一種電梯智能空氣凈化系統(tǒng)的探討*

吳建平

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040）

日常生活中，污染物按照形態(tài)區(qū)分主要包括氣態(tài)污染物和顆粒污染物兩種，其中氣態(tài)污染物又分為有機(jī)與無機(jī)化合物，氣態(tài)污染物中的有機(jī)化合物有裝修過程中產(chǎn)生的TVOC等，無機(jī)化合物有人體正常呼吸產(chǎn)生的CO2等；顆粒污染物按照物質(zhì)種類區(qū)分主要包括生物粒子和非生物粒子兩種，花朵的花粉、病毒、邊角處滋生的真菌與細(xì)菌等均屬于生物粒子，吸煙產(chǎn)生的煙霧、地面移動(dòng)濺起的粉塵、大氣飄散的霧霾、PM2.5等均屬于非生物粒子。這些污染物會(huì)嚴(yán)重影響人們?nèi)粘３穗娞輹r(shí)的出行環(huán)境，給人體帶來不適感，嚴(yán)重時(shí)損害人體健康。顆粒污染物具有滯留、累積的特征，電梯在運(yùn)行過程中，隨著時(shí)間的增加，若處理不及時(shí)，轎廂內(nèi)的顆粒污染物會(huì)給人體帶來不適感，如非生物粒子PM2.5就會(huì)造成人體呼吸不暢，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅到人體健康，如過敏、胸悶等；細(xì)菌、病毒、真菌等顆粒污染物中的生物粒子，由于具備顆粒污染物滯留、累積的特征，可能依附于電梯通風(fēng)系統(tǒng)濾膜表面或者邊角細(xì)縫連接處，可能成為某些疾病的傳播源[1]。目前所使用的電梯通風(fēng)系統(tǒng)缺乏對(duì)電梯轎廂內(nèi)顆粒污染物的實(shí)質(zhì)處理，轎廂是一個(gè)狹小且相對(duì)封閉的環(huán)境，乘坐電梯的時(shí)候經(jīng)常出現(xiàn)人擠人的現(xiàn)象，人體呼吸所產(chǎn)生的CO2會(huì)降低轎廂內(nèi)的氧氣含量，造成人體呼吸不暢、缺氧胸悶等不適癥狀。VOC氣體也是一種嚴(yán)重影響人們身體健康的污染源，比如苯類氣體進(jìn)入到人體內(nèi)，可能有致癌作用。

1 電梯污染物的來源及傳播

1.1 建筑及室內(nèi)設(shè)施

電梯系統(tǒng)一般布置在建筑物之內(nèi)，建筑及室內(nèi)設(shè)施一般包括建筑材料、室內(nèi)裝修材料、家具電器、日用品等，這些設(shè)施也可能通過樓道或者通風(fēng)道進(jìn)入到電梯轎廂，成為污染源[2]。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提高了人們對(duì)物質(zhì)生活的追求，個(gè)性化、多樣性等相關(guān)裝修要求成為業(yè)主的主要需求，部分裝修材料在一定時(shí)間內(nèi)存在多種有害物質(zhì)。這些有害物質(zhì)隨著時(shí)間的推移，會(huì)不斷釋放出來，建筑物本身是一個(gè)相對(duì)半封閉的空間，這些有害物質(zhì)可能由于通風(fēng)不佳而滯留在建筑物內(nèi)，通過人行通道、步梯、通風(fēng)道等多種渠道進(jìn)入電梯轎廂內(nèi)，造成轎廂空氣環(huán)境質(zhì)量急劇下降[3]。室內(nèi)裝修材料經(jīng)常使用人造板材制作衣柜、地板、廚具等，人造地板在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)釋放甲醛，這些室內(nèi)裝修材料在制作過程中通過膠黏劑連接在一起，這些膠黏劑存在大量未被釋放的甲醛，隨著溫度的變化，會(huì)在不同階段大量釋放甲醛；在裝修過程中，墻面粉刷、地面貼地板等裝修處理，會(huì)使用到大量的工業(yè)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品包括了涂料、防水劑、油漆、膠黏劑等，這些工業(yè)產(chǎn)品大多屬于化工行業(yè)提煉而成含有大量的有機(jī)污染物，這些有機(jī)污染物隨環(huán)境的變化會(huì)不斷揮發(fā)出污染物。室內(nèi)設(shè)施中的日用生活用品、家用電器、家具的使用也會(huì)由于某種原因產(chǎn)生有害物質(zhì)，比如人造皮質(zhì)沙發(fā)在高溫環(huán)境下就可能會(huì)釋放甲醛等有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)可能從建筑設(shè)施的通道間接進(jìn)入到電梯轎廂，進(jìn)而影響轎廂內(nèi)的空氣質(zhì)量。

1.2 人類活動(dòng)

電梯轎廂是一個(gè)狹小且封閉的空間，擁擠的人群乘坐電梯時(shí)，通過呼吸道排出的CO2、水蒸氣會(huì)降低轎廂內(nèi)的氧氣含量，可能造成人體呼吸困難。乘坐電梯時(shí)，有時(shí)不可避免乘員說話、咳嗽、打噴嚏等現(xiàn)象的出現(xiàn)，這些現(xiàn)象也可能通過人體呼吸道帶來細(xì)菌、病毒等有害人體健康的生物粒子，顆粒物有下沉、累積的特點(diǎn)，若不及時(shí)排出可能在一段時(shí)間內(nèi)成為傳播源，造成疾病的傳播。人體在乘電梯時(shí)也會(huì)出現(xiàn)各種各樣的攜帶物，包括人體本身散發(fā)的異味，穿著打扮時(shí)的揮發(fā)性物質(zhì)、外賣餐飲味，以及其他各種物品所帶來的影響空氣質(zhì)量的因素。

1.3 轎廂外大氣環(huán)境

轎廂外的空氣環(huán)境主要受到當(dāng)前環(huán)境日益惡劣的影響，比如在冬季的時(shí)候，國內(nèi)部分城市都會(huì)出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象，北方部分城市還可能受到沙塵暴的影響，PM2.5的超標(biāo)也在影響著人們的生活環(huán)境，大氣中的污染物主要有PM2.5、霧霾等[4]。

1.4 地下車庫

電梯通常由地下車庫沿上連接各個(gè)樓層，電梯中的循環(huán)空氣也主要與這些空間交互?？諝獾牧魍ㄖ饕ㄟ^建筑通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行更替，地下車庫是一個(gè)相對(duì)密閉的環(huán)境，由于汽車出行頻率高，汽車所排出的尾氣基本很難在短時(shí)間排出過濾，導(dǎo)致地下車庫各種有害物質(zhì)會(huì)越積越多，加上地下車庫的陰暗與潮濕，有害細(xì)菌也會(huì)迅速繁殖，對(duì)電梯的空氣質(zhì)量是一種嚴(yán)重的威脅。

2 總體控制策略

該電梯空氣凈化系統(tǒng)總體控制策略要明確的是基于智能化的控制設(shè)計(jì)，由于電梯轎廂內(nèi)主要的污染物分為兩大類，氣體污染物和顆粒污染物，同時(shí)由于狹小的空間內(nèi)人員擁擠所產(chǎn)生的CO2也會(huì)迅速累積，嚴(yán)重影響人體的正常呼吸，所以需要考慮的是電梯空氣凈化系統(tǒng)對(duì)于氣體污染物、顆粒污染物、CO2的處理。應(yīng)該考慮通過什么方式去除污染物，針對(duì)這兩種污染物及CO2選擇利用濾芯層進(jìn)行過濾，紫外燈進(jìn)行殺菌與消毒處理，電離空氣產(chǎn)生負(fù)離子的方式提供“空氣維生素”，同時(shí)利用循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用，不斷從轎廂外吸入空氣，進(jìn)入電梯頂部的凈化箱，乘員所產(chǎn)生的CO2等廢氣在從轎廂底部側(cè)面排出去，在這樣的一個(gè)來回循環(huán)系統(tǒng)中讓轎廂一直處于一種安全舒適的環(huán)境。

從相關(guān)資料中可以得出電梯內(nèi)的污染物主要凈化方式如表1所示，以PM2.5為主的非生物顆粒污染物采用HEPA高效濾芯過濾與負(fù)離子吸附的方式處理；顆粒污染物中以細(xì)菌、病毒、微生物為主的生物粒子采用HEPA高效過濾濾芯及紫外燈的共同作用進(jìn)行殺菌、消毒處理；由于活性炭具備良好的吸附作用，以甲醛為主的VOC氣體污染物采用活性炭過濾。不管是污染物還是CO2，經(jīng)過多層過濾層，在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下，轎廂內(nèi)的空氣一直保持來回循環(huán)，可以降低CO2濃度，負(fù)離子提供飽含富氧的空氣環(huán)境，整個(gè)轎廂就能夠一直保持清新自然的空氣質(zhì)量。

表1 污染物主要凈化措施

污染物及CO2濃度大小的數(shù)據(jù)監(jiān)測依靠三個(gè)傳感器感應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測。顆粒污染物采用PM2.5傳感器進(jìn)行濃度檢測，可有效檢測PM2.5、細(xì)菌、病毒、微生物等粒子在空氣中的濃度大??；氣體采用VOC氣體傳感器及CO2傳感器進(jìn)行濃度檢測，可有效檢測TVOC、CO2等氣體在空氣中的濃度[5]。傳感器模塊檢測到兩種類型污染物及CO2后，將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行處理，確定的控制器空氣質(zhì)量等級(jí)判斷值如表2所示。

表2 控制器空氣質(zhì)量等級(jí)判斷值

從表2中我們可以得出如下結(jié)論：

1）滿足PM2.5≤35 μg/m3、TVOC≤0.3 mg/m3、CO2＜1 000 ppm時(shí)，控制器判定當(dāng)前空氣質(zhì)量為優(yōu)。

2）滿足35 μg/m3＜PM2.5≤75 μg/m3、TVOC≤0.5 mg/m3、CO2＜1 000 ppm或PM2.5≤75 μg/m3、0.3 mg/m3＜TVOC≤0.5 mg/m3、CO2＜1 000 ppm時(shí)，控制器判定當(dāng)前空氣質(zhì)量為良。

3）滿足PM2.5＞75 μg/m3或TVOC＞0.6 mg/m3或CO2≥1 000 ppm時(shí)，控制器判定當(dāng)前空氣質(zhì)量為差；控制器接收到傳感器的信號(hào)后，根據(jù)表中的空氣質(zhì)量等級(jí)關(guān)閉負(fù)離子發(fā)生器并控制循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速進(jìn)行空氣處理。具體控制凈化裝置執(zhí)行狀態(tài)如表3所示。

表3 凈化裝置執(zhí)行狀態(tài)

根據(jù)表1、表2、表3的空氣污染物凈化方式、空氣質(zhì)量等級(jí)的判斷、凈化裝置的執(zhí)行狀態(tài)，可參考圖1進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制[6]。

圖1 系統(tǒng)控制邏輯圖

空氣凈化系統(tǒng)開啟后，傳感器模塊進(jìn)行污染物及CO2的檢測，數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器的判斷后，按照三種模式的空氣質(zhì)量等級(jí)，執(zhí)行凈化裝置及循環(huán)風(fēng)機(jī)速度的控制。在轎廂內(nèi)，有一部分污染物可能由乘員攜帶或者電梯開閉帶入轎廂，雙通道傳感器可實(shí)現(xiàn)轎廂內(nèi)與轎廂頂部進(jìn)風(fēng)口的空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)循環(huán)檢測。

3 系統(tǒng)整機(jī)布置

該電梯空氣凈化系統(tǒng)的整機(jī)布置如圖2所示。系統(tǒng)主要由空氣凈化箱、控制器及其外圍電路、各種傳感器、空氣濾芯層、負(fù)離子發(fā)生器、循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、外部控制開關(guān)等部件構(gòu)成[7-8]。

圖2 整機(jī)布置

1）空氣凈化箱。該空氣凈化箱由兩層腔體組成，上腔體及下腔體，在空氣凈化箱中部安裝有空氣濾芯層。空氣凈化箱2布置在轎廂頂部進(jìn)風(fēng)口處，從頂部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入轎廂的空氣，要經(jīng)過空氣凈化箱的處理后，在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入轎廂內(nèi)，確保頂部進(jìn)入的空氣符合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

2）傳感器模塊。傳感器模塊布置在空氣凈化箱上腔體內(nèi)，也可布置在其他位置，如轎廂中部，可探討與控制器集成化設(shè)計(jì)的方案，感應(yīng)觸頭需布置在空氣凈化箱的上腔體內(nèi)及轎廂內(nèi)，該模塊由PM2.5傳感器、CO2傳感器、VOC傳感器共三個(gè)傳感器組成，三個(gè)傳感器均采用雙通道結(jié)構(gòu)形式，可以同時(shí)判斷與監(jiān)測轎廂頂部進(jìn)風(fēng)口與轎廂內(nèi)的空氣質(zhì)量。

3）濾芯。濾芯層由多層過濾層構(gòu)成，包括普通濾層、活性炭濾層、HEPA高效濾層共三層組成，每一層濾芯都有自己獨(dú)特的作用。普通濾層主要用于空氣的初步處理，如枝葉、生活廢料等大雜質(zhì)；活性炭濾層利用了活性炭具備良好的吸附污染物的特點(diǎn)，主要用于吸附甲醛、TVOC等污染物；HEPA濾層主要用于過濾以PM2.5為主的非生物粒子和以細(xì)菌、病毒為主的生物粒子，如霧霾、煙塵、病毒、細(xì)菌、粉塵等。

4）凈化裝置。凈化裝置主要布置在空氣凈化箱的下腔體內(nèi)，由負(fù)離子發(fā)生器、紫外線燈管、濾芯層組成。負(fù)離子發(fā)生器通過電離產(chǎn)生負(fù)離子，可以起到除塵、殺菌的作用，同時(shí)有益于人們的身體健康，具有提高人體免疫力、調(diào)節(jié)新陳代謝等功能，負(fù)離子也具備一定的醫(yī)療保健作用，有“空氣維生素”的稱號(hào)，如改善心功能、延緩衰老等[9-10]。紫外燈管主要用于消毒殺菌處理。

5）控制器?？刂破鞑贾迷谵I廂中部，操作方便，在適當(dāng)調(diào)節(jié)下可加入保護(hù)程序，防止乘員不小心觸碰導(dǎo)致控制操作發(fā)生變化，影響空氣質(zhì)量的處理流程。該控制器根據(jù)上文的控制流程圖可知，可顯示當(dāng)前的空氣質(zhì)量等級(jí)狀態(tài)。

6）循環(huán)風(fēng)機(jī)。循環(huán)風(fēng)機(jī)安裝在空氣凈化箱底部及轎廂兩側(cè)壁位置，采用主動(dòng)吸風(fēng)、排風(fēng)方式快速進(jìn)行轎廂內(nèi)空氣的流動(dòng)，由高速、低速兩種模式組成。循環(huán)風(fēng)機(jī)根據(jù)控制器判斷的空氣質(zhì)量等級(jí)，開啟低速或者高速狀態(tài)。

4 小結(jié)

隨著城市化的不斷發(fā)展，大量高樓被豎立起來，幾乎所有的高樓都安裝了電梯，當(dāng)前汽車的大量使用，造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，每天所乘坐的電梯空氣質(zhì)量環(huán)境也在不斷下降。上述電梯空氣凈化系統(tǒng)，可以有效處理電梯轎廂中的顆粒污染物與氣體污染物，并起到通風(fēng)換氣的作用，為人們的日常出行提供一個(gè)安全舒適的環(huán)境。