袁二娜

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

0 前言

新型冠狀病毒性肺炎疫情暴發(fā)后[1]，各行各業(yè)積極開展聯(lián)防聯(lián)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(nèi)留下刺鼻的消毒水氣味，且僅對庫內(nèi)靜態(tài)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(xì)菌作用有限。如何有效凈化列車內(nèi)空氣，消除如PM 2.5、甲醛、細(xì)菌和新冠病毒等有害物質(zhì)正在成為軌道車輛車內(nèi)環(huán)境研究的一個重要課題。

1 概述

為實時動態(tài)凈化列車內(nèi)空氣，消除車內(nèi)存在的PM 2.5、甲醛、細(xì)菌和新冠病毒等有害物質(zhì)，可從供風(fēng)源頭采取措施。空調(diào)機(jī)組作為調(diào)節(jié)列車內(nèi)空氣的供風(fēng)源，不斷地從車外吸入空氣向車內(nèi)輸送所需的冷熱空氣，同時又將車內(nèi)部分空氣輸送回空調(diào)機(jī)組，與車外吸入的新風(fēng)混合后通過風(fēng)道送入車內(nèi)。根據(jù)空調(diào)機(jī)組的供風(fēng)原理和氣流組織分布，在混合空氣進(jìn)入車內(nèi)之前采取一定的凈化和殺菌措施，為車內(nèi)乘客提供高品質(zhì)的空氣和健康的乘坐環(huán)境。

以某項目有軌電車為例，在空調(diào)機(jī)組上除了布置傳統(tǒng)的濾網(wǎng)對新風(fēng)和混合風(fēng)進(jìn)行初級過濾凈化，過濾掉大顆粒雜質(zhì)和粉塵，還將低溫等離子殺菌和除異味技術(shù)引用到該項目中，在空調(diào)機(jī)組中特別加設(shè)了低溫等離子空氣凈化裝置，可殺滅細(xì)菌繁殖體、細(xì)菌芽孢、病毒、真菌等[4]，進(jìn)一步對車內(nèi)空氣進(jìn)行納米級凈化，通過濾網(wǎng)和低溫等離子技術(shù)取長補短相結(jié)合的方案，以實現(xiàn)行車中車內(nèi)空氣全面凈化和殺菌。

2 濾網(wǎng)過濾

本項目客室空調(diào)機(jī)組是一體化集成式車頂單元，每臺空調(diào)機(jī)組有一個新風(fēng)進(jìn)口，兩個蒸發(fā)腔和兩個冷凝腔。兩個出風(fēng)口與車內(nèi)送風(fēng)道連接，一個回風(fēng)口與車內(nèi)回風(fēng)道相接，空調(diào)機(jī)組主要部件分布見圖1。在空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)口設(shè)置1 個新風(fēng)濾網(wǎng)，進(jìn)行粗過濾；在2組蒸發(fā)器前分別設(shè)置混合風(fēng)濾網(wǎng)，進(jìn)行小顆粒有害物過濾[5]。當(dāng)新風(fēng)進(jìn)入空調(diào)機(jī)組時，首先經(jīng)新風(fēng)濾網(wǎng)過濾，然后經(jīng)雨水分離器和新風(fēng)閥進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部，新風(fēng)與回風(fēng)在室內(nèi)換熱器前混合后，經(jīng)回風(fēng)濾網(wǎng)進(jìn)一步過濾，然后經(jīng)蒸發(fā)器后送入車內(nèi)送風(fēng)道。

圖1 空調(diào)機(jī)組主要部件分布圖

2.1 新風(fēng)濾網(wǎng)

新風(fēng)濾網(wǎng)設(shè)置在空調(diào)機(jī)組進(jìn)風(fēng)口，見圖2，與雨水分離器配合，對進(jìn)入機(jī)組的空氣進(jìn)行粗過濾，阻擋掉落葉、大顆?；覊m、蚊蟲、柳絮等雜質(zhì)。新風(fēng)濾網(wǎng)直接暴露在空氣中，因長期遭受雨、雪、風(fēng)、霜和太陽照射，因此選擇60目不銹鋼絲網(wǎng)。此類濾網(wǎng)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(jīng)久耐用，可滿足振動要求。經(jīng)測速試驗，該濾網(wǎng)在新風(fēng)風(fēng)速2 m/s通量時，對于直徑≥20 um的微粒，分離率高達(dá)87%。

為了方便濾網(wǎng)清洗和維護(hù)，采用如圖2 所示的搭扣設(shè)計。在月檢和季檢清洗時，僅需打開濾網(wǎng)搭扣，抽出臟污的新風(fēng)濾網(wǎng)，用清水、中性洗滌劑和軟毛刷即可清洗干凈。濾網(wǎng)自然風(fēng)干后，可重復(fù)使用5年，保證空調(diào)新風(fēng)濾網(wǎng)的過濾效率滿足要求，不會因為新風(fēng)濾網(wǎng)臟堵而導(dǎo)致空調(diào)能力下降。

圖2 新風(fēng)濾網(wǎng)圖

2.2 混合風(fēng)濾網(wǎng)

混合風(fēng)濾網(wǎng)安裝于空調(diào)機(jī)組蒸發(fā)腔側(cè)，材質(zhì)為無紡布，采用阻燃、防水可洗型合成纖維?？梢赃^濾掉空氣中的灰塵、重金屬、多環(huán)芳烴等細(xì)小的有害物，可過濾的數(shù)量級達(dá)1～200 μm之間。

為了方便維護(hù)和更換，采用插入式免螺絲壓取式安裝。打開蒸發(fā)器腔蓋板后，可以從機(jī)組頂部方便拆卸混合風(fēng)濾網(wǎng)，然后放入新的混合風(fēng)濾網(wǎng)；拆下濾棉固定筋，把臟污的濾棉取出；更換新的濾棉，恢復(fù)后的混合風(fēng)濾網(wǎng)歸置到存儲區(qū)域。

3 低溫等離子凈化

傳統(tǒng)的空調(diào)濾網(wǎng)僅能去除空氣中存在的樹葉、粉塵、重金屬等雜質(zhì)，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(xì)菌等有害的微小化學(xué)和生物物質(zhì)是無濟(jì)于事的。而低溫等離子、紫外線和光觸媒等空氣凈化技術(shù)，能有效地分解去除甲醛、TVOC、異味等有害化學(xué)物質(zhì)，殺死細(xì)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(shù)已在家庭、醫(yī)療、工業(yè)等多領(lǐng)域成熟應(yīng)用。結(jié)合空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)特點和軌道車輛維保要求，低溫等離子空氣凈化設(shè)備更適合本項目，因其性能更加穩(wěn)定、無耗材、免維護(hù)、體積小方便加裝，可實現(xiàn)在緊湊的空調(diào)機(jī)組內(nèi)快速安裝。因此，最終選擇在空調(diào)機(jī)組內(nèi)加設(shè)低溫等離子空氣凈化設(shè)備，并且借助空調(diào)送風(fēng)氣流，將等離子體迅速送到車內(nèi)，實現(xiàn)對車內(nèi)空氣有效的殺菌消毒。

3.1 凈化原理

低溫等離子技術(shù)是一種空氣強力殺菌凈化技術(shù)，是電子、化學(xué)和催化綜合作用下的電化學(xué)過程。等離子體中包含大量的高能電子、正負(fù)離子、激發(fā)態(tài)粒子和具有強氧化性的自由基，這些活性粒子和部分臭氣分子碰撞結(jié)合，在電場作用下，使臭氣分子處于激發(fā)態(tài)。當(dāng)臭氣分子獲得的能量大于其分子鍵能的結(jié)合能時，臭氣分子的化學(xué)鍵斷裂直接分解成單質(zhì)原子或由單一原子構(gòu)成的無害氣體分子。同時激發(fā)過程產(chǎn)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終生成無害產(chǎn)物[6]。

低溫等離子體中的高能電子可使電負(fù)性高的氧分子帶電成為負(fù)離子，對人體具有良好的健康效應(yīng)。低溫等離子體具備顯著的微生物消殺作用，其發(fā)生的靜電作用，在各種細(xì)菌、病毒等微生物表面產(chǎn)生的電能剪切力大于細(xì)胞膜表面張力，使細(xì)胞膜遭到破壞，導(dǎo)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(shè)備布置

根據(jù)空調(diào)送風(fēng)原理和車內(nèi)氣流組織分布[9]，選擇空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)口區(qū)域為空氣凈化設(shè)備安裝位置。當(dāng)混合風(fēng)經(jīng)送風(fēng)口進(jìn)入車內(nèi)時，氣流流速高且均勻，可攜帶空氣凈化設(shè)備產(chǎn)生的等離子體一起快速進(jìn)入到風(fēng)道和車內(nèi)，并均勻地彌漫到整個車內(nèi)空氣中，對整個送風(fēng)系統(tǒng)和車內(nèi)的空氣進(jìn)行殺菌消毒。

如圖1所示，在2個空調(diào)機(jī)組的2個送風(fēng)口區(qū)域分別安裝1個低溫等離子空氣凈化設(shè)備。受空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)空間限制，該空氣凈化設(shè)備必須小巧且高集成?；诖艘?，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(diào)機(jī)組上。螺栓連接的方式可以保持空調(diào)機(jī)組和該空氣凈化設(shè)備仍是2個獨立的設(shè)備，空調(diào)機(jī)組只需要預(yù)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(shè)備在后期維護(hù)時也容易拆卸?？紤]到車輛用電安全和節(jié)能，該設(shè)備采用一體化灌膠封裝設(shè)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(fā)生高壓泄漏、大電流電火花和高溫，發(fā)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(shè)備外形尺寸

該設(shè)備的設(shè)計壽命在5 年以上，在正常使用壽命內(nèi)無耗材、無需零件和設(shè)備維護(hù)，解決了架修期內(nèi)空調(diào)機(jī)組內(nèi)部件不便維護(hù)的難題。

3.3 設(shè)備控制

為使該空氣凈化設(shè)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(shè)備內(nèi)置了控制模塊，設(shè)有8個工作檔位，用于調(diào)節(jié)等離子釋放量，達(dá)到既節(jié)能又確保有效除味殺菌的效果，確保車內(nèi)活氧量在安全和有效的指標(biāo)內(nèi)。比如該設(shè)備應(yīng)用到司機(jī)室空間，相對客室而言司機(jī)室沒有人員流動，空間小，總風(fēng)量也小，可將該空氣凈化設(shè)備的工作頻率調(diào)控到最低檔位，最小的等離子釋放量即可滿足司機(jī)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(jī)對設(shè)備的控制，在司機(jī)臺上設(shè)置了該空氣凈化設(shè)備的控制開關(guān)，通過MVB 實現(xiàn)對該空氣凈化設(shè)備的遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉。根據(jù)列車上乘客數(shù)量和列車所處的環(huán)境狀態(tài)，司機(jī)可通過此按鈕選擇關(guān)閉或開啟空氣凈化設(shè)備，實現(xiàn)行車過程中人機(jī)共存的動態(tài)消毒凈化。司機(jī)臺控制按鈕布置見圖4。

圖4 司機(jī)臺控制按鈕圖

3.4 凈化效果測試

為驗證該空氣凈化設(shè)備對列車內(nèi)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(jìn)行實車對比試驗。在該空氣凈化設(shè)備使用之前，對車內(nèi)空氣進(jìn)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(nèi)每個培養(yǎng)皿中沉降菌數(shù)量為127 個。放置該空氣凈化設(shè)備使用一段時間之后，對車內(nèi)空氣進(jìn)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(nèi)每個培養(yǎng)皿中沉降菌數(shù)量為3個。

對比試驗前后數(shù)據(jù)，可見該空氣凈化設(shè)備的殺菌效果非常明顯，按照國標(biāo)每立方米空氣中菌落數(shù)應(yīng)不高于45 cfu/皿（沉降法）的標(biāo)準(zhǔn)來看，未使用該空氣凈化設(shè)備之前車內(nèi)菌落數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)；而經(jīng)過該空氣凈化設(shè)備凈化后，菌落數(shù)大幅降低，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于45 cfu/皿，符合國標(biāo)要求。由對比試驗可見，使用該空氣凈化設(shè)備之后，甲醛、TVOC、氨等有害氣體也有不同程度的減少，車內(nèi)空氣質(zhì)量得到了一定的改善，健康指數(shù)更優(yōu)。

4 結(jié)論

結(jié)合傳統(tǒng)濾網(wǎng)和低溫等離子空氣凈化技術(shù)，本文提供了一種行車過程中人機(jī)共存的實時動態(tài)空氣凈化方案，對車內(nèi)空氣實時進(jìn)行粉塵雜質(zhì)過濾、有害氣體去除和細(xì)菌病毒消殺，全方位地凈化車內(nèi)空氣，徹底改善車內(nèi)空氣質(zhì)量，給乘客提供健康的乘車環(huán)境。