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    車內空氣的凈化措施

    時間:2020-08-16  來源:車間凈化工程|食品凈化車間|潔凈手術室|潔凈實驗室-濟南順奇凈化工程有限公司  瀏覽次數: 68 次
    文章簡介:車內空氣的凈化措施, 當前車內空氣污染的研究并未完全解決車內空氣污染問題,相關標準也不完善。國外只有少數國家,例如日本、俄羅斯和韓國等出臺了關于車內污染物治理的標準或指南。我國于 2011&nb

    當前車內空氣污染的研究并未完全解決車內空氣污染問題,相關標準也不完善。國外只有少數國家,例如日本、俄羅斯和韓國等出臺了關于車內污染物治理的標準或指南。我國于 2011 年 10月發布了《乘用車內空氣質量評價指南》(GB/T27630-2 0 1 1 )(以下簡稱《指南》)。該指南對靜止狀態車內裝飾和組件的揮發性有機物提出了控制要求,但未涉及其他污染源產生的污染物,而且大多數有機物的控制濃度均高于《室內空氣質量標準》和《國家環境友好汽車實施方案》中的控制濃度,也未對汽車實際運行中車內污染物,如NOx、PM、VOCs等提出濃度上限,因此并不能保證司乘人員乘車環境的健康和舒適。

    傳統的通風控制策略不能完全有效應對車內污染狀況。據調查,當車輛發生阻塞時,道路污染物濃度較高,車內VOCs的濃度基本與車外VOCs濃度相等[7],傳統通過CO2濃度和車內外焓差控制新風量的方法無法應對這種情況,相反這兩種通風策略可能導致車外污染物進入車內。采用內循環的方式也不能作為控制車內污染的方法,實驗表明關閉車窗采用內循環的方式在 5 min 內,車內的 CO2濃度超過 0.15%[8 ]。

    汽車尾氣是車內污染的主要污染源之一。目前使用的發動機燃料燃燒技術必然會產生 HC、PM、NOx、CO 等污染物,隨著城市道路車輛的增加,尾氣污染將會更嚴重。汽車尾氣在光照條件下會產生二次污染物,其危害比一次污染對人體健康的影響更嚴重。部分城市對車輛限行、限購和限排策略只能暫時緩解尾氣污染,解決汽車尾氣污染的根本途徑是開發新型發動機,實現尾氣零排放,即從源頭上消除污染源才是解決尾氣污染的根本途徑。國內對汽車車內空氣污染的研究還不充分,有必要研究相關策略以降低車內空氣污染物濃度,改善車內空氣質量。

    1 道路及車內空氣的污染及危害

    車內空氣污染來源有 4 個方面:汽車尾氣污染,道路揚塵污染,車內材料污染和車內司乘人員污染。污染物可分為以下幾類。

    1.1 顆粒物污染

    道路顆粒物主要分為粗粒和細粒,PM2.5 指示大氣中細顆粒物的污染,PM10 指示大氣中粗粒的污染。中國和WHO認為城市大氣中PM2.5與PM10的濃度比例為 50%[9]。粗粒(PM10)主要由建筑施工和道路揚塵產生,細粒(PM2.5)主要由汽車尾氣產生[9],柴油機尾氣中小于 2 ìm 的顆粒約為總顆粒物的 73%,汽油機則為62%[10]。另一方面,道路顆粒物污染具有區域性和不確定性,道路空氣中PM2.5 與 PM10 濃度不存在固定比例關系。不同的道路和交通狀況下,車輛尾氣造成道路污染的程度不同:當車輛高速運行時,道路的揚塵引起道路顆粒的污染較為顯著,但其產生的尾氣顆粒相對較少。道路顆粒物的濃度和粒徑分布還受車流量、道路擁堵狀況、行駛車輛類型、車輛品牌、道路類型的綜合影響。

    顆粒物對人體健康的危害分為急性危害和慢性危害兩種,表 1 列出了 PM2.5、PM10 每增加 10ìg/m3時對人的急性危害。由該表可知,相同濃度增量下 PM2.5 的危害高于 PM10,吸入顆粒對呼吸系統的危害比其他器官嚴重,而且隨劑量的增加細粒的危害性遠超粗粒。WHO的調查發現顆粒物與人體健康之間存在劑量 ― 反應關系,顆粒物對健康不良作用較多,主要是對心血管疾病和呼吸系統的危害較嚴重,尚未發現有不良健康效應的濃度閾值[ 9 ]。

    車內空氣的凈化措施

    顆粒物對人體健康也存在慢性危害。美國心臟協會提出 PM2.5 每增加 10 ìg/m3,全因死亡率約上升 10%[14],呼吸系統的死亡率由 2.1% 增加到3.7%[16]。大氣 PM2.5 對數濃度每增加 1 個單位,慢性阻塞性肺疾病的發生增加1.68倍,PM2.5的遺傳毒性作用主要由其有機提取成分引發[16]。

    1.2 汽車尾氣氣體污染

    汽車尾氣排放物主要由 CO2、水蒸汽,以及CO、SOx、NOx、PM 和 HC 等污染物組成。HC中的有機物成分很復雜,已發現的有機成分有 280多種,氣體冷凝物中有機物達 300 多種。研究表明車輛尾氣排放的VOCs占人為總排放VOCs的35%以上[17],汽車尾氣中 VOCs各污染物存在相關關系,如未設置氣體過濾裝置,車內 VOCs 濃度與車外的 VOCs 濃度大約相等[7]。一般可選取代表性的有機物作為道路有機污染物濃度的評價指標,評價車外VOCs對車內的污染,并且該評價指標不應與車內有機污染物的指標重合,以免造成評價失真。

    1.3 車內裝飾物污染

    車內裝飾物來源較多,主要是汽車車廂隔板、儀表總成、坐墊、地毯、皮革等。汽車的組件和裝飾品都不同程度散發污染物,其散發量受溫度、濕度和送風速度的影響較大。車內裝飾物散發VOC的危害性與室內 VOC 相同,但車內污染源散發的污染物與室內污染源并不完全相同。北京勞動保護科學研究所對106輛車的檢測結果發現,新車比舊車容易超標,但室內污染物濃度指示劑――苯和甲醛都不超標,而甲苯和二甲苯超標嚴重[4],這說明車內污染物的控制不能完全參照室內的污染控制標準。

    1.4 人體污染

    乘駕人員產生的主要污染物有CO2、NH3、H2S及真菌、細菌、病毒等微生物。人體的代謝活動產生 400 多種化學物質,呼吸排除的污染物有 149種,汗液排除 151 種,皮膚表面排出 271 種,人體每天產生1g左右的各種粉塵[2]。人體排除的所有污染物中CO2的量最大,可以代表人員對車內污染的程度,將CO2濃度控制在0.15%以下乘客不會因人體污染感覺不舒服。人體對自身產生的污染物有一定的適應性,但對其他個體散發的致病性的細菌和病毒的抵抗力較差,此類微生物可引起人員之間的交叉感染,而體表散發和呼出的有害細菌和病毒與乘客的數量正相關[17-18]。細菌和病毒在空氣中不能單獨存在,常吸附在比其大數倍的塵粒等載體表面,如 SARS 病毒主要以飛沫和飛沫核為載體[18],因此對顆粒物的控制可降低微生物的危害性。

    1.5 二次污染物

    車外二次污染物主要以O3、NO2和光化學煙霧為代表。NO2有刺激性臭味、劇毒,其毒性比 CO大 10 倍[19]。WHO 認為短期暴露于0.2 mg/m3濃度的 NO2下可產生顯著的健康效應,而短期暴露于0.5 mg/m3的 NO2下則會產生急性不良反應,兒童哮喘病發病率隨年均NO2濃度的上升而增加[9],此外NO2在0.5×10-6以上時就有可能誘發肺氣腫。O3氧化性極強,對人眼睛和呼吸道有很強的刺激性,濃度達到0.2×10-6~0.3 × 10-6時導致人體胸部產生壓迫感,暴露在濃度1×10-6~2 × 10-6O3下2h內產生頭痛、胸悶,達到5×10-6時人體會全身疼痛[1]。光化學煙霧、NO、O3和 NO2之間存在關聯。

    汽車發動機燃燒的副產物 NOx中 90%~95%為NO[7],后者的濃度可代表道路空氣中汽車尾氣的濃度。NO2在一次污染中的含量少,主要由二次污染生成,其濃度可代表車外空氣二次污染物(如O3、光化學煙霧等)的污染狀況,而且環境監測站的測定結果表明許多情況下NOx比CO(CO排放濃度并不穩定,與發動機的燃燒效率有關)更易檢測,更易超標[20]。所以,可通過檢測控制 NOx的濃度綜合反映車外污染物濃度的控制水平,即可將NOx的濃度作為道路空氣質量的評價指標。

    2 車內空氣污染特點及應對方式

    2.1車內空氣污染與室內空氣污染的不同

    表2比較了車內空氣污染與室內空氣污染的不同特點。車外污染源的散發量、種類與汽車本身、道路類型和時間都有關系,而且車內污染濃度變化遠比室內大,車外的污染常通過新風進入空調系統,強調新風的稀釋作用,不考慮新風中的污染物,片

    面增大新風量不僅不能改善車內空氣質量,反而造成車外污染的侵入。車內污染源散發有機物的類型與室內不同,車內有機物以甲苯、二甲苯為代表,室內有機物以甲醛為代表。這些都說明車內空氣質量的控制標準不能完全以室內空氣質量標準為依據,控制策略也不能完全照搬一般民用空調,對車內空氣質量的研究也應當成為單獨的分支方向。

    車內空氣的凈化措施

    2.2 污染特點及應對方式

    影響車內空氣質量的污染物主要是顆粒物和氣體污染物,前文所述的污染物多數包含于這兩類,改善車內空氣質量應控制這兩種污染物。

    控制 1 ìm 粒徑的塵粒濃度可很大程度減小顆粒物的污染。對呼吸系統的研究表明,大于5 ìm的顆粒能被呼吸道中的膜毛擋住,只有 1 ìm~5 ìm的小微粒才能進入肺泡[18],大部分1 ìm 粒徑的粉塵可在肺泡道和肺泡囊中沉積,只有 2.6% 被呼出體外;更小粒徑的顆粒在肺部沉著后又被重新呼出去,對人體危害較小,因此從呼吸系統的角度出發,應控制的粒徑為 1 ìm 或 1 ìm 以下。從微生物的角度分析,空氣中的細菌、病毒和芽孢等微生物的沉降等價粒徑都在 1 ìm 以上[18],為防止致病性微生物的傳染,應控制粉塵顆粒的粒徑為 1 ìm。對汽車尾氣顆粒物的研究表明,實際道路行駛條件下公交車尾氣排放 0.3 ìm ~1.5 ìm粒徑的顆粒物質量占總質量的84%[21],柴油機排放顆粒物中大于 0.75ìm 的顆粒質量占主要部分[23],從污染源的角度出發,應過濾的顆粒粒徑應該為0.75 ìm。所以顆粒物污染的控制粒徑至少為 1 ìm。

    通過車內外相結合的方式控制VOC 的污染狀況。汽車尾氣中的VOC 成分較復雜,而且不同燃料、使用年限和運行狀況下發動機尾氣的排放成分各不相同。尾氣含有多聚芳香烴等氣體有機物,部分有機物還與車內污染成分重疊,所以無法根據車內空氣中有機物濃度評價車內外污染。我國擬實施的《環境空氣質量標準》對空氣中污染物濃度進行限制,但國內外的研究表明道路污染物濃度遠高于背景濃度[7,10,24](背景濃度指代表城市環境空氣總體水平的測點濃度),這說明在大氣空氣質量良好的情況下,依然有必要控制車外污染。目前常用NOx濃度評價汽車尾氣污染或室內燃燒器燃燒污染,因此可根據道路 NOx濃度評價車外污染情況。對于車內,《指南》中控制的濃度不夠嚴格,其中甲苯、二甲苯濃度閾值遠高于《室內空氣質量標準》中的規定值,車內污染控制,除了嚴格執行《指南》外,還應過濾車內空氣中的 VOC。

    由于汽車引入的新風可能存在污染,所以新風量的確定不僅僅是能耗問題。在車外污染較嚴重,而且無新風過濾的情況下,大量的新風不僅不能改善車內空氣質量,反而導致車外污染侵入,污染車內空氣。另一方面,新風量不足又會導致司機和乘客出現頭暈、困倦、胸悶等不適[25],影響乘車舒適性,還可能導致司機注意力不集中容易造成交通事故,因此確定合理的新風量對防止車內污染、改善車內空氣質量也很關鍵。根據ASHRAE性能設計法以CO2為污染物,人在極輕微活動下的必要新風量為18.3 m3/h[26],我國《公共交通工具衛生標準》對列車車廂和輪船客艙的新風量要求最低為 20 m3/h。在污染較嚴重的情況下,可通過提高汽車空調濾清器對不同粒徑段微粒的過濾效率,保證客車乘客側 20 m3/h 的新風量,同時考慮到司機遠比乘客暴露的時間長,而且司機駕駛需要長時間保持清醒的頭腦,對健康新鮮空氣的需求量大于乘客,根據《室內空氣質量標準》司機的新風量應為30 m3/h;在道路污染較小的情況下可采用其他通風策略。

    3 汽車內空調特點

    上文對汽車內空氣污染及控制方法進行了論述,以下針對汽車空調的送風方式和過濾器設置位置、效率進行分析探討。

    3.1 過濾器的設置方式

    汽車的空調系統以全空氣一次回風方式為主,下面對不同形式的通風進行分析。

    (1 )無過濾裝置,如圖 1 。

    車內空氣的凈化措施

    數學模型及條件:

    車內空氣的凈化措施
    車內空氣的凈化措施

    式中:Cr為回風污染物的濃度,mg/m3;Ci為車內污染物的濃度,mg/m3;Cf為新風污染物的濃度,mg/m3;Vf為新風量,m3/ h ;Vr為回風量,m3/h;Cs為送風污染物的濃度,mg/m3;Vs為送風量,m3/h ;Q 為車內污染物散發量,mg /h 。

    由式 1 可知,在無過濾裝置的情況下,車內污染物濃度不僅受車內污染源的影響,還受車外污染物濃度影響。以細顆粒物PM2.5污染為例,車內基本不存在塵源,即 Q= 0 時,則 Cf= Ci,車內PM 2.5 濃度與車外道路空氣中污染物濃度相同。因此,當車外PM10和PM2.5污染物污染較嚴重時,有必要安裝過濾裝置對空氣進行處理。

    (2 )設過濾裝置,如圖 2 。

    車內空氣的凈化措施
    車內空氣的凈化措施

    式中:η1、η2為位置 1、2 處過濾器的效率。

    安裝單個過濾器(氣體污染物過濾器),過濾器效率為η0(以下討論均假設過濾器效率不受風量影響)。

    過濾器安裝在 1 處,2 處無過濾器,則:

    車內空氣的凈化措施

    過濾器安裝在 2 處,1 處無過濾器,則:

    車內空氣的凈化措施

    式中:r 為回風量與新風量之比。

    由式(5)和(6)可知,車內空氣的凈化措施說明過濾器安裝在送風段的過濾效果也優于新風段(即使車內不存在污染源),而且隨回風比例越大,效果越好;因此,建議將氣體污染物過濾器安裝在送風段。上式還表明不能因為只有新風存在污染就只對新風過濾,也否定了這種思路:將車外新風過濾后,就將汽車空氣污染問題簡化為室內空氣污染。下面對不同新風比、不同過濾器效率情況下,對兩種方式的送風污染物濃度進行比較,并以大氣和道路普遍存在的污染指示物SO2為例討論不同新風比下送風濃度的變化。

    車內空氣的凈化措施

    由圖 3 可知:當新風比小時,增加過濾器效率,能顯著降低送風SO2的濃度;例如風比分別為 10%、20%,過濾器的效率為50%時,前者的送風濃度僅是后者的 18.2%、33.3%。當新風比較大時,兩種方式的送風污染物濃度相差不大;例如新風比為 60%、80%,兩種方式送風 SO2濃度之比不小于 0.8。在相同過濾效率下,新風比越小,方式二送風的污染物濃度越低;在相同新風比下,過濾效率越高,方式二送風污染物濃度越低。而且在低新風比下,增加過濾器效率,方式二的效果變化顯著。

    車內空氣的凈化措施

    下面根據公式(4)討論高、低新風比(新風比為 60%、10%),并在極為不利的情況下:車外濃度為背景(背景指遠離道路的大氣環境)的10 倍(環境 SO2控制濃度為 0.5 mg/m3,車外濃度為 5 mg/m3,認為車內無SO2污染源)[11,27], 送風污染物濃度與效率關系。

    由圖 4可知,在車外高 SO2濃度的情況下,過濾器的效率對送風污染物濃度起到決定作用,在不提高過濾器效率的條件下,可以通過降低新風比的方式,保證送風污染物濃度不超標;例如過濾效率為 50% 時,新風比 60% 送風的 SO2濃度為 1.88mg/m3,嚴重超標,新風比 10% 送風 SO2濃度僅為 0.45 mg/m3,未超標;而前種新風比下,過濾效率提高至 85% 才能保證送風污染物濃度低于0.5mg/m3。因此在已知送風污染物濃度和過濾效率的條件下,可根據車外污染物濃度,結合公式(4)通過控制系統調整新風風量和回風風量。

    (3)對司機和乘客相互獨立送風,如圖5。

    車內空氣的凈化措施

    數學模型及條件:

    車內空氣的凈化措施

    式中:Cs.p,Cs.d分別為乘客和司機送風污染物的濃度;Cr.p,Cr.d分別為乘客和司機回風污染物的濃度;Vf.p,Vf.d分別為乘客和司機的新風量;Vr.p,Vr.d分別為乘客和司機的回風量;η1, η2分別為乘客和司機的側過濾器的過濾效率。

    該模型是經過對汽車通風和過濾系統分析討論后得到的改進方案。車輛實際運行中車外污染物濃度變化較大,當車外污染物濃度較大時,減小新風比雖然可以降低送風污染物的濃度,但較小的新風比反而導致司機吸入的CO2濃度偏高,容易引起使司機感到困倦、注意力不集中,繼而誘發交通事故;因此減小司機的新風比是不可取的,結合前文討論,提出模型:提高司機側過濾器效率減小司機側的送風污染物濃度,將司機與乘客的送風分開設置:在車外污染嚴重的情況下,可對乘客和司機送不同新風比的空氣,以滿足乘客和司機不同的新風需求,并將司機側送風送至呼吸區,乘客送風送至車廂內。

    3.2 設置顆粒物過濾器時,過濾器安裝位置

    車內空氣的凈化措施

    A:如圖 6,1 處過濾器效率為η1,2 處效率為η2。

    車內空氣的凈化措施

    B:根據式(7)結合圖 7,Ⅱ處過濾器效率為 0,Ⅰ處效率為 1-(1- η1) (1- η2),則:

    車內空氣的凈化措施

    比較式(7)和(9)可知 Ci. 2<Ci. 1,因此方式B的送風污染物濃度小于前兩種方式。當2處過濾器效率遠高于 1 處時,式(10)中  ζ1- ζ1? ζ2≈0,則 Ci.2≈ Ci.1,方式 B 的送風空氣質量與方式 A的基本相同。當 1、2 處效率相差不大時,方式B效果優于 A 方式。式(10)說明回風比例越大,B 方式的過濾效果更優。為防止塵粒對空調管道系統的積塵污染和系統的二次污染,常采用A方式將初效過濾器置于 1 處,中效過濾器置于 2 處(送風段);采用 B 方式時,需將初效過濾器置于混風段之后、熱濕處理段之前,中效置于送風段。一般情況下中效過濾器效率遠高于初效,因此各個方式之間的比較不再深入討論。

    4 提高汽車車內空氣質量的措施

    4.1 改進汽車空調的通風方式

    根據前文的分析,采用恰當的空調送風方式、合理的新風比和過濾器效率,得出如下適用于汽車的空調方案。

    ①乘客較多的客車在新風口設置風量調節閥,將 NOx或 PM2.5 濃度作為新風量調節指示劑,將乘客送風與司機送風分開,見圖8。

    車內空氣的凈化措施

    當 NOx 濃度大于 0.25 mg/m3或 PM2.5 濃度大于 0.075 mg/m3[11]時,保證司機 30 m3/h 的新風量,乘客新風量降低至 20 m3/h。通常司機遠比乘客暴露的時間長,而且司機駕駛需要長時間保持清醒的頭腦,對健康干凈空氣的需求大于乘客,分別在司機和乘客空調送風管段設置不同的氣體污染物過濾器,司機使用的氣體污染物過濾器的效率應更高(過濾高濃度的氣體污染物)。司機空調送風送至呼氣區,乘客送風均勻送至車廂內,這種方式可防止車外污染大量進入車內。

    當 NOx和 PM2.5 濃度小于 0.25 mg/m3、0.075mg/m3時,采用其他控制策略。此時認為車外空氣為新鮮干凈空氣,可以采用其他通風策略進行節能運行,例如根據新風焓差控制新風量[28],使車載空調節能運行。

    車內空氣的凈化措施

    ②乘客數較少的轎車在新風口設置風量調節閥,以NOx或PM10為新風量調節指示劑,但不區分乘客與司機,如圖 9,并將新風量控制在 30m3/h。此時乘客較少,宜采用高效的過濾器過濾車外污染空氣,空調運行控制策略與客車相同。

    4.2 控制污染源改善車內空氣質量的措施

    從污染源頭上控制:要嚴格限制車輛的污染物排量,不允許高污染排量車輛進入市區,例如日本東京實施尾氣排放控制法案后,大氣中的PM2.5、NO2的濃度得到降低,心血管疾病和呼吸系統疾病死亡率也隨之降低[15]。鼓勵用戶購買低排量汽車,并頒布相關標準控制車輛尾氣污染物。

    采用其他燃料替代單純的汽油和柴油,有研究表明全甲醇燃料汽車的尾氣危害性顯著小于汽油車燃料尾氣[29]。北京市公交車尾氣污染物檢測結果表明,CNG 燃料公交車尾氣排放中 CO、NO 平均濃度比汽油燃料車低94% 和 78%;LPG 燃料公交車尾氣中CO、HC和NO平均濃度比汽油燃料車低18%、31% 和 33%[30]。采用新型燃料可緩解汽車尾氣對城市道路的污染。

    5 結論

    (1)我國汽車車內空氣污染嚴重,應采取相應措施進行控制??偨Y了車內空氣各類污染源所產生的污染物之間的聯系和特點,得出顆粒物的控制粒徑和汽車空調的新風風量。

    (2)車內空氣污染與室內空氣污染顯著不同,二者差異較大。

    (3)討論了不同送風方式和過濾器效率下送風污染物濃度變化規律,提出了適合汽車空調系統的改進的送風方案。

    (4)提出了可實際運用于汽車的空調送風方案和控制策略。

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