低臭氧静电空调机组：地铁PM2.5控制的新路径

基于韩国KIMM团队在第17届国际静电除尘会议（京都，2024）的全尺度地铁站ESP-AHU实测研究解读

关键词
Air handling unit, electrostatic devices, particulate matter, ionizer, ion spray, 静电除尘器, 地铁空气质量

在地下交通空间颗粒物污染和节能压力双重驱动下，如何在有限机房空间内实现高效空气净化，正成为暖通与环保工程领域的共同难题。传统空调机组（AHU）主要依赖中高效滤网拦截PM2.5和PM10，确实能降低地铁车站的颗粒物浓度，但滤网随粉尘积灰而带来的压降快速上升、运维成本攀升问题日益突出。围绕“空气处理机组+静电除尘器（ESP）”这一组合思路，韩国机械研究院（Korea Institute of Machinery and Materials, KIMM）的Gwangtaek Lee、Yewon Park、Yusom Choi、Bangwoo Han、Yong-Jin Kim 和 Hak‑Joon Kim 在第17届国际静电除尘会议（Kyoto, 2024）上发布了一项全尺度地铁站低臭氧ES-AHU（Electrostatic-type AHU）实测研究，为行业展示了地铁空气质量提升与节能降耗兼顾的可行技术路径。

这项工作选取韩国水原市的永通（Yeongtong）地铁站作为试验场景，车站原有4台空调机组：两台服务站厅（AHU1、AHU2），两台服务站台（AHU3、AHU4），均配备MERV 14级过滤器。研究团队在保持原有机组结构和风量条件的基础上，将滤网整体替换为模块化静电除尘装置，通过“充电模块+集尘模块”的电场组合，构建了全尺度ES‑AHU系统，并在车站实际运行条件下，对颗粒物去除效率、压降、臭氧生成及乘客个体暴露水平进行系统评估。

在结构配置方面，ES-AHU充分考虑了既有机组的空间与风量约束。站厅侧（AHU1、AHU2）充电段由12个方形模块组成，站台侧（AHU3、AHU4）为9个模块，每个充电模块均采用不锈钢刷式针放电电离器，单模块尺寸约606 mm×606 mm×125 mm，电离针与接地极板间距为50 mm，对应单模块接地极板面积约0.48 m²。集尘模块尺寸略大，为640 mm×640 mm×200 mm，采用碳基电极并覆PET涂层，电极板宽约100 mm、极距4 mm，单模块总集尘电极面积达5.3 m²。这样的平行板布局，为静电除尘器在高风量条件下提供了充足电场作用面积，同时保持较低流阻。

从通风性能看，四台AHU在改造后维持了原有风量水平：平均流速在1.28–2.21 m/s，对应风量约为253.6–615.9 m³/min，涵盖典型地铁站厅、站台空调送风的工程区间。研究首先对充电模块的V–I特性进行测试，以确定放电起始电压和适宜工作区间。以AHU3为例，充电电极在–10 kV左右出现明显放电电流，继续升压至–15 kV及以上时，颗粒物荷电充分，ESP对PM2.5和PM10的去除效率迅速爬升并超过98%。然而，随电压升高，臭氧生成也随之增加，在–15 kV到–20 kV区间，臭氧浓度由约0.6 ppb升至约13.7 ppb。为控制二次污染，团队采用刷式针放电电离器以压缩等离子体体积，并在不同AHU上分别选取–14至–20 kV的负高压组合，以兼顾高效率除尘与低臭氧排放，这一点对未来地铁站等密闭空间的静电除尘工程设计具有现实参考价值。

将ESP与传统MERV 14滤网进行直接对比，是这项研究最具工程指导意义的部分。试验表明，当采用MERV 14过滤器时，AHU1对PM2.5和PM10的去除效率约为63.5%和68.3%，AHU3则分别约为68.5%和70.0%。与实验室标准工况宣称的“0.3–1.0 μm ≥75%–<95%、1.0–10 μm ≥90%”相比，现场效率偏低，研究者认为这与地铁外来空气中亚微米颗粒占比偏高密切相关[1]。在亚微米粒径段占主导的分布条件下，单纯靠机械过滤难以维持高效拦截，同时压降随积尘而快速抬升。 当滤网整体替换为静电除尘器后，情况发生了显著变化。全站四台ES‑AHU在实测条件下对PM2.5和PM10的去除效率均稳定在90%以上，部分工况下甚至接近或达到99.6%。从粒径分辨效果看，ESP在全粒径段的去除效率大多处于80.2%–99.8%区间，而原MERV 14滤网在相同粒径段的效率普遍低于80%。更关键的是系统压降：MERV 14滤网段压降约为157 Pa，而对应ESP模块在AHU1和AHU3上的压降仅为1.5 Pa和7.1 Pa，几乎可以忽略不计。对于电价持续上升、全年高负荷运行的地铁站而言，这种“高效率+超低压降”的ES‑AHU方案意味着风机功耗可大幅下降，同时减少滤材更换与运输处置带来的全生命周期成本，对追求绿色低碳与运维精细化的城市轨道交通具有直接吸引力。 在系统级空气质量改善评估中，研究团队在ES‑AHU以–20 kV充电电压、–8 kV集尘电压稳定运行的条件下，监测了室外空气、站厅和站台区域的PM2.5和PM10变化。结果显示，经ES‑AHU处理并送入车站后，站厅区域PM2.5与PM10相较室外浓度分别降低约57.2%和59.3%；站台区域PM2.5和PM10则分别降低约58.7%和56.9%。这说明在典型地铁换气和渗入条件下，ES‑AHU不仅显著削减进入系统的新鲜空气颗粒物负荷，还通过循环空气处理，整体拉低了车站空间的颗粒物背景浓度。 更加贴近乘客健康影响的是个体暴露水平评估。研究团队通过随身监测，在站厅与站台区域采集乘客身边呼吸带附近的PM2.5和PM10数据。结果表明，在ES‑AHU持续运行条件下，站厅乘客周围PM2.5和PM10暴露浓度分别较无ESP运行工况下降约63.4%和63.8%；站台乘客暴露水平则分别下降约61.0%和59.7%。这些数值与整个空间的空气质量改善幅度高度一致，说明ES‑AHU不仅在系统端“数字好看”，更能切实传导至乘客实际呼吸暴露，对长期处于地铁环境工作和通勤人群的健康风险降低具有现实意义。 从静电除尘器工程应用角度看，这项研究有几点值得行业关注。其一，采用刷针式低臭氧电离器，使ESP在–15 kV至–20 kV高电压区间依然维持ppb级臭氧排放，为ESP在密闭公共空间的推广扫清了关键安全顾虑。其二，ES‑AHU在400–600 m³/min级大风量工况下依然能够实现接近“单程≥99%”的PM2.5净化效率，表明通过模块化电极设计和合理电场配置，静电除尘器完全可以在不牺牲风量的前提下替代中高效过滤器。其三，在保持高净化效率的同时大幅降低压降，为未来“静电除尘+热回收+智能控制”的地铁综合节能方案预留了可观的能耗压缩空间。 综合来看，KIMM团队的这项全尺度地铁站ES‑AHU实证，为轨道交通、地下商业体等大体量密闭空间指明了一条可兼顾空气质量与能耗控制的技术路线：以低臭氧ES‑AHU替代传统高阻力过滤段，将静电除尘器从“锅炉烟气末端治理”延展到“公共建筑送风侧”，实现从工业烟气治理向城市环境空气治理的跨界应用。随着我国地铁网络持续扩张和乘客健康关注度不断提升，这类基于静电技术的空气处理解决方案，有望成为未来地下空间空气品质提升与“双碳”目标协同推进的新焦点。 参考文献 [1] Gwangtaek Lee, Yewon Park, Yusom Choi, Bangwoo Han, Yong-Jin Kim, Hak-Joon Kim. Air cleaning performance of a full-scale air handling unit with a low-ozone ESP in a subway station. Proceedings of the 17th International Conference on Electrostatic Precipitation, Kyoto, 2024. [2] Dee S, Pitkin A, Deen J. Evaluation of alternative strategies to MERV 16-based air filtration systems for reduction of the risk of airborne spread of porcine reproductive and respiratory syndrome virus. Veterinary Microbiology, 2009, 138:106–113. https://doi.org/10.1016/j.vetmic.2009.03.019

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