杭州龍碧科技有限公司   王瓊瓊 王力 潘微 秦敬軒 陳拼 張維

      【摘 要】汽車內的空氣品質主要由CO₂和PM2.5濃度決定。本文主要以本田雅閣汽車為例，用CO₂和PM2.5濃度兩者為依據來衡量汽車內空氣質量。調節汽車空調檔位，分析在不同檔位下切換內外氣模式時CO₂和PM2.5的濃度變化，從而找到較優的空調檔位及在不同檔位下內外氣切換的時間點，并采用CFD（計算流體力學）模擬2檔條件下內外氣模式汽車內CO₂、PM2.5的濃度變化及空間分布情況。通過研究發現CO₂和PM2.5的聚集位置，汽車空調檔位是1檔時最有利于汽車內空氣質量滿足我們的需求。

      【關鍵字】汽車；CO₂；PM2.5；內外氣切換；CFD模擬

Abstract: The air quality in a vehicle is mainly determined by the concentration of CO₂ and PM2.5. This study mainly uses Honda Accord as an example to measure the air quality in a compartment of vehicle by adjusting the internal and external AC switch position, analyzing the changes of CO₂ and PM2.5 concentration, it focuses to figure out a better AC switch position and the timing of switchover between internal and external air change. Computational Fluid Dynamic(CFD) simulation is also used to simulate the distribution and change of the concentration of CO₂ and PM2.5 in the compartment. As a result,the detailed of CO₂ and PM2.5 distribution is analyzed and AC switch position 1 of vehicle provides better internal air quality in comparison with other switch position.
Keyword：vehicle,CO₂,PM2.5,internal and external switchover，CFD simulation

1 引言

      由于環境問題與人類健康息息相關，環境污染問題受到了越來越多的人的關注與重視。特別是可吸入顆粒物PM2.5，由于粒徑小，可通過呼吸系統進入支氣管，影響在肺泡上進行氧氣與二氧化碳氣體的正常交換，從而引發哮喘、支氣管炎甚至心血管病等多種疾病^[1][2] 。

      隨著人們生活水平的不斷提高，選擇小汽車出行已經成為主流。如何保證車內相對密封的環境健康與舒適，也成為廣大研究者的熱點話題^[3] 。由于大氣環境龐大而復雜，PM2.5的來源較多，例如能源工業部門煤炭的燃燒、燃油汽車尾氣的排放、金屬冶煉過程中金屬蒸汽的冷凝聚結及居民生活爐灶的燃燒等^[4] ，因此很難在短時間內控制PM2.5的排放^[5] ，所以保證車內環境的清潔只能從車子本身出發。Huifang Ding等^[6]研究了車內PM2.5的分布和傳送機理，發現車內外空氣交換率隨著駕駛速度的增大而增加，車內和車外PM2.5濃度之比在外氣循環和內氣循環下分別大約為0.6和0.25。N Yu和S Shu等人^[7]同時監測了17輛正在行駛的出租車，表明在有高效空氣過濾器的情況下，車內細顆粒物和超細顆粒物濃度相比于沒有過濾器的條件下可以降低37%和47%。潘峰等^[8]用試驗研究了道路環境的顆粒物分布特點，并且用CFD模擬的方法分析空氣流場、溫度場對車內環境可吸入顆粒物熱運動的作用，研究了空調工況、氣流組織、送風量、過濾器效率等條件變化對顆粒物分布的影響。此外，CO₂濃度也是評價車內空氣質量的重要指標，若汽車內新風量不足，會讓人感到不適甚至呼吸困難^[9]。陳煥新等人^[10][11]根據列車內CO₂濃度的高低設計了一套空調通風控制系統，以此改善車廂內空氣品質。鄧大躍等人^[12]分析了四種通風模式（關閉通風口和風扇、關閉通風口打開風扇、打開通風口關閉風扇、打開通風口和風扇）下，汽車在不同車速時車內CO₂濃度的變化，發現在車速較高的情況下，四種通風模式汽車換氣量都增加。

      CO₂和PM2.5濃度同時影響車內空氣質量，然而目前大部分研究都只著重于單獨考慮CO₂或者PM2.5，而且同時以兩者為依據對汽車空調內外循環模式調節的研究較少，從而存在對車內空氣質量評價不全面、不充分的現象。

      為了解決上述問題，也為了提出研究車內空氣質量的另一種可行的方案，本文將車內CO₂和PM2.5同時作為評價車內空氣質量的指標，進行詳細的實驗研究，找到了不同檔位下切換汽車空調內外氣模式的時間點，并結合CFD模擬，對車內CO₂和PM2.5的濃度分布做了分析。并且比較了不同性能過濾器對切換內外氣模式的影響。本文的研究也為將來汽車內設置通過CO₂和PM2.5傳感器自動切換汽車內外氣模式提供了實驗及理論依據。

2 實驗設備和裝置

      2.1 實驗設備

      實驗過程中使用的設備如下：

      2.2 實驗裝置

      本實驗采用本田雅閣汽車完成，汽車空調進風口配有市面上出售的原裝過濾器，過濾器為全新。實驗之前將汽車清理干凈，關閉所有車窗。

      2.2.1 車外環境及參數設置

      本實驗由實驗艙系統完成，圖1為實驗艙系統示意圖。實驗艙尺寸為長7m、寬4m、高3m，其4個立面正中央位置分別開有一個小孔，頂部開有兩個小孔，用來引進PM2.5顆粒。圖1左邊示意圖為氣溶膠發生裝置，用來發生氣溶膠，作為實驗用PM2.5。實驗艙側面開有一個小門，方便實驗員進出，頂部裝有兩個吊扇，對艙內氣溶膠進行攪拌。實驗艙內配有凈化機，用來去除艙內顆粒物。汽車由實驗艙大門進入，在實驗過程中，大門處于關閉密封狀態。

      近幾年，中國大部分地區空氣質量最差的月份是1月，2016年-2018年1月份PM2.5日平均濃度可以達到140-170μg/m³，因此，為了模擬全年空氣質量較差的一天，本文在實驗過程中，保持實驗艙內氣溶膠濃度穩定在150μg/m³的5%的范圍內，艙內溫度是10℃，濕度是50%HR。在距離汽車空調進風口30cm的位置設有一個采樣點，用CO₂檢測儀、粉塵儀、溫濕度計監測空調進風口的CO₂濃度、PM2.5濃度及溫濕度。

      2.2.2 車內環境及參數設置

      為了集中研究在切換空調檔位下CO₂和PM2.5濃度分布，本次實驗在固定的FACE（吹臉）模式下，僅調節空調送風口的檔位即風量，不調節制冷制熱工況，汽車空調在儀表臺上有4個送風口。實驗過程中，車內有2名乘客，一名女生，一名男生，使測試更接近于實際生活。汽車內配有一臺凈化機，同樣在實驗開始前用來去除汽車內背景顆粒物。

      車內設有3個采樣點，即主駕駛頭部位置、副駕駛頭部位置和空調送風出口位置，分別安裝有CO₂檢測儀、粉塵儀、溫濕度計，可以在實驗過程中，同時監測車內3個位置處CO₂濃度、PM2.5濃度和溫濕度。

      根據《環境空氣質量標準》^[13]，24小時PM2.5的平均濃度的一級標準是35μg/m³，二級標準是75μg/m³。因此，本文中規定將汽車內PM2.5濃度限定為：空調外循環模式滿足二級標準（75μg/m³），內循環模式滿足一級標準（35μg/m³）。另外在《室內空氣質量標準》 ^[14] 中，CO₂濃度的日平均限值是1000ppm，且當超過1500ppm時，人的呼吸會變得急促，會產生輕度頭疼。因此本研究將CO₂濃度限定在空調外循環模式條件下滿足1000ppm以下，空調內循環條件下滿足1500ppm以下，CO₂和PM2.5濃度限值列于表2中。

3 實驗方法

      3.1 實驗前處理

      將汽車開進實驗艙內，開啟車內外CO2檢測儀、粉塵儀、溫濕度計。CO₂檢測儀和粉塵儀都是一秒鐘記錄一個數據。密封實驗艙大門和小門，同時開啟實驗艙及汽車內空氣凈化機，使實驗艙和汽車內的PM2.5背景濃度降為0。

      3.2 實驗過程

      兩名實驗員從實驗艙小門進入，并關閉小門，然后進入車內，分別坐于汽車主駕駛和副駕駛位置，關緊車門。調節汽車空調為FACE模式，開始實驗。

      階段一：風量調節為1檔，并且開啟內循環模式。此時通過向實驗艙內充氣溶膠使艙內PM2.5濃度穩定在143-157μg/m³。而隨著時間增長，車內PM2.5濃度保持為0，CO₂濃度逐漸上升，直到CO₂濃度上升到1500ppm。

      階段二：空調系統由內循環模式切換為外循環模式。在外循環模式下，隨著時間增長，車內PM2.5濃度升高，而CO₂濃度降低，直到汽車內PM2.5濃度穩定在最大值30秒。

      階段三：重復階段一操作，將空調切換到內循環模式，此時，PM2.5濃度下降，CO₂濃度上升。直到CO₂濃度再次上升到1500ppm。

      階段四：重復階段二操作，空調系統由內循環模式再次切換到外循環模式，使PM2.5濃度上升，CO₂濃度下降。

      依次改變空調風量為2檔-7檔，重復以上實驗。

4 實驗結果分析

      4.1 同一位置不同檔位CO₂和PM2.5濃度的比較

      本文選取了具有代表性的汽車檔位來進行分析，分別是1檔、2檔和6檔。為了同時考慮CO₂和PM2.5濃度對車內空氣質量的影響，選取主駕駛頭部位置，監測CO₂和PM2.5濃度，從而找到合適的空調檔位，在合理進行內外氣切換的條件下，可以保證PM2.5和CO₂濃度滿足表2所列的限值。主駕駛位置，1檔、2檔和6檔的CO₂和PM2.5濃度隨時間的變化曲線列于圖2。

      圖2中，橫坐標代表實驗時間，主縱坐標代表CO₂濃度，次縱坐標代表PM2.5濃度，曲線A、B、C分別是CO₂在1、2、6檔的濃度變化曲線，曲線a、b、c是PM2.5在1、2、6檔的濃度變化曲線。階段一和階段二分別是汽車空調第一次內循環和外循環模式，由于階段三、四是驗證實驗的重復性，在圖中沒有標出。

      從圖2中可以看出車內PM2.5和CO₂變化的總體趨勢。在內循環模式下，PM2.5濃度維持在0，而CO₂濃度則隨著兩名實驗員在密閉汽車內的呼吸逐漸增多，在大約330s后，達到了1500ppm左右。外循環模式下，汽車內外進行空氣交換，PM2.5經過空調過濾器，其中一部分被過濾器過濾掉，而另一部分進入車內，使車內PM2.5濃度升高，同時車內高濃度的CO₂經過汽車排氣孔排到車外，濃度下降。

      圖2中1檔情況下，對比CO₂和PM2.5濃度曲線發現，汽車空調外循環模式下，CO₂濃度可以降到1000ppm以下，而且PM2.5濃度低于74μg/m³。因此，在空調檔位是1檔時，一直開外循環模式就可以滿足對CO₂和PM2.5濃度的要求。比較圖中2檔情況，外循環模式下，t=410s時，CO₂濃度從1500ppm降到了1000ppm，此時PM2.5濃度是68μg/m³，并未超過75μg/m³，但在t=480s時PM2.5濃度達到了75μg/m³，由此可以得出，在2檔外循環情況下，在410s~480s時間段內，可以保證CO₂和PM2.5濃度分別在1000ppm和75μg/m³以下，此時若由外循環切換到內循環模式，也可以滿足對CO₂和PM2.5濃度要求。但是在6檔情況下，當t=360s時，CO₂濃度降到了1000ppm，這時PM2.5濃度已經達到了81μg/m³，因此，當空調檔位是6檔時，外循環模式下，無法達到CO₂和PM2.5濃度分別在1000ppm和75μg/m³以下。

      另外，對比圖2中3個檔位階段二的時間長短，可以得到不同檔位CO₂和PM2.5濃度的變化速度，在外循環模式下，CO₂濃度從1500ppm降到1000ppm，1檔，2檔和6檔分別用時210s，80s，30s，而且，PM2.5濃度上升的速度也是6檔＞2檔＞1檔。從表3可知，風量6檔遠遠大于2檔、1檔，從圖2中也可看出風量越大，CO₂和PM2.5濃度變化越快。在外循環模式下，PM2.5濃度在1檔、2檔、6檔條件下，可以達到的最大濃度分別是74μg/m³、79μg/m³、90μg/m³，可見風量越大，粉塵被過濾器濾掉的比例越小，過濾器的一次過濾效率越低。

      4.2 同一檔位不同位置CO₂和PM2.5濃度的比較

    為了比較汽車內不同位置的空氣質量，本文也詳細分析了車內多個位置CO₂和PM2.5的監測數據，由于每個檔位不同位置的變化規律類似，我們僅以2檔為例來進行分析說明。我們分別對主駕駛頭部位置、副駕駛頭部位置和空調新風出風口位置同時監測了CO₂和PM2.5濃度的變化，結果如圖3。

      圖3中，曲線A、B、C分別是CO₂在主駕駛頭部位置、副駕駛頭部位置、空調出風口位置的濃度變化曲線，曲線a、b、c是PM2.5在主駕駛頭部位置、副駕駛頭部位置、空調出風口位置的濃度變化曲線。從圖中可以看出，CO₂濃度在主駕駛和副駕駛頭部位置變化基本一樣，這是由于它兩處于對稱位置。而空調出風口處，在外循環模式下，由于實驗員距離風口處較遠，且有車外風送到汽車內，所以實驗員呼出的CO₂很難到達風口位置，使風口CO₂濃度在外循環下可以降低到和車外濃度基本一致。在內循環模式下，實驗員呼出的CO₂在空調內循環風的作用下可以很快到達送風口處，所以呈現出三個位置的CO₂濃度曲線重疊。PM2.5濃度由于不受人的影響，且主駕駛和副駕駛位置在新風口風速方向上，因此三者在內外循環模式下都基本呈現一致現象。

      為了詳細分析不同位置處的CO₂與PM2.5濃度分布，本研究采用CFD技術(OpenFOAM開源計算軟件^[15] )對二檔的工況進行了模擬，其中幾何模型如圖4所示:

      圖4的管道內部添加了如圖中紅色區域內所示的內部面，在內循環模式下為循環邊界條件:速度、紊流能量、紊流耗散率、CO₂設置為周期邊界；PM2.5設置為凈化邊界（根據實驗測得的凈化效率得到）；壓力設置為循環增壓邊界，內部面在外循環模式下為壁面邊界條件。藍色區域為外部進風口，在內循環模式下為壁面邊界條件，在內循環模式下為PM2.5進口，進口處PM2.5根據實驗值得到,外循環進口風量為120m³/h。具體如圖5所示，利用改變不同邊界條件，來模擬內循環、外循環的切換。同時為了與實驗對比選取圖4右所示觀測點(紅色位置)，位于主駕駛右側位置。

      計算采用RNG k-ε紊流模型。非穩態項為隱式推進格式，對流項為二階迎風格式，擴散項為中心差分格式。進口處的紊流能量、紊流耗散率根據5%的脈動強度得到，計算方法如文獻16中所述。

      車內人口呼吸源項的速度根據人每次呼吸氣體體積500mL、1分鐘呼吸15次計算得到（ ）。CO₂呼出濃度根據每人在中等運動強度下每小時生成CO₂體積為0.041m³計算得到( )。

      外循環風量是根據表三中2檔總風量為120m³/h得到的，內循環壓力梯度設置為測量值1.5Pa，不同模式下空調出風口截面速度相同，如圖6所示。

      計算得到CO₂、PM2.5濃度隨時間變化如圖7所示，其中紅點圖為主駕駛位置實驗測得CO₂濃度隨時間的變化曲線，黑色點線圖為模擬結果在主駕駛位置CO₂濃度隨時間的變化曲線，藍點圖為主駕駛位置實驗測得PM2.5濃度隨時間的變化曲線，綠色實線圖為模擬結果在主駕駛位置PM2.5濃度隨時間的變化曲線。如圖7所示內循環(階段1過程)的CFD模擬與實驗吻合的較好，這一階段汽車處于內循環過程，CO₂由人體呼吸產生，因此在人體呼出位置前方產生聚集，圖8(a,b)為階段1結束時(320s)主駕駛及空調進風口截面CO₂濃度分布，此時主駕駛位置CO₂濃度達到1500ppm，而在前擋風玻璃附近存在聚集現象，濃度達到2000ppm以上，后座部分由于沒有乘員，濃度較低。

      在主駕駛位置CO₂濃度達到1500ppm以上后，空調改為外循環模式(階段2)，此時CO₂濃度迅速下降，而PM2.5也迅速上升。在圖7中實驗值CO₂濃度下降的時間更長，這是因為實驗中內外氣的切換需要一定的時間，因此圖7中實驗的CO₂濃度下降時間更長，CO₂濃度能下降的更低。圖9(a,b)為階段2結束時CO₂濃度分布，此時主駕駛位置CO₂濃度為850ppm左右。雖然存在人的呼吸作用，但是由于新風進入，CO₂濃度很快下降。

      在開啟外氣達到150s后開啟內循環(階段3)，此時主駕駛位置PM2.5濃度為75μg/m³，如圖10所示。在第三階段，CFD模擬中按照52%的凈化效率進行凈化，因此PM2.5很快得到凈化，如圖7中第3階段模擬所示PM2.5濃度下降的很快。另外在4.3小節所述，PM2.5的過濾效率對于車內PM2.5濃度的影響很大，而實際中過濾器的凈化效率與車內濃度為線形關系，因此實驗中車內PM2.5濃度與模擬相比下降的更為平滑。CO₂濃度和實驗值相比，因第2階段結束時CO₂濃度偏高，作為第3階段初始狀態濃度更高，使模擬結果大于實驗值，但CO₂濃度增加的趨勢與實驗值一致。

      基于上述討論可知，通過CFD模擬能得到跟實驗較符合的結果，且通過模擬能直觀的看到車內各點在不同時間不同內外循環模式下的CO₂和PM2.5濃度變化規律。將實驗與模擬技術相結合，為科學研究提供了更加準確和全面的分析手段。

      4.3 不同過濾器同一檔位CO₂和PM2.5濃度的比較

      為了驗證不同汽車過濾器對內外氣切換后車內空氣質量的影響，將本田雅閣汽車原裝的過濾器更換為尺寸及折數一樣的納米膜制作的過濾器（龍碧科技自主研發）進行實驗，兩種過濾器的性能比較如表4，可見兩種過濾器的阻力幾乎一樣。

      龍碧納米膜過濾器的CO₂和PM2.5濃度變化與原裝過濾器比較，結果如圖12，汽車空調檔位都是6檔，A、a分別是龍碧納米膜過濾器條件下CO₂和PM2.5濃度，B、b分別是原裝過濾器條件下CO₂和PM2.5濃度。測試點都是在主駕駛頭部位置，對比原裝過濾器可以發現，無論在任何情況下（即使長時間處于外循環模式），龍碧納米膜過濾器汽車內PM2.5濃度都小于75μg/m³，所以要滿足我們對汽車內空氣質量的要求，只需要控制CO₂濃度就可以，即在汽車行駛的過程中汽車空調可以一直維持外循環模式。對比表5在外循環模式下兩種過濾器的一次過濾效率可以看到，龍碧納米膜過濾器一次過濾效率要遠高于原裝過濾器，因此選擇過濾性能優異的過濾器對汽車內空氣質量有重要影響。

5 結論

    本文以配有原裝過濾器的本田雅閣汽車為研究對象，控制實驗艙車外PM2.5濃度為150μg/m³，同時改變空調送風檔位，分析車內CO₂和PM2.5濃度的變化情況，以此來找到最佳的空調送風檔位，可以使PM2.5濃度在外循環模式下在75μg/m³以下，內循環模式下在35μg/m³以下。CO₂濃度在內循環模式下在1500ppm以下，外循環模式下可以降到1000ppm以下。通過實驗發現，空調檔位是1檔時可以一直保持外循環模式，不需要切換到內循環就可以滿足要求，2檔時需要在一定的時間范圍內由外循環切換到內循環才能滿足要求，而在6檔時，無論任何時候由外循環切換到內循環，都不能滿足車內質量控制要求。另外，汽車內主駕駛和副駕駛頭部位置，空調風出風口位置處CO₂和PM2.5濃度的區別主要受駕駛員和乘客呼出CO₂的影響。對比CFD結果發現，在2檔時雖然可以通過內外循環切換使主駕駛位置PM2.5及CO₂濃度滿足要求，但是在內循環階段CO₂濃度在前窗位置會過高，達到2000ppm以上，而外循環階段靠近風口的位置PM2.5濃度達到79μg/m³左右，CO₂、PM2.5濃度分布與空間位置相關性較大，因此2檔情況無法保證任意位置處能滿足車內空氣質量要求。最后由實驗得到不同性能的空調過濾器可以得到不同的車內空氣質量及不同的內外氣切換規律。

參考文獻：

      [1]    張吉洋,耿世彬. 我國大氣環境PM2.5來源、分布、危害現狀分析[J]. 潔凈與空調技術, 2014(1):45-50.
      [2]    覃輝艷, 彭曉武, 蒙智娟,等. 大氣PM2.5致人支氣管上皮細胞DNA損傷的研究[J]. 環境與健康雜志, 2012, 29(5):391-393.
      [3]    李慧, 李世雄, 張學敏,等. 車內可吸入顆粒物的研究現狀與發展趨勢[J]. 環境工程, 2015(s1):438-442.
      [4]    戴海夏, 宋偉民. 大氣PM2.5的健康影響[J]. 環境衛生學雜志, 2001, 28(5):299-303.
      [5]    楊冬冬, 趙樹云, 張華,等. 未來全球PM2.5濃度時空變化特征的模擬[J]. 中國環境科學, 2017, 37(4):1201-1212.
      [6]    Ding H, Zhang Y, Sun H, et al. Analysis of the PM2.5 Distribution and the Transfer Characteristic in a Car-Cabin [J]. Procedia Engineering, 2015, 121:875-880.
      [7]    Yu N, Shu S, Lin Y, et al. High efficiency cabin air filter in vehicles reduces drivers' roadway particulate matter exposures and associated lipid peroxidation.[J]. Plos One, 2017, 12(11):e0188498.
      [8]    潘峰. 車內可吸入顆粒物熱運動分析[D]. 吉林大學, 2009.
      [9]    王旭耀. 二氧化碳對空氣質量的影響[J]. 讀寫算:教育教學研究, 2011(17).     
      [10]    陳煥新, 黃素逸, 楊培志. 合理控制空調列車車廂內CO2濃度[J]. 建筑熱能通風空調, 2001, 20(6):32-34.
      [11]    陳煥新, 楊培志, 張春安. 空調列車車廂內CO2濃度變化率的探討[J]. 通用機械, 2002(z1):54-56.
      [12]    鄧大躍, 邵瑞婷, 陳雙基. 汽車內二氧化碳污染與通風模式[J]. 環境科學與技術, 2006, 29(11):94-95.
      [13]    環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局.環境空氣質量標準：GB3095-2012[S]. 北京：中國環境科學出版社，2012.
      [14]    國家質量監督檢驗檢疫總局衛生部，國家環境保護總局.室內空氣質量標準：GB/T 18883-2002[S]. 北京：中國標準出版社，2002:1-2.
      [15]    OpenFOAM User Guide[M]. OpenFOAM Foundation Ltd, 2017.
      [16]    王力, 秦敬軒, 潘微. 建筑物自然通風的計算機模擬研究-建筑物繞流及窗戶開度對自然通風效果的影響[J]. 建筑環境與能源, 2017,6:161-168.

      備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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