大型拖拉机驾驶室PM10和PM2.5净化效果仿真分析

杨 晓 毛恩荣 ZHANG Jianshun 宋正河 金晓萍 杜岳峰

(1.中国农业大学工学院, 北京 100083； 2.现代农业装备优化设计北京市重点实验室， 北京 100083；3.雪城大学机械与计算机工程学院， 雪城 NY 13244)

0 引言

拖拉机在农田作业时，由于农具、土壤及作物的相互作用，会在封闭驾驶室周围产生大量的扬尘[1-2]，其中含有大量的可吸入颗粒物PM10及PM2.5[3-4]。ARSLAN等[5]测试了9种主流封闭驾驶室拖拉机在不同工况时的驾驶室内PM10的含量，研究结果表明封闭驾驶室尽管在隔离其他农业作业时效果显著，但在隔离耕地(25 770 μg/m3)、收获作业(29 300 μg/m3)时产生的PM10及PM2.5的效果达不到人体健康标准的要求。因部分驾驶员有吸烟习惯，使得驾驶员呼吸舒适性比较差，均产生咳嗽的情况，大大降低了驾驶员舒适性，间接影响了工作效率。

国外虽然早已在热舒适性方面进行了研究并形成一套热舒适性评价体系[6-14]，但是驾驶室大都采用封闭设计来阻止PM进入驾驶室内部，所以驾驶室内部PM运动及净化研究很少。国内在拖拉机驾驶室PM舒适性方面的研究还处于空白，所以进行驾驶室PM10及PM2.5浓度变化和净化方式的研究对我国大型拖拉机舒适型驾驶室具有一定应用意义。国内对可吸入颗粒物PM10及PM2.5在农业大尺度方面有一定研究基础，陈卫卫[15]和赵鹏等[16]测试了农耕时PM10和PM2.5含量比约为3∶5，李瑞敏[4]和王颖钊[17]测量了耕地时拖拉机周围产生的PM10和PM2.5约为5.12×105、3×105μg/m3。MCBRIAN[18]通过实验得到PM10和PM2.5的一阶沉降速率常数Dk约为0.3、0.2 h-1。

本文应用国内外文献中收集的PM研究基础性数据(如沉降系数和农耕时驾驶室及其周围PM含量)，结合质量守恒定律推导驾驶室中PM浓度变化模型和空气净化模型，仿真拖拉机耕地时不同净化装置(独立净化器、自循环和外循环)对驾驶室PM10和PM2.5的净化效果，并在此基础上进一步模拟驾驶员工作时累计吸入PM10和PM2.5量的变化。

1 基于质量守恒定律的驾驶室PM浓度模型

1.1 驾驶室与室内PM浓度变化的相似性

可吸入颗粒物PM10和PM2.5在小尺度方面的研究主要集中于室内空气质量的研究，研究结果表明应用质量守恒定律能较好处理PM浓度变化问题。美国环保局在此基础上开发了IAQx1.1软件进行室内PM浓度模拟，并得到广泛应用[19]。

由于PM浓度变化基本规律由质量守恒定律导出，并且不是在室内的假设条件下推导出的，而且方程中的各项均为PM本身的物理量，所以室内与驾驶室PM浓度模型相似度很高，只是驾驶室体积相比室内体积小很多，其余本征PM的参数数值相同。驾驶室空调系统和空气质量标准均从建筑物室内空气运动的研究引申而来，驾驶室相当于PM理论中的单室内区域，可应用IAQx1.1-PM软件进行仿真计算。

1.2 驾驶室PM浓度模型

当拖拉机在田间工作时，农具和车轮与土地相互作用后会造成拖拉机周围可吸入颗粒物浓度过高，如耕地时驾驶室周围PM10质量浓度可达512 mg/m3[13]。由于驾驶室密封性或空调滤网的问题，外界的可吸入颗粒物会进入驾驶室中，造成驾驶员舒适性严重下降[10-11]，影响了工作效率。

根据质量守恒定律可得出驾驶室内部某一种PMx的运动方程为

(1)

式中n、i——区域数量，0代表外界，1代表驾驶室，2代表空气净化系统

p——区域的压强，Pa

Vi——区域i的体积，m3

Ci——区域i的PM质量浓度，μg/m3

t——时间，h

Q0i——从室外流进驾驶室的某一种PM的流量，m3/h

Cx——室外某一种PM的质量浓度，μg/m3

Ef——净化器不同位置的空气净化率，%

Qji——区域j到i(j≠i)的流量，m3/h

Cj——区域j的PM浓度，μg/m3

Qij——区域i到j(j≠i)的流量，m3/h

Rk——驾驶室内第k个污染源释放PM的速率，μg/h

Dk——一阶沉降速率常数，h-1

Ql——流入立式空气净化器的流量，m3/h

fl——第l个立式空气净化器的空气净化率，%

m——区域i内污染源数量

q——区域i内独立空气净化器的数量

1.3 驾驶室空调净化模型

空调净化器的安装位置不同，造成净化模型不同。根据净化器安装位置的不同，净化方式可分为内循环(A处)和外循环(B处)两种，其特点均是向驾驶室输送从外界过滤的新鲜空气来净化驾驶室PM浓度，净化方程为

(2)

式中Ev——空调送风口滤网的空气净化率，采用IAQx1.1的默认值，%

R——流量循环系数

C01——室外PM浓度，μg/m3

驾驶室PM浓度变化分析见图1。若净化装置放置A处，则经过净化的一部分驾驶室回风与外界新风混合后从空调出风口流入驾驶室，其余回风排向外界；若净化装置放置B处，则一部分驾驶室回风与外界新风先混合后，再进入净化器过滤，最后从空调出风口流入驾驶室，其余回风排向外界。

图1若只采用外置独立式净化器，则不能将外界新鲜空气输送进驾驶室，PM净化效果较差。

图1 驾驶室空调PM浓度净化分析Fig.1 Analysis of PM concentration in cab with air conditioner1、2、3.空调出风口 4.回风口 5.储物箱

1.4 PM沉降模型

PM沉降速率取决于PM的直径，一阶沉降模型采用LAI等[20]研究的沉降模型，即式(1)中的第6项。

Rij=DkjViCj

(3)

式中Rij——区域i中的第j种PM的沉降速率，μg/h

Dkj——第j种PM的一阶沉降速率常数，h-1

1.5 人体累计PM吸入量

采用简化计算的方法，取在有限时间段起止浓度的平均值作为此时间段的PM浓度，再乘以呼吸速率计算得到这个时间段内人体吸入的PM量，再把每个有限时间段累加，得到总时间段吸入人体的PM量。

(4)

式中Ix——人体累计吸入PM量，μg

RB——呼吸速率，取10 L/min

n′——分割的时间段数量

Cti′、Cti′+1——第i′和第i′+1时刻PM质量浓度，μg/m3

1.6 净化率

拖拉机工作时间取8 h。用此刻驾驶室内PM相对浓度表示PM净化效果，其值越大表明PM净化效果越好。

(5)

式中η——8 h时驾驶室中PMx浓度净化率，%

Cx8h——8 h驾驶室中的PMx质量浓度，μg/m3

C08h——无净化器8 h驾驶室中PMx质量浓度，μg/m3

2 驾驶室PM10和PM2.5净化效果仿真

2.1 驾驶室仿真实验条件及参数设置

依据收集的资料，采用2 m×2 m×2.5 m的驾驶室设计，扣除仪表板操纵装置和储物箱等体积，取驾驶室V1体积为6 m3。空调有3个间距200 mm的出风口和一个回风口。为了简化仿真，不考虑驾驶室内部污染源产生的PM。根据收集的资料，假设外界由于驾驶室密封不严产生流入驾驶室的PM流量为0.13 m3/h，流出的流量认为与其相等；外界PM10和PM2.5的质量浓度分别取5.12×105μg/m3和3×105μg/m3；各个净化滤网采用相同材料，故净化率也相同。进风速率1 m/s，回风速率2 m/s，驾驶室内初始PM浓度均为0，DkPM10取0.3 h-1，DkPM2.5取0.2 h-1，i取1并且不考虑驾驶室中的污染源，其余参数取IAQx1.1-PM默认值。人体健康标准取国际职业安全与健康组织OSHA标准 (PM10质量浓度小于15 000 μg/m3、PM2.5质量浓度小于5 000 μg/m3)。

2.2 仿真设计

为了对比不同净化方式和不同除尘率对驾驶室PM浓度的影响，设计的仿真如下：净化方式选择外置净化器和空调过滤，其空调的净化器安装位置分为A与B；外置独立净化器进流量分别为10、5 m3/h。净化器净化率均分别取50%、75%、90%。用IAQx1.1-PM进行仿真，总仿真时长为20 h，步长为0.1 h，拖拉机工作时间取8 h。

2.3 仿真结果

首先模拟无净化器时驾驶室中PM10和PM2.5的浓度，并依据文献中的调查数据检验模型是否合理。经检验，仿真的PM质量浓度与Selcuk的测量值相差480 μg/m3，模型认为是合理的。

各个仿真结果见表1。可以看出，不同净化方式下，净化器净化率取75%时，净化效果较无净化器时明显提高且符合健康标准。取90%时净化效果最优，但较75%时的净化率提高不显著，故净化器净化率取75%时，既满足空气质量的要求又满足经济成本的要求。

表1 仿真结果Tab.1 Results of simulation

3 驾驶室PM净化仿真结果分析

根据表1仿真结果，驾驶室净化器净化率取75%，对此进行不同净化方式下的仿真数据分析。

3.1 不同净化方式下的PM浓度动态分析

图2为根据仿真数据拟合净化器净化率取75%时，驾驶室内PM10和PM2.5浓度在20 h内的变化指数曲线。由图2可见，各拟合曲线R2均在0.99以上，符合式(1)中的微分方程。内循环和外循环的净化方式能较快(1 h)地使得驾驶室浓度达到恒定，而外置净化方式分别在7 h和9 h以后才能使得驾驶室PM浓度稳定。各净化方式下(内循环、外循环和外置净化方式)驾驶室PM10质量浓度分别稳定在1 709、765、8 240、12 663 μg/m3，PM2.5质量浓度分别稳定在1 189、636、5 736、8 817 μg/m3。工作8 h的空调采用外循环时PM10和PM2.5净化率最高(96.13%)，内循环比外循环略低(92.78%)，但均符合人体健康标准。外置净化器5 m3/h净化效果最差(48.22%)。这是由于式(1)决定了驾驶室PM浓度最后趋于一个稳定值，即达到动态平衡状态。故应该采用外循环净化的方式，此法能有效降低驾驶室内PM浓度。

图2 各净化方式下的PM质量浓度变化Fig.2 Changes of PM concentration under different cleaning methods

3.2 基于人体健康标准的不同净化方式下PM浓度仿真分析

人体健康标准取国际职业安全与健康组织OSHA标准(PM10质量浓度小于15 000 μg/m3、PM2.5质量浓度小于5 000 μg/m3)，驾驶员工作时间取8 h，各不同净化方式下8 h时的驾驶室PM含量见图3，可知采用净化方式后，驾驶室PM浓度均显著降低，但是只有内循环和外循环的净化效果达到了国际人体健康标准。外循环净化器效果最优，此时驾驶室中PM10质量浓度为636.4 μg/m3、PM2.5为764.6 μg/m3。故驾驶室设计时应优先考虑外循环净化方式。这是由于外循环将外界新鲜空气过滤之后输送到驾驶室内，使得空气中PM被吹出工作区导致。

图3 不同净化方式下驾驶室在8 h时的PM质量浓度Fig.3 PM concentration of cab under different cleaning methods after 8 h

3.3 不同净化方式下净化率差异分析

经过计算可得到不同净化方式下8 h的PM净化率差值和平均净化率。由表1可知，平均净化率由低到高分别为外置净化器、内循环和外循环。这是因为外循环将外界新鲜空气过滤并输送至驾驶室，而且送风量的设置也可以比外置净化器的大。这也是目前空气净化的主流方式，能达到空气较理想的净化效果，仿真结果的综合平均净化率为96.13%。从相同净化方式下的净化率差异可看出，净化率取75%时的净化效果最经济，净化率为90%时并不能显著提高净化率，这是因为滤网的净化能力造成的，但是目前对滤网的研究也有一定进展，等离子和负离子滤网对PM过滤效果可达90%以上[21]。外置净化器净化效果最差，这是由于拖拉机耕地时产生的PM浓度过高，外置净化器由于没有从外界输送新鲜空气的能力，所以净化效果最差。

4 人体累计PM吸入量仿真分析

根据式(4)可得到在20 h中不同时刻人体累计PM10和PM2.5吸入量变化曲线，如图4所示。由图4可知，人体累计PM10和PM2.5吸入量呈直线上升，无空气净化装置时，在1 h时人体累计PM10、PM2.5吸入量可分别达2 300、1 630 μg，并且1 h之后PM吸入量明显升高，严重危害了驾驶员身体健康。

图4 人体累计PM吸入量动态曲线Fig.4 Inhaled mass of PM by drivers

配有净化装置(净化率75%)时增长明显放慢。1 h时采用外循环、内循环、外置净化器和无净化器时的人体累计PM10吸入量分别为382、832、1 820、2 040 μg；人体累计PM2.5吸入量分别为321、585、1 290、1 440 μg。内外循环的累计PM吸入量增长速度最慢，说明内外循环的净化方式可以有效确保驾驶员的身体健康，这是由于外界新鲜空气进入驾驶室后加快了PM向排风口的运动引起的。

通过上述分析可知，本次仿真参数设置及结果和文献[5，19]相似。净化装置可以与空调集成为现代空调系统HAVC，使得空气净化与温度控制一体化，不仅不会明显增大空调体积还提高了驾驶室微环境舒适性。

5 结论

(1)仿真结果表明了室内空气IAQx1.1-PM软件应用于驾驶室的合理性和驾驶室配备空气净化装置的必要性。

(2)工作8 h的空调采用外循环时PM10和PM2.5净化率最高(96.13%)，内循环比外循环略低(92.78%)，但均符合人体健康标准。外置净化器(5 m3/h)净化效果最差(48.22%)。

(3)净化器净化率取75%时，8 h内的净化效果最经济，不同净化方式的净化率由高至低，PM2.5为96.39%、93.25%、67.43%、50.12%；PM10为96.98%、93.25%、67.43%、50.14%。

(4) 1 h时采用外循环、内循环、外置净化器和无净化器时的人体累计PM10吸入量分别为382、832、1 820、2 040 μg；人体累计PM2.5吸入量分别为321、585、1 290、1 440 μg。之后累计PM吸入量均呈直线式增长，但是内外循环时的增长率最低。