負離子發生器車內微顆粒凈化效率研究

謝瓊丹 黃英凡

摘 要：由于汽車的普及，車內的空氣質量引發消費者越來越多的關注。糟糕的車內空氣質量會增大人們罹患某種特定疾病的概率，因此控制與減少車內空氣污染成為汽車生產設計商所追求的目標。微顆粒污染物，即PM2.5是車內空氣污染物的重要來源之一。負離子因能有效沉降空氣中的微顆粒，成為車內快速去除微顆粒污染的重要手段。在文章中，我們通過在車內進行微顆粒沉降實驗，記錄微顆粒物濃度在負離子儀以及車內空調內/外循環凈化模式下的變化，并通過SPSS與MATLAB對污染物濃度進行數學建模分析。結果表明：單獨使用負離子儀器并無法有效降低車內空氣的顆粒濃度，而必須配合車內空氣循環系統。在負離子作用下，結合車內空氣循環系統，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。

關鍵詞：負離子;車內凈化;PM2.5;微顆粒

中圖分類號：X513 ?文獻標識碼：B ?文章編號：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

空氣動力學直徑小于等于 2.5 微米的顆粒物，能較長時間懸浮于空氣中，含量濃度越高，空氣污染越嚴重。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，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空氣污染物之一，主要來源于司乘人員抽煙行為和戶外污染。[1]負離子能有效的沉降空氣中的微粒污染物，且硬件成本低廉，得到了廣泛應用，例如在空調及新風系統過濾器就普遍使用負離子儀;甚至有空氣凈化儀器完全不用濾棉，而僅依靠負離子來沉降顆粒。[2]為了凈化車內空氣，負離子發生器與空氣過濾器結合的空氣處理設備也出現在現代汽車的設計中[3，4];例如吉利汽車中的繽瑞系列的空氣循環系統就安裝了負離子儀?？諝膺^濾器配合上負離子對空氣中的微顆粒物的聚集和沉降作用，使車內的可吸入微顆粒物濃度迅速下降，并在很短的時間內達到車內空氣優良狀態。為了應對很多城市出現的PM2.5污染，在新上市的一些車型的空氣循環系統配置了負離子發生器。這個設計在很大程度上改善了乘車人與駕駛人的乘車環境;即使在戶外高度污染的情況下也能給乘車人與駕駛人一個舒適健康的空氣環境[4]。而且依據研究，負離子也廣泛存在于自然狀態，并對人體有其他有益的功效。[5，6]

負離子發生器的工作原理是把輸入的直流電壓通過電路處理變成負高壓，再經過導電尖端，比如炭纖維或者金屬尖端等進行空氣擊穿放電。處于放電尖端的空氣被快速的電離，產生正電荷和負電子;正電荷吸附于負高壓電極端，而電子被負電壓排斥，并被空氣中的分子吸附形成負離子。在負高壓電場的作用下，負離子形成離子風。負離子與空氣中的微顆粒相結合，引起微顆粒團聚并沉降或者吸附于低電勢的物體上，如接地的窗戶或者接地電器表面。[7]由于空氣過濾棉過濾大顆粒的污染物效率更高，負離子儀與過濾棉的配合能有效提高空氣過濾器的效率。雖然負離子已經應用于汽車的空氣處理，但是如何科學的應用負離子進行車內空氣凈化;負離子的凈化效率以及如何與車內空氣循環系統相互配合等問題仍需要進一步的研究。本文作者通過對比實驗，研究負離子技術在汽車內部空氣處理中不同空氣循環狀況下的應用效率。實驗研究內容包括以下兩個部分：

（1）在無負離子的情況下，汽車空氣內循環和外循環凈化模式對微顆粒凈化速率的影響。內循環狀態是指關閉了車內外的氣流通道，形成車輛內部的氣流循環。外循環狀態是利用風機將車外的空氣抽吸到車內，將車內外空氣進行置換。 這部分實驗主要分析內/外空氣循環模式情況下空氣中的顆粒濃度減少速度并進行數學模型擬合。針對目前未配置負離子技術車型，這部分實驗結果對指導司乘人員處理未配置負離子儀的車內顆粒污染有指導意義，結果也作為配置負離子儀的車內空氣凈化效率的對比？

（2）在戶外空氣高度污染的情況下，只能通過車內內部循環來過濾凈化車內空氣。因此第二部分實驗模擬車內通過空氣內循環系統配合負離子儀進行空氣粒子凈化，分析內循環模式下不同的空氣流速對污染顆粒濃度降低速影響并進行數學模型擬合，并對比僅開負離子儀，車內空氣污染顆粒的濃度變化情況。

實驗設計：在一輛豐田凱美瑞2012款車內通過燃燒香煙來人為模擬顆粒性污染。這個模擬方法有實際的意義，因為車內的顆粒污染物通常來源于司乘人員的抽煙行為。先使微顆粒濃度達到一定值，濃度的監測采用粒子計數儀，并選取PM2.5中顆粒粒度最小的PM0.5～PM1.0來進行顆粒濃度監測。PM0.5～PM1.0對人體傷害相比于PM2.5中粒徑更大的微粒更大，同時對于負離子的團聚作用敏感，因此我們利用顆粒計數器來跟蹤這部分污染性顆粒的濃度變化。先將車內空氣中PM0.5～PM1.0的微顆粒數量達到25000（顆粒計數儀數值），然后開始凈化程序并監控顆粒濃度隨著時間的變化。 所用的負離子發生儀為外置的負離子小功率負離子發生儀（<0.5 W，輸出電壓：～8 KV）;置于汽車駕駛艙內的中部;而粒子計數器置于駕駛艙的擋位手柄處。微顆粒濃度變化以相對于起始濃度百分比來表示，因此初始的相對粒子濃度為1.0。

1 無負離子條件下汽車空氣循環顆粒凈化效率

1.1 無負離子/內循環的微粒凈化效率

1.1.1 內循環空氣微顆粒凈化效果

圖1為在無負離子發生儀條件下，不同檔位風速的內循環對微顆粒沉降速度影響。由圖可知，車內空氣中的顆粒物下降的比較慢，下降的速度與內循環空氣速率相關：內循環空氣速度越快（檔位越高），濃度下降速率越快。車內空氣微顆粒物的相對濃度隨時間呈指數衰減，可用公式（1）進行擬合：

式中：V：某一刻車內相對粒子濃度;V0：初始相對濃度1.0;k：相對濃度衰減指數，s-1;t：時間，s。在本文后續出現公式中，V、V0、k、t與式（1）中所代表的含義不變。

車內空氣中的微顆粒物沉降的比例在很長一段時間內都保持比較高的水平，對該實驗數據中車內空氣處在各檔內循環風速下統計動態相對濃度變化。檔數越高，車內空氣循環速度越快，利用公式1擬合計算得出內循環各檔下相對濃度與時間的關系：

1.1.2 結果分析

在汽車空氣內循環模式下，微顆粒相對濃度指數型衰減，衰減的速度取決于內循環的空氣流速。而經過擬合出的公式計算，在汽車內循環模式下，車內空氣中的微顆粒數量需要在較高的空氣循環速度（例如7檔）和較長的凈化時間才能達到理想的效果。

1.2 無負離子情況下外循環粒子凈化效率

1.2.1 外循環各檔風速下空氣微顆粒下降情況

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

1.2.2 結果分析

在外循環情況下，由于車內空氣被外界空氣直接替換，如果外界空氣質量為良好，那么汽車內部的空氣微顆粒物含量呈線性快速下降，風速越快置換的速度越快，顆粒濃度下速度越快，車內空氣質量很快達到與外界空氣質量相當的水平。車內空氣微顆粒量在30%以上（PM0.5-1.0為7500）時呈線性衰減，是因為空氣微顆粒含量較多，空氣置換的效果起主導作用。圖2顯示此時檔位3和7的顆粒排除速度基本相等，因此中等檔位的外循環就能起到很好的排除顆粒污染效果。當車內空氣微顆粒物相對濃度降到約30%以下時，相對濃度此時采用呈指數衰減，此時車內空氣中的微顆粒物含量較少，車內空氣與外界空氣替換的效果減弱，空調的進氣與出氣口周圍的相對粒子濃度降低，汽車內部空氣流動緩慢部位的粒子通過遷移緩慢進入空氣流動區，因此粒子濃度的下降呈現的是粒子遷移控制的指數衰減動力學特點。當車內空氣與外界空氣的微顆粒物含量一致或者更低時，微顆粒物的下降速度就會趨于0。因此，當外界空氣良好，而車內空氣顆粒物含量較高時，使用外循環替換車內空氣，是降低微顆粒含量最有效方法，且中檔風速足夠在短時間內起到很好的效果。

而在外界空氣污染時，開窗反而會引發車內空氣的污染，此時必須密閉車窗，進行車內內部循環，以過濾除掉車內的PM2.5。圖3為使用負離子發生器與汽車內循環模式下，氣微顆粒物的相對濃度隨時間呈指數衰減，可以擬合成指數關系：

其中V負離子為使用負離子情況下，車內污染顆粒相對濃度。車內空氣處在各檔內循環風速下依據動態的濃度變化，可以利用公式（16）分別對不同風速的相對濃度隨時間的變化進行擬合：

1.2.3 分析結果

相比于單獨的內循環，在負離子發生器和車內內循環共同作用下，汽車內部空氣微顆粒含量相對濃度也呈現指數下降的趨勢，但污染顆粒濃度下降更快;車內空氣能在相對短的時間內達到優良的程度。負離子的沉降作用先將空氣中的微粒進行團聚，再通過內循環過濾，整體的過濾效果要優于不使用負離子的內循環凈化。負離子的作用在低內循環風速情況下更明顯;而在高循環風速下，循環的風速起主要作用。

1.3 單獨使用負離子發生器微顆粒濃度變化特點

圖4為在汽車內部空氣微顆粒物含量達到一定水平之后關閉內循環與外循環，讓內部空氣在負離子作用下自由沉降。由圖可知，單獨使用負離子發生器，且車內無通風條件時，顆粒的濃度呈現波動，而不是指數衰減或線性衰減，其主要原因是負離子有壽命，在空氣中通過向其他分子釋放電子而緩慢衰竭。汽車沒有接地，負離子在壽命期間可以發揮團聚作用，但是帶電顆粒沒法吸附到接地表面。當負離子壽命結束之后，會失去吸附作用，此時如果負離子吸附的微粒沒有及時過濾處理，那么它會重新擴散在空氣當中造成顆粒濃度的波動。因此單獨應用負離子儀并無法有效清除車內顆粒污染;只有在負離子發生器與空氣過濾器加上空氣流動時，才能使空氣中的微顆粒物有效減少。

2 結論

從實驗結果可以得出，車內空氣密閉的情況下，打開負離子發生器，讓其與車內空氣循環相結合，能有效降低顆粒污染，相比于不使用負離子發生器凈化的效率更高。通過實驗數據可知，負離子在空氣流動特別快的時，其發揮的作用沒有空氣過濾器的效果顯著，負離子的團聚效果起次要作用;負離子在空氣流動特別慢時，由于負離子有壽命，沒被過濾的團聚粒子會重新擴散回到空氣中;而僅當空氣流動速度適中時，負離子能產生顯著的粒子凈化貢獻。因此，當負離子在壽命期間吸附了微顆粒物且能迅速倍過濾的時候，負離子產生的效果最顯著。在戶外污染的情況下，最短的時間內使車內空氣微顆粒物減少的辦法就是使用車內內循環風扇的最大檔位加上負離子發生器，雖然此時負離子發生器效果不那么明顯，但依舊會比不使用的情況下更快。

對比使用負離子前后外循環模式下車內微顆粒物含量變化，外循環是使車內空氣微顆粒量下降最快的一種方法，它通過空氣的替換，達到置換車內污染的空氣的目的，且結果表明中高檔風速效果最優。但這種方法在室外環境污染比較嚴重情況，例如有霧霾的城市不適用，而必須使用車內內循環模式來凈化車內污染，此時配合負離子發生器與內循環能有效加速污染性粒子的凈化[8]。

總體而言，在車外空氣質量較好的情況下，可以使用汽車空氣外循環來減少車內空氣微顆粒量;而在車外空氣質量不好的情況下，可以通過汽車空氣內循環模式來沉降車內空氣微顆粒物，同時結合負離子發生器[9，10]。而實驗結果也證明，單獨使用負離子儀器并無法有效降低車內空氣的顆粒濃度，而必須配合循環系統。這與傳統認為負離子足夠清除顆粒污染有一定偏差，原因是汽車這個特定的內部環境，其整體由于與大地隔絕，沒有接地，負離子團聚起來的污染顆粒在負離子衰竭后將再次釋放回空氣中，因此單純負離子的車內凈化效果很有限。

參考文獻

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