負(fù)離子發(fā)生器車內(nèi)微顆粒凈化效率研究

謝瓊丹 黃英凡

摘 要：由于汽車的普及，車內(nèi)的空氣質(zhì)量引發(fā)消費(fèi)者越來(lái)越多的關(guān)注。糟糕的車內(nèi)空氣質(zhì)量會(huì)增大人們罹患某種特定疾病的概率，因此控制與減少車內(nèi)空氣污染成為汽車生產(chǎn)設(shè)計(jì)商所追求的目標(biāo)。微顆粒污染物，即PM2.5是車內(nèi)空氣污染物的重要來(lái)源之一。負(fù)離子因能有效沉降空氣中的微顆粒，成為車內(nèi)快速去除微顆粒污染的重要手段。在文章中，我們通過(guò)在車內(nèi)進(jìn)行微顆粒沉降實(shí)驗(yàn)，記錄微顆粒物濃度在負(fù)離子儀以及車內(nèi)空調(diào)內(nèi)/外循環(huán)凈化模式下的變化，并通過(guò)SPSS與MATLAB對(duì)污染物濃度進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析。結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)使用負(fù)離子儀器并無(wú)法有效降低車內(nèi)空氣的顆粒濃度，而必須配合車內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)。在負(fù)離子作用下，結(jié)合車內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)，微顆粒濃度迅速下降，下降速度與空氣交換速度和微顆粒在空氣中的遷移速度相關(guān)。

關(guān)鍵詞：負(fù)離子;車內(nèi)凈化;PM2.5;微顆粒

中圖分類號(hào)：X513 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-79-05

Abstract： With the increasing popularity of cars， air quality in an automobile cabin has become a concern for the automobile users because a worse air quality will increase the chances for contracting related diseases. Built-in techniques for controlling and diminishing pollution inside a vehicle have attracted attentions from automobile designers. Micro-particle pollutants， such as PM2.5 is one of the major pollutants in the automobile air environment. Negative ions can efficiently remove micro-particle pollutes via the agglomerations and settlement of particles. Therefore， it has become the main technique to remove particle pollutes inside a car. In this study， changes of micro-particle concentration were monitored with an particle counter in different car air circulation modes with or without negative ions. Data were collected and analyzed by SPSS and MATLAB. The results show negative ions can not effectively remove particle pollutants and the combination of negative ions and air circulation is necessary. Under the influences of negative ions， concentration of micro-particles in the vehicle is governed by air exchange rate and particle diffusion rate.

Keywords： Negative ion; Air quality; Micro particle

前言

空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于等于 2.5 微米的顆粒物，能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中，含量濃度越高，空氣污染越嚴(yán)重。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，面積大，活性大，易附帶重金屬、微生物等有害物質(zhì)，能隨著呼吸道深入到肺中，因此危害很大。PM 2.5污染性微顆粒作為汽車車內(nèi)空氣污染物之一，主要來(lái)源于司乘人員抽煙行為和戶外污染。[1]負(fù)離子能有效的沉降空氣中的微粒污染物，且硬件成本低廉，得到了廣泛應(yīng)用，例如在空調(diào)及新風(fēng)系統(tǒng)過(guò)濾器就普遍使用負(fù)離子儀;甚至有空氣凈化儀器完全不用濾棉，而僅依靠負(fù)離子來(lái)沉降顆粒。[2]為了凈化車內(nèi)空氣，負(fù)離子發(fā)生器與空氣過(guò)濾器結(jié)合的空氣處理設(shè)備也出現(xiàn)在現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)中[3，4];例如吉利汽車中的繽瑞系列的空氣循環(huán)系統(tǒng)就安裝了負(fù)離子儀?？諝膺^(guò)濾器配合上負(fù)離子對(duì)空氣中的微顆粒物的聚集和沉降作用，使車內(nèi)的可吸入微顆粒物濃度迅速下降，并在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到車內(nèi)空氣優(yōu)良狀態(tài)。為了應(yīng)對(duì)很多城市出現(xiàn)的PM2.5污染，在新上市的一些車型的空氣循環(huán)系統(tǒng)配置了負(fù)離子發(fā)生器。這個(gè)設(shè)計(jì)在很大程度上改善了乘車人與駕駛?cè)说某塑嚟h(huán)境;即使在戶外高度污染的情況下也能給乘車人與駕駛?cè)艘粋€(gè)舒適健康的空氣環(huán)境[4]。而且依據(jù)研究，負(fù)離子也廣泛存在于自然狀態(tài)，并對(duì)人體有其他有益的功效。[5，6]

負(fù)離子發(fā)生器的工作原理是把輸入的直流電壓通過(guò)電路處理變成負(fù)高壓，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)電尖端，比如炭纖維或者金屬尖端等進(jìn)行空氣擊穿放電。處于放電尖端的空氣被快速的電離，產(chǎn)生正電荷和負(fù)電子;正電荷吸附于負(fù)高壓電極端，而電子被負(fù)電壓排斥，并被空氣中的分子吸附形成負(fù)離子。在負(fù)高壓電場(chǎng)的作用下，負(fù)離子形成離子風(fēng)。負(fù)離子與空氣中的微顆粒相結(jié)合，引起微顆粒團(tuán)聚并沉降或者吸附于低電勢(shì)的物體上，如接地的窗戶或者接地電器表面。[7]由于空氣過(guò)濾棉過(guò)濾大顆粒的污染物效率更高，負(fù)離子儀與過(guò)濾棉的配合能有效提高空氣過(guò)濾器的效率。雖然負(fù)離子已經(jīng)應(yīng)用于汽車的空氣處理，但是如何科學(xué)的應(yīng)用負(fù)離子進(jìn)行車內(nèi)空氣凈化;負(fù)離子的凈化效率以及如何與車內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)相互配合等問(wèn)題仍需要進(jìn)一步的研究。本文作者通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究負(fù)離子技術(shù)在汽車內(nèi)部空氣處理中不同空氣循環(huán)狀況下的應(yīng)用效率。實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容包括以下兩個(gè)部分：

（1）在無(wú)負(fù)離子的情況下，汽車空氣內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)凈化模式對(duì)微顆粒凈化速率的影響。內(nèi)循環(huán)狀態(tài)是指關(guān)閉了車內(nèi)外的氣流通道，形成車輛內(nèi)部的氣流循環(huán)。外循環(huán)狀態(tài)是利用風(fēng)機(jī)將車外的空氣抽吸到車內(nèi)，將車內(nèi)外空氣進(jìn)行置換。 這部分實(shí)驗(yàn)主要分析內(nèi)/外空氣循環(huán)模式情況下空氣中的顆粒濃度減少速度并進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬合。針對(duì)目前未配置負(fù)離子技術(shù)車型，這部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)指導(dǎo)司乘人員處理未配置負(fù)離子儀的車內(nèi)顆粒污染有指導(dǎo)意義，結(jié)果也作為配置負(fù)離子儀的車內(nèi)空氣凈化效率的對(duì)比？

（2）在戶外空氣高度污染的情況下，只能通過(guò)車內(nèi)內(nèi)部循環(huán)來(lái)過(guò)濾凈化車內(nèi)空氣。因此第二部分實(shí)驗(yàn)?zāi)M車內(nèi)通過(guò)空氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)配合負(fù)離子儀進(jìn)行空氣粒子凈化，分析內(nèi)循環(huán)模式下不同的空氣流速對(duì)污染顆粒濃度降低速影響并進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬合，并對(duì)比僅開(kāi)負(fù)離子儀，車內(nèi)空氣污染顆粒的濃度變化情況。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在一輛豐田凱美瑞2012款車內(nèi)通過(guò)燃燒香煙來(lái)人為模擬顆粒性污染。這個(gè)模擬方法有實(shí)際的意義，因?yàn)檐噧?nèi)的顆粒污染物通常來(lái)源于司乘人員的抽煙行為。先使微顆粒濃度達(dá)到一定值，濃度的監(jiān)測(cè)采用粒子計(jì)數(shù)儀，并選取PM2.5中顆粒粒度最小的PM0.5～PM1.0來(lái)進(jìn)行顆粒濃度監(jiān)測(cè)。PM0.5～PM1.0對(duì)人體傷害相比于PM2.5中粒徑更大的微粒更大，同時(shí)對(duì)于負(fù)離子的團(tuán)聚作用敏感，因此我們利用顆粒計(jì)數(shù)器來(lái)跟蹤這部分污染性顆粒的濃度變化。先將車內(nèi)空氣中PM0.5～PM1.0的微顆粒數(shù)量達(dá)到25000（顆粒計(jì)數(shù)儀數(shù)值），然后開(kāi)始凈化程序并監(jiān)控顆粒濃度隨著時(shí)間的變化。 所用的負(fù)離子發(fā)生儀為外置的負(fù)離子小功率負(fù)離子發(fā)生儀（<0.5 W，輸出電壓：～8 KV）;置于汽車駕駛艙內(nèi)的中部;而粒子計(jì)數(shù)器置于駕駛艙的擋位手柄處。微顆粒濃度變化以相對(duì)于起始濃度百分比來(lái)表示，因此初始的相對(duì)粒子濃度為1.0。

1 無(wú)負(fù)離子條件下汽車空氣循環(huán)顆粒凈化效率

1.1 無(wú)負(fù)離子/內(nèi)循環(huán)的微粒凈化效率

1.1.1 內(nèi)循環(huán)空氣微顆粒凈化效果

圖1為在無(wú)負(fù)離子發(fā)生儀條件下，不同檔位風(fēng)速的內(nèi)循環(huán)對(duì)微顆粒沉降速度影響。由圖可知，車內(nèi)空氣中的顆粒物下降的比較慢，下降的速度與內(nèi)循環(huán)空氣速率相關(guān)：內(nèi)循環(huán)空氣速度越快（檔位越高），濃度下降速率越快。車內(nèi)空氣微顆粒物的相對(duì)濃度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，可用公式（1）進(jìn)行擬合：

式中：V：某一刻車內(nèi)相對(duì)粒子濃度;V0：初始相對(duì)濃度1.0;k：相對(duì)濃度衰減指數(shù)，s-1;t：時(shí)間，s。在本文后續(xù)出現(xiàn)公式中，V、V0、k、t與式（1）中所代表的含義不變。

車內(nèi)空氣中的微顆粒物沉降的比例在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都保持比較高的水平，對(duì)該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中車內(nèi)空氣處在各檔內(nèi)循環(huán)風(fēng)速下統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)相對(duì)濃度變化。檔數(shù)越高，車內(nèi)空氣循環(huán)速度越快，利用公式1擬合計(jì)算得出內(nèi)循環(huán)各檔下相對(duì)濃度與時(shí)間的關(guān)系：

1.1.2 結(jié)果分析

在汽車空氣內(nèi)循環(huán)模式下，微顆粒相對(duì)濃度指數(shù)型衰減，衰減的速度取決于內(nèi)循環(huán)的空氣流速。而經(jīng)過(guò)擬合出的公式計(jì)算，在汽車內(nèi)循環(huán)模式下，車內(nèi)空氣中的微顆粒數(shù)量需要在較高的空氣循環(huán)速度（例如7檔）和較長(zhǎng)的凈化時(shí)間才能達(dá)到理想的效果。

1.2 無(wú)負(fù)離子情況下外循環(huán)粒子凈化效率

1.2.1 外循環(huán)各檔風(fēng)速下空氣微顆粒下降情況

圖2為汽車空氣外循環(huán)下各檔位風(fēng)速對(duì)微顆粒沉降的影響。外循環(huán)模式為車內(nèi)空氣與車外空氣置換，檔位越高，置換的速度越快。在外循環(huán)作用下，車內(nèi)空氣中的微顆粒物濃度快速下降，在較快的時(shí)間內(nèi)使空氣質(zhì)量達(dá)到較好的水平。圖2中粒子的相對(duì)濃度隨時(shí)間的衰減明顯分為兩段不同的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，車內(nèi)空氣微顆粒物的濃度在（PM0.5-1.0>7500），也就是相對(duì)濃度在30%以上時(shí)，微顆粒物變化呈線性衰減，此線性段的濃度V1（0.3 < V1 <1.0）與時(shí)間的關(guān)系可以擬合為線性關(guān)系，公式（6）：

1.2.2 結(jié)果分析

在外循環(huán)情況下，由于車內(nèi)空氣被外界空氣直接替換，如果外界空氣質(zhì)量為良好，那么汽車內(nèi)部的空氣微顆粒物含量呈線性快速下降，風(fēng)速越快置換的速度越快，顆粒濃度下速度越快，車內(nèi)空氣質(zhì)量很快達(dá)到與外界空氣質(zhì)量相當(dāng)?shù)乃?。車?nèi)空氣微顆粒量在30%以上（PM0.5-1.0為7500）時(shí)呈線性衰減，是因?yàn)榭諝馕㈩w粒含量較多，空氣置換的效果起主導(dǎo)作用。圖2顯示此時(shí)檔位3和7的顆粒排除速度基本相等，因此中等檔位的外循環(huán)就能起到很好的排除顆粒污染效果。當(dāng)車內(nèi)空氣微顆粒物相對(duì)濃度降到約30%以下時(shí)，相對(duì)濃度此時(shí)采用呈指數(shù)衰減，此時(shí)車內(nèi)空氣中的微顆粒物含量較少，車內(nèi)空氣與外界空氣替換的效果減弱，空調(diào)的進(jìn)氣與出氣口周圍的相對(duì)粒子濃度降低，汽車內(nèi)部空氣流動(dòng)緩慢部位的粒子通過(guò)遷移緩慢進(jìn)入空氣流動(dòng)區(qū)，因此粒子濃度的下降呈現(xiàn)的是粒子遷移控制的指數(shù)衰減動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。當(dāng)車內(nèi)空氣與外界空氣的微顆粒物含量一致或者更低時(shí)，微顆粒物的下降速度就會(huì)趨于0。因此，當(dāng)外界空氣良好，而車內(nèi)空氣顆粒物含量較高時(shí)，使用外循環(huán)替換車內(nèi)空氣，是降低微顆粒含量最有效方法，且中檔風(fēng)速足夠在短時(shí)間內(nèi)起到很好的效果。

而在外界空氣污染時(shí)，開(kāi)窗反而會(huì)引發(fā)車內(nèi)空氣的污染，此時(shí)必須密閉車窗，進(jìn)行車內(nèi)內(nèi)部循環(huán)，以過(guò)濾除掉車內(nèi)的PM2.5。圖3為使用負(fù)離子發(fā)生器與汽車內(nèi)循環(huán)模式下，氣微顆粒物的相對(duì)濃度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，可以擬合成指數(shù)關(guān)系：

其中V負(fù)離子為使用負(fù)離子情況下，車內(nèi)污染顆粒相對(duì)濃度。車內(nèi)空氣處在各檔內(nèi)循環(huán)風(fēng)速下依據(jù)動(dòng)態(tài)的濃度變化，可以利用公式（16）分別對(duì)不同風(fēng)速的相對(duì)濃度隨時(shí)間的變化進(jìn)行擬合：

1.2.3 分析結(jié)果

相比于單獨(dú)的內(nèi)循環(huán)，在負(fù)離子發(fā)生器和車內(nèi)內(nèi)循環(huán)共同作用下，汽車內(nèi)部空氣微顆粒含量相對(duì)濃度也呈現(xiàn)指數(shù)下降的趨勢(shì)，但污染顆粒濃度下降更快;車內(nèi)空氣能在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到優(yōu)良的程度。負(fù)離子的沉降作用先將空氣中的微粒進(jìn)行團(tuán)聚，再通過(guò)內(nèi)循環(huán)過(guò)濾，整體的過(guò)濾效果要優(yōu)于不使用負(fù)離子的內(nèi)循環(huán)凈化。負(fù)離子的作用在低內(nèi)循環(huán)風(fēng)速情況下更明顯;而在高循環(huán)風(fēng)速下，循環(huán)的風(fēng)速起主要作用。

1.3 單獨(dú)使用負(fù)離子發(fā)生器微顆粒濃度變化特點(diǎn)

圖4為在汽車內(nèi)部空氣微顆粒物含量達(dá)到一定水平之后關(guān)閉內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)，讓內(nèi)部空氣在負(fù)離子作用下自由沉降。由圖可知，單獨(dú)使用負(fù)離子發(fā)生器，且車內(nèi)無(wú)通風(fēng)條件時(shí)，顆粒的濃度呈現(xiàn)波動(dòng)，而不是指數(shù)衰減或線性衰減，其主要原因是負(fù)離子有壽命，在空氣中通過(guò)向其他分子釋放電子而緩慢衰竭。汽車沒(méi)有接地，負(fù)離子在壽命期間可以發(fā)揮團(tuán)聚作用，但是帶電顆粒沒(méi)法吸附到接地表面。當(dāng)負(fù)離子壽命結(jié)束之后，會(huì)失去吸附作用，此時(shí)如果負(fù)離子吸附的微粒沒(méi)有及時(shí)過(guò)濾處理，那么它會(huì)重新擴(kuò)散在空氣當(dāng)中造成顆粒濃度的波動(dòng)。因此單獨(dú)應(yīng)用負(fù)離子儀并無(wú)法有效清除車內(nèi)顆粒污染;只有在負(fù)離子發(fā)生器與空氣過(guò)濾器加上空氣流動(dòng)時(shí)，才能使空氣中的微顆粒物有效減少。

2 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，車內(nèi)空氣密閉的情況下，打開(kāi)負(fù)離子發(fā)生器，讓其與車內(nèi)空氣循環(huán)相結(jié)合，能有效降低顆粒污染，相比于不使用負(fù)離子發(fā)生器凈化的效率更高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，負(fù)離子在空氣流動(dòng)特別快的時(shí)，其發(fā)揮的作用沒(méi)有空氣過(guò)濾器的效果顯著，負(fù)離子的團(tuán)聚效果起次要作用;負(fù)離子在空氣流動(dòng)特別慢時(shí)，由于負(fù)離子有壽命，沒(méi)被過(guò)濾的團(tuán)聚粒子會(huì)重新擴(kuò)散回到空氣中;而僅當(dāng)空氣流動(dòng)速度適中時(shí)，負(fù)離子能產(chǎn)生顯著的粒子凈化貢獻(xiàn)。因此，當(dāng)負(fù)離子在壽命期間吸附了微顆粒物且能迅速倍過(guò)濾的時(shí)候，負(fù)離子產(chǎn)生的效果最顯著。在戶外污染的情況下，最短的時(shí)間內(nèi)使車內(nèi)空氣微顆粒物減少的辦法就是使用車內(nèi)內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇的最大檔位加上負(fù)離子發(fā)生器，雖然此時(shí)負(fù)離子發(fā)生器效果不那么明顯，但依舊會(huì)比不使用的情況下更快。

對(duì)比使用負(fù)離子前后外循環(huán)模式下車內(nèi)微顆粒物含量變化，外循環(huán)是使車內(nèi)空氣微顆粒量下降最快的一種方法，它通過(guò)空氣的替換，達(dá)到置換車內(nèi)污染的空氣的目的，且結(jié)果表明中高檔風(fēng)速效果最優(yōu)。但這種方法在室外環(huán)境污染比較嚴(yán)重情況，例如有霧霾的城市不適用，而必須使用車內(nèi)內(nèi)循環(huán)模式來(lái)凈化車內(nèi)污染，此時(shí)配合負(fù)離子發(fā)生器與內(nèi)循環(huán)能有效加速污染性粒子的凈化[8]。

總體而言，在車外空氣質(zhì)量較好的情況下，可以使用汽車空氣外循環(huán)來(lái)減少車內(nèi)空氣微顆粒量;而在車外空氣質(zhì)量不好的情況下，可以通過(guò)汽車空氣內(nèi)循環(huán)模式來(lái)沉降車內(nèi)空氣微顆粒物，同時(shí)結(jié)合負(fù)離子發(fā)生器[9，10]。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明，單獨(dú)使用負(fù)離子儀器并無(wú)法有效降低車內(nèi)空氣的顆粒濃度，而必須配合循環(huán)系統(tǒng)。這與傳統(tǒng)認(rèn)為負(fù)離子足夠清除顆粒污染有一定偏差，原因是汽車這個(gè)特定的內(nèi)部環(huán)境，其整體由于與大地隔絕，沒(méi)有接地，負(fù)離子團(tuán)聚起來(lái)的污染顆粒在負(fù)離子衰竭后將再次釋放回空氣中，因此單純負(fù)離子的車內(nèi)凈化效果很有限。

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