養(yǎng)老建筑中專用空氣凈化器設(shè)計(jì)

劉建軍 宋明亮 毛慶 秦兵

摘要：我國(guó)過(guò)度排放的C02主要源于石化燃料的燃燒，這對(duì)我國(guó)空氣質(zhì)量構(gòu)成了巨大傷害。目前，京津冀地區(qū)的霧霾天氣已嚴(yán)重影響民眾的日常生活和工作，尤其是該地區(qū)大型養(yǎng)老機(jī)構(gòu)中的老年人的身心健康更令人擔(dān)憂?，F(xiàn)有市場(chǎng)中的空氣凈化產(chǎn)品僅僅是過(guò)濾掉空氣中的塵埃，卻不能有效地減少空氣中的二氧化碳含量。因此，急需一種能夠有效減少、調(diào)節(jié)空氣中C02濃度的空氣凈化產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：C02礦化 空氣凈化 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

引言

近些年隨著溫室效應(yīng)的加劇，空氣中的二氧化碳比重也有所增加，尤其是民居和商業(yè)建筑室內(nèi)空氣中的C02大幅增加，室內(nèi)C02增多更是對(duì)人體有一定傷害?？諝庵械腃02占比約為0.031%，人生活在這個(gè)空間，不會(huì)受到危害，如果室內(nèi)聚集著很多人，而且空氣不流通?；蛘呤覂?nèi)有煤氣、液化石油氣及煤火爐燃燒，使空氣中氧氣含量相對(duì)減少，產(chǎn)生大量二氧化碳，室內(nèi)人員就會(huì)出現(xiàn)不同程度的中毒癥狀。關(guān)于二氧化碳在室內(nèi)空氣中最大允許含量，各國(guó)尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，日本規(guī)定室內(nèi)空氣中二氧化碳含量為0.15%時(shí)為換氣標(biāo)準(zhǔn)。

目前市場(chǎng)中空氣凈化器分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)，都是將污風(fēng)吸入，經(jīng)過(guò)內(nèi)部濾網(wǎng)后在排除，根據(jù)風(fēng)扇的功率，濾網(wǎng)的空間安排，如果風(fēng)力過(guò)于強(qiáng)勁，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)后排出的空氣還會(huì)是還有污染物質(zhì)，只有再次吸入空氣，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)，才能最大限度地消除污染物。

如果是在封閉室內(nèi)，內(nèi)循環(huán)產(chǎn)品導(dǎo)致室內(nèi)空氣不流通，容易導(dǎo)致室內(nèi)空氣不流通C02升高，反而容易造成空氣的二次污染。而如果是外循環(huán)在空氣流動(dòng)，開(kāi)窗通風(fēng)的情況下，凈化器的除醛功能基本沒(méi)用，很大程度上成了不稱職的吸塵器。因?yàn)樽匀煌L(fēng)，空氣是流動(dòng)的，說(shuō)不定吸進(jìn)入凈化器的空氣，從進(jìn)化器排出時(shí)，就被自然通風(fēng)的流動(dòng)性帶出了室外，也就是凈化器的作用歸零。因此針對(duì)上述問(wèn)題，本產(chǎn)品定位在封閉式內(nèi)條件下，采用過(guò)濾棉進(jìn)行多次過(guò)濾，并采用氯化鈉溶液進(jìn)行最后過(guò)濾，同時(shí)通過(guò)電化學(xué)系統(tǒng)降低空氣中C02含量。

二氧化碳濃度含量會(huì)影響人類的生活作息，整理出二氧化碳濃度含量與人體生理反應(yīng)如下：

二、原理及技術(shù)闡述

本研究原理基于C02捕獲與礦化封存的電化學(xué)系（專利號(hào)：201611128528.2）發(fā)明專利而改進(jìn)的產(chǎn)品。所涉及到基礎(chǔ)電化學(xué)反映原理具有一致性，即一種通過(guò)電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)C02礦化封存的系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由流體動(dòng)力模塊、反應(yīng)模塊和控制顯示模塊三部分構(gòu)成，保留完整的電化學(xué)工作系統(tǒng)。將此電化學(xué)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到綠色建筑當(dāng)中，基于系統(tǒng)構(gòu)建封閉建筑室內(nèi)二氧化碳調(diào)節(jié)裝置，分為C02礦化封存系統(tǒng)、控制部分、空氣過(guò)濾裝置、外觀整體形象。

（一）C02礦化原理

當(dāng)前，公開(kāi)的C02捕獲與礦化封存技術(shù)主要有兩類。一類是通過(guò)化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)，而另一類則基于電化學(xué)方法。前者大都在高溫或高壓下進(jìn)行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。例如，Olsen Espen公開(kāi)了在6000C～16000C，應(yīng)用金屬氧化物鹽溶體吸收C02的技術(shù)與工藝（CN 102448581 A，US20120128559）。Terasaka等（Chem.Eng.Techn01.2006，29 No 9，第1118-1121頁(yè)）公開(kāi)T--種使用熔鹽漿中的固體顆粒硅酸鋰（LiSi04）作為工作介質(zhì)來(lái)吸收C02的工藝，礦化產(chǎn)物為L(zhǎng)i2C03和Li2Si03以懸浮固體顆粒的形式存在。US2005036932公開(kāi)--種從廢氣中吸收和除去C02的方法，鼓入廢氣通過(guò)含CaO和/或ca（OH）2的固體顆粒的聚集體，使得廢氣中的C02轉(zhuǎn)化成CaC03。cN 102491795A公開(kāi)了在150～3500c、C02分壓不低于1.0MPa的條件下，用鉀長(zhǎng)石將C02礦化生產(chǎn)富鉀溶液的方法；而CN102895847 A則公開(kāi)了將C02通入熔融堿金屬、堿土金屬、過(guò)渡金屬的碳酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、氧化物、氫氧化物、硝酸鹽、鋁酸鹽和它們的混合體中進(jìn)行吸收電解的捕集方法。CN 103111161 A公開(kāi)了一種規(guī)模較大的C02捕獲工藝，通過(guò)具有正壓壓力的C02捕獲塔中的溶劑捕獲C02，過(guò)飽和C02溶液再進(jìn)入釋放塔進(jìn)行抽出集中。基于電化學(xué)方法的C02捕獲與轉(zhuǎn)化工藝相對(duì)簡(jiǎn)單且運(yùn)行環(huán)境相對(duì)溫和，CN 101670236 A公開(kāi)了通過(guò)碳酸鹽水溶液捕獲和電滲析回收C02的系統(tǒng)和方法，通過(guò)水溶液捕獲C02后進(jìn)行電滲析形成富C02液流和再生捕獲溶液。CN 102351310 A公開(kāi)了一種微生物電化學(xué)C02捕捉系統(tǒng)，利用有機(jī)廢水作為微生物營(yíng)養(yǎng)源，在C02捕獲的同時(shí)兼顧污水處理問(wèn)題。CN 102978653 A公開(kāi)了一種礦化C02聯(lián)產(chǎn)強(qiáng)酸的膜電解方法，其礦化原料為硝酸鹽或硫酸鹽，產(chǎn)物為碳酸鹽和硝酸。CN 105420751 A公開(kāi)了—種電化學(xué)還原二氧化碳制備碳?xì)浠衔锏姆椒ǎ捎脡A金屬碳酸（氫）鹽、硫酸鹽、磷酸（氫）鹽等作為物及電解質(zhì)，其特色在于在電解質(zhì)系統(tǒng)中引入有機(jī)溶劑。不同于水相體系的電化學(xué)捕獲，CN103590064 A公開(kāi)了將無(wú)水LiF和Li2C03按摩爾比（0.5～1.5）：1混合均勻加入添加劑后制成電解質(zhì)熔鹽，置于電解槽中加熱至690～700 oc通入CD2電解的捕獲方法。其中，陰極材質(zhì)為Ni或Ti，陽(yáng)極材質(zhì)為Pt、Fe-Ni合金或Fe-Ni-A1203合金。

（二）設(shè)計(jì)創(chuàng)新

工業(yè)設(shè)計(jì)隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，其內(nèi)涵和外延逐漸發(fā)展成包括造型設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)——UI、使用行為研究、消費(fèi)心理研究、設(shè)計(jì)趨勢(shì)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)戰(zhàn)略以及新材料與新工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究等多角度、深層次、全方位的立體式的設(shè)計(jì)學(xué)科；康佳多媒體工業(yè)設(shè)計(jì)研究所所長(zhǎng)金勇稱其為“大工業(yè)設(shè)計(jì)”概念。在其概念下，“以用戶為中心的設(shè)計(jì)”，“為人的需要而設(shè)計(jì)”等設(shè)計(jì)理念逐漸地受到設(shè)計(jì)界的重視，企業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新也逐漸轉(zhuǎn)變成注重開(kāi)發(fā)潛在市場(chǎng)，以引導(dǎo)用戶潛在消費(fèi)為目的商業(yè)行為。

針對(duì)將之前的電化學(xué)系統(tǒng)發(fā)明與現(xiàn)有市場(chǎng)中空氣凈化技術(shù)相結(jié)合，并具體設(shè)計(jì)成空氣凈化功能和吸收C02功能的室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品。首先目前市場(chǎng)上的空氣凈化器種類、功能不盡相同，但從空氣凈化器的工作原理來(lái)看，主要以下兩種：

一是被動(dòng)吸附過(guò)濾式，用風(fēng)機(jī)將空氣抽入機(jī)器，通過(guò)內(nèi)置的濾網(wǎng)過(guò)濾空氣，主要能夠起到過(guò)濾粉塵、異味、消毒等作用。這種濾網(wǎng)式空氣凈化器多采用HEPA濾網(wǎng)+活性炭濾網(wǎng)+光觸媒（冷觸媒、多遠(yuǎn)觸媒）+紫外線殺菌消毒+靜電吸附濾網(wǎng)等方法來(lái)處理空氣。其中HEPA濾網(wǎng)有過(guò)濾粉塵顆粒物的作用，其他活性炭等主要是吸附異味的作用，因此，可以看出，市面上帶有風(fēng)機(jī)濾網(wǎng)、光觸媒、紫外線、靜電等各種不同標(biāo)簽、看似十分混亂的空氣凈化器所采用的工作原理基本是相同的，都是被動(dòng)吸附過(guò)濾式的空氣凈化。

二是主動(dòng)式，其根本區(qū)別就在于，主動(dòng)式的空氣凈化器擺脫了風(fēng)機(jī)與濾網(wǎng)的限制，不是被動(dòng)地等待室內(nèi)空氣被抽入凈化器內(nèi)進(jìn)行過(guò)濾凈化，之后再通過(guò)風(fēng)機(jī)排出，而是有效、主動(dòng)地向空氣中釋放凈化滅菌因子，通過(guò)空氣彌漫性的特點(diǎn)，到達(dá)室內(nèi)的各個(gè)角落對(duì)空氣進(jìn)行無(wú)死角凈化。目前在技術(shù)上比較成熟的主動(dòng)凈化技術(shù)主要是利用負(fù)氧離子作為凈化因子處理空氣和利用臭氧作為凈化因子處理空氣兩種。這兩種就是典型的基于主動(dòng)凈化原理而進(jìn)行工作的空氣凈化器。

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)合理布局，將兩部分合理相連。（如圖1）為產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，（如圖2）為產(chǎn)品內(nèi)部工作原理圖。該產(chǎn)品核心部件為C02封存系統(tǒng)，含有C02的空氣，從產(chǎn)品右側(cè)的進(jìn)氣格柵進(jìn)入，從（圖1）的06出氣口釋放出氫氣和氧氣?？刂颇K與C02封存系統(tǒng)、C02感應(yīng)監(jiān)測(cè)模塊以及顯示器相連，并通過(guò)系統(tǒng)控制器一方面給上述傳模塊件提供電力?？刂破魍ㄟ^(guò)數(shù)字信號(hào)控制C02封存系統(tǒng)進(jìn)行反映，整個(gè)產(chǎn)品被集成在125.6×w17.5×h16cm的空間內(nèi)。

主要功能除礦化C02外，還有通過(guò)反應(yīng)液與棉質(zhì)濾網(wǎng)對(duì)空氣進(jìn)行過(guò)濾凈化空氣。由于細(xì)菌、真菌本身帶有負(fù)電荷，當(dāng)與帶正電荷的濾網(wǎng)相遇時(shí)被中和，使細(xì)菌的呼吸機(jī)能被抑制而發(fā)生死亡，從而可以達(dá)到高效去除細(xì)菌的目的。濾網(wǎng)有效過(guò)濾到空氣中30微米以上的大小的飄塵，其中包括家中寵物、人體的毛發(fā)以及粉塵等，過(guò)濾效果一般都可以達(dá)到90%左右。

三、應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域

本研究是上述C02捕獲與礦化封存的電化學(xué)系與當(dāng)前市場(chǎng)上普通凈化器工作原理相結(jié)合，設(shè)計(jì)成相應(yīng)的產(chǎn)品，主要這對(duì)老年人應(yīng)用到封閉室內(nèi)環(huán)境中，調(diào)節(jié)筑空間內(nèi)的二氧化碳濃度，凈化室內(nèi)空氣。

我國(guó)過(guò)度排放的C02，這對(duì)空氣質(zhì)量構(gòu)成巨大的傷害，霧霾天氣時(shí)有發(fā)生。大型城市的寫(xiě)字樓、商場(chǎng)、醫(yī)院等公共空間中，都是以封閉的環(huán)境；主要都是靠中央空調(diào)的通風(fēng)管來(lái)通風(fēng)；這樣空氣質(zhì)量變得很差，二氧化碳超標(biāo)。如果長(zhǎng)時(shí)間待在空氣渾濁的建筑空間內(nèi)會(huì)導(dǎo)致頭暈、目眩，并開(kāi)始覺(jué)得昏昏欲睡，不利于人體健康，降低工作效率。尤其是大型養(yǎng)老機(jī)構(gòu)中的老年人對(duì)空氣質(zhì)量的要求更高，因此針對(duì)上述問(wèn)題研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)老年人的行為特征以及使用習(xí)慣設(shè)計(jì)出一款針對(duì)大型養(yǎng)老機(jī)構(gòu)封閉空間空氣凈化產(chǎn)品。

本產(chǎn)品采用落地式與墻體內(nèi)嵌式兩種使用模式，對(duì)產(chǎn)品的安裝方式進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì)，產(chǎn)品可以方便快捷地安裝在建筑室內(nèi)墻壁以及放置在室內(nèi)的某個(gè)地方。安裝結(jié)構(gòu)：通過(guò)外觀設(shè)計(jì)將安裝結(jié)構(gòu)與C02礦化封存系統(tǒng)、控制部分兩部分整合在一起，壁掛板應(yīng)水平安裝，整個(gè)裝置距室內(nèi)天花板有10-15cm，方便拆裝。安裝掛鉤應(yīng)承受60kq的重量。詳見(jiàn)圖6壁掛架。本產(chǎn)品與現(xiàn)有市面上空氣凈化器的原理完全不同，主要是利用電化學(xué)的系統(tǒng)對(duì)封閉室內(nèi)空間的C02進(jìn)行分解，來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)C02的含量。安裝簡(jiǎn)單操作方便，并采用多孔結(jié)構(gòu)的泡沫鎳做陽(yáng)極，其功耗最小，最為節(jié)能（見(jiàn)圖3）。

結(jié)論

本產(chǎn)品針對(duì)目前市場(chǎng)中內(nèi)循環(huán)空氣凈化器的缺點(diǎn)，進(jìn)行改良設(shè)計(jì)引入C02捕獲與礦化封存的電化學(xué)系作為產(chǎn)品核心部件，并配合現(xiàn)有產(chǎn)品的碳化空心過(guò)濾棉對(duì)空氣進(jìn)行多次凈化，并有效降低C02在空氣中的含量。將此產(chǎn)品應(yīng)用在大型養(yǎng)老機(jī)構(gòu)中能有效地解決，室內(nèi)空氣質(zhì)量，對(duì)老年人的身心健康以及生活品質(zhì)都有所改善。