防霾大数据与新型教室除霾器试点

刘波 黄旭楠 郝嘉雪 徐文华 张宏亮 王国华 苗启广 郑晓静 贾广

摘  要： 文中设计一种新型的“负离子雾霾收集器” ，该设备充分利用电子流动裹着雾霾颗粒除霾，纯物理过程，非常安全，该设备不需要风机，所以噪音特别小。将该设备试点运行在西安电子科技大学附属小学的3个教室里，连续采集2017年10月—2018年1月共计4个月的教室空气质量数据，对每天的空气数据进行分析。后期通过大量除霾模块的部署，产生实时以及历史雾霾大数据，并期望找出空气雾霾与季节时间的潜在规律。

关键词： 雾霾; 空气监测; 除霾器; 大数据; 大气治理; 室内空气净化

中图分类号： TN98?34                         文献标识码： A                           文章编号： 1004?373X（2019）11?0144?05

Abstract： A new haze collector generating negative ion was designed. The device can collect the haze by wrapping with particulate matters （PM） while electron flowing， its collecting process is pure physical process and safe. The device does not require a fan， so the noise is particularly low. The device was installed in three classrooms at Xidian University Affiliated Elementary School. The air quality data of classrooms was continuously acquired from October 2017 to January 2018. On the basis of the acquired data， the air data of everyday is analyzed. With the real?time and historical haze big data collected by a large number of PM collectors， it is expected to find out the potential relationship between air haze and season.

Keywords： haze; air monitoring; haze collector; big data; atmospheric governance; indoor air purification

0  引  言

随着在秋冬季节，我国多个地区的雾霾污染越来越严重，雾霾出现得越来越频繁，严重地影响人们的生活和健康。雾霾在人们毫无防范的时候侵入人体呼吸道和肺叶中，从而引起呼吸系统疾病、心血管系统疾病等，例如，咽喉炎、肺气肿、哮喘、鼻炎、支气管炎等炎症。在雾霾严重的时候，行人戴上防霾口罩，减少户外活动，在家里打开空气净化器，是目前比较常用的自我保护手段。可是这些都是被动防霾，而从源头上最大限度地减少污染排放，隔断雾霾传输渠道，快速降低近地面雾霾浓度，才是降低雾霾对人体健康危害的根本途径。

工业污染和燃煤在雾霾污染源中占了近一半的比重。如何控制这些污染源，是一个比较紧迫的任务，受到了国家的高度重视。如果采取限制企业生产的手段，只会影响国家的工业发展和人民群众的生活。有些城市的典型做法是将高污染排放的企业和热電厂清退出城，而这样只能延缓雾霾的传输时间，却加重了周边地区的污染状况，还额外增加了企业的搬迁和运输成本途径。

汽车尾气也是雾霾的主要来源之一，在有些城市，如北京、杭州、广州、深圳，首要污染来源是机动车。使用柴油的大型车是排放细颗粒物的主要来源。使用汽油的小型车虽然排出的是气态污染物，比如氮氧化物等，但很容易转化为二次颗粒污染物，加重雾霾。在重度雾霾天气，各大城市对机动车限行，对人民群众的工作和日常出行造成了很大的影响。近年来频繁出现严重雾霾气候造成全国范围内的大面积停工、停课现状，极大地影响了人们的正常生活生产秩序，因此提供一款可以快速、高效清除室内外近地面雾霾，降低PM2.5浓度达到人们进行正常户内外活动的标准要求，成为当务之急。本文提出的教室除霾器，正是为达到这一目的研制的专用产品。

目前，空气净化产品在我国的发展还处于刚起步阶段，市场渗透率不及10%。随着人们对空气净化认识的提高和对健康的重视，市场对空气净化产品的需求越来越高，其未来市场空间也是有目共睹的。但从现有的发展趋势来看，还存在着很多问题。

前瞻产业研究院表示，空气净化产品作为现代人针对雾霾及室内污染的防护装置，随着人们对空气污染的充分认识，空气净化产品已经成为人们生活中必不可少的一部分。从目前在中国渗透率不足10%的市场行情来看，未来还将有很长的一段路要走，并且表示如果在发展的过程中问题不见改善，也很难在市场中立足。预计在未来空气净化行业将会在技术上加以进步，再跟随着智能家居的脚步，进而将其带领到高端智能化的时代。

与此同时，雾霾大数据的挖掘显得非常重要和及时。根据有效的空气监测站点给出的数据，算出城市每个角落的空气质量分布，通过数据预测未来空气质量，并分析雾霾成因。针对手机用户的各种应用程序APP已经被开发出来，如“全国空气质量指数”和“Airvisual空气之星”。“全国空气质量指数”给出多个城市的所有检测站点的实时数据，24 h和2周历史空气质量AQI指数。Airvisual可以同时显现世界上多个城市的当前和未来空气质量、每个城市的检测点地图、检测点污染物分布和历史数据。同时，在日常生活中人们也需要类似于天气预报的雾霾预报系统，可以在大量空气数据的基础上，找出不同地区的雾霾数据随时间的变化规律，同时能够预测未来一段时间内的空气质量。这样不仅便于人们规划出行，也为城市管理部门提供足够的应对时间。

1  除霾器的设计及应用

关于室内空气净化器的研究和产品已经很多，在市场上有许多品牌。可是室外除霾器的研制仍然欠缺。本文采用“负离子发生雾霾收集器”（见图1），人工制造的电子风，在定向流动中附着在PM2.5空气污染颗粒物上，流向收集板并被附着清除。该除霾器可以多个串在一起，组合成大中小型除霾模块，方便灵活地开展室内除霾作业。

无风机式负离子空气净化器是一种无需借助抽风机和滤网过滤，利用负离子[1]发生器产生的负离子流，带动空气中的颗粒污染物流向收集板正电极，对教室内的空气进行净化。传统的空气净化器采用被动吸附过滤式的净化原理，通过抽风机抽风，利用滤网被动吸附过滤颗粒污染物，需要根据滤网的饱和程度更换滤网，否则容易造成二次污染，而无风机式负离子空气净化器无需抽风机和滤网，真正做到零耗材和零噪音。CADR（Clean Air Delivery Rate）值是国际权威机构评价空气净化效能的主要指标，有研究表明，负离子空气净化器的CADR值为112～1 610 m3/h，接近或高于传统的空气净化器的CADR值[2?3]（100～638 m3/h）。

图1  户外除霾器

本文采用负离子发生器作为电子风的发生装置。负离子发生器的变压器把12 V直流或220 V交流电转化为-8 kV的高压，如果电压超过10 kV，会产生过多的臭氧[4?5]。臭氧是一种强氧化剂，在常温下极不稳定，随时可以分解成氧分子和氧原子，这时的氧原子具有极强的氧化能力和分解能力。一定浓度的臭氧具有杀菌消毒、除臭防霉、清新空气等功能[6]。我国规定0.15 ppm（1 ppm=1×10-6体积浓度）接触8 h为安全时限，超过此时限对人体有害。由于除霾器用于人们室内活动区域，臭氧的水平也需要降至安全时限。类似除霾器工作原理的超小型空气净化器已经做成了挂在胸前的小配饰，用于长途旅行中的空气净化，充分保证使用的安全性。

采用5个不锈钢针连接负离子发生器或碳纤维毛刷压输出[7?8]离子周围的空气分子，产生很多的空气负氧离子[9]。空气负氧离子的浓度决定了空气的质量状况，据世界卫生组织的规定，当空气负离子浓度每立方厘米不低于1 000～1 500个时，为清新空气。空气中的负氧离子有去除尘埃、消灭病菌、净化空气的作用。与此同时，小粒径的生态级空气负离子易被人体吸收，可以透过人体的血脑屏障起到对人体疗养保健的作用，其对人体神经系统、血液循环系统、呼吸系统、泌尿系统、消化和代谢系统等都能产生积极的理疗作用。

为了测试本产品的除霾效果，以5个除霾模块为一个组，共计12组60个模块，部署在西电附小三七班、三八班和四十班，同时与不安装除霾模块的三九班进行对比试验。教室的空间容积为8 m×10 m×4 m=320 m3。

2  IEC安全认证

本文研制的除霾设备在2017年8月通过了深圳Anbotek安博检测股份有限公司的IEC电器安全检测，所有检测项目均为合格（见图2），包括无起火危险、无毒和无辐射等。研制的除霾设备在2017年6月经过了西安国联质量检测股份有限公司的检测，出具了PM2.5和臭氧浓度的检测报告，采用紫外分光光度法（方法检出限为臭氧浓度0.009 mg/m3）没有检出臭氧。

图2  IEC安全认证

3  國联质检

2017年10月以来在西安电子科技大学附属小学的三个教室（三七班、三八班和四十班）安装了除霾设备（见图3）、空气质量检测仪和移动WiFi，并在对照教室（三九班）仅安装了空气质量检测仪和移动WiFi，PM2.5和甲醛的实时检测数据通过移动WiFi传输到西电健康环境监测云平台。在2017年12月28日经过西安国联质量检测股份有限公司的检测，对照教室的PM2.5为413.6 μg/m3，安装除霾器的三八班的PM2.5为123.2 μg/m3，约为对照教室的[13]。对照班的臭氧含量为0.047 mg/m3，安装除霾器的三八班的臭氧含量为0.044 μg/m3，对比之后没有显著差别，检测结果如图4所示。

图3  教室安装效果

图4  质检报告

4  空气监测数据与分析

图5和图6分别为抽取连续两天西电附小的实验监测数据，可以看到在打开除霾器的情况下，三七班的PM2.5的浓度远低于不开除霾器的三八班和雁塔区的PM2.5浓度。

图5  2017年10月20日监测数据