杭州龙碧科技有限公司 王琼琼 王力 潘微 秦敬轩 陈拼 张维
【摘 要】汽车内的空气品质主要由CO2和PM2.5浓度决定。本文主要以本田雅阁汽车为例，用CO2和PM2.5浓度两者为依据来衡量汽车内空气质量。调节汽车空调档位，分析在不同档位下切换内外气模式时CO2和PM2.5的浓度变化，从而找到较优的空调档位及在不同档位下内外气切换的时间点，并采用CFD（计算流体力学）模拟2档条件下内外气模式汽车内CO2、PM2.5的浓度变化及空间分布情况。通过研究发现CO2和PM2.5的聚集位置，汽车空调档位是1档时最有利于汽车内空气质量满足我们的需求。
【关键字】汽车；CO2；PM2.5；内外气切换；CFD模拟
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
由于环境问题与人类健康息息相关，环境污染问题受到了越来越多的人的关注与重视。特别是可吸入颗粒物PM2.5，由于粒径小，可通过呼吸系统进入支气管，影响在肺泡上进行氧气与二氧化碳气体的正常交换，从而引发哮喘、支气管炎甚至心血管病等多种疾病[1][2] 。
随着人们生活水平的不断提高，选择小汽车出行已经成为主流。如何保证车内相对密封的环境健康与舒适，也成为广大研究者的热点话题[3] 。由于大气环境庞大而复杂，PM2.5的来源较多，例如能源工业部门煤炭的燃烧、燃油汽车尾气的排放、金属冶炼过程中金属蒸汽的冷凝聚结及居民生活炉灶的燃烧等[4] ，因此很难在短时间内控制PM2.5的排放[5] ，所以保证车内环境的清洁只能从车子本身出发。Huifang Ding等[6]研究了车内PM2.5的分布和传送机理，发现车内外空气交换率随着驾驶速度的增大而增加，车内和车外PM2.5浓度之比在外气循环和内气循环下分别大约为0.6和0.25。N Yu和S Shu等人[7]同时监测了17辆正在行驶的出租车，表明在有高效空气过滤器的情况下，车内细颗粒物和超细颗粒物浓度相比于没有过滤器的条件下可以降低37%和47%。潘峰等[8]用试验研究了道路环境的颗粒物分布特点，并且用CFD模拟的方法分析空气流场、温度场对车内环境可吸入颗粒物热运动的作用，研究了空调工况、气流组织、送风量、过滤器效率等条件变化对颗粒物分布的影响。此外，CO2浓度也是评价车内空气质量的重要指标，若汽车内新风量不足，会让人感到不适甚至呼吸困难[9]。陈焕新等人[10][11]根据列车内CO2浓度的高低设计了一套空调通风控制系统，以此改善车厢内空气品质。邓大跃等人[12]分析了四种通风模式（关闭通风口和风扇、关闭通风口打开风扇、打开通风口关闭风扇、打开通风口和风扇）下，汽车在不同车速时车内CO2浓度的变化，发现在车速较高的情况下，四种通风模式汽车换气量都增加。
CO2和PM2.5浓度同时影响车内空气质量，然而目前大部分研究都只着重于单独考虑CO2或者PM2.5，而且同时以两者为依据对汽车空调内外循环模式调节的研究较少，从而存在对车内空气质量评价不全面、不充分的现象。
为了解决上述问题，也为了提出研究车内空气质量的另一种可行的方案，本文将车内CO2和PM2.5同时作为评价车内空气质量的指标，进行详细的实验研究，找到了不同档位下切换汽车空调内外气模式的时间点，并结合CFD模拟，对车内CO2和PM2.5的浓度分布做了分析。并且比较了不同性能过滤器对切换内外气模式的影响。本文的研究也为将来汽车内设置通过CO2和PM2.5传感器自动切换汽车内外气模式提供了实验及理论依据。
2 实验设备和装置
2.1 实验设备
实验过程中使用的设备如下：
2.2 实验装置
本实验采用本田雅阁汽车完成，汽车空调进风口配有市面上出售的原装过滤器，过滤器为全新。实验之前将汽车清理干净，关闭所有车窗。
2.2.1 车外环境及参数设置
本实验由实验舱系统完成，图1为实验舱系统示意图。实验舱尺寸为长7m、宽4m、高3m，其4个立面正中央位置分别开有一个小孔，顶部开有两个小孔，用来引进PM2.5颗粒。图1左边示意图为气溶胶发生装置，用来发生气溶胶，作为实验用PM2.5。实验舱侧面开有一个小门，方便实验员进出，顶部装有两个吊扇，对舱内气溶胶进行搅拌。实验舱内配有净化机，用来去除舱内颗粒物。汽车由实验舱大门进入，在实验过程中，大门处于关闭密封状态。
近几年，中国大部分地区空气质量最差的月份是1月，2016年-2018年1月份PM2.5日平均浓度可以达到140-170μg/m3，因此，为了模拟全年空气质量较差的一天，本文在实验过程中，保持实验舱内气溶胶浓度稳定在150μg/m3的5%的范围内，舱内温度是10℃，湿度是50%HR。在距离汽车空调进风口30cm的位置设有一个采样点，用CO2检测仪、粉尘仪、温湿度计监测空调进风口的CO2浓度、PM2.5浓度及温湿度。
2.2.2 车内环境及参数设置
为了集中研究在切换空调档位下CO2和PM2.5浓度分布，本次实验在固定的FACE（吹脸）模式下，仅调节空调送风口的档位即风量，不调节制冷制热工况，汽车空调在仪表台上有4个送风口。实验过程中，车内有2名乘客，一名女生，一名男生，使测试更接近于实际生活。汽车内配有一台净化机，同样在实验开始前用来去除汽车内背景颗粒物。
车内设有3个采样点，即主驾驶头部位置、副驾驶头部位置和空调送风出口位置，分别安装有CO2检测仪、粉尘仪、温湿度计，可以在实验过程中，同时监测车内3个位置处CO2浓度、PM2.5浓度和温湿度。
根据《环境空气质量标准》[13]，24小时PM2.5的平均浓度的一级标准是35μg/m3，二级标准是75μg/m3。因此，本文中规定将汽车内PM2.5浓度限定为：空调外循环模式满足二级标准（75μg/m3），内循环模式满足一级标准（35μg/m3）。另外在《室内空气质量标准》 [14] 中，CO2浓度的日平均限值是1000ppm，且当超过1500ppm时，人的呼吸会变得急促，会产生轻度头疼。因此本研究将CO2浓度限定在空调外循环模式条件下满足1000ppm以下，空调内循环条件下满足1500ppm以下，CO2和PM2.5浓度限值列于表2中。
3 实验方法
3.1 实验前处理
将汽车开进实验舱内，开启车内外CO2检测仪、粉尘仪、温湿度计。CO2检测仪和粉尘仪都是一秒钟记录一个数据。密封实验舱大门和小门，同时开启实验舱及汽车内空气净化机，使实验舱和汽车内的PM2.5背景浓度降为0。
3.2 实验过程
两名实验员从实验舱小门进入，并关闭小门，然后进入车内，分别坐于汽车主驾驶和副驾驶位置，关紧车门。调节汽车空调为FACE模式，开始实验。
阶段一：风量调节为1档，并且开启内循环模式。此时通过向实验舱内充气溶胶使舱内PM2.5浓度稳定在143-157μg/m3。而随着时间增长，车内PM2.5浓度保持为0，CO2浓度逐渐上升，直到CO2浓度上升到1500ppm。
阶段二：空调系统由内循环模式切换为外循环模式。在外循环模式下，随着时间增长，车内PM2.5浓度升高，而CO2浓度降低，直到汽车内PM2.5浓度稳定在最大值30秒。
阶段三：重复阶段一操作，将空调切换到内循环模式，此时，PM2.5浓度下降，CO2浓度上升。直到CO2浓度再次上升到1500ppm。
阶段四：重复阶段二操作，空调系统由内循环模式再次切换到外循环模式，使PM2.5浓度上升，CO2浓度下降。
依次改变空调风量为2档-7档，重复以上实验。
4 实验结果分析
4.1 同一位置不同档位CO2和PM2.5浓度的比较
本文选取了具有代表性的汽车档位来进行分析，分别是1档、2档和6档。为了同时考虑CO2和PM2.5浓度对车内空气质量的影响，选取主驾驶头部位置，监测CO2和PM2.5浓度，从而找到合适的空调档位，在合理进行内外气切换的条件下，可以保证PM2.5和CO2浓度满足表2所列的限值。主驾驶位置，1档、2档和6档的CO2和PM2.5浓度随时间的变化曲线列于图2。
图2中，横坐标代表实验时间，主纵坐标代表CO2浓度，次纵坐标代表PM2.5浓度，曲线A、B、C分别是CO2在1、2、6档的浓度变化曲线，曲线a、b、c是PM2.5在1、2、6档的浓度变化曲线。阶段一和阶段二分别是汽车空调第一次内循环和外循环模式，由于阶段三、四是验证实验的重复性，在图中没有标出。
从图2中可以看出车内PM2.5和CO2变化的总体趋势。在内循环模式下，PM2.5浓度维持在0，而CO2浓度则随着两名实验员在密闭汽车内的呼吸逐渐增多，在大约330s后，达到了1500ppm左右。外循环模式下，汽车内外进行空气交换，PM2.5经过空调过滤器，其中一部分被过滤器过滤掉，而另一部分进入车内，使车内PM2.5浓度升高，同时车内高浓度的CO2经过汽车排气孔排到车外，浓度下降。
图2中1档情况下，对比CO2和PM2.5浓度曲线发现，汽车空调外循环模式下，CO2浓度可以降到1000ppm以下，而且PM2.5浓度低于74μg/m3。因此，在空调档位是1档时，一直开外循环模式就可以满足对CO2和PM2.5浓度的要求。比较图中2档情况，外循环模式下，t=410s时，CO2浓度从1500ppm降到了1000ppm，此时PM2.5浓度是68μg/m3，并未超过75μg/m3，但在t=480s时PM2.5浓度达到了75μg/m3，由此可以得出，在2档外循环情况下，在410s~480s时间段内，可以保证CO2和PM2.5浓度分别在1000ppm和75μg/m3以下，此时若由外循环切换到内循环模式，也可以满足对CO2和PM2.5浓度要求。但是在6档情况下，当t=360s时，CO2浓度降到了1000ppm，这时PM2.5浓度已经达到了81μg/m3，因此，当空调档位是6档时，外循环模式下，无法达到CO2和PM2.5浓度分别在1000ppm和75μg/m3以下。
另外，对比图2中3个档位阶段二的时间长短，可以得到不同档位CO2和PM2.5浓度的变化速度，在外循环模式下，CO2浓度从1500ppm降到1000ppm，1档，2档和6档分别用时210s，80s，30s，而且，PM2.5浓度上升的速度也是6档＞2档＞1档。从表3可知，风量6档远远大于2档、1档，从图2中也可看出风量越大，CO2和PM2.5浓度变化越快。在外循环模式下，PM2.5浓度在1档、2档、6档条件下，可以达到的最大浓度分别是74μg/m3、79μg/m3、90μg/m3，可见风量越大，粉尘被过滤器滤掉的比例越小，过滤器的一次过滤效率越低。
4.2 同一档位不同位置CO2和PM2.5浓度的比较
为了比较汽车内不同位置的空气质量，本文也详细分析了车内多个位置CO2和PM2.5的监测数据，由于每个档位不同位置的变化规律类似，我们仅以2档为例来进行分析说明。我们分别对主驾驶头部位置、副驾驶头部位置和空调新风出风口位置同时监测了CO2和PM2.5浓度的变化，结果如图3。
图3中，曲线A、B、C分别是CO2在主驾驶头部位置、副驾驶头部位置、空调出风口位置的浓度变化曲线，曲线a、b、c是PM2.5在主驾驶头部位置、副驾驶头部位置、空调出风口位置的浓度变化曲线。从图中可以看出，CO2浓度在主驾驶和副驾驶头部位置变化基本一样，这是由于它两处于对称位置。而空调出风口处，在外循环模式下，由于实验员距离风口处较远，且有车外风送到汽车内，所以实验员呼出的CO2很难到达风口位置，使风口CO2浓度在外循环下可以降低到和车外浓度基本一致。在内循环模式下，实验员呼出的CO2在空调内循环风的作用下可以很快到达送风口处，所以呈现出三个位置的CO2浓度曲线重叠。PM2.5浓度由于不受人的影响，且主驾驶和副驾驶位置在新风口风速方向上，因此三者在内外循环模式下都基本呈现一致现象。
为了详细分析不同位置处的CO2与PM2.5浓度分布，本研究采用CFD技术(OpenFOAM开源计算软件[15] )对二档的工况进行了模拟，其中几何模型如图4所示:
图4的管道内部添加了如图中红色区域内所示的内部面，在内循环模式下为循环边界条件:速度、紊流能量、紊流耗散率、CO2设置为周期边界；PM2.5设置为净化边界（根据实验测得的净化效率得到）；压力设置为循环增压边界，内部面在外循环模式下为壁面边界条件。蓝色区域为外部进风口，在内循环模式下为壁面边界条件，在内循环模式下为PM2.5进口，进口处PM2.5根据实验值得到,外循环进口风量为120m3/h。具体如图5所示，利用改变不同边界条件，来模拟内循环、外循环的切换。同时为了与实验对比选取图4右所示观测点(红色位置)，位于主驾驶右侧位置。
计算采用RNG k-ε紊流模型。非稳态项为隐式推进格式，对流项为二阶迎风格式，扩散项为中心差分格式。进口处的紊流能量、紊流耗散率根据5%的脉动强度得到，计算方法如文献16中所述。
车内人口呼吸源项的速度根据人每次呼吸气体体积500mL、1分钟呼吸15次计算得到（
）。CO2呼出浓度根据每人在中等运动强度下每小时生成CO2体积为0.041m3计算得到(
)。
外循环风量是根据表三中2档总风量为120m3/h得到的，内循环压力梯度设置为测量值1.5Pa，不同模式下空调出风口截面速度相同，如图6所示。
计算得到CO2、PM2.5浓度随时间变化如图7所示，其中红点图为主驾驶位置实验测得CO2浓度随时间的变化曲线，黑色点线图为模拟结果在主驾驶位置CO2浓度随时间的变化曲线，蓝点图为主驾驶位置实验测得PM2.5浓度随时间的变化曲线，绿色实线图为模拟结果在主驾驶位置PM2.5浓度随时间的变化曲线。如图7所示内循环(阶段1过程)的CFD模拟与实验吻合的较好，这一阶段汽车处于内循环过程，CO2由人体呼吸产生，因此在人体呼出位置前方产生聚集，图8(a,b)为阶段1结束时(320s)主驾驶及空调进风口截面CO2浓度分布，此时主驾驶位置CO2浓度达到1500ppm，而在前挡风玻璃附近存在聚集现象，浓度达到2000ppm以上，后座部分由于没有乘员，浓度较低。
在主驾驶位置CO2浓度达到1500ppm以上后，空调改为外循环模式(阶段2)，此时CO2浓度迅速下降，而PM2.5也迅速上升。在图7中实验值CO2浓度下降的时间更长，这是因为实验中内外气的切换需要一定的时间，因此图7中实验的CO2浓度下降时间更长，CO2浓度能下降的更低。图9(a,b)为阶段2结束时CO2浓度分布，此时主驾驶位置CO2浓度为850ppm左右。虽然存在人的呼吸作用，但是由于新风进入，CO2浓度很快下降。
在开启外气达到150s后开启内循环(阶段3)，此时主驾驶位置PM2.5浓度为75μg/m3，如图10所示。在第三阶段，CFD模拟中按照52%的净化效率进行净化，因此PM2.5很快得到净化，如图7中第3阶段模拟所示PM2.5浓度下降的很快。另外在4.3小节所述，PM2.5的过滤效率对于车内PM2.5浓度的影响很大，而实际中过滤器的净化效率与车内浓度为线形关系，因此实验中车内PM2.5浓度与模拟相比下降的更为平滑。CO2浓度和实验值相比，因第2阶段结束时CO2浓度偏高，作为第3阶段初始状态浓度更高，使模拟结果大于实验值，但CO2浓度增加的趋势与实验值一致。
基于上述讨论可知，通过CFD模拟能得到跟实验较符合的结果，且通过模拟能直观的看到车内各点在不同时间不同内外循环模式下的CO2和PM2.5浓度变化规律。将实验与模拟技术相结合，为科学研究提供了更加准确和全面的分析手段。
4.3 不同过滤器同一档位CO2和PM2.5浓度的比较
为了验证不同汽车过滤器对内外气切换后车内空气质量的影响，将本田雅阁汽车原装的过滤器更换为尺寸及折数一样的纳米膜制作的过滤器（龙碧科技自主研发）进行实验，两种过滤器的性能比较如表4，可见两种过滤器的阻力几乎一样。
龙碧纳米膜过滤器的CO2和PM2.5浓度变化与原装过滤器比较，结果如图12，汽车空调档位都是6档，A、a分别是龙碧纳米膜过滤器条件下CO2和PM2.5浓度，B、b分别是原装过滤器条件下CO2和PM2.5浓度。测试点都是在主驾驶头部位置，对比原装过滤器可以发现，无论在任何情况下（即使长时间处于外循环模式），龙碧纳米膜过滤器汽车内PM2.5浓度都小于75μg/m3，所以要满足我们对汽车内空气质量的要求，只需要控制CO2浓度就可以，即在汽车行驶的过程中汽车空调可以一直维持外循环模式。对比表5在外循环模式下两种过滤器的一次过滤效率可以看到，龙碧纳米膜过滤器一次过滤效率要远高于原装过滤器，因此选择过滤性能优异的过滤器对汽车内空气质量有重要影响。
5 结论
本文以配有原装过滤器的本田雅阁汽车为研究对象，控制实验舱车外PM2.5浓度为150μg/m3，同时改变空调送风档位，分析车内CO2和PM2.5浓度的变化情况，以此来找到最佳的空调送风档位，可以使PM2.5浓度在外循环模式下在75μg/m3以下，内循环模式下在35μg/m3以下。CO2浓度在内循环模式下在1500ppm以下，外循环模式下可以降到1000ppm以下。通过实验发现，空调档位是1档时可以一直保持外循环模式，不需要切换到内循环就可以满足要求，2档时需要在一定的时间范围内由外循环切换到内循环才能满足要求，而在6档时，无论任何时候由外循环切换到内循环，都不能满足车内质量控制要求。另外，汽车内主驾驶和副驾驶头部位置，空调风出风口位置处CO2和PM2.5浓度的区别主要受驾驶员和乘客呼出CO2的影响。对比CFD结果发现，在2档时虽然可以通过内外循环切换使主驾驶位置PM2.5及CO2浓度满足要求，但是在内循环阶段CO2浓度在前窗位置会过高，达到2000ppm以上，而外循环阶段靠近风口的位置PM2.5浓度达到79μg/m3左右，CO2、PM2.5浓度分布与空间位置相关性较大，因此2档情况无法保证任意位置处能满足车内空气质量要求。最后由实验得到不同性能的空调过滤器可以得到不同的车内空气质量及不同的内外气切换规律。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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