綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

杜芳莉 申慧淵 沈關(guān)炳 鐘 平 武景輝

（西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院 西安 710077）

0 引言

建筑物是人們生活與工作的場(chǎng)所，據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代人類大約有五分之四的時(shí)間是在建筑物中渡過(guò)，因此，室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)成為人們的首要之選，舒適、健康成為選擇室內(nèi)環(huán)境的關(guān)注點(diǎn)。近年來(lái)，由于室內(nèi)的建筑裝飾材料及家具中大量化學(xué)成份的使用，使得甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、氡和TOVC等污染物進(jìn)入室內(nèi)，造成室內(nèi)污染物含量嚴(yán)重超標(biāo)[1]。目前大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)僅僅完成了對(duì)空氣的熱濕處理，而對(duì)室內(nèi)的污染物只能通過(guò)稀釋后排放至室外，無(wú)法滿足健康舒適的室內(nèi)空氣品質(zhì)要求；同時(shí)，由于大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)節(jié)能的要求，導(dǎo)致通過(guò)空調(diào)設(shè)備送入室內(nèi)的新風(fēng)量不足；且少量進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)卻由于汽車尾氣和工業(yè)廢氣的大量排放遭到污染，從而造成進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)中含有大量的NOx，SOx 和粉塵等[2,3]，且目前所使用的空調(diào)系統(tǒng)缺乏自凈功能。如果采取完全密閉的建筑運(yùn)行形式，各種類型的房間內(nèi)二氧化碳和甲醛等的濃度會(huì)隨著室內(nèi)空氣溫、濕度等因素的變化，對(duì)兒童身體健康造成影響。Naydenov 等人通過(guò)測(cè)試，明確密閉環(huán)境下污染物會(huì)對(duì)兒童哮喘和過(guò)敏產(chǎn)生影響[4]。王佳慧對(duì)中國(guó)重慶地區(qū)住宅通風(fēng)與學(xué)齡前兒童哮喘及過(guò)敏性疾病的相關(guān)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，以示蹤氣體計(jì)算得到的換氣次數(shù)可以指明有53.8%的臥室和55.8%的客廳晚上換氣次數(shù)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值[5]。綜上所述，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)已無(wú)法滿足人們對(duì)健康生活的需求。本設(shè)計(jì)方案所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)方便，不僅能夠滿足對(duì)室內(nèi)空氣的熱濕要求，同時(shí)，還能大幅度提高室內(nèi)空氣含氧量，降低室內(nèi)污染物濃度，滿足對(duì)室內(nèi)空氣新鮮度和消毒殺菌的需求。

1 設(shè)計(jì)思路

綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)熱濕處理基礎(chǔ)上增加凈化、除塵、增氧及消毒等功能，從而使空調(diào)系統(tǒng)不僅能夠滿足空氣的熱濕要求，同時(shí)，還能大幅度提高室內(nèi)空氣的含氧量，降低室內(nèi)有機(jī)污染物濃度，滿足室內(nèi)空氣新鮮度和消毒、殺菌的需求。該系統(tǒng)由凈化系統(tǒng)和降溫除濕系統(tǒng)兩大部分組成。其中凈化系統(tǒng)是由TiO2光催化系統(tǒng)、綠植生態(tài)產(chǎn)氧系統(tǒng)、燈光照明及殺菌系統(tǒng)等組成；降溫除濕系統(tǒng)由除濕系統(tǒng)、再生系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)組成。

本設(shè)計(jì)方案中，TiO2催化材料在紫外燈照射下將來(lái)自室內(nèi)回風(fēng)及室外新風(fēng)中的有機(jī)污染物，如氮氧化物、硫氧化物、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、氡和TOVC 等降解為CO2和H2O；綠色植物在光照作用下進(jìn)行光合作用，吸收經(jīng)TiO2光催化降解所產(chǎn)生的CO2和H2O，釋放氧氣，增加空氣的含氧量，同時(shí)還可吸附混合空氣中的PM2.5。降溫除濕系統(tǒng)對(duì)經(jīng)綠植協(xié)同光催化后的空氣進(jìn)行熱濕處理，使空氣溫濕度滿足人們的熱舒適性要求。該設(shè)計(jì)方案不僅能使空氣在綠植房?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)自凈化，還可滿足對(duì)空氣進(jìn)行消毒、殺菌及熱濕處理的要求，從而持續(xù)創(chuàng)造健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)思路如圖1 所示。

圖1 綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)思路Fig.1 Ideas of scheme design of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

2 工作原理

綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)是通過(guò)將室外新風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)混合后的空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)送至綠植房中，綠植房?jī)?nèi)設(shè)有TiO2光催化系統(tǒng)、綠植生態(tài)產(chǎn)氧系統(tǒng)、自給式能源供給系統(tǒng)和降溫除濕系統(tǒng)；其中綠植生態(tài)產(chǎn)氧系統(tǒng)包括合理密植的吊蘭或綠蘿盆栽；TiO2光催化系統(tǒng)包括紫外線燈和TiO2金屬濾網(wǎng)；自給式能源供給系統(tǒng)包括太陽(yáng)能發(fā)電裝置和蓄電池；降溫除濕系統(tǒng)包括吸附除濕單元、吸附再生單元、降溫單元。綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)流程圖如圖2 所示。

具體工作過(guò)程為：來(lái)自綠植房外的新風(fēng)與來(lái)自空調(diào)房?jī)?nèi)的回風(fēng)進(jìn)行混合，通過(guò)新回風(fēng)管道（11）進(jìn)入設(shè)置在綠植房底部的環(huán)形風(fēng)道（5）內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)壓、整流。為使各系統(tǒng)處理空氣效率達(dá)到最優(yōu)，系統(tǒng)在綠值房中合理地設(shè)計(jì)氣流組織，然后經(jīng)設(shè)置在環(huán)形風(fēng)道上的條縫形風(fēng)口（6）低速送至TiO2金屬濾網(wǎng)（7）處，TiO2在紫外線燈的照射下將混合空氣中的有機(jī)污染物降解為CO2和H2O，并對(duì)空氣進(jìn)行消毒殺菌，凈化消毒后的空氣低速進(jìn)入綠植生態(tài)產(chǎn)氧系統(tǒng)中，利用置換通風(fēng)原理，形成自下而上的活塞氣流，在氣流上升的過(guò)程中與綠植盆栽（2）充分接觸，綠植在光照作用下進(jìn)行光合作用，吸收空氣中的CO2和H2O，同時(shí)釋放大量O2；與此同時(shí)，綠植盆栽（2）還可吸附空氣中的PM2.5顆粒狀污染物，使空氣進(jìn)一步凈化，凈化后的空氣含氧量大大提高，有機(jī)污染物含量大幅度減少。最后進(jìn)入設(shè)置在植物房頂部的除濕降溫風(fēng)道（17）和（26）中進(jìn)行降溫除濕處理，生成低溫低濕、高含氧量的凈化空氣進(jìn)入送風(fēng)管（28）中，在送風(fēng)機(jī)（29）作用下，送入空調(diào)房?jī)?nèi)，完成系統(tǒng)循環(huán)。綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖2 綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

圖3 綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

2.1 TiO2 光催化系統(tǒng)

光催化技術(shù)是先進(jìn)氧化技術(shù)中最具代表性的技術(shù)之一，TiO2以其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧化-還原性強(qiáng)、抗腐蝕、無(wú)毒及成本低而成為目前最為廣泛使用的半導(dǎo)體光催化劑[6,7]。其處理空氣污染物的機(jī)理是根據(jù)TiO2半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)的特殊性而實(shí)現(xiàn)的，TiO2粒子本身很穩(wěn)定，當(dāng)它吸收了紫外光的能量以后，TiO2半導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，大大加強(qiáng)氧氣的氧化性，可有效將空氣中的有機(jī)污染物氧化，最終將其分解為CO2和H2O，從而達(dá)到消除有機(jī)污染物的目的。本項(xiàng)目所采用的TiO2降解速率實(shí)驗(yàn)臺(tái)及TiO2降解作用下的NOx濃度變化曲線如圖4、圖5 所示。

圖4 二氧化鈦降解速率實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Titanium dioxide degradation rate test rig

圖5 TiO2 降解NOX 濃度的變化曲線Fig.5 Variation curve of NOX concentration reduced by TiO2

2.2 綠植生態(tài)產(chǎn)氧系統(tǒng)

綠植生態(tài)產(chǎn)氧系統(tǒng)是根據(jù)植物的光合作用[8,9]，有效吸收回風(fēng)及經(jīng)TiO2光催化污染物后產(chǎn)生的CO2和H2O，并釋放氧氣，經(jīng)過(guò)處理后的高含氧量空氣再進(jìn)入降溫除濕系統(tǒng)。關(guān)于綠植的選取，本系統(tǒng)根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際分析，選用質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、產(chǎn)氧量較高的吊蘭與易于養(yǎng)殖的綠蘿作為植物房主培植物[8]。

由于植物的光合作用可有效吸收空氣中的CO2并產(chǎn)生O2，這樣空調(diào)系統(tǒng)就可大量采用回風(fēng)，從而使系統(tǒng)運(yùn)行更節(jié)能。為提高植物的光合作用效率，本方案在設(shè)計(jì)綠植房時(shí)，將其放置在陽(yáng)光充足的建筑物頂部，并采用圓柱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣，一方面可滿足其在屋頂受風(fēng)力等自然作用時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；另一方面，還可滿足房?jī)?nèi)綠植在白天任何時(shí)間都能接受到均勻的太陽(yáng)照射。除此之外，為保證進(jìn)入綠植房中的空氣均勻、低速，本項(xiàng)目還在綠植房底部環(huán)形送風(fēng)道上均勻設(shè)置多個(gè)條縫形風(fēng)口；另外，考慮到引進(jìn)的新風(fēng)中會(huì)含有一定的微小顆粒物，本方案通過(guò)對(duì)植物的合理密植，利用植物葉片對(duì)這些顆粒物的吸附作用來(lái)吸附降解空氣中的PM2.5，保證送入室內(nèi)空氣的潔凈度[10]。

2.3 自給式能源供給系統(tǒng)

自給式能源供給系統(tǒng)是利用設(shè)置在綠植房頂部的太陽(yáng)能發(fā)電裝置為綠植生態(tài)產(chǎn)氧系統(tǒng)和TiO2光催化系統(tǒng)提供自給能源，白天通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電裝置可將部分太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存于蓄電池中，夜間或光照不足時(shí)，蓄電池則釋放儲(chǔ)存能為綠植房?jī)?nèi)的紫外燈提供能源供給，保證系統(tǒng)全天候高效運(yùn)行[11]。它主要是由太陽(yáng)能發(fā)電裝置、整流器、蓄電池、逆變器、紫外燈等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示。

圖6 自給式能源供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Self-contained energy supply system structure

2.4 降溫除濕系統(tǒng)

降溫除濕系統(tǒng)是本裝置的重要組成部分，通過(guò)它可對(duì)凈化消毒后的高含氧量空氣進(jìn)行熱濕處理，以滿足用戶的熱舒適性需求。本裝置是由除濕系統(tǒng)、再生系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)三部分組成。其工作原理為：除濕吸附區(qū)對(duì)進(jìn)入除濕風(fēng)道中的空氣進(jìn)行吸附除濕，吸濕后的吸附帶由電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)入到吸附帶再生區(qū)進(jìn)行自動(dòng)再生[12-14]，經(jīng)過(guò)除濕后的高溫、低濕空氣通過(guò)表冷器進(jìn)行等濕降溫，生成低溫低濕的空氣經(jīng)送風(fēng)機(jī)和送風(fēng)管送至空調(diào)房間，為人們生產(chǎn)生活提供健康舒適的環(huán)境。降溫除濕系統(tǒng)工作原理如圖7 所示。

圖7 降溫除濕系統(tǒng)工作原理圖Fig.7 Working principle of cooling dehumidification system

吸附帶再生過(guò)程為：當(dāng)除濕吸附帶（35）在除濕風(fēng)道（17）中完全吸附后自動(dòng)轉(zhuǎn)入再生風(fēng)道（18）中進(jìn)行再生，再生所需的室外空氣經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能輻射加熱板（25）與紅外電加熱器（23）互補(bǔ)進(jìn)行加熱，當(dāng)太陽(yáng)能輻射加熱板（25）提供的輻射熱溫度達(dá)到60℃及以上時(shí)，關(guān)閉紅外電加熱器（23），直接采用太陽(yáng)能輻射加熱板進(jìn)行再生；當(dāng)太陽(yáng)能輻射加熱板提供溫度不足60℃時(shí)，則開啟紅外電加熱器進(jìn)行再生。加熱后的空氣由再生空氣入口（21）進(jìn)入再生風(fēng)道內(nèi)對(duì)吸濕后的吸附帶進(jìn)行再生，再生過(guò)程中產(chǎn)生的高熱高濕空氣在排風(fēng)機(jī)（24）作用下經(jīng)排風(fēng)口（22）排至綠植房外。如此不斷循環(huán)，從而保證吸附除濕帶高效循環(huán)使用。除濕吸附帶再生結(jié)構(gòu)原理圖如圖8 所示。

圖8 除濕吸附帶再生結(jié)構(gòu)原理圖Fig.8 Schematic diagram of regeneration of dehumidification adsorption band

3 空調(diào)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案充分利用TiO2光催化作用對(duì)空調(diào)系統(tǒng)新回風(fēng)中的有機(jī)污染物進(jìn)行降解，并在植物房?jī)?nèi)合理密植綠色植物對(duì)催化產(chǎn)物CO2及H2O 進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生大量O2，從而提高空調(diào)送風(fēng)中的含氧量， 保證空調(diào)房間的送風(fēng)品質(zhì)。為使TiO2光催化劑及綠色植物能夠在充足的光照下進(jìn)行作用，本設(shè)計(jì)方案將綠植房置于建筑物屋頂，同時(shí)考慮到屋頂易受風(fēng)力等客觀因素影響[15]，將綠植房設(shè)計(jì)為圓柱型建筑，其整體結(jié)構(gòu)透光性良好，且能夠保證陽(yáng)光360°全方位照射；另外為保證該系統(tǒng)全天候運(yùn)行，本系統(tǒng)還巧妙設(shè)計(jì)了自給式能源供給系統(tǒng)，通過(guò)在綠植房屋頂設(shè)置太陽(yáng)能發(fā)電裝置，使設(shè)置在綠植房?jī)?nèi)的紫外燈不斷獲得能源供給，從而為TiO2光催化作用和綠色植物進(jìn)行光合作用提供持續(xù)充足的光照資源。

該設(shè)計(jì)方案通過(guò)多次動(dòng)態(tài)模擬及實(shí)物模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試，均得出該空調(diào)系統(tǒng)確實(shí)能夠有效改善空調(diào)房間的空氣品質(zhì)，并能為空調(diào)房間持續(xù)創(chuàng)造健康、清新、舒適的室內(nèi)環(huán)境。綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)三維模擬圖如圖9 所示，實(shí)物模型圖如圖10所示。綠植協(xié)同光催化凈化室內(nèi)的NO2，其出口處的污染物去除率可以達(dá)到30%，優(yōu)于純降解的去除效率（去除率為20%），其空調(diào)系統(tǒng)的NO2濃度分布圖如圖11 所示。

圖9 綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)三維模擬圖Fig.9 3D simulation of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

圖10 綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)實(shí)物模型圖Fig.10 Physical model of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

圖11 綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)NO2 濃度分布圖Fig.11 Distribution of NO2 concentration in the photocatalytic purifying air conditioning system green with plant

4 結(jié)論

綜上所述，綠植協(xié)同光催化凈化空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)將TiO2光催化有機(jī)污染物技術(shù)與綠植的光合作用巧妙結(jié)合，使進(jìn)入空調(diào)房間的空氣在有效凈化、殺毒的同時(shí)獲得大量的氧氣，從而大幅提高空調(diào)室內(nèi)空氣含氧量，并有效降低污染物濃度，為人們工作及生活營(yíng)造一個(gè)清新、舒適的環(huán)境。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)如下所示：

（1）本系統(tǒng)利用太陽(yáng)熱發(fā)電裝置為綠植生態(tài)產(chǎn)氧系統(tǒng)和TiO2光催化系統(tǒng)提供自給能源，保證系統(tǒng)全天候高效運(yùn)行；

（2）本系統(tǒng)采用TiO2光催化技術(shù)，有效分解空氣中的甲醛、苯、硫氧化物、氮氧化物等污染物，系統(tǒng)運(yùn)行綠色環(huán)保；

（3）本系統(tǒng)利用大葉植物的光合作用及吸附特性，在提高空氣含氧量同時(shí)還能有效吸附空氣中PM2.5，從而達(dá)到改善送風(fēng)品質(zhì)的目的；

（4）本系統(tǒng)巧妙設(shè)計(jì)了自動(dòng)高效再生式吸附帶進(jìn)行除濕，并選用以玻璃纖維為基質(zhì)并復(fù)合氧化鋰的吸附材料，解決了普通空調(diào)技術(shù)除濕難題，具有舒適性高的優(yōu)點(diǎn)；

（5）本系統(tǒng)吸附帶再生技術(shù)利用太陽(yáng)能輻射加熱與紅外輻射加熱進(jìn)行互補(bǔ)，有效利用了新能源的同時(shí)減少了常規(guī)能源的使用，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。