不同测试环境对车内空气质量水平的影响研究

张 凡，王建海，田冬莲

(中国汽车技术研究中心 天津300162)

不同测试环境对车内空气质量水平的影响研究

张 凡，王建海，田冬莲

(中国汽车技术研究中心 天津300162)

通过在蒸发密闭舱、环境模拟舱和真实环境中的静置试验，以及在高速公路和市区路段实际道路上进行的动态试验，定量研究了在不同测试环境下环境本底浓度、环境温度和车辆通风模式等因素对车内空气质量水平的影响。

轻型汽车 车内空气质量 通风模式 测试环境 环境本底浓度

0 引 言

随着汽车进入家庭步伐的加快，车内的空气质量越来越受到人们的重视。国家质检总局在 2013年的汽车产品缺陷信息投诉情况中通报，车内异味和空气污染已成为车主投诉的典型问题之一。车内空气中含有的甲醛、乙醛、苯、甲苯等物质会对人体健康产生一定的危害[1-2]，其来源主要有两方面：一是汽车皮革、橡胶内饰和零部件材料中使用的粘合剂、有机溶剂等挥发性成分在车内空间的释放；二是自身和周边汽车的尾气排放进入车内空间，恶化车内空气的质量水平。[3-4]

2012年3月1 日，我国开始实施GB/T 27630-2011《乘用车内空气质量评价指南》的推荐性标准，测试环境和采样方法主要引用了HJ/T 400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》，[5]适用于在常温和背景浓度较低的环境下，车辆处于静止状态时车内挥发性有机物和醛酮类物质的采样与测量。但是，汽车大部分时间是处于发动机运行、车内空气温度随环境变化的动态条件下，汽车在静止状态常温环境下的车内空气污染物测量并不能充分反应汽车在真实环境下的车内空气质量。环境温度、背景浓度和通风模式等因素都会对车内空气的质量水平产生一定的影响。[6-8]因此，开展在不同测试环境下轻型车内空气质量水平的测试研究工作十分必要。

本文通过在蒸发密闭舱、环境模拟舱和真实环境中的静置试验，以及在实际道路上进行的动态试验，对比分析了汽车在不同测试环境中车内空气污染物水平的变化情况，定量研究了环境本底浓度、环境温度和车辆通风模式等因素对车内空气质量水平的影响。

1 测试环境和试验方法

本研究的测试环境分为静态和动态两方面，静态的测试环境包括恒定温度的蒸发密闭舱和环境模拟舱，以及昼夜温度变化的真实环境。动态的测试环境是指在不同道路状况和环境本底浓度下的实际道路，包括高速公路和市区路段。

1.1 试验车辆

本研究使用的试验车辆为 4辆在中国市场上常见的在用车，车系、使用时间、里程和价位等相关参数如表 1所示，其中 2#和 3#车为同型同款的汽车，只是使用时间和里程相差了一倍。

表1 试验车辆相关参数Tab.1 Specifications of vehicles under test

1.2 静态测试环境试验

本试验使用 1#～4#车分别在蒸发密闭舱和环境模拟舱中，依据 HJ/T 400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》，进行了常温静止状态4辆汽车的车内空气污染物水平测试。试验中分别测量了汽车在两种舱内静置 16,h、19,h和 22,h后的车内空气污染物水平，研究了蒸发舱和环境舱两种不同的环境本底浓度对车内空气质量的影响。蒸发密闭舱和环境模拟舱的相关参数对比如表 2所示。在试验过程中，蒸发密闭舱和环境模拟舱内的环境温度一直控制在(25±1),℃。

表2 蒸发密闭舱和环境模拟舱的参数对比Tab.2 Specification contrast between the evaporative sealed housing and the environment simulation cabin

为了考察环境温度对车内空气污染物水平的影响，本试验使用 2#和 4#车在露天空旷的真实环境中进行了静置试验。试验中2#和4#汽车从下午5点开始静置，所有门窗都关闭，分别在第二天 9点、12点和 15点测量车内的空气污染物水平。真实环境的静置试验分别在一个阳光充足的晴天和一个温度较低的阴天进行，并与环境舱内的恒温静置试验对比，研究了不同的环境温度对车内空气质量的影响。

1.3 动态测试环境试验

本试验使用2#和3#车分别在典型高速公路和市区路段上进行了实际道路的动态试验。试验中首先将被测车辆在地下停车场同一位置静置 16,h(门窗关闭)，然后开车进入被测路段，打开内循环模式，风量开到最大，测试30,min车内空气污染物的平均水平。让车辆在同一路段继续行驶，将通风模式切换为外循环，保持最大风量，采样 30,min，测试在外循环模式下车内空气的质量水平。同时，被测道路的环境本底浓度也通过同样的采样方式被记录下来。试验分别在空气良好和中度污染两种不同的天气环境中进行。

2 采样设备和分析仪器

本试验依据HJ/T 400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》进行了车内空气污染物的采样和分析。试验中使用 DNPH吸附柱和TENAX-TA吸附管进行吸附采样，然后使用高效液相色谱方法和气相色谱-质谱联用方法分析样品中的甲醛、乙醛、苯、甲苯、乙苯等成分，获得车内空气的污染物水平。

2.1 采样设备

本试验使用美国 WATERS公司的固相萃取柱(型号 WAT037500，吸附剂 350,mg/柱)吸附车内空气中的醛酮物质；使用美国 CAMSCO公司的热解析管(型号TENAX-TA 60/80)采集车内空气中的挥发性有机化合物。

本试验在采样过程中使用美国 SKC公司的PCXR8型气体采样泵进行样品采集，使用SKC公司的 DEFENDER717-510M 型干式气体流量计对试验中的采样流量进行测量。试验中通过DNPH吸附柱和TENAX-TA吸附管的采样流量分别约为350,mL/min和 150,mL/min。

本试验使用绿林创新公司的 LD-5C(B)型粉尘仪对车内外空气的颗粒物浓度直接进行了测量。该仪器采用光散射原理实现空气中可吸入颗粒物浓度的快速测定，可直读质量浓度单位为 mg/m3，检测灵敏度为 0.001,mg/m3，测量范围为 0.001～10,mg/m3。本试验使用PM,2.5的切割器。

2.2 分析仪器

本试验在固相萃取装置上使用乙腈逐滴洗脱2,4-DNPH吸附柱，并将样品溶液送入高效液相色谱仪进行分析，获取样品中醛酮类污染物的排放值。高效液相色谱仪技术条件如表3所示。

表3 高效液相色谱仪技术条件Tab.3 Technical parameters of HPLC

本试验将TENAX-TA吸附管放于热解析仪装置上进行二次热解析，并将解析产生的样品气体送入气相色谱-质谱联用仪进行分析，获取挥发性有机化合物的排放值。气相色谱-质谱联用仪技术条件见表4。

表4 气相色谱-质谱联用仪技术条件Tab.4 Technical parameters of GC-MS

3 测试结果及分析

根据高效液相色谱仪、气相色谱-质谱联用仪和粉尘仪得到的测试结果，可以分析环境本底浓度(蒸发舱和环境舱对比)、环境温度(环境舱常温、室外晴天和室外阴天对比)和通风模式(内循环和外循环对比)对车内污染物(甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、PM2.5)水平的影响。

3.1 环境本底浓度对车内空气质量的影响

以环境舱和蒸发舱没有车辆时和放置 1#车 16,h后测得的环境空气浓度为例，本试验探讨了同一辆汽车在环境舱和蒸发舱静置时环境本底浓度的对比，如图1所示。

从图1中可以看出，环境舱和蒸发舱没有放置车辆时，蒸发舱内空气中的污染物水平略高于环境舱，其中蒸发舱的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯浓度分别是环境舱的107%、112%、113%、114%、116%和99%。当放置1#车16,h后，由于蒸发舱的体积小于环境舱，而蒸发舱是密闭的，环境舱具有通风性能，因此蒸发舱环境本底浓度的增加量远大于环境舱，特别是单环芳香烃 BTEX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯)，其中蒸发舱内空气中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯浓度分别是环境舱的 110%、131%、129%、3.2倍、2.1倍和8.7倍。

图1 环境舱和蒸发舱的环境本底浓度对比Fig.1 Background concentration contrast between the evaporative sealed housing and the environment simulation cabin

图 2给出了1#车分别在环境舱和蒸发舱静置16,h后的车内空气污染物水平。从图中可以看出，车辆位于环境本底浓度较高的蒸发舱时，车内的空气污染物水平也要高于车辆位于环境舱时，其中蒸发舱车内空气中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯浓度分别是环境舱的 101%、109%、104%、10.4倍、2.5倍和16.7倍。试验结果说明，较高的环境本底浓度会增加车内空气的污染物水平，特别是BTEX浓度。

图2 环境本底浓度对1#车辆车内空气质量的影响Fig.2 Effects of background concentration on vehicle 1#interior air quality

试验中对比了 1#～4#车分别静置在环境舱 16,h后舱内的环境本底浓度，如图 3所示。4辆汽车静置在环境舱时，舱内空气污染物的水平基本相同，环境舱的环境本底浓度具有较好的一致性。

图3 不同车在环境舱的环境本底浓度对比Fig.3 Background concentrations of different vehicles in the environment simulation cabin

图4分别给出了1#～4#车静置在环境舱16,h后车内空气的污染物水平。从图中可以看出，静置在相同环境本底浓度的环境舱时，4辆汽车的车内空气质量水平差异较大。虽然环境本底浓度会影响车内空气的污染物水平，但是起决定作用的还是汽车内部自身的污染物挥发水平。以 2#和 3#车的试验结果为例，两辆汽车的型号完全相同，但是 2#车辆的使用时间和行驶里程约为3#车的50%。试验结果表明，2#车的车内空气污染物水平要远高于 3#车，其中 2#车内空气中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯浓度分别是 3#车的 1.9倍、1.6倍、2.8倍、1.5倍、1.8倍和2.3倍。

图4 不同车在环境舱的车内空气污染物水平对比Fig.4 Interior air pollutant concentrations of different vehicles in the environment simulation cabin

3.2 环境温度对车内空气质量的影响

本试验分别在晴天的室外、阴天的室外和恒温25,℃的环境舱内进行了为期 22,h(傍晚 17点到第 2天 15点)的静置试验。2#车在不同测试环境下环境温度随静置时间变化的情况如图5所示。

图5 在不同测试环境下环境温度随静置时间的变化Fig.5 Variation of environmental temperaturesalong with parking time under different test environments

从静置16,h(第2天9点)开始，随着阳光照射的影响，室外的环境温度逐渐增加，在静置 22,h后(第二天 15点)环境温度达到最高。由于晴天的阳光照射强度大于阴天，因此晴天室外的环境温度上升速率要高于阴天。晴天室外和阴天室外的最高温度分别为 40.3,℃和 36.6,℃。

图6 在不同测试环境下车内空气质量随静置时间的变化Fig.6 Variations of in-car air quality along withparking time under different test environments

图 6(a)～(h)分别给出了在环境舱、室外(阴天)和室外(晴天)3种不同测试环境下车内空气中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯和苯乙烯浓度随静置时间变化的情况。

从图中可以看出，在3种测试环境下车内空气中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯和苯乙烯浓度都随着车辆静置时间的增加而增加，但是在室外条件下，由于环境温度的不断增加，车内空气污染物水平的增加速率要高于在恒温环境舱条件下。例如，在环境舱条件下，22,h时车内空气中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯浓度分别是 16,h时的1.5倍、1.1倍、1.2倍、1.4倍、1.1倍和1.3倍。与此相比，在室外(晴天)条件下，这 6种车内空气污染物在22,h时的水平分别是16,h时的1.6倍、2.3倍、2.2倍、1.7倍、1.5倍和1.8倍，浓度变化率显著提高。

此外，由于在室外(晴天)条件下环境温度要高于室外(阴天)条件，因此室外(晴天)的车内空气污染物水平略高于室外(阴天)时。在室外(晴天)条件下车内空气的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯最高浓度分别是在环境舱条件下的 2.2倍、1.3倍、1.7倍、1.2倍、1.4倍和1.3倍，而这6种车内空气污染物在室外(阴天)与环境舱条件下的比值分别下降为1.9倍、1.1倍、1.1倍、1.1倍、1.2倍和、1.3倍。试验结果说明，随着阳光照射的直接作用，环境温度的增加会促使车内材料释放出更多的挥发性成分，恶化车内的空气质量水平。随着天气条件的变化，车内空气污染物水平的增加率取决于阳光照射强度。

3.3 通风模式对车内空气质量的影响

本试验在空气良好和中度污染的天气条件下分别在高速公路和市区路段进行了动态测试环境的试验。图 7(a)～(h)分别给出了 2#车使用内循环(最大风量)和外循环(最大风量)通风模式时车内空气中的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯和 PM2.5浓度水平，并与车外大气中的环境本底浓度进行了对比。

从图 7(h)可以看出，在空气良好的市区路段和高速公路的环境空气中 PM2.5浓度基本相同，约为50,µg/m3，而在中度污染的天气条件下高速公路和市区路段的 PM2.5环境本底浓度分别为空气良好时的2.0倍和3.1倍。当车辆处于内循环通风模式时，无论是在空气良好还是中度污染的天气条件下，由于车辆的密闭性较好，在高速公路和市区路段两种道路状况下车内空气的 PM2.5浓度都保持在相同的水平，约为 40,µg/m3。而在打开外循环通风模式时，车外的环境空气会有一部分进入车内，造成车内空气的PM2.5浓度增加。因此汽车位于外循环通风模式时，车内空气的 PM2.5浓度要大于内循环通风模式时，但要小于车外空气的环境本底浓度。在空气良好时高速公路和市区路况的车内空气(外循环)PM2.5浓度都上升到 45,µg/m3左右，而在中度污染的天气条件下，高速公路和市区路况的车内空气(外循环)PM2.5浓度分别为空气良好时的120%和141%，增加比例要远小于车外空气的 PM2.5浓度变化量。这是因为车外空气进入车内时，空气中的颗粒物会被空调滤芯过滤掉一部分，造成了外循环通风模式时车内空气的PM2.5浓度变化量小于车外环境空气的变化。

图 7(a)～(g)给出了通风模式对车内空气中醛酮类污染物和BTEX浓度的影响。试验结果表明，在高速公路上，汽车位于内循环通风模式时，由于汽车自身的内饰挥发出有害污染物，车内空气中的醛酮类污染物和 BTEX浓度要高于车外空气的环境本底浓度。当通风模式转换为外循环时，经过车外空气的稀释，车内空气的醛酮类污染物和 BTEX浓度均有一定程度的降低。以天气良好的高速公路试验结果为例，内循环时车内空气的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯浓度分别为环境本底浓度的1.6倍、1.6倍、1.9倍、2.2倍、4.1倍和1.3倍，而外循环时这6种车内空气污染物浓度分别降低为车外空气的 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，中度污染天气时的车内空气醛酮类污染物和BTEX浓度一般略高于天气良好时。

图7 通风模式对车内空气污染物水平的影响Fig.7 Effects of ventilation mode on in-car air pollutant concentrations

在汽车位于市区路况时，天气条件(空气良好和中度污染)对车内空气污染物水平的影响没有明显规律，而通风模式的影响规律则取决于市区汽车尾气排放所生成的环境本底浓度。当车外空气的环境本底浓度较高时，外循环通风模式时的车内空气污染物水平要小于环境本底浓度，而内循环时的车内空气浓度最小，例如甲醛、丙酮和二甲苯等污染物。当车外空气的环境本底浓度较低时，则呈现相反的规律：车内空气(内循环)＞车内空气(外循环)＞车外空气，如乙醛、苯和甲苯等污染物。以中度污染的市区路段试验结果为例，车内空气(内循环)的甲醛、乙醛、丙酮、苯、甲苯和二甲苯浓度分别为环境本底浓度的 79%、126%、91%、212%、178%和 76%，而外循环时这 6种车内空气污染物浓度分别变化为车外空气的 85%、115%、87%、144%、115%和87%。

4 结 论

通过以上测试可以得出，较高的环境本底浓度会增加车内空气的污染物水平，特别是BTEX浓度。在室外条件下，由于环境温度的不断增加，车内空气污染物水平的增加速率要高于在恒温环境舱条件下车内空气污染物水平，并且其增加率取决于阳光照射强度。PM2.5浓度的变化规律为：车内空气(内循环)＜车内空气(外循环)＜环境本底浓度。外循环模式时车内空气的 PM2.5浓度变化量小于车外环境变化，而内循环时的 PM2.5浓度基本保持不变。在高速公路上，醛酮类污染物和 BTEX浓度的变化规律为：车内空气(内循环)＞车内空气(外循环)＞环境本底浓度。在市区路况时通风模式的影响规律取决于汽车尾气排放生成的环境本底浓度。

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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