＊盧康 張道德 潘偉 趙旭 王繼忠,

（1.安慶市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 安徽 246004 2.安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院 安徽 230009 3.廣電計(jì)量檢測(cè)（合肥）有限公司 安徽 230088）

大氣顆粒物（PM）是影響環(huán)境空氣質(zhì)量最為重要污染物之一，也是我國乃至全球環(huán)境空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)。PM不僅影響能見度等社會(huì)問題，而且對(duì)人體健康造成嚴(yán)重負(fù)面影響，尤其細(xì)顆粒物（PM2.5）可透過肺部進(jìn)入心血管系統(tǒng)，造成中風(fēng)、心臟病、肺癌和慢性阻塞性肺病等呼吸道疾病。前期研究表明，我國省會(huì)城市因大氣污染造成的死亡率接近0.09%，即每10萬人群近90人因大氣污染造成死亡[1]。由此可見，PM污染對(duì)于環(huán)境空氣質(zhì)量影響至關(guān)重要。

交通排放是都市區(qū)域環(huán)境空氣中PM的重要來源[2]。機(jī)動(dòng)車排放PM主要通過尾氣排放和非尾氣排放，尾氣排放PM主要來自于化石燃料的不完全燃燒。非尾氣排放過程包括輪胎磨損、剎車損耗、路面磨損和道路顆粒物的再懸浮等[3]。但是機(jī)動(dòng)車尾氣或非尾氣排放的顆粒物對(duì)健康影響仍缺乏精準(zhǔn)理解。

PM通常劃分為PM10和PM2.5，分別表示在大氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10μm和2.5μm。機(jī)動(dòng)車尾氣排放PM主要為PM2.5，含有各種碳?xì)浠衔铮@些污染物易于導(dǎo)致呼吸道疾病和增加致癌風(fēng)險(xiǎn)[4]。機(jī)動(dòng)車非尾氣排放PM主要以PM10為主，其化學(xué)組分因來源不同而不同，主要含有重金屬包括鋅、銅、鐵和鉛等物質(zhì)[5]。先前的毒性研究揭示顯示機(jī)動(dòng)車非尾氣排放PM對(duì)人體健康有明顯負(fù)面影響，如肺部炎癥和DNA損傷[6]。同時(shí)，流行病學(xué)研究亦發(fā)現(xiàn)了PM10對(duì)死亡率的影響。

由于機(jī)動(dòng)車尾氣和非尾氣排放的污染物化學(xué)組成成分存在差異性，因此這些污染物進(jìn)入到環(huán)境空氣中通過化學(xué)反應(yīng)生成的二次氣溶膠明顯不同。機(jī)動(dòng)車尾氣排放的揮發(fā)性有機(jī)污染物在光照下易于生成二次有機(jī)氣溶膠，而機(jī)動(dòng)車非尾氣排放主要為無機(jī)物質(zhì)，易于形成二次無機(jī)氣溶膠，但是當(dāng)前難以模擬機(jī)動(dòng)車尾氣或非尾氣排放的污染物如何形成二次有機(jī)或無機(jī)氣溶膠。大量研究亦表明：機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)環(huán)境空氣中二次氣溶膠的貢獻(xiàn)難以精確定量，而且亦難以區(qū)分一次氣溶膠和二次氣溶膠。有機(jī)二次氣溶膠明顯影響環(huán)境空氣中PM水平，因此有必要對(duì)它們?cè)诃h(huán)境空氣中的重要性進(jìn)行更為準(zhǔn)確定量。由于機(jī)動(dòng)車非尾氣排放PM主要為再懸浮顆粒物，均為二次顆粒物排放。

通過激勵(lì)電動(dòng)汽車（Electric Vehicles，EV）使用是當(dāng)前提升環(huán)境空氣質(zhì)量的一個(gè)重要策略，也是解決環(huán)境空氣污染，實(shí)現(xiàn)低排放或零排放的一個(gè)重要措施。但是，當(dāng)通過模型模擬電動(dòng)汽車行駛對(duì)環(huán)境空氣污染影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于非尾氣排放并未減少PM。

因此本文主要通過對(duì)比EV或內(nèi)燃機(jī)汽車（Internal Combustion Engine Vehicles，ICEV）的車重差異性，討論它們對(duì)非尾氣排放PM影響，進(jìn)一步比較EV和ICEV行駛中PM排放總量。

1.車重與排放

(1)車重影響假設(shè)

眾所周知，路面磨損和輪胎磨損主要來自于輪胎螺紋與路面摩擦，其摩擦力是輪胎和路面之間摩擦系數(shù)函數(shù)，即路面法向力的函數(shù)，法向力與車重成正比。因此增加車重時(shí)將增加摩擦力，輪胎與路面之間的磨損速率增加。剎車磨損是由剎車片與車輪之間的摩擦造成，減小機(jī)動(dòng)車推動(dòng)力的能量與車速和車重成正比。因此，當(dāng)車重增加時(shí)，需要更多摩擦力以降低車速，導(dǎo)致更大的剎車磨損。顆粒物再懸浮由機(jī)動(dòng)車尾流造成，因此與機(jī)動(dòng)車大小、車重和空氣動(dòng)力學(xué)有關(guān)。另外，車重大的機(jī)動(dòng)車可以將粗顆粒物碾壓至細(xì)顆粒物，更易于懸浮，同時(shí)，越重的機(jī)動(dòng)車越大，尾流越大，其造成的顆粒物再懸浮越多。

(2)車重對(duì)非尾氣排放的影響

直接開展非尾氣PM排放與車重之間關(guān)系的研究極少，少數(shù)研究定性地論述了車重可能對(duì)非尾氣PM排放的影響，如Barlow等認(rèn)為車重是輪胎磨損的一個(gè)影響因子，并進(jìn)一步提出車重增加時(shí)會(huì)導(dǎo)致非尾氣排放的增加。Garg等亦提及了慣性重量是剎車損耗速率的一個(gè)因子。盡管缺乏直接數(shù)據(jù)支撐，但大量源清單排放研究均建議車重增加會(huì)導(dǎo)致PM排放增加。Simons根據(jù)車重將EV非尾氣PM10的排放因子進(jìn)行等級(jí)劃分，并計(jì)算了單位車重輪胎磨損、剎車損耗和路面磨損的排放因子。例如，當(dāng)比較中型車輛（1600kg）與小型車輛（1200kg）時(shí)，輪胎磨損、剎車損耗和路面磨損的排放因子約增加50%。相較于小型車輛，大型車輛（2000kg）排放PM10的速率約是其2倍。

歐洲環(huán)境署（The European Environmental Agency， EEA）發(fā)布了大氣排放清單手冊(cè)，提供了不同類型機(jī)動(dòng)車的排放速率，顯示：相較于客車（9座），輕型汽車（總重3500kg）因輪胎磨損和剎車損耗造成的總懸浮顆粒物、 PM10和PM2.5的排放因子較客車高57%，而路面磨損造成排放水平相當(dāng)。美國環(huán)保署（USEPA）提供的排放清單中亦包含了機(jī)動(dòng)車輪胎和剎車磨損造成的排放因子。載貨卡車（＜3855kg）因剎車磨損造成的PM10和PM2.5排放因子約高于客車（＜2720kg）的67%，但前者因輪胎磨損造成的PM排放因子僅高于后者2%。荷蘭污染物排放和轉(zhuǎn)移登記處亦通過大量研究提供了機(jī)動(dòng)車排放清單和排放因子，而一輛面包車或箱式貨車總重量約2000kg，因此面包車或箱式貨車輪胎磨損造成PM10和PM2.5排放較常規(guī)汽車高40%。同時(shí)荷蘭污染物排放和轉(zhuǎn)移登記處也計(jì)算了不同車型每個(gè)輪胎的排放因子，報(bào)告指出，汽車每個(gè)輪胎磨損速率較摩托車高10%，箱式貨車較汽車高20%，卡車較汽車高130%。

盡管對(duì)車重定義存在一定差異性，但多個(gè)關(guān)于測(cè)定非尾氣排放因子的研究均顯示：輕型汽車排放PM較小汽車多。例如，輕型汽車的輪胎磨損較小汽車高75%，小汽車因剎車損耗造成的PM2.5排放是摩托車的2倍。同時(shí)，Grge等研究了小轎車、大型轎車和大型皮卡車剎車損耗導(dǎo)致排放差異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大型轎車因剎車損耗導(dǎo)致的PM、PM10和PM2.5排放較小轎車高55%，而大型皮卡車排放PM約為小轎車2倍。

但不同類型機(jī)動(dòng)車對(duì)顆粒物再懸浮影響研究極為稀少，Gillies等人研究發(fā)現(xiàn)：在未鋪路面上，顆粒物再懸浮總量與車速和車重呈現(xiàn)明顯線性關(guān)系。美國EPA方法AP42中估算了機(jī)動(dòng)車造成顆粒物再懸浮因子，建議再懸浮與車重呈現(xiàn)線性關(guān)系。同時(shí)研究表明，小轎車行駛中造成的PM10再懸浮速率是摩托車的10倍，輕型汽車較小轎車高3倍。

(3)EV與ICEV車重比較

比較EV與ICEV車重并非簡單，EV車重往往通過使用鋁代替鋼減輕，以提高車輛的續(xù)航里程。如果ICEV采用該技術(shù)，其車重差異將比現(xiàn)在更大。此外，EV有許多局限性，如大眾e-Golf最高時(shí)速140km，續(xù)航133km，不能承載任何拖車負(fù)載。但傳統(tǒng)大眾高爾夫的最高時(shí)速取決于發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸，介于179km/h至203km/h之間，續(xù)航里程超過1000km，可承載高1100kg的拖車負(fù)載。因此直接比較EV與ICEV車重比較困難，尤其僅有少數(shù)類型車輛可獲得公開數(shù)據(jù)。如福特?？怂笶V較相同款式福特?？怂谷加托推囍?19kg。本田飛渡EV較相同款式燃油型汽車重335kg。起亞秀爾EV較同款燃油型汽車重311kg。Bauer等通過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)模擬了EV和ICEV車重，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中型ICEV汽車在2012年平均重量為1567kg，而EV車重為1944kg，至2030年，ICEV和EV車重預(yù)測(cè)為1383kg和1613kg。因此，EV較常規(guī)ICEV重280kg以上或重24%。

(4)車重對(duì)EV排放影響

因現(xiàn)有研究缺乏對(duì)EV車重與非尾氣排放定量關(guān)系，一些學(xué)者利用已有研究結(jié)果做出合理估算。例如，Simons估算了EV車重增加280kg將導(dǎo)致PM10每車每公里增加1.1mg（mg/vkm）輪胎磨損、1.1mg/vkm剎車磨損和1.4mg/vkm道路磨損。輪胎、制動(dòng)器和道路磨損導(dǎo)致的PM2.5排放量增加分別為0.8mg/vkm、 0.5mg/vkm和0.7mg/vkm。然而，由于EV的再生剎車，剎車磨損往往較低，但很少文獻(xiàn)研究過實(shí)際排放量的減少。對(duì)于顆粒物再懸浮排放量，Gillies等人（2005）的研究結(jié)果認(rèn)為EV車重與顆粒物再懸浮量之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，因此EV車輛的使用，可導(dǎo)致顆粒物再懸浮排放量增加24%。

2.廢氣和非廢氣排放因子

眾所周知，機(jī)動(dòng)車通過尾氣和非尾氣途徑排放PM。為了正確看待排放量的增加，必須確定其平均PM10和PM2.5排放量。

(1)尾氣排放

尾氣排放PM的主要來源，尤其柴油車。隨著汽車尾氣PM排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)，所有新的柴油機(jī)動(dòng)車均配備了柴油微粒過濾器（DPF）。伯格曼等人（2009）發(fā)現(xiàn)DPF對(duì)PM排放削減非常有效，可將PM的排放量降低99.3%。當(dāng)前歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)EURO 6規(guī)定，新柴油和汽油汽車的排放量必須低于5mg/vkm才能投放市場(chǎng)。

許多研究開展了機(jī)動(dòng)車尾氣排放PM量。較早研究獲得的排放因子較最近結(jié)果高，表明了廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，測(cè)量精度更高。歐洲國家編制了大量機(jī)動(dòng)車尾氣排放清單。這些排放清單匯總了大量測(cè)試和研究數(shù)據(jù)，以提供可用于估計(jì)對(duì)國家空氣污染的貢獻(xiàn)的排放因子。此外，隨著新研究的出現(xiàn)，排放清單每兩年修訂一次。這些排放清單之一是EMEP/EEA排放清單指南：歐盟國家使用本指南來確定其機(jī)動(dòng)車排放量，并每年向EEA報(bào)告。最新的排放清單指南按燃料類型、發(fā)動(dòng)機(jī)排量和技術(shù)提供不同車輛的排放因子。汽油和柴油型機(jī)動(dòng)車PM排放因子通常非常低，遠(yuǎn)低于EURO 6限值。同時(shí)美國EPA亦匯總了機(jī)動(dòng)車排放清單，其模型預(yù)測(cè)了尾氣平均排放的PM10和PM2.5量遠(yuǎn)低于EURO 6限值。Cai等（2013）使用了EPA的機(jī)動(dòng)車排放模型（MOVES）來估算機(jī)動(dòng)車尾氣PM排放量 （按車型年）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用較新車型，尾氣排放量減少。老款汽油車的排放量略高于EURO 6規(guī)定限值，而較新車型的平均排放因子要低得多。根據(jù)計(jì)算模型，所有配備DPF的柴油車型的排放量均低于EURO 6限值。

如果匯總這些排放清單中PM的排放因子，汽油車的PM10排放因子約為3.1mg/vkm，柴油車的PM10排放因子為2.4mg/vkm。汽油和柴油汽車的PM2.5排放因子分別為3.0mg/vkm和2.3mg/vkm。

(2)非廢氣排放

由于廢氣排放研究少且難度大，研究方法有待進(jìn)一步提升，目前最常用的方法包括：

①估算：排放因子可以根據(jù)輪胎使用和剎車使用的國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、每個(gè)輪胎和剎車的平均重量損失以及需要更換輪胎/剎車前的平均距離來估算。一些制造商還提供有關(guān)輪胎和制動(dòng)器磨損率的信息，可用于估算排放因子。②實(shí)驗(yàn)室測(cè)量：實(shí)驗(yàn)室測(cè)量通常使用圓形道路模擬器和加重車輪，帶或不帶制動(dòng)器來測(cè)試輪胎、制動(dòng)器和道路磨損?；蚩梢栽陲L(fēng)洞中的軌道上進(jìn)行測(cè)試，以更接近地模擬現(xiàn)實(shí)。使用道路模擬器的研究示例使用再懸浮室來研究道路灰塵的成分。③路邊和隧道測(cè)量：通過測(cè)量道路附近或隧道入口和出口處的PM水平，將其與PM的背景水平進(jìn)行比較，并通過分析將差異分配到尾氣或非尾氣排放中，并計(jì)算各自排放因子中PM的化學(xué)成分。④移動(dòng)車載測(cè)量：移動(dòng)車載測(cè)量是通過將采樣設(shè)備直接連接到移動(dòng)車輛或移動(dòng)車輛后面的拖車來完成確定再懸浮排放因子。但不同研究結(jié)果大相徑庭，主要取決于測(cè)量方法、位置和測(cè)試車輛的類型。因此，EEA的排放清單、美國EPA排放清單、Dutch PRTR清單和UK NAEI清單匯總這些研究結(jié)果，得出了輪胎磨損、剎車磨損和道路磨損的最具代表性的排放因子，而顆粒物再懸浮僅包含于英國排放清單中。匯總這些排放清單，輪胎磨損、剎車磨損、路面磨損和顆粒物再懸浮的PM10平均排放因子為6.1mg/vkm、9.3mg/vkm、7.5mg/vkm和40mg/vkm。而輪胎磨損、剎車磨損、道路磨損和顆粒物再懸浮的PM2.5排放速率分別為2.9mg/vkm、2.2mg/vkm、3.1mg/vkm和12mg/vkm。

3.比較EV和ICEV排放

關(guān)于車重對(duì)排放的影響以及尾氣和非尾氣平均排放，可以將EV的PM排放總量與汽油和柴油汽車的總排放量進(jìn)行比較。通過比較發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車排放的PM10與現(xiàn)代汽油和柴油汽車的排放量相同。當(dāng)比較PM2.5排放量時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車帶來的排放量減少可以忽略不計(jì)。與普通汽油型ICEV相比，EV排放的PM2.5減少3%。與普通柴油ICEV相比，EV排放的PM2.5減少1%。根據(jù)這些研究發(fā)現(xiàn)，EV對(duì)PM的排放并未有限削減。同時(shí)目前交通源排放的PM10約90%來自于非尾氣排放，而非尾氣排放的PM2.5約占總交通源的85%。隨著越來越嚴(yán)格的排放限制，其比例在未來可能會(huì)繼續(xù)增加。

多項(xiàng)研究亦對(duì)非尾氣排放的重要性得出了相同的結(jié)論，Reexeis和Hausberger（2009）預(yù)測(cè)，非尾氣排放PM占交通源PM排放總量的百分比將從2000年50%增加到2020年80%-90%。J?r?和Handke（2007）模擬了德國PM2.5的非尾氣排放，發(fā)現(xiàn)2000年非尾氣排放占交通源PM2.5排放的25%，預(yù)計(jì)到2020年將貢獻(xiàn)70%。

隨著對(duì)EV續(xù)航里程更長需求增加，需要更大電池，并且需要更多的結(jié)構(gòu)重量來容納這些電池，因此，未來EV和ICEV的非尾氣排放量可能會(huì)繼續(xù)增加。僅通過限制汽車尾氣排放來減少PM污染的策略將不再有效，需要制定非尾氣PM排放的新政策和措施。

4.對(duì)政策的影響

未來政策有多種選擇可以減少非尾氣排放。（1）所有新車（ICEV和EV）需要遵守非尾氣排放最大限值。然而，迄今為止，由于測(cè)量方法的差異，非尾氣排放的測(cè)量產(chǎn)生了不同的結(jié)論。因此，為了引入非尾氣限值，需要引入標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量方法。（2）通過鼓勵(lì)減輕車輛重量創(chuàng)新技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有EV車重。歐洲綠色汽車倡議輕量化車身設(shè)計(jì)、改進(jìn)輪胎設(shè)計(jì)和再生制動(dòng)等。通過新技術(shù)的引入，在增加續(xù)航里程的前提下，減輕車重，以進(jìn)一步減少其非尾氣排放。（3）政府應(yīng)鼓勵(lì)消費(fèi)者和汽車制造商轉(zhuǎn)向更輕量化的機(jī)動(dòng)車，以扭轉(zhuǎn)所有細(xì)分市場(chǎng)汽車重量增加的趨勢(shì)。

5.結(jié)論

交通是大氣PM的主要來源之一，尤其是在城市地區(qū)。EV已被認(rèn)為是解決空氣污染的重要途徑。因此，許多國家都在鼓勵(lì)EV替代ICEV。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)前EV比同等ICEV車型重約24%；多數(shù)研究證明，車重與非廢氣排放PM之間存在正相關(guān)關(guān)系。 EV排放的PM10量與普通傳統(tǒng)汽車相同，PM2.5排放量略低于ICEV，平均排放量比ICEV少1%-3%；非尾氣排放占交通源PM10排放量的90%以上和PM2.5排放量的85%，未來隨著汽車重量的增加，這一比例可能還會(huì)增加。因此，通過以上分析發(fā)現(xiàn)，EV對(duì)交通源PM的排放削減并不會(huì)產(chǎn)生較大影響，但目前的政策僅側(cè)重于減少尾氣中PM排放。此外，建議將輕量化車身和再生制動(dòng)等電動(dòng)汽車技術(shù)應(yīng)用于EV和ICEV，并為消費(fèi)者和汽車制造商改用較輕的車輛提供獎(jiǎng)勵(lì)。