时间：2024-08-16 点击量：
“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境(BERL)课题组在中科院一区期刊《Environment International》（影响因子IF：10.3）上发表了最新研究成果Investigating the filtration performance and service life of vehicle cabin air filters in China.
1. 题目：我国车用空调滤清器过滤性能及使用寿命调查
Investigating the filtration performance and service life of vehicle cabin air filters in China
该研究获得“十四五”国家重点研发计划 “大气专项”项目（NO. 2022YFC3702803）资助。
2. 作者
Chenhua Wang (王晨华), Junjie Liu (刘俊杰, 通讯作者), Mingtong He (何明桐), Jing Xu (徐敬), Huipeng Liao(廖慧鹏)
3. 研究亮点
1. 对中国22个车用空调滤清器的过滤性能进行了评估;
2. 车用空调滤清器对直径为0.1-0.3μm颗粒的平均过滤效率最小，为56.1%;
3. 对中国31个主要城市的汽车空调滤清器的使用寿命进行了研究，发现其使用寿命差异很大，海口市的最大使用寿命为1730小时，石家庄市的最小使用寿命为352小时；
4. 基于乘客健康风险评估，当年运行时间为200小时(常规通勤时间)，北京地区需要汽车空调滤清器的PM2.5过滤效率至少为88.1%，辽宁最低为97.5%。在被测试的滤清器中，符合北京要求的滤清器达标率为36.4%，辽宁为13.6%。
4. 图形摘要
面对市场众多的汽车空调滤清器及不同人员需求，该如何选择？
图1. 图形摘要
5. 研究背景
目前，为了有效减少汽车座舱内乘客接触颗粒物污染物，车辆配备了汽车空调滤清器（VCAF）。然而，法律规定的VCAF过滤性能认证标准（如N95和H13级）尚未确定，只有VCAF的测试标准可以参考。 此外，现有的标准要求过滤效率涵盖六个不同的粒径等级，范围从0.3μm到10.0μm，对于直径小于0.3μm的颗粒没有标准要求。先前的研究表明，直径为8-125nm的颗粒物的数量浓度主导了汽油车的废气排放[1]，这可能导致附近车辆暴露在高浓度的超细颗粒物（UFP）中。此外，尽管UFP对大气PM总质量浓度的贡献相对较小，但它们的数量浓度对大气PM的总数量浓度有显著贡献[2]。考虑到高浓度的UFP可以诱导氧化应激反应、线粒体损伤和急性肺部炎症[3]。因此，为了确保座舱乘客的健康，必须研究VCAF对直径小于0.3μm的颗粒物的过滤效率。
此外，为了确保正常的气流速度并节约能源，当压降达到设定值时，需要更换VCAF。研究表明在雾霾条件下，VCAF的压降会迅速增加[4]。因此，需要对VCAF的生命周期性能进行进一步研究。此外，研究表明当汽车空调系统运行时，中国车辆中PM2.5的平均浓度为36.2±18.4 μg/m3，远高于世界卫生组织的短期暴露指南（15μg/m3）[5]。考虑到大多数乘客可能只依赖安装的VCAF来改善车辆的内部空气质量，因此需要减少车辆内外的颗粒物，以保护乘客健康。
因此，测量了中国22个VCAF的颗粒物过滤效率、压降和容尘能力，以实现以下目标：i）比较VCAF整体性能，以获得有价值的基线信息，并评估关键变量对VCAF性能的影响；ii）确定中国31个主要城市VCAF的使用寿命；以及iii）确定中国典型地区VCAF的最小过滤效率。这项工作的结果为根据VCAF性能和颗粒物浓度水平开发针对特定城市的VCAF提供了基础，并有助于最大限度地保护座舱乘客的健康。
图2. 汽车空调滤清器样品
6. 主要成果
1). VCAF过滤性能
图3表明PM过滤效率随着粒径的增加先降低后升高。当粒径大于5.0μm时，VCAF的平均过滤效率为91.4%，粒径小于0.02μm的平均过滤率为74.5%。然而，直径在0.1μm-0.5μm之间的颗粒的平均过滤效率不足，为60.2%，直径在0.1μm-0.3μm范围内的颗粒的过滤效率最低，为56.1%。值得注意的是，高峰时段长时间怠速、频繁加速和减速会加剧了车辆尾气排放，导致交通微环境中高污染区域的形成[6]。因此，VCAF对直径为0.1μm-0.5μm的颗粒的低过滤效率可能会对乘客构成严重的健康风险。尽管PM过滤效率的趋势相似，但相同粒径的过滤效率存在显著差异。对于直径为0.1-0.3μm的颗粒，VCAF最大PM过滤效率达到了97.3%，而VCAF最小PM过滤效率为17.1%的。造成这种差异的原因是缺乏直接规范VCAF过滤性能的法定认证标准，导致不同制造商生产的过滤器存在显著的过滤差异。
图3. 不同VCAF的颗粒物过滤效率
目前，VCAF包含多个过滤层，并具有高纤维填充率，以提高其PM过滤性能。然而，这些措施可能会导致更高的压降。因此，在设计过滤器时，VCAF的压降是一个重要的考虑因素。图4a显示，尽管不同过滤器的压降随空气速度的变化趋势相似，但阻力的差异随着迎面风速的增加而逐渐增大。随着空气速度从0.5 m/s增加到2.5 m/s，VCAF的平均压降从15.0 Pa增加到116.1 Pa。图4b显示，VCAF的平均容尘量为11.9克。最大容尘量为19.4g，最小容尘量为5.8g。这表明，由于缺乏法律规定的认证标准，不同VCAF的容尘能力差异很大。
图4. a不同VCAF的压力降，b不同VCAF的容尘量
2). 纤维结构与性能分析
图5a和b显示了品质因子最高和最低VCAF的纤维形态，品质因子低的VCAF的纤维分布相对稀疏，导致压降和过滤效率较低。相比之下，品质因子高的VCAF纤维介质包括小直径纤维（蓝色椭圆）和大直径纤维（红色椭圆），纤维分布更紧。因此，控制VCAF中纤维的体积分数和纤维直径分布是重要的设计考虑因素。
图5. VCAF样品的SEM图像. (a) 低品质因子滤清器，（b）高品质因子滤清器
3). 中国31个主要城市的VCAF使用寿命预测
图6显示了中国31个主要城市VCAF的使用寿命。由于大气环境的影响，过滤器的使用寿命存在显著差异。中国不同城市的过滤器使用寿命相差一个数量级，海口的最大使用寿命为1730小时，石家庄的最小使用寿命为352小时。此外，在35%的中国城市中，过滤器的使用寿命不到600小时，而只有9.7%的城市的过滤器使用寿命超过1000小时。如果根据中国制造商建议驾驶1年或者行驶1万公里进行VCAF更换，这可能会使座舱空气质量恶化。因此固定的更换周期并不适合每个城市，因为由于大气环境的影响，过滤器的使用寿命会相差五倍。因此，建议VCAF的更换周期基于大气环境，以确保过滤器处于良好的工作状态。
图6. 中国31个主要城市VCAF的使用寿命。
4). VCAF的最低过滤效率推荐
图7a显示，当VCAF年运行时间为200小时(常规通勤时间)，8个省市的VCAF最低过滤效率大于88.1%。 所研究的8个省市VCAF所需的最低过滤效率排名如下：辽宁（LN）>江苏（JS）>广东（GD）>山东（SD）>四川（SC）>上海（SH）>浙江（ZJ）>北京（BJ），其中LN的所需最低过滤率最高，为97.5%。如图7b所示，VCAF所需的最低过滤效率随着VCAF年运行时间的增加而增加。在北京，随着年运行时间从100小时增加到1200小时（交通运输业职业），VCAF的所需最小过滤效率从75.2%提高到98.0%。当运行时间为1200小时时，LN的所需最低过滤效率要求为99.6%。因此，在VCAF需要长期运行时，应选择过滤效率更高的VCAF来确保乘客健康。
图7a不同城市和省份的所需的VCAF最低过滤效率。b不同过滤器运行时间的VCAF所需的最低过滤效率。
5). 实际意义
关于我国车用空调滤清器过滤性能及使用寿命调查有三个实际意义。
首先，获得了中国VCAF的有价值的基线信息，发现不同VCAF之间过滤效率的最大差异出现在0.1μm-0.3μm的粒径范围内，范围在17.1%-97.3%之间。考虑到道路上细颗粒物高数量浓度和车厢内病毒的直径通常在10至200 nm之间[7]，VCAF的过滤性能可能无法满足保护车辆乘员免受颗粒物和病毒危害的要求。造成这种差异的原因是缺乏直接调节VCAF过滤性能的具体政策要求，导致不同制造商生产的过滤器之间的过滤效率存在显著差异。因此，需要开发基于VCAF 颗粒物过滤效率的分级标准，以确保更有效的使用和一致的过滤性能。例如，VCAF可以根据基线信息在分类系统中被分为不同的级别。随后，政府机构可以执行法规和监管措施，要求VCAF进行性能认证和标签（如N95和H13级别）。通过这种方式，消费者可以更清楚地了解不同VCAF的实际过滤能力，从而根据自身需求做出更合理有效的选择。对于制造商来说，由于建立了VCAF的分级标准，他们可以改进VCAF的设计并促进其技术发展，以获得更高的市场竞争力。
第二，根据中国制造商的建议，车辆用户更换VCAF的时间通常为1年或者行驶1万公里。然而，由于不同城市的空气质量存在差异，这种固定的VCAF更换周期并不合适。本研究提出了基于大气颗粒物浓度的VCAF使用寿命预测模型。车辆乘客可以使用此模型检查VCAF的使用寿命并确定更换日期，这有助于最佳地保护他们的健康。该模型可以应用于不同的国家，以解决VCAF固定更换周期造成的座舱颗粒物暴露问题。
第三，使用健康风险评估模型，计算了中国不同地区VCAF的所需最小过滤效率，该模型可以根据分级标准指导消费者根据自己的情况选择合适的VCAF。
文章引用格式（开源发表，文章可以免费下载）：
Wang, C. H., Liu, J. J., He. M. T., Xu, J., Liao, H. P. Investigating the filtration performance and service life of vehicle cabin air filters in China. Environment International (2024)
