調(diào)內(nèi)加裝光等離子技術(shù)凈化裝置，完成了光等離子凈化裝置在空調(diào)內(nèi)固定安裝、電路調(diào)整，并經(jīng)過空調(diào)與凈化裝置聯(lián)動測試、空氣開關(guān)控制測試、凈化裝置工作測試，穩(wěn)定運(yùn)行10個(gè)月無故障，車輛正常運(yùn)行達(dá)到了3萬km無故障要求。在地鐵車輛空調(diào)內(nèi)安裝光等離子凈化技術(shù)裝置具有良好的凈化效果，可有效降低車廂內(nèi)的TVOC、空氣和物表細(xì)菌數(shù)量，提升車廂內(nèi)空氣質(zhì)量。