防霾大數(shù)據(jù)與新型教室除霾器試點

劉波 黃旭楠 郝嘉雪 徐文華 張宏亮 王國華 苗啟廣 鄭曉靜 賈廣

摘 ?要： 文中設(shè)計一種新型的“負離子霧霾收集器” ，該設(shè)備充分利用電子流動裹著霧霾顆粒除霾，純物理過程，非常安全，該設(shè)備不需要風(fēng)機，所以噪音特別小。將該設(shè)備試點運行在西安電子科技大學(xué)附屬小學(xué)的3個教室里，連續(xù)采集2017年10月—2018年1月共計4個月的教室空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，對每天的空氣數(shù)據(jù)進行分析。后期通過大量除霾模塊的部署，產(chǎn)生實時以及歷史霧霾大數(shù)據(jù)，并期望找出空氣霧霾與季節(jié)時間的潛在規(guī)律。

關(guān)鍵詞： 霧霾; 空氣監(jiān)測; 除霾器; 大數(shù)據(jù); 大氣治理; 室內(nèi)空氣凈化

中圖分類號： TN98?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）11?0144?05

Abstract： A new haze collector generating negative ion was designed. The device can collect the haze by wrapping with particulate matters （PM） while electron flowing， its collecting process is pure physical process and safe. The device does not require a fan， so the noise is particularly low. The device was installed in three classrooms at Xidian University Affiliated Elementary School. The air quality data of classrooms was continuously acquired from October 2017 to January 2018. On the basis of the acquired data， the air data of everyday is analyzed. With the real?time and historical haze big data collected by a large number of PM collectors， it is expected to find out the potential relationship between air haze and season.

Keywords： haze; air monitoring; haze collector; big data; atmospheric governance; indoor air purification

0 ?引 ?言

隨著在秋冬季節(jié)，我國多個地區(qū)的霧霾污染越來越嚴重，霧霾出現(xiàn)得越來越頻繁，嚴重地影響人們的生活和健康。霧霾在人們毫無防范的時候侵入人體呼吸道和肺葉中，從而引起呼吸系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病等，例如，咽喉炎、肺氣腫、哮喘、鼻炎、支氣管炎等炎癥。在霧霾嚴重的時候，行人戴上防霾口罩，減少戶外活動，在家里打開空氣凈化器，是目前比較常用的自我保護手段。可是這些都是被動防霾，而從源頭上最大限度地減少污染排放，隔斷霧霾傳輸渠道，快速降低近地面霧霾濃度，才是降低霧霾對人體健康危害的根本途徑。

工業(yè)污染和燃煤在霧霾污染源中占了近一半的比重。如何控制這些污染源，是一個比較緊迫的任務(wù)，受到了國家的高度重視。如果采取限制企業(yè)生產(chǎn)的手段，只會影響國家的工業(yè)發(fā)展和人民群眾的生活。有些城市的典型做法是將高污染排放的企業(yè)和熱電廠清退出城，而這樣只能延緩霧霾的傳輸時間，卻加重了周邊地區(qū)的污染狀況，還額外增加了企業(yè)的搬遷和運輸成本途徑。

汽車尾氣也是霧霾的主要來源之一，在有些城市，如北京、杭州、廣州、深圳，首要污染來源是機動車。使用柴油的大型車是排放細顆粒物的主要來源。使用汽油的小型車雖然排出的是氣態(tài)污染物，比如氮氧化物等，但很容易轉(zhuǎn)化為二次顆粒污染物，加重霧霾。在重度霧霾天氣，各大城市對機動車限行，對人民群眾的工作和日常出行造成了很大的影響。近年來頻繁出現(xiàn)嚴重霧霾氣候造成全國范圍內(nèi)的大面積停工、停課現(xiàn)狀，極大地影響了人們的正常生活生產(chǎn)秩序，因此提供一款可以快速、高效清除室內(nèi)外近地面霧霾，降低PM2.5濃度達到人們進行正常戶內(nèi)外活動的標準要求，成為當(dāng)務(wù)之急。本文提出的教室除霾器，正是為達到這一目的研制的專用產(chǎn)品。

目前，空氣凈化產(chǎn)品在我國的發(fā)展還處于剛起步階段，市場滲透率不及10%。隨著人們對空氣凈化認識的提高和對健康的重視，市場對空氣凈化產(chǎn)品的需求越來越高，其未來市場空間也是有目共睹的。但從現(xiàn)有的發(fā)展趨勢來看，還存在著很多問題。

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院表示，空氣凈化產(chǎn)品作為現(xiàn)代人針對霧霾及室內(nèi)污染的防護裝置，隨著人們對空氣污染的充分認識，空氣凈化產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活中必不可少的一部分。從目前在中國滲透率不足10%的市場行情來看，未來還將有很長的一段路要走，并且表示如果在發(fā)展的過程中問題不見改善，也很難在市場中立足。預(yù)計在未來空氣凈化行業(yè)將會在技術(shù)上加以進步，再跟隨著智能家居的腳步，進而將其帶領(lǐng)到高端智能化的時代。

與此同時，霧霾大數(shù)據(jù)的挖掘顯得非常重要和及時。根據(jù)有效的空氣監(jiān)測站點給出的數(shù)據(jù)，算出城市每個角落的空氣質(zhì)量分布，通過數(shù)據(jù)預(yù)測未來空氣質(zhì)量，并分析霧霾成因。針對手機用戶的各種應(yīng)用程序APP已經(jīng)被開發(fā)出來，如“全國空氣質(zhì)量指數(shù)”和“Airvisual空氣之星”?！叭珖諝赓|(zhì)量指數(shù)”給出多個城市的所有檢測站點的實時數(shù)據(jù)，24 h和2周歷史空氣質(zhì)量AQI指數(shù)。Airvisual可以同時顯現(xiàn)世界上多個城市的當(dāng)前和未來空氣質(zhì)量、每個城市的檢測點地圖、檢測點污染物分布和歷史數(shù)據(jù)。同時，在日常生活中人們也需要類似于天氣預(yù)報的霧霾預(yù)報系統(tǒng)，可以在大量空氣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，找出不同地區(qū)的霧霾數(shù)據(jù)隨時間的變化規(guī)律，同時能夠預(yù)測未來一段時間內(nèi)的空氣質(zhì)量。這樣不僅便于人們規(guī)劃出行，也為城市管理部門提供足夠的應(yīng)對時間。

1 ?除霾器的設(shè)計及應(yīng)用

關(guān)于室內(nèi)空氣凈化器的研究和產(chǎn)品已經(jīng)很多，在市場上有許多品牌?？墒鞘彝獬财鞯难兄迫匀磺啡?。本文采用“負離子發(fā)生霧霾收集器”（見圖1），人工制造的電子風(fēng)，在定向流動中附著在PM2.5空氣污染顆粒物上，流向收集板并被附著清除。該除霾器可以多個串在一起，組合成大中小型除霾模塊，方便靈活地開展室內(nèi)除霾作業(yè)。

無風(fēng)機式負離子空氣凈化器是一種無需借助抽風(fēng)機和濾網(wǎng)過濾，利用負離子[1]發(fā)生器產(chǎn)生的負離子流，帶動空氣中的顆粒污染物流向收集板正電極，對教室內(nèi)的空氣進行凈化。傳統(tǒng)的空氣凈化器采用被動吸附過濾式的凈化原理，通過抽風(fēng)機抽風(fēng)，利用濾網(wǎng)被動吸附過濾顆粒污染物，需要根據(jù)濾網(wǎng)的飽和程度更換濾網(wǎng)，否則容易造成二次污染，而無風(fēng)機式負離子空氣凈化器無需抽風(fēng)機和濾網(wǎng)，真正做到零耗材和零噪音。CADR（Clean Air Delivery Rate）值是國際權(quán)威機構(gòu)評價空氣凈化效能的主要指標，有研究表明，負離子空氣凈化器的CADR值為112～1 610 m3/h，接近或高于傳統(tǒng)的空氣凈化器的CADR值[2?3]（100～638 m3/h）。

圖1 ?戶外除霾器

本文采用負離子發(fā)生器作為電子風(fēng)的發(fā)生裝置。負離子發(fā)生器的變壓器把12 V直流或220 V交流電轉(zhuǎn)化為-8 kV的高壓，如果電壓超過10 kV，會產(chǎn)生過多的臭氧[4?5]。臭氧是一種強氧化劑，在常溫下極不穩(wěn)定，隨時可以分解成氧分子和氧原子，這時的氧原子具有極強的氧化能力和分解能力。一定濃度的臭氧具有殺菌消毒、除臭防霉、清新空氣等功能[6]。我國規(guī)定0.15 ppm（1 ppm=1×10-6體積濃度）接觸8 h為安全時限，超過此時限對人體有害。由于除霾器用于人們室內(nèi)活動區(qū)域，臭氧的水平也需要降至安全時限。類似除霾器工作原理的超小型空氣凈化器已經(jīng)做成了掛在胸前的小配飾，用于長途旅行中的空氣凈化，充分保證使用的安全性。

采用5個不銹鋼針連接負離子發(fā)生器或碳纖維毛刷壓輸出[7?8]離子周圍的空氣分子，產(chǎn)生很多的空氣負氧離子[9]。空氣負氧離子的濃度決定了空氣的質(zhì)量狀況，據(jù)世界衛(wèi)生組織的規(guī)定，當(dāng)空氣負離子濃度每立方厘米不低于1 000～1 500個時，為清新空氣?？諝庵械呢撗蹼x子有去除塵埃、消滅病菌、凈化空氣的作用。與此同時，小粒徑的生態(tài)級空氣負離子易被人體吸收，可以透過人體的血腦屏障起到對人體療養(yǎng)保健的作用，其對人體神經(jīng)系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、消化和代謝系統(tǒng)等都能產(chǎn)生積極的理療作用。

為了測試本產(chǎn)品的除霾效果，以5個除霾模塊為一個組，共計12組60個模塊，部署在西電附小三七班、三八班和四十班，同時與不安裝除霾模塊的三九班進行對比試驗。教室的空間容積為8 m×10 m×4 m=320 m3。

2 ?IEC安全認證

本文研制的除霾設(shè)備在2017年8月通過了深圳Anbotek安博檢測股份有限公司的IEC電器安全檢測，所有檢測項目均為合格（見圖2），包括無起火危險、無毒和無輻射等。研制的除霾設(shè)備在2017年6月經(jīng)過了西安國聯(lián)質(zhì)量檢測股份有限公司的檢測，出具了PM2.5和臭氧濃度的檢測報告，采用紫外分光光度法（方法檢出限為臭氧濃度0.009 mg/m3）沒有檢出臭氧。

圖2 ?IEC安全認證

3 ?國聯(lián)質(zhì)檢

2017年10月以來在西安電子科技大學(xué)附屬小學(xué)的三個教室（三七班、三八班和四十班）安裝了除霾設(shè)備（見圖3）、空氣質(zhì)量檢測儀和移動WiFi，并在對照教室（三九班）僅安裝了空氣質(zhì)量檢測儀和移動WiFi，PM2.5和甲醛的實時檢測數(shù)據(jù)通過移動WiFi傳輸?shù)轿麟娊】淡h(huán)境監(jiān)測云平臺。在2017年12月28日經(jīng)過西安國聯(lián)質(zhì)量檢測股份有限公司的檢測，對照教室的PM2.5為413.6 μg/m3，安裝除霾器的三八班的PM2.5為123.2 μg/m3，約為對照教室的[13]。對照班的臭氧含量為0.047 mg/m3，安裝除霾器的三八班的臭氧含量為0.044 μg/m3，對比之后沒有顯著差別，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖3 ?教室安裝效果

圖4 ?質(zhì)檢報告

4 ?空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析

圖5和圖6分別為抽取連續(xù)兩天西電附小的實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看到在打開除霾器的情況下，三七班的PM2.5的濃度遠低于不開除霾器的三八班和雁塔區(qū)的PM2.5濃度。

圖5 ?2017年10月20日監(jiān)測數(shù)據(jù)