CN95科普系列丨提升车内空气质量的重要性

华诚小编说

华诚认证与凯瑞认证联合推出的CN95智慧健康座舱认证已经成为当前汽车行业的热点，车内健康安全也跻身各大汽车企业重点关注的领域之一。而从健康问题的根源出发，探究车内污染物的来源和组成，再有针对性的寻找解决方案，是提升车内健康安全水平的有效手段。这其中，在车内空气质量方面，华诚认证有幸邀请到了清华大学环境学院特别研究员、博士生导师张少君博士，为大家分享他在这一领域的研究成果，希望能够给大家提供新的思考角度。华诚认证也将与凯瑞认证一道继续吸取各领域技术专家和行业企业的宝贵意见，持续推进CN95智慧健康座舱认证的技术提升。

作者简介

张少君，清华大学环境学院特别研究员、博士生导师。研究领域包括机动车排放测试，高分辨率排放与空气质量模拟和可持续交通系统研究。迄今已在Nature Sustainability, ES&T等期刊发表SCI论文50余篇，出版《汽车尾气净化处理技术》。现担任Transportation Research Part D编委和Science of the Total Environment专刊编辑。作为主要起草人，参与环保部《道路机动车排放清单编制技术指南》和中国汽车工程学会《汽车生命周期温室排放评价方法》团标制定。加入清华大学前，先后在美国密歇根大学、美国福特汽车公司研发中心和康奈尔大学从事科研工作。

交通环境与车内环境空气污染的特征、影响与标准初探

张少君 尹春阳 （清华大学环境学院）

过去30年随着社会经济的快速发展，中国进入了快速机动化的阶段，1990年以来的民用汽车保有量增长近50倍。环保部对北京、深圳等大城市的PM2.5源解析结果显示，交通排放等移动源污染已成大城市PM2.5污染的主要污染源。与其他源相比，机动车排放在人口、交通密度高的城市核心区的环境影响尤为突出，机动车直接排放的污染物浓度在交通环境容易聚集，对车内环境等交通微环境健康风险尤为突出。

1 颗粒物暴露的健康风险研究

哈佛大学公共健康团队从1974年开始开展了美国东部六城市空气质量与人体健康研究，结果1993年发表于国际权威医学杂志《新英格兰医学杂志》1。“哈佛六城市”研究关注了1974年至1989年间城市主要污染物浓度和人群死亡率的相关性，考察了包括气态污染物、总颗粒物、细颗粒物（PM2.5）和颗粒物中关键组分（如硫酸盐）对人群死亡率的影响（共8111名随机居民）。结果发现，在所有污染物中，修正吸烟等人群特征后，PM2.5浓度增加对死亡率增加的相关性最为显著。相对PM2.5浓度最低的威斯康星州的波蒂奇（P），PM2.5浓度每增加10微克/立方米，人群相对死亡率增加0.131。“哈佛六城市”直接推动了美国环保部制定了直接上第一个PM2.5浓度标准，目前美国PM2.5年均限值为12 μg/m3。世界卫生组织（WHO）也提出了空气质量指导值，年均浓度限值为10 μg/m3。我国参考WHO第一阶段过渡值，2012年修订《环境空气质量标准》将PM2.5纳入监测体系，年均浓度限值为35 μg/m3。

图1. “哈佛六城市”颗粒物与相对死亡率的相关性（左：总颗粒物；右：PM2.5）

大气颗粒物经呼吸系统进入人体后，因粒径差异而沉淀在不同的组织器官：如下图所示，粗颗粒物主要沉积在鼻腔、咽部、气管和主支气管等部位，细颗粒物PM2.5可深入肺泡，超细颗粒物（UFPs，通常认为粒径在100 nm以下）由于粒径与氧分子相近，能够穿透气血屏障、循环周身。进入机体的颗粒物可与细胞相互作用，发生颗粒物的累积、吸收、代谢和排出等过程，并可能导致下图所示的毒性效应，主要包括：对呼吸系统的直接损伤及其诱发的继发性毒性2-4，以及穿透气血屏障进入机体循环的颗粒物对其它器官（如血管内皮、大脑和内脏等）的损伤等3, 5, 6。

图2. 不同颗粒物粒径的健康影响

全球疾病负担（GBD）每年都会对中国因PM2.5和臭氧（O3）长期暴露导致死亡人数进行评估。2017年评估结果显示，空气污染导致死亡人数超过120万，其中包括了室外空气污染和室内空气污染，但是目前GBD研究尚未对车内、道路边等交通环境的细致分析。

2 交通环境的空气污染特征

交通环境通常包括道路环境、道路边环境和车内环境。颗粒物从机动车尾气管排出后，会经历复杂的扩散和化学转化，粒径和数量浓度分布也会发生较大变化。清华大学团队基于尾气管测试结果显示，汽油车和柴油车非挥发性颗粒物的粒数浓度峰值均在100 nm以下（即UFPs）。清华大学团队利用道路移动监测平台，对成都市二环路（大货车限行）和四环路道路环境质量进行了多日连续测试，测试内容包括UFPs、黑碳（BC）和二氧化氮（NO2）浓度。结果表明，二环路和四环路颗粒物数浓度分别为4.3×104个/cm3和6.2×104个/cm3，粒径分布峰值均小于30 nm；二环路和四环路NO2道路均值分别为200 μg/m3和340 μg/m3，是年均限值（40 μg/m3）的5~8倍。此外，研究团队利用街区尺度扩散模型分析了道路边环境的PM2.5和NOX等污染物的浓度特征，尽管道路边环境浓度会比道路污染物浓度水平有所下降，但仍然显著高于城市平均水平（图3）7-9。

图3. 北京市六环内10米尺度NO2浓度超高分辨率模拟结果

关注车内环境质量，需要考虑到车辆所处的外界交通环境污染特征。狭小而密闭的车内环境由于直接处于道路环境，使得车辆驾乘人员具有交通污染物高暴露风险10。团队有关车内环境实际暴露浓度监测结果显示：PM2.5和NOX等污染物的车内外浓度呈一定的线性相关性，一些污染物车内浓度甚至高于车外7。在一些主要城市，尽管居民每日车内暴露时间很短（1.3 h/天），但对其全天颗粒物暴露总量的贡献率却很大（高达45–50%）11。交通高峰时期，车内暴露可直接诱发急性氧化应激、脂质过氧化、肺部及系统性炎症等健康危害效应12。

3 车内空气质量标准的发展趋势

国际上，联合国欧洲经济委员会下属的车内空气质量（VIAQ）工作组开展了一系列积极工作：如表1左栏所示，在第一和第二阶段，工作组分别重点考虑新车内部材料释放的挥发性有机物（VOCs）和发动机排放进入车内的尾气（CO和NOX），制定了标准的实验室测试方法；在未来第三阶段，工作组将重点考虑道路环境中NOX和PM2.5等污染影响，采用实验室与实际道路结合的测试方法（实验室测试需模拟堵车、隧道等道路污染状况较严重情景），并同时评价车辆空气滤清器对颗粒物和气态污染物的去除效果13。此外，欧洲标准化委员会也将制定实际道路车内污染物标准化检测方法，并评价车辆空气滤清器对颗粒物和CO2的净化效果13。可见，欧洲车内空气质量标准正日趋严格与规范。然而，目前中国相关标准的制定起步较晚。现有《乘用车内空气指南评价标准》仅为推荐标准（将修订为强制标准但还未实施）14，且其侧重新车内部材料释放的8种VOCs，未考虑实际行驶条件下道路环境中超细颗粒物和NO2等交通污染物对车内空气质量的影响。

表1 欧洲和中国车内空气质量标准的发展历程

欧洲

中国

VIAQ工作组：

① 2017年：新车内部材料释放的VOCs

② 2020年：新车排放进入车内的尾气

③ 2025年：道路环境进入车内的NOX、PM2.5等污染物，以及车辆空气滤清器对其去除效果评级

GB/T 27630-2011：

① 2011年：推荐标准，新车内部材料释放的8种VOCs

② 2015年：开始修订，目标为升级成强制标准，调整限值

欧洲标准化委员会：

2019年：道路环境进入车内污染物的标准检测方法，以及车辆空气滤清器对颗粒物、CO2去除效果评级

4 结论

综上，道路环境受机动车尾气排放的直接影响，UFPs、NO2等交通特征污染物浓度远高于城市环境水平；并且，颗粒物粒径分布主要体现为人体健康危害更大UFPs为主。因此，车内空气质量应当更加结合真实环境条件下的污染特征，侧重考虑具有典型意义的交通污染物浓度控制。从工程技术角度，为减小道路环境对于车内乘员的健康影响，除了不断提高车辆尾气排放控制水平，降低道路环境污染物浓度外，也可以考虑从车辆本身的过滤和净化功能角度着手，直接降低交通污染对车内环境的影响。如何改善车内空气质量，既是留给汽车行业的一个新课题，也是今后先进车辆的一个新卖点。

参考文献

1. Dockery, D. W.; Pope, C. A.; Xu, X.; Spengler, J. D.; Ware, J. H.; Fay, M. E.; Ferris, B. G.; Speizer, F. E., An Association between Air Pollution and Mortality in Six U.S. Cities. New England J. Medicine1993, 329, (24), 1753–1759.

2. Xia, T.; Zhu, Y.; Mu, L.; Zhang, Z. F.; Liu, S., Pulmonary diseases induced by ambient ultrafine and engineered nanoparticles in twenty-first century. Natl. Sci. Rev. 2016, 3, 416–429.

3. Kim, K. H.; Kabir, E.; Kabir, S., A review on the human health impact of airborne particulate matter.Environ. Int. 2015, 74, 136–143.

4. Winterbottom, C. J.; Shah, R. J.; Patterson, K. C.; Kreider, M. E.; Panettieri, R. A.; Rivera-Lebron, B.; Miller, W. T.; Litzky, L. A.; Penning, T. M.; Tara Jackson, K. H.; Localio, A. R.; Christie, J. D., Exposure to Ambient Particulate Matter Is Associated With Accelerated Functional Decline in Idiopathic Pulmonary Fibrosis. Chest 2018, 153, (5), 1221–1228.

5. Kim, E. A., Particulate Matter (Fine Particle) and Urologic Diseases. Int. Neurourol J. 2017, 21, 155–162.

6. Traboulsi, H.; Guerrina, N.; Lu, M.; Maysinger, D.; Ariya, P.; Baglole, C., Inhaled Pollutants: The Molecular Scene behind Respiratory and Systemic Diseases Associated with Ultrafine Particulate Matter.Int. J. Molecular Sci. 2017, 18, (2), 243.

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12. Sarnat, J. A.; Golan, R.; Greenwald, R.; U.Raysoni, A.; Kewada, P.; Winquist, A.; E.Sarnat, S.; Flanders, W. D.; Mirabelli, M. C.; Zora, J. E.; H.Bergin, M.; Yip, F., Exposure to traffic pollution, acute inflammation and autonomic response in a panel of car commuters. Environ. Res. 2014, 133, 66–76.

13. Draft Project Plan for the CEN Workshop on real drive test method for collecting vehicle in-cabin pollutant data (CEN/WS 103). 2019.

14. 环境保护部, GB/T 27630-2011 乘用车内空气质量评价指南. 2011