V型塑框过滤器集成于地铁站环控系统对高粉尘负荷的适应性分析

概述

地下车站通风空调与环境控制（简称环控）系统承担站厅站台新风供给、余热余湿排除、活塞风疏导与事故排烟等任务。出入口、活塞风井与隧道洞口使室外扬尘、制动磨屑及轮轨磨耗颗粒持续进入风道，含尘浓度随客流与行车密度周期性波动，过滤段负荷明显高于一般办公建筑新风机组。

V型塑框过滤器以注塑成型的聚丙烯或阻燃ABS框架承载多组V形折叠滤料，在有限深度内扩展有效过滤面积，兼顾较低初阻力与较大容尘空间。本文依据 GB 50157-2013《地铁设计规范》、GB 50490-2009《城市轨道交通技术规范》、GB/T 14295-2008《空气过滤器》、GB/T 6165-2008 与 GB 50243-2016，参照 ISO 16890-1:2016、EN 779:2012、ASHRAE 52.2-2017 的测试口径，分析其结构参数、负荷适应性、阻力容尘特性与运维方法。

1 产品定义与V型结构特征

V型塑框过滤器属中效至高中效紧凑型空气过滤器，基本单元为若干组以V字形或W形折线布置的折叠滤料，滤料两端由塑料壳体注塑包覆或卡扣端盖固定，迎背风侧构成开放气流通道。相较同尺寸平板式过滤器，V型布置使有效过滤面积扩展至迎风面积的 2～4 倍，面速相应下降。

塑料框架多用玻纤增强聚丙烯或阻燃ABS注塑成型，整体无金属边框，重量轻、耐湿热、不锈蚀，更换作业可由单人完成。框体迎风面常设一体式密封法兰与弹性密封垫，配合机组内压紧装置形成端面密封。滤料多为聚酯合成纤维梯度毡或熔喷复合滤材，折叠间距由热熔胶线或注塑隔筋保持（蔡杰《空气过滤器原理与应用》）。

表 1 V型塑框过滤器典型结构组成

部件	常用材料	功能要求
V形滤料组	聚酯梯度毡、熔喷复合滤材	梯度容尘、效率稳定
注塑外框	玻纤增强聚丙烯、阻燃ABS	尺寸稳定、耐湿热
端盖与卡扣	工程塑料一体件	夹持滤料、防旁通
密封垫	EPDM发泡胶条、聚氨酯密封胶	端面密封、抗老化
分隔筋	注塑筋条、热熔胶线	保持褶距与通道形状

图 1 白色聚丙烯塑框与V形折叠滤料构成的V型塑框过滤器单体

2 地铁站环控系统的粉尘来源与气流路径

地下车站环控系统由公共区通风空调（大系统）、设备管理用房（小系统）与隧道通风（区间系统）构成。新风经风亭、新风井进入组合式空气处理机组，通过过滤段、表冷段与风机段后送入站厅站台；回排风经风道排出，活塞风经隧道风井与车站交换，形成多来源颗粒物输入通道。

颗粒物来源可归纳为室外大气扬尘、列车制动与轮轨磨耗产生的铁质微粒、受电弓与接触网磨耗粉尘、乘客衣物纤维与皮屑以及土建维护残留的矿物粉尘。据《暖通空调》及 Building and Environment 刊载的轨道交通车站气溶胶实测研究，站台 PM10 与 PM2.5 浓度常随行车间隔缩短而抬升，铁元素富集是该类环境颗粒物的显著特征。

表 2 车站环控系统主要粉尘来源与粒径区间

来源	主要成分	粒径区间（μm）	负荷特征
室外新风扬尘	硅酸盐、道路扬尘	1～100	随季节与气象变化
轮轨与制动磨耗	铁氧化物、金属屑	0.3～20	与行车密度正相关
受电弓磨耗	碳粉、铜合金微粒	0.5～10	区间隧道段偏高
乘客活动	纤维、皮屑	2～50	与客流高峰同步
设备与土建维护	水泥尘、涂料微粒	5～100	间歇性短时冲击

3 高粉尘负荷的量化表征

过滤器的粉尘负荷可用单位迎风面积单位时间的颗粒物质量（g/(m²·h)）表示，也可由迎风面计重浓度（mg/m³）与累计运行时长相乘估算。地铁环控机组每日运行覆盖运营时段前后各约一小时，全年累计运行 4000～6000 h，高于间歇运行的舒适性空调机组，因而过滤段的累计容尘需求偏大。

设计取值宜参照 GB 3095-2012《环境空气质量标准》与 GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》的限值设定入口条件，再叠加隧道回风增量，并按早高峰、平峰、夜间停运三段分时段加权。三段浓度与风量差异可达数倍，若采用单一固定浓度估算，容易低估年累计积尘量，引发更换周期偏短与风机能耗上升。

表 3 环控机组分时段粉尘负荷示例

时段	时长（h/d）	新风含尘（mg/m³）	风量比例	相对负荷系数
早高峰	2～3	0.30～0.55	100%	1.6～2.0
平峰	12～14	0.15～0.30	70%～85%	1.0
晚高峰	2～3	0.28～0.50	100%	1.5～1.9
夜间停运	5～6	0.08～0.15	30%～50%	0.3～0.5

4 过滤机理与效率分级

V型塑框过滤器对颗粒物的捕集依赖惯性碰撞、拦截、扩散沉积与筛分效应的组合。粒径大于 1 μm 的颗粒以惯性碰撞与拦截为主，捕集概率随滤速提高而上升；0.1～1 μm 区间受布朗扩散影响明显，存在效率偏低的穿透粒径窗口。梯度密度滤材使粗颗粒在迎风侧被截留、细颗粒在深层被捕获，可延缓表层结饼堵塞。

效率分级可按 GB/T 14295-2008 的中效、高中效划分，也可按 EN 779:2012 的 M5～F9 与 ISO 16890-1:2016 的 ePM1、ePM2.5、ePM10 区间表达。ASHRAE 52.2-2017 给出 MERV 等级与粒径分组计数效率，适合描述 0.3～10 μm 颗粒的分组表现。Hinds《Aerosol Technology》对单纤维效率与滤层阻力的关系给出了系统推导，许钟麟《空气洁净技术原理》则结合国内大气尘条件讨论了中效过滤器的选用原则。

表 4 常用效率分级体系对照

体系	中效区间	评价粒径	典型指标
GB/T 14295-2008	中效、高中效	≥1 μm／≥0.5 μm	大气尘计数效率
EN 779:2012	M5～F9	0.4 μm	平均计数效率
ISO 16890-1:2016	ePM2.5／ePM10 组	0.3～10 μm	分组效率与分级报告值
ASHRAE 52.2-2017	MERV 9～15	0.3～10 μm 分四组	分组效率与计重效率

5 主要技术参数与规格系列

选型需核对额定风量、迎面风速、初阻力与终阻力、计数效率、容尘量及耐温耐湿范围。地铁环控机组常用 592 mm×592 mm 模数，安装深度受机房检修空间限制，V型结构在 292 mm 或 400 mm 深度内即可提供较大过滤面积，适合改造项目中替换原有平板段而无需改动箱体。

按 GB/T 6165-2008 的试验方法，额定风量下初阻力宜控制在 90～130 Pa，终阻力 300～450 Pa 时更换。滤材耐温一般不超过 70 ℃，相对湿度 95% 时强度保持率不低于 85%；框架在 −10～60 ℃ 内尺寸变化率宜低于 0.5%，以免密封面翘曲旁通。

表 5 V型塑框过滤器主要技术参数示例

项目	规格一	规格二	规格三
外形尺寸（mm）	592×592×292	592×592×400	592×287×400
V形滤料组数	4	5	3
额定风量（m³/h）	3400	4200	2100
迎面风速（m/s）	2.7	3.3	3.4
有效过滤面积（m²）	1.05～1.25	1.35～1.60	0.60～0.75
初阻力（Pa）	≤95	≤115	≤120
终阻力（Pa）	300	400	400
效率级别	F7／ePM2.5 70%	F8／ePM1 65%	F7／ePM2.5 65%
容尘量（g）	约 650	约 880	约 400
单件质量（kg）	2.6～3.2	3.2～4.0	1.8～2.4

表 6 部分风量下的阻力实测参考值

风量比例	50%	75%	100%	115%
F7 洁净阻力（Pa）	32	62	95	121
F8 洁净阻力（Pa）	41	79	115	146
F9 洁净阻力（Pa）	52	98	142	180

6 阻力增长与容尘特性

高粉尘负荷工况下，过滤器阻力随积尘量呈两阶段变化：前期尘粒进入滤料深层，阻力近似线性缓慢增长；后期表层尘饼形成，阻力增速明显加快。V型布置因过滤面积较大、面速较低，深层容尘阶段被拉长，达到同一终阻力所需的累计积尘量高于平板式过滤器，这一规律在 Filtration + Separation 关于V型滤芯容尘性能的试验报告中亦有描述。

工程上以阻力增量与累计发尘量的比值评价容尘能力，并按 ASHRAE 52.2-2017 的加载粉尘程序绘制阻力曲线。地铁环境中含铁细颗粒比例偏高，细颗粒易在滤料深层形成致密沉积，使阻力曲线较早进入快速上升段。设计时可把终阻力设为初阻力的 3～4 倍，并预留约 15% 的风机压头裕量，避免阻力攀升引起送风量衰减。

表 7 累计发尘量与阻力增长关系示例（F8，额定风量）

累计发尘量（g）	0	150	300	450	600	750
阻力（Pa）	115	138	172	221	296	402
计重效率	92%	95%	97%	98%	98%	99%

表 8 V型塑框与平板式过滤段特性比较

项目	V型塑框	平板式
迎风面积（m²）	0.35	0.35
有效过滤面积（m²）	1.35～1.60	0.35
洁净初阻力（Pa）	95～115	120～160
容尘量（g）	650～880	220～320
更换周期（月）	8～14	3～5
年维护工时	较低	较高

7 集成安装与密封设计

集成安装需按 GB 50243-2016《通风与空调工程施工质量验收规范》检查过滤器框架平整度、压紧装置行程与检修门密封。V型塑框过滤器通常采用抽屉式或侧抽式安装，单元之间以拼接卡扣或连续密封条衔接，形成无旁通缝隙的过滤墙面；检修侧应留出不小于滤芯深度 1.2 倍的抽换空间。

密封失效是高负荷工况下效率下降的常见原因。安装前应在框架接触面粘贴闭孔海绵胶条，安装后用塞尺检查四周间隙，并以发烟法或粒子计数法做局部检漏。GB 50157-2013 对车站通风机房的设备布置与检修通道提出要求，机组过滤段前后宜设置压差取样口与检修照明，为日常巡检提供条件。

表 9 过滤段安装与验收要点

项目	建议指标	检查方法
框架平面度	≤2 mm/m	靠尺与塞尺
密封面间隙	≤0.5 mm	塞尺检查
滤芯压紧量	3～5 mm 压缩	标记测量
检修抽换空间	≥滤芯深度 1.2 倍	现场量测
压差取样口	前后各一处	目视与通气试验
安装后检漏	无可见旁通	发烟法、粒子计数

图 2 车站环控机房组合式空气处理机组内成排布置的V型塑框过滤段

8 气流均匀性与风机能耗

过滤段迎风面速度分布影响积尘均匀性与阻力增长。风亭至机组的弯管、变径与风机出口射流易使断面速度不均，局部面速偏高区域提前堵塞，其余区域仍未充分利用。可在过滤段前设置穿孔均流板或导流叶片，将断面速度不均系数控制在 0.25 以内，使各V形单元负荷趋于均衡（孙一坚《工业通风》）。

风机能耗可按 P = Q·Δp/(3600·η) 估算，其中 Q 为风量、Δp 为过滤段阻力、η 为风机与电机综合效率。以 Q = 4200 m³/h、η = 0.62 计，阻力由 115 Pa 升至 400 Pa 时，过滤段对应轴功率约由 0.22 kW 增至 0.75 kW。据此可把容尘性能折算为全寿命周期电耗，与滤材采购、更换人工一并纳入方案比选。

表 10 过滤段阻力对应的风机功率与年电耗估算

阻力（Pa）	轴功率（kW）	日运行 16 h 年电耗（kWh）	相对增量
115	0.22	1285	基准
200	0.38	2220	+73%
300	0.56	3270	+154%
400	0.75	4380	+241%

9 测试与验证方法

性能验证宜分型式试验、进场抽检与现场复测三个层次。型式试验按 GB/T 6165-2008 测定风量—阻力曲线与计数效率，按 ASHRAE 52.2-2017 完成加载发尘并获取容尘量；ISO 16890-1:2016 要求以规定的气溶胶粒径谱给出 ePM 分级报告值，便于与车站 PM2.5 控制目标衔接。

现场复测重点在风量、压差、旁通泄漏与下游浓度。可在过滤段上下游同步布点，用光学粒子计数器测定 0.5 μm 与 2.5 μm 档的浓度比，并结合压差趋势判断是否存在密封失效。W. Whyte《Cleanroom Technology》与 ISO 14644-3:2019 给出的检漏与测试方法可作为现场作业程序的参考框架。

表 11 性能验证项目与判定依据

层次	项目	依据	判定内容
型式试验	效率与阻力	GB/T 6165-2008	额定风量下达标
型式试验	容尘与加载	ASHRAE 52.2-2017	阻力曲线与容尘量
型式试验	ePM 分级	ISO 16890-1:2016	分级报告值
进场抽检	外观与尺寸	产品技术条件	框架无变形、密封完好
现场复测	压差与检漏	ISO 14644-3:2019	无旁通泄漏
现场复测	上下游浓度比	测试方案	与设计值偏差可接受

10 运维管理与更换周期

运维应建立过滤段台账，记录安装日期、初始压差、累计运行小时、更换原因与废弃处置方式。压差监测宜采用就地压差表与远传变送器双重配置，信号接入车站设备监控系统，按趋势而非单一阈值触发工单；早晚高峰的数据波动较大，建议取滑动平均值作为报警依据。

更换周期由终阻力、效率衰减与卫生要求共同确定。可先按 8～14 个月设定计划周期，再依据首个运行年度的压差曲线修订。更换时宜成组同批替换，避免新旧滤芯并联运行造成偏流；拆下的塑框与滤料可分类回收，塑料框架经清洁后按当地固废管理要求处置。

表 12 压差阈值与维护周期建议

管理项目	建议阈值	执行方式
压差预警	达到终阻力的 75%～85%	监控平台提示、列入计划
更换触发	终阻力 300～450 Pa	成组更换并记录
现场巡检	每 1～2 个月一次	目视框架、检查密封
效率抽查	每年一次	粒子计数抽检
台账更新	更换后 24 h 内	录入运维系统

表 13 常见失效模式与处置

失效模式	典型表现	判定方法	处置措施
滤料堵塞	压差持续上升、风量下降	压差趋势分析	按终阻力更换
密封垫老化	局部旁通、下游浓度升高	发烟法、粒子计数	更换密封条
塑框变形	密封面翘曲、卡扣松脱	靠尺与塞尺	更换框架单元
滤料破损	压差异常回落	目视、下游计数	成组替换

11 环境适应性与安全性能

地铁环控机房相对湿度常年偏高，隧道回风偶有凝露与油雾，塑料框架在此环境中不产生电化学腐蚀，较金属框更易于长期保持尺寸稳定。滤料宜做疏水与防霉整理，按 GB/T 2423 相关湿热试验条件考核后，湿态强度保持率仍应满足拆装作业要求。

防火与烟气毒性是地下空间的重点约束。框架材料与滤料的燃烧性能等级应依据 GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》核定，并满足 GB 50490-2009 对车站通风系统材料的阻燃与低烟要求。抗静电工况可选用经表面整理的滤材，降低高风速下静电积聚对细颗粒沉积与粉尘二次扬起的影响。

表 14 环境与安全性能要求

项目	建议指标	依据或方法
长期运行温度	−10～60 ℃	产品技术条件
相对湿度适应	≤95% RH，无凝露	湿热试验
湿态强度保持率	≥85%	滤材拉伸试验
燃烧性能等级	符合设计要求	GB 8624-2012
框架尺寸变化率	≤0.5%	高低温循环试验
表面电阻（抗静电型）	10⁶～10⁹ Ω	表面电阻测试

12 运行实测与效能追踪

某地下车站大系统组合式机组在改造中将原平板中效段替换为 F8 级V型塑框过滤段，保持箱体尺寸与额定风量 4200 m³/h 不变，连续记录一个运行年度的压差、风量与站台颗粒物浓度。改造后过滤段洁净阻力由 148 Pa 降至 112 Pa，更换次数由每年 3 次减为每年 1 次，检修工时相应下降。

效能追踪宜延续多个更换周期，同步记录季节扬尘、行车密度与滤网压差，据以修正负荷模型。Indoor Air 与《暖通空调》的研究指出，车站颗粒物浓度受活塞风与客流组织影响明显，单一效率指标不足以反映暴露水平，需结合风量、压差与下游浓度共同评价。

表 15 改造前后运行指标对比

指标	改造前（平板中效）	改造后（V型塑框 F8）
额定风量（m³/h）	4200	4200
洁净阻力（Pa）	148	112
终阻力设定（Pa）	300	400
年更换次数	3	1
过滤段年电耗（kWh）	约 4120	约 3260
年维护工时（h）	约 18	约 6

表 16 效能追踪建议记录项

记录项	采样频率	用途
过滤段压差	连续／每小时	阻力趋势与更换判定
机组送风量	连续／每小时	风量衰减核算
站台 PM2.5／PM10	连续／每 5 min	暴露水平评价
行车密度	按班次	负荷模型修正
室外气象与扬尘	每日	季节差异分析