等離子空氣凈化技術(shù)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(tuán)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(xué)氣態(tài)污染物在室內(nèi)空氣中普遍存在，容易對人的眼睛、呼吸道、免疫系統(tǒng)、皮膚等造成較大影響，一般被認(rèn)為是誘發(fā)癌癥的“元兇”。根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883—2002）規(guī)定，室內(nèi)空氣中甲醛含量應(yīng)不高于0.10 mg/m3。地鐵車廂中的甲醛主要來源于客室內(nèi)部裝飾材料的持續(xù)性揮發(fā)。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(guī)范值。

1.2 總揮發(fā)性有機(jī)化合物TVOC

同樣來源于客室內(nèi)部裝飾材料的空氣污染物還有總揮發(fā)性有機(jī)化合物TVOC，其組分更加復(fù)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(xiàn)頭暈、惡心、乏力、記憶力消退、反應(yīng)遲鈍、嗜睡、胸悶等癥狀。根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883—2002）規(guī)定，室內(nèi)空氣中TVOC含量應(yīng)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(guī)范值。

1.3 細(xì)菌、病毒

常年溫、濕度適宜的地鐵車廂是細(xì)菌、病毒等生物性空氣污染物生存的良好環(huán)境?？諝庵械募?xì)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(xì)菌、病毒等病原微生物傳播風(fēng)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?zhǔn)住薄３粑兜闹饕煞质前睔釴H3、硫化氫H2S、甲硫醇CH3SH等無機(jī)污染物。

2 空氣凈化技術(shù)在地鐵車廂中的適用性

當(dāng)前常見的空氣凈化技術(shù)主要有靜電除塵、光觸媒、負(fù)離子凈化、紫外線、等離子凈化技術(shù)，各空氣凈化技術(shù)的綜合分析比較如表1所示。

3 空氣凈化技術(shù)在廣州地鐵列車的應(yīng)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(shù)，廣佛線則在18列增購車項目中率先使用等離子凈化技術(shù)。

3.1 紫外線消殺技術(shù)的應(yīng)用情況

紫外線消殺技術(shù)主要是在列車客室回風(fēng)口處安裝一定劑量的紫外線燈管，定期開啟，對回風(fēng)濾網(wǎng)及其周圍空間進(jìn)行消殺。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(jìn)行消殺，且紫外線本身對人體有害，給現(xiàn)場維保人員帶來職業(yè)健康問題。

表1 常見空氣凈化技術(shù)的綜合分析比較

3.2 等離子凈化技術(shù)的應(yīng)用情況

3.2.1 工作原理

等離子凈化技術(shù)一般指低溫等離子體技術(shù)，是通過低溫等離子體制造臭氧進(jìn)行空氣凈化的技術(shù)?！暗蜏氐入x子體”是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后物質(zhì)的第四態(tài)，當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的放電電壓時，氣體被擊穿，產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)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(xiàn)低溫狀態(tài)，所以稱為“低溫等離子體”。

低溫等離子體激發(fā)產(chǎn)生正負(fù)離子，與自然界由雷電產(chǎn)生正負(fù)離子的機(jī)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(fù)離子、激發(fā)態(tài)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(zhì)進(jìn)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(jié)構(gòu)組成及應(yīng)用場景

廣佛線增購車項目使用株洲菲尼德生產(chǎn)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(fā)生技術(shù)，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(guān)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(diào)機(jī)組回風(fēng)口上方，設(shè)計上與空調(diào)正常通風(fēng)聯(lián)動，由空調(diào)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(jìn)行電離；通過客室空氣的流動，帶動等離子體場內(nèi)大量自由基擴(kuò)散，從而達(dá)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(jìn)行了檢測，結(jié)果證明：TVOC、甲醛、苯和細(xì)菌去除效率高，凈化效果明顯。第三方檢測機(jī)構(gòu)廣東省微生物分析檢測中心的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

3.2.4 實車應(yīng)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(fā)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(jī)的檢測及反饋；凈化裝置發(fā)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(jī)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(dǎo)通；其間使用熱成像儀持續(xù)監(jiān)控電路板溫升，最高溫度達(dá)47 ℃，工作穩(wěn)定。從集成電路控制板設(shè)計考慮，控制板檢測高壓離子發(fā)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(dǎo)通；凈化裝置長時間工作時，因離子發(fā)射頭反應(yīng)較靈敏，容易受到灰塵、溫濕度等環(huán)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?？諝鈨艋b置檢測反饋如圖3所示。另外6起拆機(jī)后單體測試時，凈化器模塊反饋信號、高壓輸出、負(fù)離子含量均不正常工作，判定凈化器模塊出現(xiàn)故障失效，導(dǎo)致整機(jī)反饋信號異常。進(jìn)一步分析對比發(fā)現(xiàn)，故障凈化器模塊的變壓器封裝不良，用于密封的黑色環(huán)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(fù)正常。

圖3 空氣凈化裝置檢測反饋

圖4 黑色環(huán)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(dǎo)致凈化器模塊電壓驟降，反饋信號也隨之降低（低于3 V）導(dǎo)致報警，這是凈化裝置出現(xiàn)故障的主要原因。

針對上述問題，對凈化裝置進(jìn)行了升級改造，一方面由原來通過控制繼電器的通斷進(jìn)行反饋，更改為直接檢測高壓離子發(fā)生器的運行狀態(tài)，跳過繼電器，提高檢測可靠性；另一方面，改進(jìn)變壓器封裝工藝，采用透明環(huán)氧樹脂灌裝，增加抽真空工序，保證了灌膠質(zhì)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(fā)生故障，改造效果良好。

4 結(jié)語

地鐵列車應(yīng)具備應(yīng)急消毒殺菌能力，能夠在緊急情況下阻斷細(xì)菌和病毒的傳播和擴(kuò)散。低溫等離子體技術(shù)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(yīng)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(shù)，在不斷完善的過程中，其工業(yè)應(yīng)用條件也正慢慢趨于成熟[2]。