一种地铁隧道空气环境净化系统的制作方法

本实用新型涉及地铁隧道空气环境净化技术领域，具体为一种地铁隧道空气环境净化系统。

背景技术：

截至2012年底，全国已有15个城市建设地铁，总里程达到2,173.73公里。2020年，全国将有40个城市建设地铁，总规划里程达7,000公里。其中北京、上海和广州地铁发展速度比较显著，截止2012年底，北京有17条地铁线路，运营里程达到456公里；上海有12条地铁线路，运营里程达到469公里；而广州有8条地铁线路，运营里程达到299公里。伴随地铁的发展人们在地铁上的时间越来越多，而地铁作为一个在大城市有着极其重要地位的交通系统，每天都要输送大量的人流，空气质量如何，更加值得重视。

地铁站台是旅客候车、逗留的特殊环境，具有客流密度大、建筑结构封闭、无法与外界直接相通等特点。其细颗粒物PM2.5排放率与日均小时交通量呈正相关，在列车刹车过程中，地铁与轨道摩擦产生金属颗粒物。此外，乘客出入、外界送风及活塞风带来的可吸入颗粒物PM10不能及时排出，都使得地铁系统中PM10不断积累。国内外学者对外界、地铁站台和车厢环境空气中PM10和PM2.5浓度展开了大量研究。如2001年Adams等采用自制的大容积收集器，以161个/min的采样频率对伦敦地铁内的化学污染物进行测量，结果发现地铁内污染物的浓度是顶部地表的8倍以上。而瑞典的斯德哥尔摩地铁内的PM10和PM2.5则分别达到了470μg/m3和260μg/m3。由于市区恶劣的环境，开罗地铁内悬浮颗粒物浓度更是高达938.3μg/m3。樊越胜等研究得出地铁车厢内PM2.5浓度超标且PM2.5所占比重大于站台；Aarnio等研究认为，地铁的运营方式对地铁环境空气中的PM2.5影响较大，研究得出乘客每天花费30min在地铁车厢和9min在地铁站台候车，暴露于PM2.5的质量浓度与城市交通环境相比仅增加了3％，但暴露于PM2.5中Fe的含量增加了200％，Mn的含量增加了60％，Cu的含量增加了40％。大量实测研究表明，地铁内PM10浓度水平较高，而PM10可进入人体的呼吸道、肺泡以及血液中，损伤DNA，造成多种疾病。

PM10指空气动力学当量直径在10μm以下的颗粒物，又称为可吸入颗粒物。PM2.5指空气动力学当量直径在2.5μm以下的颗粒物，又称为细颗粒物(fine particle)。PM2.5—10指空气动力学当量直径在(2.5～10)μm的颗粒物，又称为粗颗粒物(coarse particle)。直径越小对人体影响越大，PM2.5可直接吸入肺泡。长期暴露在PM2.5浓度高的环境中引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。在美国，每年由于颗粒物污染造成的死亡人数约为22,000～52,000人，在欧洲这一数字则高达20万。

由此可知，传统的人工清洁方法已经不能满足现在地铁发展的需求,因此需要开发新型设备以满足地铁发展需求。

目前国内外地铁隧道污染的治理方法有两大方向，一种是移动式地铁隧道清洁设备，另一种是在整条地铁隧道内壁上安装多个净化设备。

对于第一种移动式地铁隧道清洁设备，按净化方法分为：吸尘与吹扫相结合法、吸尘与吹扫及洒水冲洗相结合法、真空吸尘与滚刷滚扫及高压水清洗相结合法等。

针对吸尘与吹扫相结合法，有如专利文献《一种铁路隧道清扫车》，CN201598592U，2010.10.06公开的、通过将装于铁路平板车上的真空厢一端与吸、吹风泵的吸气口相连通，另一端的端板上部的圆通孔外设有数十根吸气管拖于路面上，并在真空厢左端上板和右侧板上装有能树立和倒放的密布扫把，使该平板车在行驶过程中，能够对地铁隧道同时进行地面吸尘和内壁清扫，具有结构紧凑、清扫速度快、效率高的优点。但该方法在清洁过程中不仅会造成飞尘四起的现象，而且在运行中需要消耗大量电能；除此之外，该车的运行速度需处于低速状态，以致清洁效率较低。

针对吸尘与吹扫及洒水冲洗相结合法，有如专利文献《铁路隧道清洁车》，CN101967809A，2011.02.09公开的、通过将控制部分、吸尘部分、吹扫部分和水冲洗部分依次设在平板车上，在平板车运行过程中，吸尘部分、吹扫部分和水冲洗部分同时工作，安装于平板车上中前部的吸尘部分将隧道壁及其隧道内设施上的积灰剥离及回收，安装于平板车上中后部的吹扫部分对地面垃圾、杂物、灰尘及金属细屑进行吸尘吹扫与手动吸尘吹扫处理，安装于平板车下方的水冲洗部分对地铁隧道局部顽固污渍进行冲洗清除。该实用新型具有结构紧凑、功能全面、效果好等特点。但该方法的实施不仅需要大量的水资源和电力能源，而且大量喷洒水会造成地铁隧道中湿气弥漫，甚至在冬季会结冰，给列车的运行和乘客的安全带来很大的不利。除此之外，该车的运行速度在5km/h以内，大大降低了清洁效率。

针对真空吸尘与滚刷滚扫及高压水清洗相结合法，有如非专利文献《地铁隧道清洁车技术开发与研究》,山东大学硕士学位论文，段晓，2011.11.30公开的、通过将真空系统吸取系统、滚刷滚扫系统和高压水冲洗系统依次安装在平板车上，在平板车运行过程中，真空系统吸取系统、滚刷滚扫系统和高压水冲洗系统同时工作，分别对地铁隧道内壁、地面及局部顽固污渍进行清洁，功能全面。但该方法的实施所存在的问题同样在于大量水资源和电力能源的消耗及大量喷洒水给列车的运行和乘客的安全带来的不利。除此之外，该车的运行速度在5km/h以内，大大降低了清洁效率。

另外，2014年10月北京地铁公司从德国引进了隧洞清洁车，该清洁车由牵引走行部、牵引制动部、清洁部、垃圾收集部、驾驶室及电气控制等部分组成；隧道清洁车利用的是吸尘器的原理，只是功率更为强大。在每个吸尘口周边都安装有吹风口，功能启动后吹风口吹出的强劲风力，会形成气幕，引导粉尘进入吸尘口功能范围，再被吸收集中收纳。该车自动化水平高，操作简单易学、便于控制、方便检修和保养，可有效清除附着在隧洞内壁和设备设施上的粉尘。

综上所述，尽管上述方案的出发点都是有效清洁地铁隧道，但每种方案的实施均存在一个致命缺陷，即需消耗大量电能且低速运行才能达到一定效果，以致设备运行时间过长，清洁效率过低；另外，上述方案的实施均需要专业净化列车设备在隧道中运行才能实现，这就造成了净化设备在运行中出现剐蹭隧道内壁电气设备或设备本身故障造成地铁列车无法正常运行的巨大隐患，给列车的运行和乘客的安全带来很大的不利。

对于另一种在地铁隧道内壁上安装多个净化设备来净化隧道空气的方法，目前的净化技术分为：干雾净化技术、雾化喷头净化技术、吸附过滤净化技术、静电净化技术和负离子净化技术等，实施方案为：在整条地铁隧道多处内壁上布置安装上述单一或多技术混用的多个净化设备，通过多个设备的共同工作来达到净化目的。但其缺陷也很明显，即该净化方法需要在整条隧道上布置安装多个设备来达到净化目的，并且还需要大量的后期处理工作，既浪费人力物力，又给设备的整体维护代理许多不便，以致净化效率低下。

列车在隧道中运行时，由于隧道壁所构成空间的限制，列车所推挤的空气不能全部绕流到列车后方，必然有部分空气会被列车向前推动，排出到隧道出口之外；而列车尾端后方存在着负压涡旋区域，因此也必然会有相应空气经开口被引入到隧道中，由此形成“活塞风”，列车在隧道的运动所形成的效应称为“活塞效应”。列车在隧道中运行时，由于列车断面面积与隧道断面面积比(阻塞比)通常很大，使得“活塞效应”引起了空气运动及空气压力的变化：当“活塞风”较弱时，所引起的空气运动及空气压力不明显；但当“活塞风”较强时，将导致风速过高，过高的风速将带起墙壁的沙尘或垃圾。由此可知，当“活塞风”较强时，列车尾端后方的负压将变大，列车所推挤的空气有很大一部分经列车与隧道壁间的空隙绕流到列车后方，且一定范围内列车与隧道壁及地面间的空隙越小，绕流的风速越高，隧道壁及地面的污染物将被“掀起”地越厉害，进而清除地越彻底。

根据非专利文献《地铁列车活塞风数值模拟》(南京理工大学硕士学位论文，包海涛，2005.06)可知，增加地铁列车的行驶速度,增大隧道阻塞比,延伸列车长度等都会提高列车活塞风的速度。其中列车行驶速度和隧道的阻塞比影响较大,列车速度所引起的活塞风的速度变化最大,几乎成线性正比例关系。

根据非专利文献《地铁活塞风与地铁环控节能》(同济大学工学博士学位论文，王丽慧，2007.03)可知，列车在隧道内行驶时,同一时刻隧道中的最高压力点出现在列车车头处,最低压力点出现在列车车尾处并出现负压。

因此，地铁隧道的净化治理可以借用列车在隧道的“活塞效应”所产生的高速空气流动对隧道内壁及地面进行清洁，既可解决很大程度依赖额外的动力装置及需低速运行才能达到一定效果的致命缺陷，又可大幅度节省资源浪费及成本开支。在此背景下，结合目前的治理技术提出研发一种采用“以静治动”来净化地铁隧道空气的设计方案——地铁隧道空气环境净化系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种地铁隧道空气环境净化系统及其运行方法，具体是在地铁隧道内并沿隧道内壁设置相对封闭的空气环境净化系统，利用该净化系统内部的各个功能单元将列车在隧道内运动形成的活塞风所带来的附近隧道内部的污染空气加以净化，进而通过列车的多次运行来净化整条地铁隧道内部空气环境。本系统在成本、施工方便、操作维护方便等方面具有明显优势，不仅大大降低了能耗，而且大大降低了安装和后期维护所需的的人力物力。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种地铁隧道空气环境净化系统，包括相对封闭单元、污染空气净化单元、金属污染物回收单元和电控单元，

所述的相对封闭单元包括气帘装置、集风箱、高压空气压缩设备、风压传感器和接近开关，所述的气帘装置数量为三个，其中一个设置在该净化系统的进口位置，另外两个并排设置在该净化系统的出口位置，上述三个气帘装置均包括气帘框架和若干个喷头，且上述喷头均匀分布在上述气帘框架内侧面上，所述的集风箱设置在该净化系统的顶部，下表面设置有若干个进风口，在上述集风箱临近该净化系统出口的一端设置一个出风口，且在集风箱内部临近上述出风口位置设置一个空气净化装置，所述的高压空气压缩设备数量为两个，分别设置在该净化系统两端外侧，所述的风压传感器设置在该净化系统进口位置，所述的接近开关数量为两个，分别设置在该净化系统进、出口的顶部，所述的集风箱的出风口与该净化系统出口位置的其中一个气帘装置通过一密封管路连接，所述的该净化系统出口端外侧的高压空气压缩设备出口与该净化系统出口位置的另一个气帘装置通过一密封管路连接，所述的该净化系统进口端外侧的高压空气压缩设备出口与该净化系统进口位置的气帘装置通过一密封管路连接，且上述密封管路互为单独供气管路，且无串压现象；

所述的污染空气净化单元包括负离子净化装置、上排空气粉尘清洗装置、负压吸尘装置、大波浪吸附式净化装置、下排空气粉尘清洗装置和超粗糙面吸附净化装置，且上述装置数量均为两个，分别以对称的方式设置在该净化站内壁上，所述的负离子净化装置设置在上述集风箱下表面的两侧位置，所述的上排空气粉尘清洗装置设置在上述负离子净化装置的下方，所述的负压吸尘装置和大波浪吸附式净化装置从该净化系统进口至出口方向依次设置在上述上排空气粉尘清洗装置的下方，且在大波浪吸附式净化装置临近该净化系统出口的一端设置一个空气排出口，所述的空气排出口通过密封管道将排出口延伸至该净化系统的出口外侧，所述的下排空气粉尘清洗装置设置在上述负压吸尘装置和大波浪吸附式净化装置的下方，所述的超粗糙面吸附净化装置设置在该净化系统的内壁底部，且在超粗糙面吸附净化装置临近该净化系统出口的一端设置一个空气排出口，所述的空气排出口通过密封管道将排出口延伸至该净化系统的出口外侧，所述的大波浪吸附式净化装置和超粗糙面吸附净化装置的表面均设有密集微纳米孔，并在两装置内部分别设置空气净化材料；

所述的金属污染物回收单元包括收集装置和电磁装置，所述的收集装置宽度与轨道内侧距离相同并镶嵌于两轨之间的底部，所述的收集装置上表面均匀设置三至十个收集槽，所述的电磁装置设置在上述收集槽入口处。

优选地，所述的电控单元设置在该净化系统出口端外侧的隧道壁上，包括操作屏、电路控制装置和控制装置箱，所述的操作屏、电路控制装置设置在控制装置箱上，所述的电路控制装置分别与上述高压空气压缩设备、空气净化装置、负离子净化装置、上排空气粉尘清洗装置、负压吸尘装置、下排空气粉尘清洗装置、抽风机、风压传感器、接近开关和电磁装置电性连接。

优选地，所述的集风箱内部的空气净化装置为静电除尘装置。

优选地，所述的大波浪吸附式净化装置的波浪轮廓表面为波浪形连续平滑曲面。

优选地，所述的负压吸尘装置和大波浪吸附式净化装置在列车运行方向上的长度比例为1:2～1:10。

优选地，所述的大波浪吸附式净化装置和超粗糙面吸附净化装置分别在其空气排出口位置各设置一个抽气机。

优选地，所述的在大波浪吸附式净化装置和超粗糙面吸附净化装置内部设置的空气净化材料为MOFs净化材料。

优选地，所述的上排空气粉尘清洗装置、下排空气粉尘清洗装置均为微纳米气泡清洗装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型提出的地铁隧道空气环境净化系统作为一个相对封闭的净化空间来净化该空间附近隧道内的污染空气，只要通过合理布局在整条地铁隧道内4-5个该净化系统(以北京地铁1号线全长31千米为例)并借助列车运行时形成的活塞风即可将整条隧道的污染空气进行智能化净化，“以静制动”集成化的净化方式打破了移动式隧道清扫设备及分散式安装设备所存在的耗能高、后期管理成本高等不足。

2、空气净化装置与集风箱相结合的方式，利用活塞风作为动力风源通过空气净化装置进行净化，省去了空气净化装置中的风机动力装置，有效节约了能源消耗。

3、化系统出口处的集风箱出风口通过密封管路与气帘装置连接，既达到了加大气帘风量的目的，又合理利用气帘装置的工作压差，保持了该净化系统内部的气压平衡。

4、在该净化系统内运行过程中，大波浪吸附式净化装置的凸出部分增加了活塞风的扰动，促使活塞风在大波浪吸附式净化装置的凹凸部分形成高速紊流区域，并通过微纳米孔进入该装置内部，通过空气净化材料进行进一步净化，该设计打破了通过简单吹吸法来净化空气的常规技术，弥补了空气中微纳米级颗粒不易被净化的问题。

5、超粗糙面吸附净化装置和金属污染物回收单元的配合运行，有效净化了隧道底部金属污染物及粉尘颗粒的问题，打破了目前靠人工冲洗的常规方法。

6、吸尘装置在开启过程中，大量吸附污染空气中的粉尘颗粒物，有效处理了列车通过后起尘的问题；

7、负离子净化装置及上、下排空气粉尘清洗装置的配合运行，进一步提高了该净化系统内部的空气质量。

附图说明

图1为本实用新型地铁隧道空气环境净化系统的整体结构剖面示意图；

图2为本实用新型的运行示意图；

图3为本实用新型的相对封闭单元剖面结构示意图；

图4为本实用新型的污染空气净化单元结构示意图；

图5为本实用新型的金属污染物回收单元局部放大示意图；

图6为本实用新型的电控单元结构示意图；

图7为本实用新型的气帘装置结构示意图；

图8为本实用新型的污染空气净化单元进口处放大示意图；

图9为本实用新型的污染空气净化单元出口处放大示意图；

图10为本实用新型地铁隧道空气环境净化系统的运行方法步骤示意图。

图中：1-相对封闭单元、101-气帘装置、101a-气帘框架、101b-喷头、102-高压空气压缩设备、103-集风箱、104-空气净化装置、105-集风箱进风口、2-污染空气净化单元、201-上排空气粉尘清洗装置、202-负离子净化装置、203-大波浪吸附式净化装置、204-负压吸尘装置、205-下排空气粉尘清洗装置、206-超粗糙面吸附净化装置、207-空气净化材料、208-超粗糙面吸附净化装置出风口密封管道、209-大波浪吸附式净化装置出风口密封管道、3-金属污染物回收单元、301-收集装置、302-电磁装置、303-收集槽、4-电控单元、401-操作屏、402-电路控制装置、403-控制装置箱、5-隧道、6-进口、7-列车。

具体实施方式

如图1-9所示，本实用新型公开了一种地铁隧道空气环境净化系统，包括相对封闭单元1、污染空气净化单元2、金属污染物回收单元3和电控单元4，

所述的相对封闭单元1包括气帘装置101、集风箱103、高压空气压缩设备102、风压传感器(图中未示出)和两个接近开关(图中未示出)，所述的气帘装置101数量为三个，其中一个设置在该净化系统的进口位置，另外两个并排设置在该净化系统的出口位置，上述三个气帘装置101包括气帘框架101a和若干个喷头101b，且上述喷头101b均匀分布在上述气帘框架101a内侧面上，所述的集风箱103设置在该净化系统的顶部，下表面设置有若干个进风口105，在上述集风箱103临近该净化系统出口的一端设置一个出风口(图中未示出)，且在集风箱103内部临近上述出风口(图中未示出)位置设置一个空气净化装置104，所述的高压空气压缩设备102数量为两个，分别设置在该净化系统两端外侧，所述的风压传感器(图中未示出)设置在该净化系统进口位置，所述的两个接近开关(图中未示出)分别设置在该净化系统进、出口的顶部，所述的集风箱103的出风口(图中未示出)与该净化系统出口位置的其中一个气帘装置101通过一密封管路(图中未示出)连接，所述的该净化系统出口端外侧的高压空气压缩设备102出口与该净化系统出口位置的另一个气帘装置101通过一密封管路(图中未示出)连接，所述的该净化系统进口端外侧的高压空气压缩设备102出口与该净化系统进口位置的气帘装置101通过一密封管路(图中未示出)连接，且上述密封管路(图中未示出)互为单独供气管路，且无串压现象；

所述的污染空气净化单元2包括负离子净化装置202、上排空气粉尘清洗装置201、负压吸尘装置204、大波浪吸附式净化装置203、下排空气粉尘清洗装置205和超粗糙面吸附净化装置206，且上述装置数量均为两个，分别以对称的方式设置在该净化站内壁上，所述的负离子净化装置202设置在上述集风箱103下表面的两侧位置，所述的上排空气粉尘清洗装置201设置在上述负离子净化装置202的下方，所述的负压吸尘装置204和大波浪吸附式净化装置203从该净化系统进口至出口方向依次设置在上述上排空气粉尘清洗装置201的下方，且在大波浪吸附式净化装置203临近该净化系统出口的一端设置一个空气排出口(图中未示出)，所述的空气排出口(图中未示出)通过密封管道209将排出口延伸至该净化系统的出口外侧，所述的下排空气粉尘清洗装置205设置在上述负压吸尘装置204和大波浪吸附式净化装置203的下方，所述的超粗糙面吸附净化装置206设置在该净化系统的内壁底部，且在超粗糙面吸附净化装置206临近该净化系统出口的一端设置一个空气排出口(图中未示出)，所述的空气排出口(图中未示出)通过密封管道208将排出口延伸至该净化系统的出口外侧，所述的大波浪吸附式净化装置203和超粗糙面吸附净化装置206的表面均设有密集微纳米孔，并在两装置内部分别设置空气净化材料207；

所述的金属污染物回收单元3包括收集装置301和电磁装置302，所述的收集装置301宽度与轨道内侧距离相同并镶嵌于两轨之间的底部，所述的收集装置301上表面均匀设置若干个收集槽303，所述的电磁装置302设置在上述收集槽303入口处。

所述的电控单元4设置在该净化系统出口端外侧的隧道壁上，包括操作屏401、电路控制装置402和控制装置箱403，所述的操作屏401、电路控制装置402设置在控制装置箱403上，所述的电路控制装置402分别与上述高压空气压缩设备102、空气净化装置104、负离子净化装置202、上排空气粉尘清洗装置201、负压吸尘装置204、下排空气粉尘清洗装置205、抽风机(图中未示出)、风压传感器(图中未示出)、接近开关(图中未示出)和电磁装置302电性连接。

所述的集风箱103内部的空气净化装置104为静电除尘装置。

所述的大波浪吸附式净化装置203的波浪轮廓表面为波浪形连续平滑曲面。

所述的大波浪吸附式净化装置203和超粗糙面吸附净化装置206分别在其空气排出口位置各设置一个抽气机(图中未示出)。

所述的在大波浪吸附式净化装置203和超粗糙面吸附净化装置206内部设置的空气净化材料207为MOFs净化材料。

所述的上排空气粉尘清洗装置201、下排空气粉尘清洗装置205均为微纳米气泡清洗装置。

本净化系统采用单一地铁隧道空气环境净化系统运行的方式进行运行，且该净化系统总长100m，其中负压吸尘装置204与大波浪吸附式净化装置203在列车运行方向上的长度比例为1:9。

如图10所示，本实用新型一种地铁隧道空气环境净化系统的具体运行方法如下：

1)当列车运行将要进站时，该净化系统进口位置的风压传感器(图中未示出)检测到活塞风，净化系统出口处高压空气压缩设备102、集风箱103内部的空气净化装置104和金属污染物回收单元3的电磁装置302同时开启，活塞风通过集风箱进风口105进入集风箱103，并通过空气净化装置104进行净化，随后经一密封管路(图中未示出)进入该净化系统出口位置的其中一个气帘装置101，与此同时，该净化系统出口位置的高压空气压缩设备102出口通过另一密封管路(图中未示出)进入净化系统出口位置的另一个气帘装置101，最终形成双重气帘。

2)当列车在该净化系统内运行时，大波浪吸附式净化装置203的凸出部分减小了与列车壁之间的间隙，增加了活塞风的风压和风速，大波浪吸附式净化装置203的凹入部分使活塞风形成高速紊流区域并通过微纳米孔进入该装置内部，通过空气净化材料207进行进一步净化，且净化后的空气通过与该装置空气排出口连接的密封管道209排入净化站前方隧道内；与此同时，超粗糙面吸附净化装置206通过超粗糙面对污染空气及因列车与轨道摩擦产生的部分金属污染物进行强力吸附并通过微纳米孔进入该装置内部，通过空气净化材料进行进一步净化，且净化后的空气通过与该装置空气排出口连接的密封管道208排入净化站前方隧道内；

3)当列车尾部通过该净化系统进口时，负压吸尘装置204和该净化系统进口处的高压空气压缩设备102同时开启，列车尾部与净化系统进口位置的气帘形成强负压，吸附污染空气中大量粉尘；

4)当列车尾部通过本净化系统出口时，负压吸尘装置204关闭，同时负离子净化装置202开启30s，针对站内污染空气进行进一步净化，随后金属污染物回收单元3的电磁装置302关闭，上排空气粉尘清洗装置201、下排空气粉尘清洗装置205同时开启1分钟，彻底净化站内污染空气；

5)由上述步骤完成该净化系统的空气净化工作，净化系统的所有单元停止运行，等待下一趟列车的到来；

6)多趟列车穿行该净化系统后，整个隧道空气得到净化。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。