等離子空氣凈化技術在廣州地鐵廣佛線增購車中的運用研究

張土軒 李智勇 周漢邦 馬建波 黎 燈

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州510380）

1 地鐵車廂的常見空氣污染物

1.1 甲醛等芳香族化合物

以甲醛為首的芳香族化學氣態污染物在室內空氣中普遍存在，容易對人的眼睛、呼吸道、免疫系統、皮膚等造成較大影響，一般被認為是誘發癌癥的“元兇”。根據《室內空氣質量標準》（GB/T 18883—2002）規定，室內空氣中甲醛含量應不高于0.10 mg/m3。地鐵車廂中的甲醛主要來源于客室內部裝飾材料的持續性揮發。廣佛線新增購列車在密閉24 h后實測甲醛濃度最大值為0.15 mg/m3，略高于規范值。

1.2 總揮發性有機化合物TVOC

同樣來源于客室內部裝飾材料的空氣污染物還有總揮發性有機化合物TVOC，其組分更加復雜，危害性則比甲醛小一些，但是人長期接觸、吸入該類氣體，也會出現頭暈、惡心、乏力、記憶力消退、反應遲鈍、嗜睡、胸悶等癥狀。根據《室內空氣質量標準》（GB/T 18883—2002）規定，室內空氣中TVOC含量應不高于0.6 mg/m3。廣佛線新增購列車在密閉24 h后實測TVOC濃度最大值為0.75 mg/m3，同樣略高于規范值。

1.3 細菌、病毒

常年溫、濕度適宜的地鐵車廂是細菌、病毒等生物性空氣污染物生存的良好環境。空氣中的細菌一般不以單體存在，通常是附著在塵粒上，成為帶菌粒子[1]。地鐵車廂人流量大、空間相對封閉，細菌、病毒等病原微生物傳播風險極大。

1.4 異味

除了直接影響人體健康的空氣污染物外，在相對密閉的空間中，異味也是困擾乘客、降低乘客舒適體驗的“罪魁禍首”。臭味的主要成分是氨氣NH3、硫化氫H2S、甲硫醇CH3SH等無機污染物。

2 空氣凈化技術在地鐵車廂中的適用性

當前常見的空氣凈化技術主要有靜電除塵、光觸媒、負離子凈化、紫外線、等離子凈化技術，各空氣凈化技術的綜合分析比較如表1所示。

3 空氣凈化技術在廣州地鐵列車的應用情況

為防控新冠疫情，廣州地鐵各線列車均已逐步開展加裝空氣凈化裝置的研究工作，基本選擇使用紫外線消殺技術，廣佛線則在18列增購車項目中率先使用等離子凈化技術。

3.1 紫外線消殺技術的應用情況

紫外線消殺技術主要是在列車客室回風口處安裝一定劑量的紫外線燈管，定期開啟，對回風濾網及其周圍空間進行消殺。但在實際應用中發現，紫外線燈管的故障率較高。以廣州地鐵二號線A5型車為例，僅2020年1月31日—3月17日期間，就發生了30起燈管失效故障，需要頻繁更換。此外，紫外線燈管照射范圍有限，只能對周圍空間進行消殺，且紫外線本身對人體有害，給現場維保人員帶來職業健康問題。

表1 常見空氣凈化技術的綜合分析比較

3.2 等離子凈化技術的應用情況

3.2.1 工作原理

等離子凈化技術一般指低溫等離子體技術，是通過低溫等離子體制造臭氧進行空氣凈化的技術。“低溫等離子體”是繼固態、液態、氣態之后物質的第四態，當外加電壓達到氣體的放電電壓時，氣體被擊穿，產生包括電子、各種離子、原子和自由基在內的高能離子混合體。放電過程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度很低，使整個體系呈現低溫狀態，所以稱為“低溫等離子體”。

低溫等離子體激發產生正負離子，與自然界由雷電產生正負離子的機理相同，通過等離子高壓放電，在空氣中釋放出大量的高能電子、正負離子、激發態粒子和具有強氧化性的HO、HO2等活性自由基，對空氣中的浮游霉菌、病毒及TVOC、甲醛等有害物質進行包圍分解。低溫等離子體空氣凈化示意圖如圖1所示。

3.2.2 結構組成及應用場景

廣佛線增購車項目使用株洲菲尼德生產的KJ-CZ100系列空氣凈化裝置，如圖2所示，該裝置采用第四代低溫等離子臭氧發生技術，由等離子體低溫凈化模塊、集成電路、外殼、減震柱、航空接頭5部分組成。其中，等離子體低溫凈化模塊和集成電路是關鍵部件。

圖1 低溫等離子體空氣凈化示意圖

圖2 KJ-CZ100系列空氣凈化裝置

該凈化裝置安裝在列車空調機組回風口上方，設計上與空調正常通風聯動，由空調控制器供電（110 V），最終升壓為3 200 V以上電壓，對周圍空氣進行電離；通過客室空氣的流動，帶動等離子體場內大量自由基擴散，從而達到全面、徹底的空氣凈化目的。

3.2.3 凈化性能檢驗

為了驗證空氣凈化裝置的空氣凈化性能，委托第三方進行了檢測，結果證明：TVOC、甲醛、苯和細菌去除效率高，凈化效果明顯。第三方檢測機構廣東省微生物分析檢測中心的實驗數據如表2所示。

表2 實驗數據

3.2.4 實車應用情況

廣佛線增購車于2020年6月28日上線載客運營，每列車配置8臺空氣凈化裝置。2020年6月—8月，共計發生11起空氣凈化裝置故障。

凈化裝置正常工作時，輸出反饋電壓，控制集成電路板中的繼電器開合，從而給出通斷信號，來完成整機的檢測及反饋；凈化裝置發生故障時，繼電器斷開，反饋回路不通，控制器接收信號異常，上報“殺菌裝置故障”信息。

上述11起故障中，其中5起拆機后單體測試無異常，各部件通電后（110～138 V，接近列車蓄電池電壓）均能正常工作，反饋檢測回路導通；其間使用熱成像儀持續監控電路板溫升，最高溫度達47 ℃，工作穩定。從集成電路控制板設計考慮，控制板檢測高壓離子發生器的工作情況，輸出反饋電壓（3～6 V），控制繼電器閉合，從而使反饋檢測回路導通；凈化裝置長時間工作時，因離子發射頭反應較靈敏，容易受到灰塵、溫濕度等環境變化的影響，反饋電壓有輕微波動（低于3 V時），可能會引起繼電器不能可靠閉合，誤報故障。空氣凈化裝置檢測反饋如圖3所示。另外6起拆機后單體測試時，凈化器模塊反饋信號、高壓輸出、負離子含量均不正常工作，判定凈化器模塊出現故障失效，導致整機反饋信號異常。進一步分析對比發現，故障凈化器模塊的變壓器封裝不良，用于密封的黑色環氧樹脂表面存在明顯氣孔，如圖4所示。更換該變壓器后，測量反饋信號電壓輸出正常，凈化器模塊功能恢復正常。

圖3 空氣凈化裝置檢測反饋

圖4 黑色環氧樹脂表面氣孔

變壓器主要用于將控制板輸出的24 V電源升壓為3 200 V以上電壓，密封不良時，高壓通過微氣孔與空氣接觸、放電，導致凈化器模塊電壓驟降，反饋信號也隨之降低（低于3 V）導致報警，這是凈化裝置出現故障的主要原因。

針對上述問題，對凈化裝置進行了升級改造，一方面由原來通過控制繼電器的通斷進行反饋，更改為直接檢測高壓離子發生器的運行狀態，跳過繼電器，提高檢測可靠性；另一方面，改進變壓器封裝工藝，采用透明環氧樹脂灌裝，增加抽真空工序，保證了灌膠質量。自2020年9月起，廣佛線已將升級改造后的空氣凈化器裝車，運用至今未再發生故障，改造效果良好。

4 結語

地鐵列車應具備應急消毒殺菌能力，能夠在緊急情況下阻斷細菌和病毒的傳播和擴散。低溫等離子體技術對于低濃度、大流量空氣的凈化具有重要作用，非常適合地鐵車廂的應用。它具有較高的污染物脫除效率，且工藝簡單、易操作、運行成本低廉、二次污染低，作為一項新興的廢氣處理技術，在不斷完善的過程中，其工業應用條件也正慢慢趨于成熟[2]。