城軌車輛車內空氣實時凈化殺菌方案

袁二娜

上海軌道交通設備發展有限公司

0 前言

新型冠狀病毒性肺炎疫情暴發后[1]，各行各業積極開展聯防聯控行動[2,3]。城軌車輛空間密閉，載客量大且集中，是需要消毒殺菌的重點防控場所。目前城軌車輛主要采用車輛回庫后清洗消毒，此消毒方式會在車內留下刺鼻的消毒水氣味，且僅對庫內靜態消毒效果較好，對于車輛運行過程中因人員流動等帶來的病毒和細菌作用有限。如何有效凈化列車內空氣，消除如PM 2.5、甲醛、細菌和新冠病毒等有害物質正在成為軌道車輛車內環境研究的一個重要課題。

1 概述

為實時動態凈化列車內空氣，消除車內存在的PM 2.5、甲醛、細菌和新冠病毒等有害物質，可從供風源頭采取措施。空調機組作為調節列車內空氣的供風源，不斷地從車外吸入空氣向車內輸送所需的冷熱空氣，同時又將車內部分空氣輸送回空調機組，與車外吸入的新風混合后通過風道送入車內。根據空調機組的供風原理和氣流組織分布，在混合空氣進入車內之前采取一定的凈化和殺菌措施，為車內乘客提供高品質的空氣和健康的乘坐環境。

以某項目有軌電車為例，在空調機組上除了布置傳統的濾網對新風和混合風進行初級過濾凈化，過濾掉大顆粒雜質和粉塵，還將低溫等離子殺菌和除異味技術引用到該項目中，在空調機組中特別加設了低溫等離子空氣凈化裝置，可殺滅細菌繁殖體、細菌芽孢、病毒、真菌等[4]，進一步對車內空氣進行納米級凈化，通過濾網和低溫等離子技術取長補短相結合的方案，以實現行車中車內空氣全面凈化和殺菌。

2 濾網過濾

本項目客室空調機組是一體化集成式車頂單元，每臺空調機組有一個新風進口，兩個蒸發腔和兩個冷凝腔。兩個出風口與車內送風道連接，一個回風口與車內回風道相接，空調機組主要部件分布見圖1。在空調機組的新風口設置1 個新風濾網，進行粗過濾；在2組蒸發器前分別設置混合風濾網，進行小顆粒有害物過濾[5]。當新風進入空調機組時，首先經新風濾網過濾，然后經雨水分離器和新風閥進入機組內部，新風與回風在室內換熱器前混合后，經回風濾網進一步過濾，然后經蒸發器后送入車內送風道。

圖1 空調機組主要部件分布圖

2.1 新風濾網

新風濾網設置在空調機組進風口，見圖2，與雨水分離器配合，對進入機組的空氣進行粗過濾，阻擋掉落葉、大顆粒灰塵、蚊蟲、柳絮等雜質。新風濾網直接暴露在空氣中，因長期遭受雨、雪、風、霜和太陽照射，因此選擇60目不銹鋼絲網。此類濾網耐酸、耐堿、耐銹蝕性能好，可滿足防銹要求；強度高，拉力、韌性和耐磨性強，經久耐用，可滿足振動要求。經測速試驗，該濾網在新風風速2 m/s通量時，對于直徑≥20 um的微粒，分離率高達87%。

為了方便濾網清洗和維護，采用如圖2 所示的搭扣設計。在月檢和季檢清洗時，僅需打開濾網搭扣，抽出臟污的新風濾網，用清水、中性洗滌劑和軟毛刷即可清洗干凈。濾網自然風干后，可重復使用5年，保證空調新風濾網的過濾效率滿足要求，不會因為新風濾網臟堵而導致空調能力下降。

圖2 新風濾網圖

2.2 混合風濾網

混合風濾網安裝于空調機組蒸發腔側，材質為無紡布，采用阻燃、防水可洗型合成纖維。可以過濾掉空氣中的灰塵、重金屬、多環芳烴等細小的有害物，可過濾的數量級達1～200 μm之間。

為了方便維護和更換，采用插入式免螺絲壓取式安裝。打開蒸發器腔蓋板后，可以從機組頂部方便拆卸混合風濾網，然后放入新的混合風濾網；拆下濾棉固定筋，把臟污的濾棉取出；更換新的濾棉，恢復后的混合風濾網歸置到存儲區域。

3 低溫等離子凈化

傳統的空調濾網僅能去除空氣中存在的樹葉、粉塵、重金屬等雜質，可過濾的顆粒大小量級有限，對于空氣中存在的甲醛、TVOC、病毒、細菌等有害的微小化學和生物物質是無濟于事的。而低溫等離子、紫外線和光觸媒等空氣凈化技術，能有效地分解去除甲醛、TVOC、異味等有害化學物質，殺死細菌、流感病毒等有害于人體健康的微生物。上述三種空氣凈化技術已在家庭、醫療、工業等多領域成熟應用。結合空調機組結構特點和軌道車輛維保要求，低溫等離子空氣凈化設備更適合本項目，因其性能更加穩定、無耗材、免維護、體積小方便加裝，可實現在緊湊的空調機組內快速安裝。因此，最終選擇在空調機組內加設低溫等離子空氣凈化設備，并且借助空調送風氣流，將等離子體迅速送到車內，實現對車內空氣有效的殺菌消毒。

3.1 凈化原理

低溫等離子技術是一種空氣強力殺菌凈化技術，是電子、化學和催化綜合作用下的電化學過程。等離子體中包含大量的高能電子、正負離子、激發態粒子和具有強氧化性的自由基，這些活性粒子和部分臭氣分子碰撞結合，在電場作用下，使臭氣分子處于激發態。當臭氣分子獲得的能量大于其分子鍵能的結合能時，臭氣分子的化學鍵斷裂直接分解成單質原子或由單一原子構成的無害氣體分子。同時激發過程產生的大量OH、O 等活性自由基和氧化性極強的O3，與有害氣體分子發生化學反應，最終生成無害產物[6]。

低溫等離子體中的高能電子可使電負性高的氧分子帶電成為負離子，對人體具有良好的健康效應。低溫等離子體具備顯著的微生物消殺作用，其發生的靜電作用，在各種細菌、病毒等微生物表面產生的電能剪切力大于細胞膜表面張力，使細胞膜遭到破壞，導致微生物死亡[7,8]。因此低溫等離子體除了可有效去除空氣異味外，還具有良好的殺菌消毒功效。

3.2 設備布置

根據空調送風原理和車內氣流組織分布[9]，選擇空調機組的送風口區域為空氣凈化設備安裝位置。當混合風經送風口進入車內時，氣流流速高且均勻，可攜帶空氣凈化設備產生的等離子體一起快速進入到風道和車內，并均勻地彌漫到整個車內空氣中，對整個送風系統和車內的空氣進行殺菌消毒。

如圖1所示，在2個空調機組的2個送風口區域分別安裝1個低溫等離子空氣凈化設備。受空調機組結構空間限制，該空氣凈化設備必須小巧且高集成。基于此要求，并焊接2 個安裝支座（如圖3 所示），通過4個螺栓緊固到空調機組上。螺栓連接的方式可以保持空調機組和該空氣凈化設備仍是2個獨立的設備，空調機組只需要預留安裝孔即可，并不影響其它零部件的布置和拆裝，同時該空氣凈化設備在后期維護時也容易拆卸。考慮到車輛用電安全和節能，該設備采用一體化灌膠封裝設計，功率5 W，整體電流130 mA，長期運行最高溫度不超過45 ℃，不會發生高壓泄漏、大電流電火花和高溫，發生體電極也不會因為車輛顛簸震動而移位短路。

圖3 空氣凈化器設備外形尺寸

該設備的設計壽命在5 年以上，在正常使用壽命內無耗材、無需零件和設備維護，解決了架修期內空調機組內部件不便維護的難題。

3.3 設備控制

為使該空氣凈化設備具有一定的軌道車輛通用性，能夠適用在不同的空間，該空氣凈化設備內置了控制模塊，設有8個工作檔位，用于調節等離子釋放量，達到既節能又確保有效除味殺菌的效果，確保車內活氧量在安全和有效的指標內。比如該設備應用到司機室空間，相對客室而言司機室沒有人員流動，空間小，總風量也小，可將該空氣凈化設備的工作頻率調控到最低檔位，最小的等離子釋放量即可滿足司機室除味殺菌。

考慮到有軌電車運營有低峰期和特殊狀況，為了不造成能源浪費和便于司機對設備的控制，在司機臺上設置了該空氣凈化設備的控制開關，通過MVB 實現對該空氣凈化設備的遠程開啟或關閉。根據列車上乘客數量和列車所處的環境狀態，司機可通過此按鈕選擇關閉或開啟空氣凈化設備，實現行車過程中人機共存的動態消毒凈化。司機臺控制按鈕布置見圖4。

圖4 司機臺控制按鈕圖

3.4 凈化效果測試

為驗證該空氣凈化設備對列車內空氣的凈化效果，在已運行的某地鐵列車中，放置該空氣凈化裝置，進行實車對比試驗。在該空氣凈化設備使用之前，對車內空氣進行采樣和檢測，其中每立方米含有0.08 mg甲醛、0.19 mg 苯、0.66 mg 氨、0.994 mgTVOC，車內每個培養皿中沉降菌數量為127 個。放置該空氣凈化設備使用一段時間之后，對車內空氣進行采樣和檢測，其中每立方米含有0.05 mg甲醛、0.11 mg苯、0.22 mg氨、0.271 mgTVOC，車內每個培養皿中沉降菌數量為3個。

對比試驗前后數據，可見該空氣凈化設備的殺菌效果非常明顯，按照國標每立方米空氣中菌落數應不高于45 cfu/皿（沉降法）的標準來看，未使用該空氣凈化設備之前車內菌落數嚴重超標；而經過該空氣凈化設備凈化后，菌落數大幅降低，且遠遠小于45 cfu/皿，符合國標要求。由對比試驗可見，使用該空氣凈化設備之后，甲醛、TVOC、氨等有害氣體也有不同程度的減少，車內空氣質量得到了一定的改善，健康指數更優。

4 結論

結合傳統濾網和低溫等離子空氣凈化技術，本文提供了一種行車過程中人機共存的實時動態空氣凈化方案，對車內空氣實時進行粉塵雜質過濾、有害氣體去除和細菌病毒消殺，全方位地凈化車內空氣，徹底改善車內空氣質量，給乘客提供健康的乘車環境。