路燈和空氣凈化技術(shù)的組合式創(chuàng)新設(shè)計(jì)

朱慶祥 喬慧

摘要：為了解決城市道路空氣污染問題，采用組合設(shè)計(jì)的方法，提出給路燈增加空氣凈化功能的概念，文章在分析了路燈的結(jié)構(gòu)和當(dāng)前空氣凈化技術(shù)之后，得出可行的組合方案，并采用了仿生法給路燈設(shè)計(jì)了新的形態(tài)。新設(shè)計(jì)為緩解城市道路空氣污染問題提供了一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計(jì) 組合設(shè)計(jì) 路燈 空氣凈化

引言

近年來，由道路機(jī)動(dòng)車造成的空氣污染問題越來越嚴(yán)重，據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《中國機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)（2014年度）》顯示，2013年全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.32億輛，機(jī)動(dòng)車尾氣排放已成為我國空氣污染的重要來源，是造成霧霾、光化學(xué)污染的重要原因。研究表明，由道路交通產(chǎn)生的污染物已經(jīng)成為城市中空氣污染的主要來源，并且道路交通相關(guān)的污染空氣靠近人體的呼吸帶，給城市居民的健康帶來嚴(yán)重威脅。城市道路交通空氣污染已成為一個(gè)亟待解決的課題。文中通過研究把路燈和空氣凈化技術(shù)進(jìn)行組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)，探索一種能夠緩解城市道路交通空氣污染問題的新方案。

一、組合設(shè)計(jì)

組合設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)常用的創(chuàng)新方式，是將兩種或兩種以上原理、技術(shù)、形態(tài)、產(chǎn)品的一部分或全部科學(xué)合理地以一定規(guī)則疊加和結(jié)合，形成新原理、新技術(shù)、新形態(tài)、新產(chǎn)品等的創(chuàng)新方法。組合設(shè)計(jì)所參與組合的技術(shù)和產(chǎn)品是已經(jīng)存在并經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的，所以通過組合設(shè)計(jì)產(chǎn)生的新產(chǎn)品具有較高的可靠性和實(shí)用性，另外組合設(shè)計(jì)還具有一下優(yōu)點(diǎn)：

（1）消減產(chǎn)品成本。多種功能的產(chǎn)品組合在一起，共用某些材料、結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)流程，可以節(jié)約產(chǎn)品的生產(chǎn)成本；（2）縮減產(chǎn)品體積。組合設(shè)計(jì)可以把實(shí)現(xiàn)不同功能的多個(gè)產(chǎn)品組合到一個(gè)產(chǎn)品里，增加了使用的便利性和便攜性，減小了產(chǎn)品的體積；（3）豐富產(chǎn)品功能。組合設(shè)計(jì)可以在產(chǎn)品基礎(chǔ)功能上增加更多相關(guān)的輔助功能，使產(chǎn)品基本功能更加完善。（4）符合綠色設(shè)計(jì)的思想。組合設(shè)計(jì)將多個(gè)相似或者相關(guān)的功能組合在一起，達(dá)到一物多用的目的。可以節(jié)約材料，方便用戶使用、儲(chǔ)存，對(duì)于生產(chǎn)者和消費(fèi)者來說，具有雙贏的效果，符合綠色環(huán)保的理念。

在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)中，常用的組合設(shè)計(jì)方法有以下三種：

（1）功能組合。把兩種或兩種以上相關(guān)的或不相關(guān)的功能組合到一個(gè)產(chǎn)品里，以形成一個(gè)新產(chǎn)品。（2）形態(tài)組合。將一種或多種基本形態(tài)單元按照美學(xué)形式法則和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行疊加組合，以形成新的產(chǎn)品形態(tài)。（3）材料組合。將不同的材料以一定結(jié)構(gòu)組合起來應(yīng)用到同一產(chǎn)品中，組合起來的材料具有新的性能特性或感官特性，解決單一材料的不足。

一般來說，在進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)過程中會(huì)綜合地使用以上一種或多種方式。解決城市道路交通污染的問題，更多的是關(guān)于功能性的，所以主要采用功能組合來進(jìn)行方案創(chuàng)新。

為了獲取具有一定創(chuàng)新意義的可行方案，就不能在開始的時(shí)候設(shè)定進(jìn)行組合的元素，而是應(yīng)該列舉盡可能多的組合元素進(jìn)行組合，獲得大量組合方案，然后并從中篩選出合理的創(chuàng)新方案。在城市城市道路空氣污染這個(gè)問題當(dāng)中涉及到兩個(gè)維度的元素——城市道路交通相關(guān)元素、空氣凈化相關(guān)元素。首先通過列舉法列舉出城市道路交通相關(guān)元素有：公路、機(jī)動(dòng)車、人、路燈；其次列舉出空氣凈化相關(guān)元素有：綠色植物、空氣凈化器、降雨、通風(fēng)；把這兩類元素填充到組合矩陣進(jìn)行正交組合，得出-系列組合方案，刪除無意義方案后，結(jié)果（如表1）所示。

通過對(duì)道路交通元素和空氣凈化元素的正交組合，得到了多種組合方案，分析這些方案的創(chuàng)新型和實(shí)用性結(jié)果（如表2）所示。

從（如表2中）可以看出，有三種具有創(chuàng)新性并且技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的組合方案——有噴水功能的公路、有空氣凈化功能的路燈、噴水的路燈。對(duì)于有噴水功能的公路和噴水的路燈這兩個(gè)組合方案來說，降水只能沉降空氣中的顆粒物，對(duì)空氣的凈化功能有限，并且需要建立相應(yīng)的供水管網(wǎng)，事倍而功半。對(duì)于有空氣凈化功能的路燈這個(gè)方案來說，路燈是城市道路的基礎(chǔ)設(shè)施，分布于道路兩側(cè)，間距30-50米，采用城市電網(wǎng)供電，一般電壓為220V，如果給路燈增加空氣凈化的功能，此功能使用路燈的供電線路供電，在不影響照明的基礎(chǔ)上合理地增加空氣凈化的功能，將會(huì)是一個(gè)解決城市道路空氣污染問題的可行方案。

二、路燈的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在公路路燈通常采用桿狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和形態(tài)大同小異，典型的路燈結(jié)構(gòu)（如圖1）所示。

從路燈的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，路燈高約10米，燈桿根徑約190毫米，梢徑約80毫米，呈中空的管狀結(jié)構(gòu)，主要起支撐作用。中空的燈桿為安裝空氣凈化裝置提供了空間。每個(gè)路燈都有供電設(shè)施，可以為空氣凈化裝置提供能源。所以路燈具有加裝空氣凈化裝置的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

三、空氣凈化技術(shù)

當(dāng)前比較成熟的空氣凈化技術(shù)主要有以下幾種：

（1）通過固體材料過濾凈化空氣。這是一種物理除塵凈化技術(shù)，采用多孔性過濾材料，例如HEPA濾網(wǎng)、活性炭濾網(wǎng)、無紡布、濾紙等，通過吸附和過濾空氣中的懸浮顆粒物以達(dá)到凈化空氣的目的。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可以高效過濾空氣中的懸浮顆粒物。缺點(diǎn)是凈化有害氣體性能差，并且需要定期更新過濾網(wǎng)。（2）通過靜電除塵凈化空氣。通過靜電場使空氣中懸浮顆粒物帶電，帶電的顆粒物通過電場時(shí)會(huì)被吸附收集，達(dá)到凈化空氣目的。優(yōu)點(diǎn)是可以高效去除空氣中的微粒污染物，同時(shí)還可有效吸附空氣中的病毒和細(xì)菌。缺點(diǎn)是不能直接殺死病毒、細(xì)菌，分解污染物。（3）通過鈉米光觸媒催化分解技術(shù)凈化空氣。利用鈉米光觸媒催化分解空氣中的污染物，使之變成其他物質(zhì)或與濾料上的某些成分結(jié)合而被固定達(dá)到去除目的。優(yōu)點(diǎn)是廣譜性的實(shí)用性效果，凈化效率較高，可以殺死空氣中的病毒、細(xì)菌，分解空氣中的有害氣體。缺點(diǎn)是這種類型凈化器凈化效率除與凈化器本身性能有關(guān)外，與；爭化條件密切相關(guān)。（4）通過負(fù)離子凈化空氣。負(fù)離子凈化技術(shù)是一種主動(dòng)型凈化空氣技術(shù)，通過釋放負(fù)離子，使空氣中的懸浮顆粒和負(fù)離子結(jié)合并沉降，從而達(dá)到空氣凈化的目的。優(yōu)點(diǎn)是不僅可以吸附煙霧、灰塵使其沉降，而且還可以殺滅細(xì)菌。缺點(diǎn)是生成負(fù)離子的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生臭氧，造成二次污染。

四、路燈和空氣凈化功能的組合

接下來分析在路燈上應(yīng)用哪種空氣凈化技術(shù)比較合適。

（1）路燈是一種大量存在的公共設(shè)施，如果組合的空氣凈化技術(shù)需要頻繁維護(hù)，顯然不合適。固體材料過濾方式，需要定期更換濾網(wǎng)，會(huì)消耗很多的人力物力，顯然不是一個(gè)好的選擇。

（2）靜電除塵技術(shù)可以有效地清除空氣中的懸浮顆粒物，并且能夠長期有效地運(yùn)行，但是不能殺菌和分解有害氣體，所以適合污染空氣的初級(jí)凈化處理。

（3）鈉米光觸媒技術(shù)可以催化分解污染物和有害氣體，并且可以殺死細(xì)菌和病毒，能夠長期有效地運(yùn)行，但是適用于空氣中污染物含量比較低的情況，所以適合凈化經(jīng)過初級(jí)凈化的空氣。

（4）負(fù)離子凈化技術(shù)，是一種主動(dòng)型的空氣凈化形式，能夠有效地沉降空氣中的懸浮顆粒物，并且可以長期有效運(yùn)行，但是凈化效率不高，可以作為道路空氣凈化的補(bǔ)充手段。

通過以上分析和對(duì)比，并結(jié)合每種空氣凈化技術(shù)的特點(diǎn)、道路交通的環(huán)境特點(diǎn)及路燈的結(jié)構(gòu)，采用如下方案進(jìn)行路燈燈桿內(nèi)空氣凈化裝置的設(shè)計(jì)：

（1）路燈燈桿近地位置加裝風(fēng)機(jī)，并使用路燈的電纜供電。（2）路燈的燈桿中加裝一個(gè)二級(jí)空氣凈化結(jié)構(gòu)。第一級(jí)采用靜電除塵技術(shù)，凈化空氣中的大多數(shù)懸浮顆粒物；第二級(jí)采用納米光觸媒技術(shù)，進(jìn)一步清除空氣中的懸浮顆粒物、病菌和有害氣體；（3）路燈燈桿的頂部加裝一個(gè)負(fù)離子發(fā)生器，生成的負(fù)離子沉降懸浮在道路上方空氣中的微顆粒物。

五、路燈的仿生形態(tài)設(shè)計(jì)

分析了路燈的結(jié)構(gòu)和空氣凈化技術(shù)之后，通過組合設(shè)計(jì)已經(jīng)給路燈賦予了新的功能——空氣凈化功能。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品造型時(shí)，產(chǎn)品的形態(tài)應(yīng)該表明產(chǎn)品的功能，具有空氣凈化功能的路燈的形態(tài)應(yīng)該有凈化的語義。在設(shè)計(jì)路燈造型時(shí)，采用了形態(tài)仿生的方法，形態(tài)的仿生是將生物的形態(tài)設(shè)計(jì)成產(chǎn)品的形態(tài)特征。植物是自然界生物中凈化空氣的主力軍，所以借鑒自然界中植物的形態(tài)來設(shè)計(jì)路燈的形態(tài)。造型方案（如圖2）所示。

結(jié)論

通過組合設(shè)計(jì)的方法得出了多種解決城市道路交通污染問題的新方案，對(duì)各個(gè)方案的可行性進(jìn)行分析后確定了路燈和空氣凈化技術(shù)進(jìn)行組合的方向。在分析路燈的結(jié)構(gòu)和空氣凈化技術(shù)之后，得出路燈和空氣凈化技術(shù)具體組合結(jié)構(gòu)和方式。并采用仿生法設(shè)計(jì)了具有空氣凈化功能的路燈的新形態(tài)。新的路燈設(shè)計(jì)方案為解決城市道路空氣污染問題提供了一個(gè)可行參考方向。