不同測試環境對車內空氣質量水平的影響研究

張 凡，王建海，田冬蓮

(中國汽車技術研究中心 天津300162)

不同測試環境對車內空氣質量水平的影響研究

張 凡，王建海，田冬蓮

(中國汽車技術研究中心 天津300162)

通過在蒸發密閉艙、環境模擬艙和真實環境中的靜置試驗，以及在高速公路和市區路段實際道路上進行的動態試驗，定量研究了在不同測試環境下環境本底濃度、環境溫度和車輛通風模式等因素對車內空氣質量水平的影響。

輕型汽車 車內空氣質量 通風模式 測試環境 環境本底濃度

0 引 言

隨著汽車進入家庭步伐的加快，車內的空氣質量越來越受到人們的重視。國家質檢總局在 2013年的汽車產品缺陷信息投訴情況中通報，車內異味和空氣污染已成為車主投訴的典型問題之一。車內空氣中含有的甲醛、乙醛、苯、甲苯等物質會對人體健康產生一定的危害[1-2]，其來源主要有兩方面：一是汽車皮革、橡膠內飾和零部件材料中使用的粘合劑、有機溶劑等揮發性成分在車內空間的釋放；二是自身和周邊汽車的尾氣排放進入車內空間，惡化車內空氣的質量水平。[3-4]

2012年3月1 日，我國開始實施GB/T 27630-2011《乘用車內空氣質量評價指南》的推薦性標準，測試環境和采樣方法主要引用了HJ/T 400-2007《車內揮發性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》，[5]適用于在常溫和背景濃度較低的環境下，車輛處于靜止狀態時車內揮發性有機物和醛酮類物質的采樣與測量。但是，汽車大部分時間是處于發動機運行、車內空氣溫度隨環境變化的動態條件下，汽車在靜止狀態常溫環境下的車內空氣污染物測量并不能充分反應汽車在真實環境下的車內空氣質量。環境溫度、背景濃度和通風模式等因素都會對車內空氣的質量水平產生一定的影響。[6-8]因此，開展在不同測試環境下輕型車內空氣質量水平的測試研究工作十分必要。

本文通過在蒸發密閉艙、環境模擬艙和真實環境中的靜置試驗，以及在實際道路上進行的動態試驗，對比分析了汽車在不同測試環境中車內空氣污染物水平的變化情況，定量研究了環境本底濃度、環境溫度和車輛通風模式等因素對車內空氣質量水平的影響。

1 測試環境和試驗方法

本研究的測試環境分為靜態和動態兩方面，靜態的測試環境包括恒定溫度的蒸發密閉艙和環境模擬艙，以及晝夜溫度變化的真實環境。動態的測試環境是指在不同道路狀況和環境本底濃度下的實際道路，包括高速公路和市區路段。

1.1 試驗車輛

本研究使用的試驗車輛為 4輛在中國市場上常見的在用車，車系、使用時間、里程和價位等相關參數如表 1所示，其中 2#和 3#車為同型同款的汽車，只是使用時間和里程相差了一倍。

表1 試驗車輛相關參數Tab.1 Specifications of vehicles under test

1.2 靜態測試環境試驗

本試驗使用 1#～4#車分別在蒸發密閉艙和環境模擬艙中，依據 HJ/T 400-2007《車內揮發性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》，進行了常溫靜止狀態4輛汽車的車內空氣污染物水平測試。試驗中分別測量了汽車在兩種艙內靜置 16,h、19,h和 22,h后的車內空氣污染物水平，研究了蒸發艙和環境艙兩種不同的環境本底濃度對車內空氣質量的影響。蒸發密閉艙和環境模擬艙的相關參數對比如表 2所示。在試驗過程中，蒸發密閉艙和環境模擬艙內的環境溫度一直控制在(25±1),℃。

表2 蒸發密閉艙和環境模擬艙的參數對比Tab.2 Specification contrast between the evaporative sealed housing and the environment simulation cabin

為了考察環境溫度對車內空氣污染物水平的影響，本試驗使用 2#和 4#車在露天空曠的真實環境中進行了靜置試驗。試驗中2#和4#汽車從下午5點開始靜置，所有門窗都關閉，分別在第二天 9點、12點和 15點測量車內的空氣污染物水平。真實環境的靜置試驗分別在一個陽光充足的晴天和一個溫度較低的陰天進行，并與環境艙內的恒溫靜置試驗對比，研究了不同的環境溫度對車內空氣質量的影響。

1.3 動態測試環境試驗

本試驗使用2#和3#車分別在典型高速公路和市區路段上進行了實際道路的動態試驗。試驗中首先將被測車輛在地下停車場同一位置靜置 16,h(門窗關閉)，然后開車進入被測路段，打開內循環模式，風量開到最大，測試30,min車內空氣污染物的平均水平。讓車輛在同一路段繼續行駛，將通風模式切換為外循環，保持最大風量，采樣 30,min，測試在外循環模式下車內空氣的質量水平。同時，被測道路的環境本底濃度也通過同樣的采樣方式被記錄下來。試驗分別在空氣良好和中度污染兩種不同的天氣環境中進行。

2 采樣設備和分析儀器

本試驗依據HJ/T 400-2007《車內揮發性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》進行了車內空氣污染物的采樣和分析。試驗中使用 DNPH吸附柱和TENAX-TA吸附管進行吸附采樣，然后使用高效液相色譜方法和氣相色譜-質譜聯用方法分析樣品中的甲醛、乙醛、苯、甲苯、乙苯等成分，獲得車內空氣的污染物水平。

2.1 采樣設備

本試驗使用美國 WATERS公司的固相萃取柱(型號 WAT037500，吸附劑 350,mg/柱)吸附車內空氣中的醛酮物質；使用美國 CAMSCO公司的熱解析管(型號TENAX-TA 60/80)采集車內空氣中的揮發性有機化合物。

本試驗在采樣過程中使用美國 SKC公司的PCXR8型氣體采樣泵進行樣品采集，使用SKC公司的 DEFENDER717-510M 型干式氣體流量計對試驗中的采樣流量進行測量。試驗中通過DNPH吸附柱和TENAX-TA吸附管的采樣流量分別約為350,mL/min和 150,mL/min。

本試驗使用綠林創新公司的 LD-5C(B)型粉塵儀對車內外空氣的顆粒物濃度直接進行了測量。該儀器采用光散射原理實現空氣中可吸入顆粒物濃度的快速測定，可直讀質量濃度單位為 mg/m3，檢測靈敏度為 0.001,mg/m3，測量范圍為 0.001～10,mg/m3。本試驗使用PM,2.5的切割器。

2.2 分析儀器

本試驗在固相萃取裝置上使用乙腈逐滴洗脫2,4-DNPH吸附柱，并將樣品溶液送入高效液相色譜儀進行分析，獲取樣品中醛酮類污染物的排放值。高效液相色譜儀技術條件如表3所示。

表3 高效液相色譜儀技術條件Tab.3 Technical parameters of HPLC

本試驗將TENAX-TA吸附管放于熱解析儀裝置上進行二次熱解析，并將解析產生的樣品氣體送入氣相色譜-質譜聯用儀進行分析，獲取揮發性有機化合物的排放值。氣相色譜-質譜聯用儀技術條件見表4。

表4 氣相色譜-質譜聯用儀技術條件Tab.4 Technical parameters of GC-MS

3 測試結果及分析

根據高效液相色譜儀、氣相色譜-質譜聯用儀和粉塵儀得到的測試結果，可以分析環境本底濃度(蒸發艙和環境艙對比)、環境溫度(環境艙常溫、室外晴天和室外陰天對比)和通風模式(內循環和外循環對比)對車內污染物(甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、PM2.5)水平的影響。

3.1 環境本底濃度對車內空氣質量的影響

以環境艙和蒸發艙沒有車輛時和放置 1#車 16,h后測得的環境空氣濃度為例，本試驗探討了同一輛汽車在環境艙和蒸發艙靜置時環境本底濃度的對比，如圖1所示。

從圖1中可以看出，環境艙和蒸發艙沒有放置車輛時，蒸發艙內空氣中的污染物水平略高于環境艙，其中蒸發艙的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯濃度分別是環境艙的107%、112%、113%、114%、116%和99%。當放置1#車16,h后，由于蒸發艙的體積小于環境艙，而蒸發艙是密閉的，環境艙具有通風性能，因此蒸發艙環境本底濃度的增加量遠大于環境艙，特別是單環芳香烴 BTEX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯)，其中蒸發艙內空氣中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯濃度分別是環境艙的 110%、131%、129%、3.2倍、2.1倍和8.7倍。

圖1 環境艙和蒸發艙的環境本底濃度對比Fig.1 Background concentration contrast between the evaporative sealed housing and the environment simulation cabin

圖 2給出了1#車分別在環境艙和蒸發艙靜置16,h后的車內空氣污染物水平。從圖中可以看出，車輛位于環境本底濃度較高的蒸發艙時，車內的空氣污染物水平也要高于車輛位于環境艙時，其中蒸發艙車內空氣中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯濃度分別是環境艙的 101%、109%、104%、10.4倍、2.5倍和16.7倍。試驗結果說明，較高的環境本底濃度會增加車內空氣的污染物水平，特別是BTEX濃度。

圖2 環境本底濃度對1#車輛車內空氣質量的影響Fig.2 Effects of background concentration on vehicle 1#interior air quality

試驗中對比了 1#～4#車分別靜置在環境艙 16,h后艙內的環境本底濃度，如圖 3所示。4輛汽車靜置在環境艙時，艙內空氣污染物的水平基本相同，環境艙的環境本底濃度具有較好的一致性。

圖3 不同車在環境艙的環境本底濃度對比Fig.3 Background concentrations of different vehicles in the environment simulation cabin

圖4分別給出了1#～4#車靜置在環境艙16,h后車內空氣的污染物水平。從圖中可以看出，靜置在相同環境本底濃度的環境艙時，4輛汽車的車內空氣質量水平差異較大。雖然環境本底濃度會影響車內空氣的污染物水平，但是起決定作用的還是汽車內部自身的污染物揮發水平。以 2#和 3#車的試驗結果為例，兩輛汽車的型號完全相同，但是 2#車輛的使用時間和行駛里程約為3#車的50%。試驗結果表明，2#車的車內空氣污染物水平要遠高于 3#車，其中 2#車內空氣中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯濃度分別是 3#車的 1.9倍、1.6倍、2.8倍、1.5倍、1.8倍和2.3倍。

圖4 不同車在環境艙的車內空氣污染物水平對比Fig.4 Interior air pollutant concentrations of different vehicles in the environment simulation cabin

3.2 環境溫度對車內空氣質量的影響

本試驗分別在晴天的室外、陰天的室外和恒溫25,℃的環境艙內進行了為期 22,h(傍晚 17點到第 2天 15點)的靜置試驗。2#車在不同測試環境下環境溫度隨靜置時間變化的情況如圖5所示。

圖5 在不同測試環境下環境溫度隨靜置時間的變化Fig.5 Variation of environmental temperaturesalong with parking time under different test environments

從靜置16,h(第2天9點)開始，隨著陽光照射的影響，室外的環境溫度逐漸增加，在靜置 22,h后(第二天 15點)環境溫度達到最高。由于晴天的陽光照射強度大于陰天，因此晴天室外的環境溫度上升速率要高于陰天。晴天室外和陰天室外的最高溫度分別為 40.3,℃和 36.6,℃。

圖6 在不同測試環境下車內空氣質量隨靜置時間的變化Fig.6 Variations of in-car air quality along withparking time under different test environments

圖 6(a)～(h)分別給出了在環境艙、室外(陰天)和室外(晴天)3種不同測試環境下車內空氣中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯和苯乙烯濃度隨靜置時間變化的情況。

從圖中可以看出，在3種測試環境下車內空氣中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯和苯乙烯濃度都隨著車輛靜置時間的增加而增加，但是在室外條件下，由于環境溫度的不斷增加，車內空氣污染物水平的增加速率要高于在恒溫環境艙條件下。例如，在環境艙條件下，22,h時車內空氣中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯濃度分別是 16,h時的1.5倍、1.1倍、1.2倍、1.4倍、1.1倍和1.3倍。與此相比，在室外(晴天)條件下，這 6種車內空氣污染物在22,h時的水平分別是16,h時的1.6倍、2.3倍、2.2倍、1.7倍、1.5倍和1.8倍，濃度變化率顯著提高。

此外，由于在室外(晴天)條件下環境溫度要高于室外(陰天)條件，因此室外(晴天)的車內空氣污染物水平略高于室外(陰天)時。在室外(晴天)條件下車內空氣的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯最高濃度分別是在環境艙條件下的 2.2倍、1.3倍、1.7倍、1.2倍、1.4倍和1.3倍，而這6種車內空氣污染物在室外(陰天)與環境艙條件下的比值分別下降為1.9倍、1.1倍、1.1倍、1.1倍、1.2倍和、1.3倍。試驗結果說明，隨著陽光照射的直接作用，環境溫度的增加會促使車內材料釋放出更多的揮發性成分，惡化車內的空氣質量水平。隨著天氣條件的變化，車內空氣污染物水平的增加率取決于陽光照射強度。

3.3 通風模式對車內空氣質量的影響

本試驗在空氣良好和中度污染的天氣條件下分別在高速公路和市區路段進行了動態測試環境的試驗。圖 7(a)～(h)分別給出了 2#車使用內循環(最大風量)和外循環(最大風量)通風模式時車內空氣中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯和 PM2.5濃度水平，并與車外大氣中的環境本底濃度進行了對比。

從圖 7(h)可以看出，在空氣良好的市區路段和高速公路的環境空氣中 PM2.5濃度基本相同，約為50,μg/m3，而在中度污染的天氣條件下高速公路和市區路段的 PM2.5環境本底濃度分別為空氣良好時的2.0倍和3.1倍。當車輛處于內循環通風模式時，無論是在空氣良好還是中度污染的天氣條件下，由于車輛的密閉性較好，在高速公路和市區路段兩種道路狀況下車內空氣的 PM2.5濃度都保持在相同的水平，約為 40,μg/m3。而在打開外循環通風模式時，車外的環境空氣會有一部分進入車內，造成車內空氣的PM2.5濃度增加。因此汽車位于外循環通風模式時，車內空氣的 PM2.5濃度要大于內循環通風模式時，但要小于車外空氣的環境本底濃度。在空氣良好時高速公路和市區路況的車內空氣(外循環)PM2.5濃度都上升到 45,μg/m3左右，而在中度污染的天氣條件下，高速公路和市區路況的車內空氣(外循環)PM2.5濃度分別為空氣良好時的120%和141%，增加比例要遠小于車外空氣的 PM2.5濃度變化量。這是因為車外空氣進入車內時，空氣中的顆粒物會被空調濾芯過濾掉一部分，造成了外循環通風模式時車內空氣的PM2.5濃度變化量小于車外環境空氣的變化。

圖 7(a)～(g)給出了通風模式對車內空氣中醛酮類污染物和BTEX濃度的影響。試驗結果表明，在高速公路上，汽車位于內循環通風模式時，由于汽車自身的內飾揮發出有害污染物，車內空氣中的醛酮類污染物和 BTEX濃度要高于車外空氣的環境本底濃度。當通風模式轉換為外循環時，經過車外空氣的稀釋，車內空氣的醛酮類污染物和 BTEX濃度均有一定程度的降低。以天氣良好的高速公路試驗結果為例，內循環時車內空氣的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯濃度分別為環境本底濃度的1.6倍、1.6倍、1.9倍、2.2倍、4.1倍和1.3倍，而外循環時這6種車內空氣污染物濃度分別降低為車外空氣的 1.2倍、1.1倍、1.4倍、1.4倍、2.6倍和 1.1倍。此外，在高速公路上，中度污染天氣時的車內空氣醛酮類污染物和BTEX濃度一般略高于天氣良好時。

圖7 通風模式對車內空氣污染物水平的影響Fig.7 Effects of ventilation mode on in-car air pollutant concentrations

在汽車位于市區路況時，天氣條件(空氣良好和中度污染)對車內空氣污染物水平的影響沒有明顯規律，而通風模式的影響規律則取決于市區汽車尾氣排放所生成的環境本底濃度。當車外空氣的環境本底濃度較高時，外循環通風模式時的車內空氣污染物水平要小于環境本底濃度，而內循環時的車內空氣濃度最小，例如甲醛、丙酮和二甲苯等污染物。當車外空氣的環境本底濃度較低時，則呈現相反的規律：車內空氣(內循環)＞車內空氣(外循環)＞車外空氣，如乙醛、苯和甲苯等污染物。以中度污染的市區路段試驗結果為例，車內空氣(內循環)的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯濃度分別為環境本底濃度的 79%、126%、91%、212%、178%和 76%，而外循環時這 6種車內空氣污染物濃度分別變化為車外空氣的 85%、115%、87%、144%、115%和87%。

4 結 論

通過以上測試可以得出，較高的環境本底濃度會增加車內空氣的污染物水平，特別是BTEX濃度。在室外條件下，由于環境溫度的不斷增加，車內空氣污染物水平的增加速率要高于在恒溫環境艙條件下車內空氣污染物水平，并且其增加率取決于陽光照射強度。PM2.5濃度的變化規律為：車內空氣(內循環)＜車內空氣(外循環)＜環境本底濃度。外循環模式時車內空氣的 PM2.5濃度變化量小于車外環境變化，而內循環時的 PM2.5濃度基本保持不變。在高速公路上，醛酮類污染物和 BTEX濃度的變化規律為：車內空氣(內循環)＞車內空氣(外循環)＞環境本底濃度。在市區路況時通風模式的影響規律取決于汽車尾氣排放生成的環境本底濃度。

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Effects of Different Test Environments on In-car Air Quality

ZHANG Fan，WANG Jianhai，TIAN Donglian
(China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300162，China)

In the paper，both static tests in an evaporative sealed housing，an environment simulation cabin and a true environment and dynamic tests on a highway and an urban real road were carried out. The influences of environment background concentration，environmental temperature and vehicle ventilation mode on the in-car air quality level were quantitatively researched under different test environments.

light-duty vehicle；in-car air quality；ventilation mode；test environment；environment background concentration

X511

A

1006-8945(2014)11-0049-07

2014-10-10