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车辆空气质量及空调系统探讨

发表日期:2020/8/11 10:32:30 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

2019年年底发生新冠肺炎病毒疫情以后,空气质量成了车辆用户谈论的热点话题,一些新词汇也在各种媒体上出现,如“健康汽车”、“车载N95口罩”、“车内病毒防范功能”、“AQS智能空气净化系统”等。国家室内车内环境及环保产品质量监督检验中心主任宋广生分析认为:用户购买新车时,在疫情之前,主要关注点在车内化学性污染、异味污染问题,而在疫情之后,关注点转移和提升至车内生物污染(细菌、病毒等)问题,需要建立包括车室内化学性污染、物理性污染和生物性污染三大污染物的全方位防控体系。

盖世汽车做的一项调查也显示:有65%的人会选择“健康汽车”。

1  用户的关注点

疫情下,人们对于“健康汽车”的需求点为车内的呼吸空气是否能够更清洁、更安全、更健康。而对于一些难以用直观体感感受的需求,如细菌、病毒等,则亟需相关的标准和判断方法。

来自市场和用户的需求就包括采用具有抗菌抑菌功能的新材料,采用具有生物污染消杀功能的零部件新技术,车内空气质量的智能化控制功能(例如汽车产品配备“远程一键杀毒功能”)。汽车后服务市场中的专业化、职业化和规范化的车内空气杀菌消毒服务或会成为新的服务热点和消费热点。

车内空气质量的提升受到两方面的驱动,一方面在于国家在标准制定上的要求日趋严格,另一方面则在于市场推广和用户选择。“健康汽车”借助新冠肺炎疫情爆发而受到消费者青睐,也会倒逼主机厂、空调系统厂、零件厂从产业链角度进行合作,将车内环境安全作为一个重要功能进行开发和提升。

“健康汽车”究竟是噱头还是新风口?在“健康汽车”概念流行之下,中国汽车技术研究中心有限公司下属中汽研华诚认证(天津)有限公司发布了第一批通过“CATARC CN95”汽车空调滤芯等级认证测试的汽车品牌名单。CN95认证是针对汽车空调滤芯过滤等级的零部件级别认证,CN95认证也将升级为中国首个健康座舱认证体系。以CN95认证作为评价车内健康安全的代表和起点,从空调滤清器扩展到整车座舱,涵盖有害颗粒过滤(空调滤清器过滤效率)、优质空气(车内挥发性有机物,VOC)、车内异味(气味等级)、防辐射(人体电磁防护)、静音效果(车内噪声水平)、抗菌抑菌(内饰表面等)、无害材质(可接触部件禁用物质)、车内空气主动净化等八大领域,打造国内首个指标全面的健康座舱认证体系,即“CN95”系列认证。

据公安部机动车管理中心的数据,全国机动车保有量2.79亿辆,平均每百户拥有私家车31辆。从汽车之家调查数据来看,用户对感知质量(包括NVH、异味、舒适性、音乐化显示等)要求越来越高。93.4%受访车主表示关注过车内的空气质量问题,仅21%的车主对车内空气质量表示满意,13%的车主对车内空气质量明显不满。

针对疫情这一特殊情景,病毒成为影响空气质量安全的最重要因素。同时,也来来了空气中气溶胶和飞沫浓度的侦测,车内外病毒的阻断,车内感染者鉴别和隔离的问题。

“健康汽车”概念也给车辆行业带来了机会。对于新造车的机会,新购车用户在选购新车时,会优先考虑有空气质量系统配置的车型;对于后市场的机会,已购车辆用户会选择加装独立的空气净化产品或增配/改装空气质量系统;对于维修业的机会,车主对蒸汽洗车、全车消毒、内饰清洗、车辆空调管道清洗杀菌、空调滤芯更换等维修项目更感兴趣。

2  空气质量现状

从2013年MPV细分市场的HVAC数据来看,JD Power的IQS(新车质量调查)结果显示:14个项点中排名第1位的是风机噪声过大,第2位就是空调出风有异味。2016年VDS(车辆耐久性调查)调查结果显示:空调前5位问题中第3位就是空调出风有异味。

2011年发布了GB/T 27630—2011《乘用车内空气质量评价指南》,2017年初又提出了修订意见稿。2012—2017年成为车内空气质量管理系统高速成长期,2017年有13个汽车厂在56款新车上配置了车内空气净化装置。车内空气质量管理系统在各细分市场的装备率也在不断提升,A级车占比达到25%、B级车占比达到21%、C级车占比达到54%。中消协也提议要对车内空气质量实行召回,并对新车空气质量做等级标签。这也进一步增加了整车厂对空气质量的重视程度。

汽车行业在疫情下也积极反应,推出了当下比较“热”的“健康汽车”有:

1)吉利ICON “全方位健康汽车”首部量产新车;搭载IAPS智能空气净化系统,实现对细菌和病毒进入车内的有效阻隔和过滤。

2)长安汽车宣布在3月10日量产“PM0.1级”复合抗菌杀毒高效过滤器。这款过滤器在配合等离子发生器与自定义新风系统后,能实现超强的过滤、杀菌、通风换气功能,使整车达到更优于“N95口罩”级别的全方位保护。

3)长城哈弗推出“H-Clean净化系统”将在全新哈弗H6、哈弗F7车型上进行搭载。

4)广汽新能源旗下的Aion系列车型将搭载“埃安过滤杀毒一体式”防病毒级健康座舱;具备“超N95级滤防”与“远程一键杀毒”双重保障。

5)上汽集团首创出深紫外线“杀毒”汽车空调,上汽荣威、上汽大众、上汽通用将率先以提供售后配件的形式为整车产品进行加装;还研制开发了业内首款车规级深紫外线杀菌盒,能够实现汽车内饰表面灭菌杀毒。

6)比亚迪也在前几年发布了PM2.5绿净系统是内嵌于车载空调系统中的,只要车通风或开启空调,绿净系统的净化功能即开始工作。该系统拥有三层净化:第一层用高效滤网过滤大颗粒;第二层通过负离子电刷板使颗粒物带电;第三层再用静电过滤网吸附带电颗粒物达到净化空气的目的。

7)特斯拉研发的“生物武器防御模式”功能,可以为车内提供医疗级别的空气质量,目前已在特斯拉Model X和Model S车型上搭载。该功能名字起得很酷炫,实际上工作原理其实很简单,即通过HEPA过滤器和车内正压气流两个措施,从而实现有效阻止病毒和细菌。

8)北京汽车在线上发布了BEIJING汽车智能健康座舱“Hi·Me”。监测到车外空气污染物较多时,“Hi·Me”车载空调会自动切换到内循环模式,为你阻挡车外有害物质。配合CN95空调滤芯、负离子净化系统和优异的整车气密性,让车内呼吸健康舒畅。

9)Volvo提出的汽车座舱健康大致包含呼吸健康、骨骼肌肉健康、触觉健康以及声音健康。

10)1999年沃尔沃就发布了IAQS智能空气循环控制系统。其IAQS系统可以有效过滤进入车内的外部空气,通过复合活性炭过滤器能过滤95%PM2.5颗粒和有害气体,再利用电子传感器对外界进来的空气质量进行系统分析,外界空气浓度过高时能自动切换到内循环,无需人工操作。

11)沃尔沃的CZIS主动式座舱清洁系统,可以通过远程解锁车辆时,触发自动通风循环,减少因车内停放时积聚的挥发性气体,帮助车主和乘坐者预先营造清新的座舱环境。

12)2017年亚洲CES展会上,奔驰Fit & Healthy智能健康概念车,便全方位打造了定制空气质量调节、实时监测车内人员的生理数据,概念车还涉及座椅按摩、音乐香氛、随车健康顾问等功能。

除了汽车行业整车厂在疫情下做出积极反应外,大学和研究机构也在积极行动。北京理工大学电动车辆国家工程实验室发布了《汽车防控新型冠状病毒建议》,其中指出部分车型直接配备HEPA滤芯,对PM2.5颗粒的过滤效果类似N95口罩。HEPA空调滤芯对直径大于等于0.3 μm颗粒阻拦效率99.97%,人类打喷嚏和咳嗽形成飞沫直径一般大于0.74 μm,因此HEPA具备过滤新冠病毒所依附飞沫的作用。

3  车内空气质量因素分析

3.1  车内空气污染源

车辆内空气污染的主要来源,包括以下方面:

1)人体携带的病菌;

2)人体散发的汗液、口气、体味;

3)人们吃东西散发的气味,散落的食物;

4)车内内饰、塑料制品散发的甲醛类有害气体污染物和异味;

5)车厢内饰、座椅、扶手、地板、窗帘、车内杂物等表面存在的病菌;

6)外界空气带来的各种有毒、有害污染物、灰尘;

7)空调、暖风、风道等空气循环系统内存在的污染物;

3.2  舒适性与空气质量

空调系统在整车中,也是汽车六大系统之一重要子系统。从法规来讲必须担负车内制热和整车除霜除雾的职能,从乘员舒适性要求来讲必须承担制冷降温、除湿、通风、新风和空气净化的职能。

车辆空调舒适性与家用空调和商用空调的舒适性相同的地方,包括车室内空气温湿度的控制精度和稳定性、空气流动NVH;也有相区别的特征,包括车内空气质量PM2.5、TVOC、异味、除菌消毒以及空气流量和出风模式。

车辆空调舒适性的技术特征包含:1) 空气质量,CO2浓度、PM2.5浓度、TVOC、有害细菌和病毒,这是味舒适性;2) 温度、湿度和风速,这是热舒适性;3) 振动冲击噪声NVH和压力波动,这是声舒适性。笔者在2016年提出的“高效空调”概念模型中就包括了空气质量高效(Air quality efficient)这一维度。

针对舒适性的检测、判断和控制,我们还是要从客户需求去定义出舒适性指标,对检测的方法和手段制定出测试标准和确定所用的传感器及检测设备,在判断标准方面制订产品标准,通过有效的产品设计和开发去形成有效的控制策略和控制手段。

3.3  空气质量标准对比

对于机车、客车、乘用车3个应用领域内的空气质量管理系统进行开发,目前依据的设计标准主要有:

GB 9673—1996《公共交通工具卫生标准》、GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》、TB/T 3139—2006《机车车辆内装材料及室内空气有害物质限量》、GB/T 17729—2009《长途客车内空气质量要求》、GB/T 27630—2011《乘用车内空气质量评价指南》。

对于可挥发性有机污染物浓度及TVOC,在乘用车、机车、客车3个应用领域的标准要求对比如表1。

表1  乘用车、机车、客车及居住办公的空气质量标准对比

4  现有空气质量技术分析

按照表1标准进行产品开发和产品评价,我们先对现有车辆空气质量技术做一次全面回顾。

4.1  正压系统

常规车辆系统采用正压技术,使车内气压略大于外界环境,阻止外部污染物包括细菌和病毒流入车内。只有救护车是采用负压系统,防止车内细菌病毒流出车内到车外环境。乘用车通过控制通风机以最高转速在车内快速建立起正压,列车是通过控制新风机构和废排机构来建立车内正压。

4.2  AQS管理系统

当车外PM2.5或其他颗粒物达到一定浓度时,空气质量传感器检测到后,自动触发空调内外循环的切换,关闭新风风门,从而避免车外污染物进入车内,工作原理如图1所示。


图1   AQS管理系统工作原理

4.3空气过滤

空调过滤器有单效过滤器、双效过滤器和高效过滤器3种不同过滤效果的规格,分别类同于普通口罩、一次性医用口罩和N95口罩。主要过滤效果差异见表2。

表2  不同级别空气过滤器的过滤效果对比对比

4.4  活性炭吸附

活性炭对于苯类和醛类的可挥发性有机污染物具有很好的吸附效率,也能有效地吸附部分异味。10 min和30 min对甲苯吸附效率分别达到76.4%和93.7%,对甲醛吸附效率分别达到87.3%和91.8%。

4.5  负离子和等离子

利用脉冲、振荡电器将低电压升至高电压,利用碳毛刷尖端直流高压产生高电晕,高速地放出大量的电子(e-),而电子并无法长久存在于空气中(电子寿命只有纳秒级),立刻会被空气中的氧分子(O2)捕捉而形成负氧离子。空气电离也会产生由正负带电粒子和中性粒子组成的一种准中性气体(等离子体)、氢氧基、活性氧原子和臭氧。

负氧离子、氢氧基和臭氧具有强氧化性,在极短时间内可以破坏病菌、霉菌、病毒和其它微生物的生物结构,穿透其细胞壁,破坏其蛋白质,使之失去活性和复制能力,从而达到杀菌消毒的功效。

活性氧原子和氢氧基具有极强的氧化还原能力,能将车内的甲醛、甲烷、丙酮、氨等化学挥发性有害气体 (VOC)氧化分解成二氧化碳、水和氧气。

负离子对于去除臭味的效果也非常好,臭味的主要成分是胺R3N、硫化氢H2S、甲硫醇CH3SH等,而臭氧对臭味气体进行其氧化分解后的生成物没有气味。

4.6  光触媒

光触媒材料是一种纳米级氧化物,当光触媒(如纳米级二氧化钛)超微粒子接受波长388 nm以下的紫外线照射时,其内部由于吸收光能而激发产生电子空穴对,即光生载流子,然后迅速迁移到其表面并激活被吸附的氧和水分,产生活性自由氢氧基([OH])和活性氧([O])。当污染物以及细菌吸附其表面时,就会发生链式降解反应,氧化分解各种有机化合物和部分无机物,能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质,可杀灭细菌和分解有机污染物,把有机污染物分解成无污染的水(H2O)和二氧化碳(CO2)。

4.7  紫外线

紫外线消毒就是利用适当波长(以253.7 nm为主)的UVC紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子结构,造成生长性细胞死亡和再生性细胞死亡,达到杀菌消毒的效果。UVC紫外线波长介于200~275 nm,穿透能力最弱,无法穿透大部分的透明玻璃及塑料,但直接照射人体会造成皮肤灼伤及致癌。254 nm波长紫外线对微生物的破坏性最大,185 nm波长紫外线可以在空气中形成臭氧;车辆空调利用紫外线杀菌消毒,主要运用了表面杀菌和空气杀菌两个途径。对于表面杀菌,要求材料表面干净无垢,否则这些脏物会吸收紫外线而对微生物起到保护作用,就会削弱杀菌消毒效果。对于空气杀菌消毒,层流空气要先通过空调过滤器除去大于0.1 μm的颗粒物才能有效。紫外线只能直线传播、消毒有死角的缺点,而臭氧能够随空气到达空间的任意角落,使杀菌消毒更彻底。紫外线和臭氧联合使用,杀菌消毒效果才会更好。

产生紫外线有两种方式,一种是汞灯为光源的紫外线杀菌灯,一种是LED灯为光源的紫外线杀菌灯。常用的还是汞灯类型的紫外线杀菌灯。

5  不同领域的技术应用路径

在地铁/列车、乘用车和客车3个不同领域,对于现有空气质量技术如何应用还是会采用不同策略和技术路径的。主要从3个方面进行现有技术的选择和组合,第一是应用场景(如乘员数和客流量),第二是技术实施条件,第三是技术应用的成本可接受性。

5.1  地铁/列车应用

地铁车辆有其特殊的运行特征,车门开启频繁,一般两站相隔2~3 min或3~5 min;车内人员密度大,设计额定站立定员为6人/m2,超员情况下会达到8人/m2;乘客乘坐时间短,一般为10~30 min。作为公共交通工具,工作日早高峰、晚高峰时段客流满载率明显,低峰时段客流满载率较低;双休日全天满载率较低,长假法定节日全天满载率较高。客流量也会影响到车厢内的CO2浓度,不同CO2浓度对地铁车辆内的人体舒适性影响大致可分为4个级别,见表3。

表3  CO2浓度对地铁车辆内的人体舒适性影响分级


卫生部发布的针对交通工具GB 9673—1996标准和原铁道部发布的适用铁道车辆的GB/T 12817—2004 标准,对于CO2浓度的限值都是1 500 ppm。

CO2浓度在车厢并不检测,而是通过换气次数和新风量来控制的,一般还是从新风量的设计要求入手。新风量的设计主要参照表4所列标准。

表4  地铁和列车的新风量标准

根据载客量的变化采用变新风量运行才能做到既满足车内新风要求又能最节能。

在地铁和列车空调上针对空气质量的解决方案,主要是采用在机组或送风风道内追加空气质量提升装置包括初效滤尘网、静电吸附除尘、负离子发生器、纳米水离子、以及在风道内表面涂敷纳米氧化锌。

这里重点介绍风道内表面涂敷纳米氧化锌和纳米水离子技术的应用。

以纳米氧化锌为抗菌剂,选用高分子材料为载体,配合先进的分散技术和制造工艺,开发出PP、PE、PVC、ABS等专用抗菌母粒,通过注塑或吸塑成型方式制作具有抗菌能力的风道。抗菌PVC、抗菌PP材料和普通PVC、普通PP材料的抗菌性能对比见图2。

图2  抗菌PVC/PP与普通PVC/PP抗菌性能对比

在机组或送风风道出风口处安装纳米水离子(日本松下研制和生产的nanoeTM产品),到达除臭杀菌;2016年在日本铁路山手线(YAMANOTE)上已经得到广泛使用。纳米水离子与普通负离子的最大区别就是高活性OH基被雾化水包裹,很稳定且不易和空气反应,臭味成分溶解入水后与OH基发生反应,有效地去除臭味。纳米水离子和普通负离子除臭对比试验显示:120 min后采用纳米水离子比普通负离子可以降低臭味强度等级1.6,结果如图3所示。


图3  除臭实验效果对比

5.2  乘用车应用

在车用车领域可以使用的空气质量技术可以用图4描述。


图4  乘用车空气质量提升技术路径

表5列出了一些量产车型在空气净化系统的配置,基本上是由4个技术的不同组合构成,包括AQS质量控制系统、空调过滤器(3种不同等级)、离子发生器、光触媒。

表5  量产车型的空气净化系统配置

私家乘用车空气质量系统主要根据车型级别和成本可接受度来进行技术组合和应用。

采用AQS系统监测外部空气状态,发现外部污染物浓度超过设定值就阻断其进入车内;采用不同级别的空调过滤器对新风和内循环状态的空气进行颗粒物过滤;采用UVC紫外灯和臭氧发生器对空调箱内部进行紫外线和臭氧杀菌消毒处理;采用活性炭和负离子发生器通过炭吸附和负离子或纳米水离子进行除臭和去异味,采用纳米氧化锌复合抗菌材料和低VOC材料制作壳体;采用蒸发器翅片表面亲水或疏水处理来进行预防。

5.3  客车应用

对于客车空气质量系统的技术应用,不同的空调厂家也是采用不同的技术组合,例如上海加冷松芝研发了“灭菌杀毒、去除VOC、PM2.5”一体化智能空气净化及监测装置2.0。主要功能及核心技术如表6所示。

表6  一体化智能客车空气净化系统功能和核心技术


实物产品如图5所示,在空调和整车上的安装位置和方式如图6所示。


图5  一体化智能空气净化及监测装置产品实物


图6  空气净化及监测装置在空调和客车上的安装位置和方式

6  结束语

在充分了解现有空气质量处理技术的原理、功效和局限后,针对地铁和列车、客车以及私家乘用车的不同运行条件、空气质量标准要求和可接受成本,我们就可以理清技术应用的组合方式和产品开发的思路,归纳起来:车辆空调系统的空气质量系统开发需要从系统的角度去分析和使用合适的现有空气质量技术;多种技术的组合将是高效车辆空调和高效空气质量系统开发和推广的有效途径。


本文选自《制冷与空调》2020年7月刊65-71页;作者:黄国强;未经许可,不得转载


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