汽車乘員艙空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)及污染物凈化技術(shù)研究

牟連嵩， 張翠林， 許 翔， 張藝倫

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300； 2.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100044)

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，汽車已成為人們交通出行中主要的交通工具。同時(shí)，據(jù)公安部交管局的最新數(shù)據(jù)顯示，截止到2018年底，中國汽車保有量約達(dá)2.4億輛，汽車駕駛員約為3.69億[1]。然而，汽車產(chǎn)量的快速增長也引發(fā)了環(huán)境污染問題，比如汽車尾氣的過度排放問題，不過關(guān)于這一方面的研究已取得巨大進(jìn)展并已找到切實(shí)可行的解決辦法。事實(shí)上，除了汽車外部環(huán)境污染外，汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料和空調(diào)風(fēng)道等也會(huì)引起異味，破壞汽車內(nèi)部乘員艙空氣品質(zhì) (Vehicle interior air quality，VIAQ)，危害艙內(nèi)乘員的身體健康。由于汽車乘員艙可視為密閉空間，故異味難以及時(shí)地排出，容易長期滯留，使得乘員艙內(nèi)部的空氣環(huán)境無法達(dá)到令人滿意的程度。此外，2018年的消費(fèi)投訴數(shù)據(jù)顯示，有關(guān)汽車乘員艙異味案例占行業(yè)消費(fèi)投訴總案例的8%[2]。近來，隨著新冠肺炎病毒的爆發(fā)，汽車座艙的空氣品質(zhì)也備受消費(fèi)者的關(guān)注，中汽研(天津)華城認(rèn)證公司推出CN95 空調(diào)濾清器認(rèn)證，幫助消費(fèi)者了解汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于灰塵、花粉， PM2.5、PM10、微生物粒子和有害氣體等的過濾效果。由此可見，汽車乘員艙內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響著乘員艙的安全、舒適性和消費(fèi)滿意度，故凈化艙內(nèi)污染物、提升空氣品質(zhì)、改善艙內(nèi)空氣環(huán)境是目前亟待解決的任務(wù)。

針對(duì)這一任務(wù)，多年來眾多研究者總結(jié)研發(fā)了多種汽車乘員艙空氣品質(zhì)調(diào)節(jié)方法。Honghyun Cho等人[3-4]利用冷卻系統(tǒng)來控制汽車乘員艙內(nèi)的溫濕度，以提高乘員的舒適性。代凌云等人[5-7]以單片機(jī)為核心建立車載污染物過濾裝置，進(jìn)而凈化艙內(nèi)的空氣環(huán)境。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，凈化裝置也趨于智能化。Santanu Prasad Datta等人[8-9]結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙技術(shù)研發(fā)智能空氣凈化器以達(dá)到換氣作用，進(jìn)而降低CO2濃度并去除艙內(nèi)異味。雖然開門開窗也可以達(dá)到通風(fēng)換氣的作用，但是這項(xiàng)操作只能在車輛靜止時(shí)進(jìn)行，如果在駕駛過程中選擇開窗換氣，則會(huì)使駕駛員和乘客直接暴露于高水平的尾氣隧道中[10]，反而容易進(jìn)一步惡化駕駛艙內(nèi)空氣環(huán)境，降低空氣品質(zhì)。因此，為了能夠有效地提升駕駛艙內(nèi)空氣品質(zhì)，應(yīng)該創(chuàng)建一種適用于在密閉條件下的駕駛艙內(nèi)空氣品質(zhì)調(diào)節(jié)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，滿足汽車乘員艙空氣調(diào)節(jié)的新要求——在密閉條件下的優(yōu)化，本文分析并總結(jié)汽車乘員艙內(nèi)污染物種類及其危害，跳出汽車微環(huán)境中傳統(tǒng)空氣調(diào)節(jié)方法中單純地考慮溫濕度控制的思路，提出并構(gòu)建了綜合考慮溫度、濕度和空氣潔凈度的評(píng)價(jià)體系，將污染程度細(xì)化分級(jí)。針對(duì)該評(píng)價(jià)體系，創(chuàng)新建立了空氣智能凈化系統(tǒng)，并提出了一套完整的艙內(nèi)空氣品質(zhì)管理流程，對(duì)于保護(hù)駕駛員和乘客的舒適和健康等具有促進(jìn)作用和重要意義。

1 汽車乘員艙空氣污染物組成及危害

在建立一套智能空氣凈化系統(tǒng)之前，首先要分析汽車乘員艙內(nèi)空氣污染物的組成及其產(chǎn)生的危害。

從空間角度考慮，汽車乘員艙相當(dāng)于小型且較封閉的室內(nèi)環(huán)境，空氣不易流通，污染物易堆積。通常情況下，其空氣污染程度取決于車齡、溫度、濕度、檔次類型、內(nèi)飾、空調(diào)、燃料、地點(diǎn)和排量等因素[11]。復(fù)雜多變的影響因素造成的結(jié)果就是艙內(nèi)的污染物種類繁多，艙內(nèi)空氣污染源和污染物如表1所示，該表具體地列出了各途徑(散發(fā)、通風(fēng)、滲透、擴(kuò)散等)引起的空氣污染物的組成。

表1 汽車乘員艙主要污染物組成

汽車乘員艙內(nèi)復(fù)雜的污染物成分會(huì)對(duì)乘員產(chǎn)生多樣性危害。空氣污染物因其本身具有刺激性強(qiáng)、作用時(shí)間長、作用群體廣的特點(diǎn)，容易持續(xù)暴露于空氣中，進(jìn)而對(duì)乘員的身體健康產(chǎn)生一系列不利影響，包括眼睛及鼻腔粘膜刺激、急性呼吸道感染、慢性支氣管炎、肺癌、神經(jīng)性疾病及其他生理功能障礙。有研究表明[12]，當(dāng)多種污染物同時(shí)暴露于空氣中時(shí)，在一定條件下會(huì)將危害疊加，嚴(yán)重?fù)p傷人體器官，長期暴露甚至?xí)s短乘員的壽命。2016年劉琳琳等[13]對(duì)16個(gè)市售品牌新車進(jìn)行污染物監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)苯、甲醛、甲苯的質(zhì)量濃度分別超過國家標(biāo)準(zhǔn)66.36%、72%和72.55%，嚴(yán)重威脅著乘員的身體健康。依據(jù)國際癌癥研究組織(IARC)的判定和毒理學(xué)相關(guān)研究[14]，表2列出了汽車乘員艙內(nèi)檢出率最高的污染物及其產(chǎn)生的危害。

表2 車內(nèi)空氣中9種污染物健康危害效應(yīng)

2 汽車乘員艙空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)體系

合理且科學(xué)的評(píng)價(jià)體系是完成智能空氣凈化系統(tǒng)搭建過程中不可或缺的一部分?；谏衔呐搩?nèi)污染物組成及其危害識(shí)別，本節(jié)將針對(duì)艙內(nèi)種類繁多的污染物，構(gòu)建一套完整且科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，用以確定汽車乘員艙內(nèi)的污染程度以及客觀評(píng)價(jià)其空氣環(huán)境水平。

汽車乘員艙空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)是將舒適性與人體健康相結(jié)合，對(duì)乘員艙溫度、濕度、空氣流速和空氣潔凈度進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)前汽車空調(diào)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度和空氣流速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷、采暖、除霜等功能，以提高人體舒適性，而關(guān)于空氣潔凈度的提升相對(duì)較少，故本文將以提升空氣潔凈度為主，建立新型空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用客觀綜合指數(shù)分析法總體地分析空氣污染狀況，同時(shí)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法確定各空氣影響因子對(duì)汽車乘員艙空氣污染影響的大小。評(píng)價(jià)體系如圖1所示。

圖1 汽車乘員艙空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)體系

2.1 汽車乘員艙空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)因子

根據(jù)生態(tài)化汽車的發(fā)展要求，乘員艙空氣品質(zhì)通常以對(duì)熱舒適性、安全性有明顯影響且長期、穩(wěn)定存在的因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，本文以熱環(huán)境、基礎(chǔ)污染物、有機(jī)污染物和生物污染物為一級(jí)評(píng)價(jià)因子，其中熱環(huán)境包括溫度、相對(duì)濕度和空氣流速；基礎(chǔ)污染物包括SO2、NO2、CO、CO2、O3以及PM2.5和PM10；有機(jī)污染物包括苯系物、醛類化合物和TVOC；生物污染物包括細(xì)菌和真菌。

2.2 汽車乘員艙空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)方法

綜合考慮汽車乘員艙內(nèi)空氣品質(zhì)的影響因子及相互關(guān)系，本文采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法和灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法作為該評(píng)價(jià)體系的評(píng)價(jià)方法。

2.2.1 綜合指數(shù)評(píng)價(jià)

綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法是客觀評(píng)價(jià)的一種，本文采用綜合指數(shù)法來評(píng)價(jià)汽車乘員艙內(nèi)空氣污染狀況。綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法運(yùn)用多指數(shù)、多總體同時(shí)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，由單因子評(píng)價(jià)指數(shù)有機(jī)組合而成。該方法兼顧最大值與算數(shù)平均值來反映空氣污染程度。

PMV模型的表達(dá)式可表示為[15]：

(1)

式中：I為綜合指數(shù)；Ci為各因子測(cè)定值；Si為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限值，如表3和4所示。

表3 室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18883—2002

表4 乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南GB/T 27630—2011

由于汽車乘員艙環(huán)境因子相互關(guān)聯(lián)，相關(guān)研究領(lǐng)域正在探索多種污染物共同作用對(duì)人體健康造成的危害。多指數(shù)綜合評(píng)價(jià)可以增減因子個(gè)數(shù)，找出特定環(huán)境下占比最大的污染物，在空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用，相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)如表5所示。

表5 綜合指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)

2.2.2 灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法

灰色關(guān)聯(lián)分析是分析各空氣影響因子對(duì)汽車乘員艙空氣污染影響的大小。在評(píng)價(jià)過程中，對(duì)空氣影響程度未知的各因素組成灰色系統(tǒng)，評(píng)價(jià)程序以各因子的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)汽車乘員艙空氣中的m個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行n次檢測(cè)，得到原始矩陣X。由于各因子物理單位不同，檢測(cè)值需與評(píng)級(jí)指標(biāo)結(jié)合轉(zhuǎn)換成無量綱數(shù)。

(2)

確定標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)集，即各項(xiàng)污染物濃度限值的無量綱數(shù)：

X0=(x01x02…x0m)

(3)

計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù):

(k=1,2…m;i=1,2…n)

(4)

最后由數(shù)學(xué)模型得綜合評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)度矩陣R=P*E。

(5)

式中：m為評(píng)價(jià)因子；n為測(cè)試方案；μ為分辨系數(shù)，μ∈(0,1)；Pk為第k個(gè)指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中所占權(quán)重，汽車乘員艙各項(xiàng)空氣指標(biāo)權(quán)重需根據(jù)層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)和專家調(diào)查法(Delphi)進(jìn)行確定。

3 汽車乘員艙智能空氣凈化系統(tǒng)

根據(jù)前文構(gòu)建的關(guān)于汽車乘員艙內(nèi)品質(zhì)空氣評(píng)價(jià)體系，可知汽車乘員艙優(yōu)質(zhì)VIAQ的重要性。因此，為了提升汽車乘員艙的空氣品質(zhì)，本文創(chuàng)新構(gòu)建了一個(gè)在密閉條件下良好的乘員艙內(nèi)智能空氣凈化系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)由四部分組成，分別是信息采集、存儲(chǔ)分析、控制執(zhí)行和人機(jī)交互。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)完善的人機(jī)交互過程，系統(tǒng)應(yīng)用的凈化技術(shù)、凈化裝置和智能測(cè)控原理如下：

圖2 汽車乘員艙智能空氣凈化系統(tǒng)

3.1 空氣凈化技術(shù)

該系統(tǒng)的凈化技術(shù)由HAPA過濾技術(shù)、光催化技術(shù)、溶菌酶殺菌技術(shù)和負(fù)離子技術(shù)組成，四個(gè)凈化技術(shù)相輔相成，分別針對(duì)不同的污染物，層層去除，達(dá)到高效的凈化功能。各技術(shù)描述如下：

1)HAPA過濾。高效粒子空氣過濾器用于過濾空氣中的顆粒物?？諝饬鹘?jīng)過濾材料過程中，直徑大、質(zhì)量大的粒子通常難于繞過過濾器纖維而被攔截，而直徑小、質(zhì)量輕的顆粒由于無規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，大幅度偏離流線，大大增加被濾材捕獲的概率。影響過濾效率的因素有過濾阻力和濾網(wǎng)容塵量。氣體流過濾網(wǎng)后，在兩端會(huì)產(chǎn)生壓力降，這反映了濾網(wǎng)對(duì)氣體的阻力，阻力小有利于氣流通過，但阻力過小使氣流在濾網(wǎng)中的滯留時(shí)間過短，粒子的過濾效率會(huì)降低；隨著濾網(wǎng)中積塵量的增加，其阻力增加，阻力過高時(shí)就要對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行更換，否則濾網(wǎng)截留的灰塵會(huì)再次飛散，造成二次污染。

2)光催化。光催化可用于去除NO2、SO2、O3、CO、異味和VOC[15]。光能是大自然的清潔能源，應(yīng)用到空氣治理是空氣凈化探索過程中的突破性成就。光觸媒是具有光催化功能的納米級(jí)半導(dǎo)體或金屬材料，研究最多的是二氧化鈦。在光能和催化劑共同作用下，水分子和氧氣分子生成羥基自由基和活性氧等氧化性極強(qiáng)的分子，當(dāng)這些強(qiáng)氧化分子擴(kuò)散到空氣中，可以有效分解空氣中的VOC和部分無機(jī)污染物[16]。

3)溶菌酶殺菌。溶解酶技術(shù)由日本日暉UNIERSAL株式會(huì)社發(fā)明，通過溶解細(xì)胞壁迫使細(xì)胞膜破裂而起到殺菌的作用。溶解酶需要固定在濾網(wǎng)上，由于菌塵共存，氣流經(jīng)過含有溶解酶的HEPA時(shí)，對(duì)空氣進(jìn)行除塵除菌雙重凈化。此技術(shù)無電場(chǎng)作用，無臭氧產(chǎn)生。

4)負(fù)離子。負(fù)離子技術(shù)用于去除顆粒物、VOC、微生物外，還可以使人產(chǎn)生清新感。原理是通過多種放電形式將空氣分子外層的電子進(jìn)行剝離，負(fù)電荷與空氣中易結(jié)合的分子(主要是O2)迅速形成負(fù)離子。負(fù)離子極易與空氣中帶正電荷的塵埃相互吸引，形成重粒子并沉降；空氣中存在的少量的正離子，正負(fù)離子在細(xì)菌的周圍形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，微生物被電擊滅活；負(fù)離子還是VOC降解的關(guān)鍵活性物質(zhì)[17]。擴(kuò)散效應(yīng)使負(fù)離子達(dá)到相應(yīng)空間的各個(gè)角落，使乘員感到空氣清新。然而，負(fù)離子發(fā)生器在放電過程產(chǎn)生的臭氧量對(duì)人體的危害程度尚未得到證實(shí)。

3.2 凈化裝置性能

根據(jù)汽車乘員艙對(duì)凈化裝置高效率、低能耗、低噪聲的使用要求，凈化裝置的性能指標(biāo)有：

1)潔凈空氣輸出的比率CADR(Clean Air Delivery Rate)值。CADR值綜合表征了凈化系統(tǒng)的單次凈化效果，包括循環(huán)速度、空氣回路設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)選型的合理性等。CADR值越高表明凈化裝置性能越好。

2)凈化能效比EER(energy efficiency ratio)。在額定狀態(tài)下提供的潔凈空氣量與凈化輸入功率的比值，能效比越大表明電器越節(jié)能。

EER=CADR/P

(6)

式中：EER為能效比；CADR為潔凈空氣量；P為凈化輸入功率。

3)噪聲。裝置的噪音越小，越有利于營造安全舒適的乘員艙聲環(huán)境。

3.3 空氣凈化裝置

根據(jù)對(duì)主流汽車空氣凈化器的調(diào)查，市場(chǎng)上出現(xiàn)歐系、日系和國產(chǎn)三類品牌。歐系代表飛利浦以多效過濾為主；日系代表夏普在過濾基礎(chǔ)上增加了離子效應(yīng)；國內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)亞都科技集團(tuán)和廈門美時(shí)美克空氣凈化有限公司，作為首批進(jìn)入室內(nèi)空氣品質(zhì)和汽車空氣凈化行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，其凈化技術(shù)的研發(fā)代表國內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域的先進(jìn)水平，其研發(fā)裝置如表6所示。

表6 凈化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)市場(chǎng)研發(fā)現(xiàn)狀，結(jié)合本凈化系統(tǒng)需求，本文將凈化方式改進(jìn)為HAPA過濾+光催化+負(fù)離子體+溶菌酶殺菌，以實(shí)現(xiàn)本凈化系統(tǒng)顆粒物去除、VOC去除、細(xì)菌真菌去除和清新空氣的目的。

3.4 智能空氣凈化原理

隨著智能制造、智能駕駛和智能出行的不斷推廣，智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)也在不斷升級(jí)和進(jìn)化當(dāng)中，并已成為當(dāng)前時(shí)代的主流技術(shù)。汽車的動(dòng)力性、安全性、舒適性和智能性使單純的交通工具變?yōu)槭孢m的移動(dòng)空間。汽車乘員艙空氣品質(zhì)智能優(yōu)化系統(tǒng)作為其中的組成部分，旨在對(duì)乘員艙空氣品質(zhì)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和改善。其智能優(yōu)化原理簡述如下：

基于系統(tǒng)構(gòu)想，在人機(jī)交互界面輸入對(duì)環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)或期待，結(jié)合乘員艙內(nèi)散布的各類傳感器監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將信號(hào)通過有線或無線方式傳輸?shù)椒?wù)器和VIAQ面板，并根據(jù)設(shè)定對(duì)空調(diào)各模塊的開閉設(shè)定值做出決策，聯(lián)動(dòng)控制空調(diào)和空氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)VIAQ面板顯示當(dāng)下空氣狀況與空氣凈化進(jìn)度。此系統(tǒng)主動(dòng)克服各種突發(fā)狀況引起乘員艙內(nèi)空氣品質(zhì)的惡化，使得乘員艙全時(shí)段保障人們所處環(huán)境的安全。同時(shí)，由于傳統(tǒng)形式的污染物采樣消耗的時(shí)間和費(fèi)用較大，樣本量較小，通常導(dǎo)致汽車乘員艙暴露評(píng)估的異質(zhì)性較高。而云端存儲(chǔ)的大數(shù)據(jù)恰可以用以分析空氣樣品間的關(guān)聯(lián)特性，以此作為知識(shí)儲(chǔ)備，為智能決策提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

為了提升汽車乘員艙內(nèi)空氣品質(zhì)，滿足汽車乘員艙在密閉條件下的空氣調(diào)節(jié)要求，本文基于汽車乘員艙內(nèi)的空氣環(huán)境現(xiàn)狀，闡述了汽車乘員艙內(nèi)空氣污染物組成及其危害，提出并構(gòu)建了綜合考慮溫度、濕度和空氣潔凈度的評(píng)價(jià)體系，該體系以艙內(nèi)熱環(huán)境及污染物為評(píng)價(jià)因子，以客觀分析及灰相關(guān)分析法為評(píng)價(jià)方法。同時(shí)，針對(duì)該評(píng)價(jià)體系，提出在考慮汽車乘員艙空氣品質(zhì)影響因子、凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新建立了智能空氣凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用四種先進(jìn)的凈化技術(shù)，改進(jìn)了現(xiàn)有的凈化裝置，使其達(dá)到更為先進(jìn)的凈化功能，并運(yùn)用人機(jī)交互方式進(jìn)行人性化智能調(diào)控。最后總結(jié)出一套整合空氣影響因子、評(píng)價(jià)空氣品質(zhì)、選取控制和凈化策略三步驟的艙內(nèi)空氣品質(zhì)(Vehicle interior air quality，VIAQ)管理流程。

該系統(tǒng)不僅改進(jìn)了凈化技術(shù)的組合方式，致力于全方位的凈化污染物。同時(shí)也提出了一種汽車乘員艙智能空氣凈化系統(tǒng)發(fā)展的新思路，將VIAQ智能化管理參與到汽車智能網(wǎng)聯(lián)的大潮中，有望實(shí)現(xiàn)乘員艙智能空氣環(huán)境，對(duì)汽車乘員艙空氣品質(zhì)提升具有良好的推動(dòng)作用，同時(shí)也對(duì)保護(hù)駕駛員和乘客的安全和健康等具有重要意義。