光等离子空气净化技术在城市轨道交通车辆中的应用

李小东，张 宇，张 晨，张江山，姚娟娟，王春艳，郭 强

（1.北京市地铁运营有限公司 运营三分公司，北京 100082；2.北京市地铁运营有限公司 地铁运营技术研发中心，北京 100083；3.深圳市百欧森环保科技股份有限公司 轨道交通项目部，广东 深圳 518000）

随着城市轨道交通的发展，地铁已成为城市居民出行的主要公共交通工具。地铁车厢内早晚高峰期人流量大，车辆内高度密集的人群释放出异味和二氧化碳，大量人群在狭小的空间活动导致微气候中的有害物质增加[1]。地铁车厢内空气品质感官受异味影响较大，异味的来源包含体味、食物异味、香水及车厢内饰产生的总挥发性有机物(TVOC)气体，车厢内高密度的人群活动还可能造成细菌传播。为解决车内异味及细菌问题，采用光等离子净化装置对车厢内细菌及TVOC进行净化去除，主要研究在地铁车厢空调机组内安装净化装置的可行性、运行稳定性，以及净化装置在车厢内对TVOC、细菌的去除效果。

1 常见车厢空气净化技术概述

1.1 过滤式空气净化技术

空气过滤技术的主要作用是去除车内颗粒物，高效空气过滤器(HEAP)和超高效空气过滤器(ULPA)是目前应用较广的过滤产品。HEAP网对0.1～0.3μm的微粒、烟雾等有效过滤率可达到99.97%以上；ULPA网过滤效率更高，对0.1～0.2μm的微粒、烟雾等微粒的过滤效率可达到99.99%以上。过滤器对颗粒物和菌类有过滤效果，但不能净化挥发性有机污染物[2]。

1.2 静电式空气净化技术

静电式空气净化技术采用驻极方式使过滤网的滤材产生静电效应。静电效应主要有2种作用：一是尚未沉降的颗粒通过静电作用改变颗粒原有轨迹，使颗粒沉积；二是静电作用可以加强颗粒物与过滤材料之间的作用，使已沉积的颗粒更好地粘附于过滤材料。因此，静电作用能够有效提升过滤效率，不增加过滤阻力，过滤材料可以通过增加静电介质提升过滤效率。

1.3 臭氧空气净化技术

臭氧空气净化技术是通过高压放电或特殊波段紫外线将空气中的氧气分子转化为臭氧分子，利用臭氧的氧化性对空气中的化学性气体及细菌进行氧化分解。臭氧分子在空气中停留时间较长，不会短时间还原，可在车厢内或室内主动与环境中的可挥发性有机物气体、细菌等进行反应，实现对空气的净化消毒。高浓度臭氧会对人体有害，《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2002)[3]规定臭氧1 h均值应小于0.16 mg/m3。

1.4 光等离子净化技术

光等离子净化技术，是利用低压气体中显示辉光的气体放电现象(稀薄气体中的自持放电或自激导电现象)[4]，产生包含大量电子和正负离子，以及具有强氧化性的自由基、负氧离子的等离子体，并与空气中的污染物发生非弹性碰撞，打开有害物质的化学键，使其分解成单质原子或无害分子。利用等离子团中各活性较高的离子氧化能力将VOCs中大分子的化学键断裂，分解为酸类、酮类进而将小分子有机物最终反应生成CO2+H2O。光等离子团中的高能离子与细菌、病毒等微生物蛋白质结构中的氢原子结合，通过脱氢效果改变蛋白质结构以实现良好的杀菌能力，净化能力强，主动快速杀菌。应用光等离子技术净化过程如图1所示。

图1 光等离子净化过程示意

2 光等离子净化装置在地铁车厢内安装及运行效果

傅碧峰[5]在地铁光等离子空气净化装置净化效果研究中指出，光等离子净化技术的净化装置可应用于地铁车厢内部空气净化，并且装置适宜放置在混合风道内，风阻较小，净化效果较好。在此，选择在某地铁线路B型车内加装空气净化装置，测试净化装置开启后车厢内细菌、TVOC的去除效率。光等离子净化装置规格为：290 mm×109 mm×60 mm(长×宽×高)，额定功率14 W，额定电压24 V(DC)，输入电压范围20～28 V(DC)，额定电流0.6 A。

2.1 安装位置

光等离子空气净化装置一般安装在空调机组内，与空调工作状态联动，匹配24 V直流供电。通过现场了解测试车辆空调结构，结合已有地铁线路安装经验，考察需要满足净化装置安装空间并有充足的气流通过位置，本次测试确定空调风阀上部位置为地铁空气净化设备的安装部位，位置如图2所示。

图2 空气净化装置安装位置及车内所处位置

2.2 接电方式

通过查找电路图并综合车辆空调实际使用情况，确定由空调供电系统中直流24 V回风门控制电路为空气净化装置进行供电；改变回风门控制系统将回风门保持常开状态，将原回风门供电电路调整后为空气净化装置供电。电路调整需增加供电触点，将原有的单常开单常闭辅助触头改为双常开双常闭辅助触头，并改变供电方式，使空气净化装置与空调联动。

2.3 运行稳定性测试

光等离子净化装置安装后进行空调与净化器联动测试、空气开关控制测试及净化装置工作测试，连续运行8个月，净化装置工作状态正常，车辆无故障记录。

（1）空调与净化装置联动测试。观察空气净化装置工作状态指示。测试结果表明，启动空调电源系统后10 s内光等离子净化装置正常工作；关闭空调电源系统时，光等离子净化装置关闭。光等离子净化装置与空调的启动和关闭同步。

（2）空气开关控制测试。设备通电正常工作后，打开、断开装置所连接的空气开关，观察光等离子空气净化装置的工作状态。测试结果表明，空气开关打开后，净化装置正常工作；空气开关断开后，净化装置停止工作。

（3）净化装置工作测试。观察净化装置工作状态指示；模拟空气净化装置正常和异常2种状态，使用万用表测量空气净化装置的反馈信号。测试结果表明，空气净化装置正常工作时，可见光等离子装置正常发光；空气净化器正常工作时反馈信号间为连通状态，异常时反馈信号断开。

2.4 细菌、TVOC去除率测试

针对车厢空气细菌、物表细菌、TVOC分别按照《公共场所卫生检验方法第3部分：空气微生物》(GB/T 18204.4—2013)[6]、《公共场所卫生检验方法第4部分：公共用品用具微生物》(GB/T 18204.3—2013)[7]和《公共场所卫生检验方法第2部分：化学污染物热解吸/毛细管气相色谱法》(GB/T 18204.2—2014)[8]方法进行测试。

选定测试列车1车厢与6车厢进行车厢空气细菌、物表细菌、TVOC去除率测试，测试前设置净化装置为关闭状态，测试当天列车上午运营半天回车辆基地后立即开始测试。测试期间保持仅开启列车空气内循环模式，封闭废气排放口，对测试车厢通道用牛皮纸进行封闭，使车厢内保持内循环状态。1车厢为净化装置去除效果测试车厢，开始测试后启动净化装置；6车厢保持净化装置关闭，为自然衰减去除对照测试。检测项目、采样频次及采样位置如表2所示，测试结果如表3所示。

表2 检测项目及采样频次位置

从表3可知，通过光等离子净化装置的净化后，车厢内细菌、TVOC去除率比未开启净化装置车厢内细菌、TVOC去除率高。开启净化装置2 h后，车厢内空气中细菌总数去除率达到100%，TVOC去除率达到90%，空调出风口物表细菌去除率达到98%，车厢中部拉手物表细菌去除率达到99%。

表3 采用净化装置和自然衰减去除率 %

3 结束语

通过在某地铁车辆空调内加装光等离子技术净化装置，完成了光等离子净化装置在空调内固定安装、电路调整，并经过空调与净化装置联动测试、空气开关控制测试、净化装置工作测试，稳定运行10个月无故障，车辆正常运行达到了3万km无故障要求。在地铁车辆空调内安装光等离子净化技术装置具有良好的净化效果，可有效降低车厢内的TVOC、空气和物表细菌数量，提升车厢内空气质量。