大型拖拉機駕駛室PM10和PM2.5凈化效果仿真分析

楊 曉 毛恩榮 ZHANG Jianshun 宋正河 金曉萍 杜岳峰

(1.中國農業大學工學院, 北京 100083； 2.現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室， 北京 100083；3.雪城大學機械與計算機工程學院， 雪城 NY 13244)

0 引言

拖拉機在農田作業時，由于農具、土壤及作物的相互作用，會在封閉駕駛室周圍產生大量的揚塵[1-2]，其中含有大量的可吸入顆粒物PM10及PM2.5[3-4]。ARSLAN等[5]測試了9種主流封閉駕駛室拖拉機在不同工況時的駕駛室內PM10的含量，研究結果表明封閉駕駛室盡管在隔離其他農業作業時效果顯著，但在隔離耕地(25 770 μg/m3)、收獲作業(29 300 μg/m3)時產生的PM10及PM2.5的效果達不到人體健康標準的要求。因部分駕駛員有吸煙習慣，使得駕駛員呼吸舒適性比較差，均產生咳嗽的情況，大大降低了駕駛員舒適性，間接影響了工作效率。

國外雖然早已在熱舒適性方面進行了研究并形成一套熱舒適性評價體系[6-14]，但是駕駛室大都采用封閉設計來阻止PM進入駕駛室內部，所以駕駛室內部PM運動及凈化研究很少。國內在拖拉機駕駛室PM舒適性方面的研究還處于空白，所以進行駕駛室PM10及PM2.5濃度變化和凈化方式的研究對我國大型拖拉機舒適型駕駛室具有一定應用意義。國內對可吸入顆粒物PM10及PM2.5在農業大尺度方面有一定研究基礎，陳衛衛[15]和趙鵬等[16]測試了農耕時PM10和PM2.5含量比約為3∶5，李瑞敏[4]和王穎釗[17]測量了耕地時拖拉機周圍產生的PM10和PM2.5約為5.12×105、3×105μg/m3。MCBRIAN[18]通過實驗得到PM10和PM2.5的一階沉降速率常數Dk約為0.3、0.2 h-1。

本文應用國內外文獻中收集的PM研究基礎性數據(如沉降系數和農耕時駕駛室及其周圍PM含量)，結合質量守恒定律推導駕駛室中PM濃度變化模型和空氣凈化模型，仿真拖拉機耕地時不同凈化裝置(獨立凈化器、自循環和外循環)對駕駛室PM10和PM2.5的凈化效果，并在此基礎上進一步模擬駕駛員工作時累計吸入PM10和PM2.5量的變化。

1 基于質量守恒定律的駕駛室PM濃度模型

1.1 駕駛室與室內PM濃度變化的相似性

可吸入顆粒物PM10和PM2.5在小尺度方面的研究主要集中于室內空氣質量的研究，研究結果表明應用質量守恒定律能較好處理PM濃度變化問題。美國環保局在此基礎上開發了IAQx1.1軟件進行室內PM濃度模擬，并得到廣泛應用[19]。

由于PM濃度變化基本規律由質量守恒定律導出，并且不是在室內的假設條件下推導出的，而且方程中的各項均為PM本身的物理量，所以室內與駕駛室PM濃度模型相似度很高，只是駕駛室體積相比室內體積小很多，其余本征PM的參數數值相同。駕駛室空調系統和空氣質量標準均從建筑物室內空氣運動的研究引申而來，駕駛室相當于PM理論中的單室內區域，可應用IAQx1.1-PM軟件進行仿真計算。

1.2 駕駛室PM濃度模型

當拖拉機在田間工作時，農具和車輪與土地相互作用后會造成拖拉機周圍可吸入顆粒物濃度過高，如耕地時駕駛室周圍PM10質量濃度可達512 mg/m3[13]。由于駕駛室密封性或空調濾網的問題，外界的可吸入顆粒物會進入駕駛室中，造成駕駛員舒適性嚴重下降[10-11]，影響了工作效率。

根據質量守恒定律可得出駕駛室內部某一種PMx的運動方程為

(1)

式中n、i——區域數量，0代表外界，1代表駕駛室，2代表空氣凈化系統

p——區域的壓強，Pa

Vi——區域i的體積，m3

Ci——區域i的PM質量濃度，μg/m3

t——時間，h

Q0i——從室外流進駕駛室的某一種PM的流量，m3/h

Cx——室外某一種PM的質量濃度，μg/m3

Ef——凈化器不同位置的空氣凈化率，%

Qji——區域j到i(j≠i)的流量，m3/h

Cj——區域j的PM濃度，μg/m3

Qij——區域i到j(j≠i)的流量，m3/h

Rk——駕駛室內第k個污染源釋放PM的速率，μg/h

Dk——一階沉降速率常數，h-1

Ql——流入立式空氣凈化器的流量，m3/h

fl——第l個立式空氣凈化器的空氣凈化率，%

m——區域i內污染源數量

q——區域i內獨立空氣凈化器的數量

1.3 駕駛室空調凈化模型

空調凈化器的安裝位置不同，造成凈化模型不同。根據凈化器安裝位置的不同，凈化方式可分為內循環(A處)和外循環(B處)兩種，其特點均是向駕駛室輸送從外界過濾的新鮮空氣來凈化駕駛室PM濃度，凈化方程為

(2)

式中Ev——空調送風口濾網的空氣凈化率，采用IAQx1.1的默認值，%

R——流量循環系數

C01——室外PM濃度，μg/m3

駕駛室PM濃度變化分析見圖1。若凈化裝置放置A處，則經過凈化的一部分駕駛室回風與外界新風混合后從空調出風口流入駕駛室，其余回風排向外界；若凈化裝置放置B處，則一部分駕駛室回風與外界新風先混合后，再進入凈化器過濾，最后從空調出風口流入駕駛室，其余回風排向外界。

圖1若只采用外置獨立式凈化器，則不能將外界新鮮空氣輸送進駕駛室，PM凈化效果較差。

圖1 駕駛室空調PM濃度凈化分析Fig.1 Analysis of PM concentration in cab with air conditioner1、2、3.空調出風口 4.回風口 5.儲物箱

1.4 PM沉降模型

PM沉降速率取決于PM的直徑，一階沉降模型采用LAI等[20]研究的沉降模型，即式(1)中的第6項。

Rij=DkjViCj

(3)

式中Rij——區域i中的第j種PM的沉降速率，μg/h

Dkj——第j種PM的一階沉降速率常數，h-1

1.5 人體累計PM吸入量

采用簡化計算的方法，取在有限時間段起止濃度的平均值作為此時間段的PM濃度，再乘以呼吸速率計算得到這個時間段內人體吸入的PM量，再把每個有限時間段累加，得到總時間段吸入人體的PM量。

(4)

式中Ix——人體累計吸入PM量，μg

RB——呼吸速率，取10 L/min

n′——分割的時間段數量

Cti′、Cti′+1——第i′和第i′+1時刻PM質量濃度，μg/m3

1.6 凈化率

拖拉機工作時間取8 h。用此刻駕駛室內PM相對濃度表示PM凈化效果，其值越大表明PM凈化效果越好。

(5)

式中η——8 h時駕駛室中PMx濃度凈化率，%

Cx8h——8 h駕駛室中的PMx質量濃度，μg/m3

C08h——無凈化器8 h駕駛室中PMx質量濃度，μg/m3

2 駕駛室PM10和PM2.5凈化效果仿真

2.1 駕駛室仿真實驗條件及參數設置

依據收集的資料，采用2 m×2 m×2.5 m的駕駛室設計，扣除儀表板操縱裝置和儲物箱等體積，取駕駛室V1體積為6 m3。空調有3個間距200 mm的出風口和一個回風口。為了簡化仿真，不考慮駕駛室內部污染源產生的PM。根據收集的資料，假設外界由于駕駛室密封不嚴產生流入駕駛室的PM流量為0.13 m3/h，流出的流量認為與其相等；外界PM10和PM2.5的質量濃度分別取5.12×105μg/m3和3×105μg/m3；各個凈化濾網采用相同材料，故凈化率也相同。進風速率1 m/s，回風速率2 m/s，駕駛室內初始PM濃度均為0，DkPM10取0.3 h-1，DkPM2.5取0.2 h-1，i取1并且不考慮駕駛室中的污染源，其余參數取IAQx1.1-PM默認值。人體健康標準取國際職業安全與健康組織OSHA標準 (PM10質量濃度小于15 000 μg/m3、PM2.5質量濃度小于5 000 μg/m3)。

2.2 仿真設計

為了對比不同凈化方式和不同除塵率對駕駛室PM濃度的影響，設計的仿真如下：凈化方式選擇外置凈化器和空調過濾，其空調的凈化器安裝位置分為A與B；外置獨立凈化器進流量分別為10、5 m3/h。凈化器凈化率均分別取50%、75%、90%。用IAQx1.1-PM進行仿真，總仿真時長為20 h，步長為0.1 h，拖拉機工作時間取8 h。

2.3 仿真結果

首先模擬無凈化器時駕駛室中PM10和PM2.5的濃度，并依據文獻中的調查數據檢驗模型是否合理。經檢驗，仿真的PM質量濃度與Selcuk的測量值相差480 μg/m3，模型認為是合理的。

各個仿真結果見表1。可以看出，不同凈化方式下，凈化器凈化率取75%時，凈化效果較無凈化器時明顯提高且符合健康標準。取90%時凈化效果最優，但較75%時的凈化率提高不顯著，故凈化器凈化率取75%時，既滿足空氣質量的要求又滿足經濟成本的要求。

表1 仿真結果Tab.1 Results of simulation

3 駕駛室PM凈化仿真結果分析

根據表1仿真結果，駕駛室凈化器凈化率取75%，對此進行不同凈化方式下的仿真數據分析。

3.1 不同凈化方式下的PM濃度動態分析

圖2為根據仿真數據擬合凈化器凈化率取75%時，駕駛室內PM10和PM2.5濃度在20 h內的變化指數曲線。由圖2可見，各擬合曲線R2均在0.99以上，符合式(1)中的微分方程。內循環和外循環的凈化方式能較快(1 h)地使得駕駛室濃度達到恒定，而外置凈化方式分別在7 h和9 h以后才能使得駕駛室PM濃度穩定。各凈化方式下(內循環、外循環和外置凈化方式)駕駛室PM10質量濃度分別穩定在1 709、765、8 240、12 663 μg/m3，PM2.5質量濃度分別穩定在1 189、636、5 736、8 817 μg/m3。工作8 h的空調采用外循環時PM10和PM2.5凈化率最高(96.13%)，內循環比外循環略低(92.78%)，但均符合人體健康標準。外置凈化器5 m3/h凈化效果最差(48.22%)。這是由于式(1)決定了駕駛室PM濃度最后趨于一個穩定值，即達到動態平衡狀態。故應該采用外循環凈化的方式，此法能有效降低駕駛室內PM濃度。

圖2 各凈化方式下的PM質量濃度變化Fig.2 Changes of PM concentration under different cleaning methods

3.2 基于人體健康標準的不同凈化方式下PM濃度仿真分析

人體健康標準取國際職業安全與健康組織OSHA標準(PM10質量濃度小于15 000 μg/m3、PM2.5質量濃度小于5 000 μg/m3)，駕駛員工作時間取8 h，各不同凈化方式下8 h時的駕駛室PM含量見圖3，可知采用凈化方式后，駕駛室PM濃度均顯著降低，但是只有內循環和外循環的凈化效果達到了國際人體健康標準。外循環凈化器效果最優，此時駕駛室中PM10質量濃度為636.4 μg/m3、PM2.5為764.6 μg/m3。故駕駛室設計時應優先考慮外循環凈化方式。這是由于外循環將外界新鮮空氣過濾之后輸送到駕駛室內，使得空氣中PM被吹出工作區導致。

圖3 不同凈化方式下駕駛室在8 h時的PM質量濃度Fig.3 PM concentration of cab under different cleaning methods after 8 h

3.3 不同凈化方式下凈化率差異分析

經過計算可得到不同凈化方式下8 h的PM凈化率差值和平均凈化率。由表1可知，平均凈化率由低到高分別為外置凈化器、內循環和外循環。這是因為外循環將外界新鮮空氣過濾并輸送至駕駛室，而且送風量的設置也可以比外置凈化器的大。這也是目前空氣凈化的主流方式，能達到空氣較理想的凈化效果，仿真結果的綜合平均凈化率為96.13%。從相同凈化方式下的凈化率差異可看出，凈化率取75%時的凈化效果最經濟，凈化率為90%時并不能顯著提高凈化率，這是因為濾網的凈化能力造成的，但是目前對濾網的研究也有一定進展，等離子和負離子濾網對PM過濾效果可達90%以上[21]。外置凈化器凈化效果最差，這是由于拖拉機耕地時產生的PM濃度過高，外置凈化器由于沒有從外界輸送新鮮空氣的能力，所以凈化效果最差。

4 人體累計PM吸入量仿真分析

根據式(4)可得到在20 h中不同時刻人體累計PM10和PM2.5吸入量變化曲線，如圖4所示。由圖4可知，人體累計PM10和PM2.5吸入量呈直線上升，無空氣凈化裝置時，在1 h時人體累計PM10、PM2.5吸入量可分別達2 300、1 630 μg，并且1 h之后PM吸入量明顯升高，嚴重危害了駕駛員身體健康。

圖4 人體累計PM吸入量動態曲線Fig.4 Inhaled mass of PM by drivers

配有凈化裝置(凈化率75%)時增長明顯放慢。1 h時采用外循環、內循環、外置凈化器和無凈化器時的人體累計PM10吸入量分別為382、832、1 820、2 040 μg；人體累計PM2.5吸入量分別為321、585、1 290、1 440 μg。內外循環的累計PM吸入量增長速度最慢，說明內外循環的凈化方式可以有效確保駕駛員的身體健康，這是由于外界新鮮空氣進入駕駛室后加快了PM向排風口的運動引起的。

通過上述分析可知，本次仿真參數設置及結果和文獻[5，19]相似。凈化裝置可以與空調集成為現代空調系統HAVC，使得空氣凈化與溫度控制一體化，不僅不會明顯增大空調體積還提高了駕駛室微環境舒適性。

5 結論

(1)仿真結果表明了室內空氣IAQx1.1-PM軟件應用于駕駛室的合理性和駕駛室配備空氣凈化裝置的必要性。

(2)工作8 h的空調采用外循環時PM10和PM2.5凈化率最高(96.13%)，內循環比外循環略低(92.78%)，但均符合人體健康標準。外置凈化器(5 m3/h)凈化效果最差(48.22%)。

(3)凈化器凈化率取75%時，8 h內的凈化效果最經濟，不同凈化方式的凈化率由高至低，PM2.5為96.39%、93.25%、67.43%、50.12%；PM10為96.98%、93.25%、67.43%、50.14%。

(4) 1 h時采用外循環、內循環、外置凈化器和無凈化器時的人體累計PM10吸入量分別為382、832、1 820、2 040 μg；人體累計PM2.5吸入量分別為321、585、1 290、1 440 μg。之后累計PM吸入量均呈直線式增長，但是內外循環時的增長率最低。