养老建筑中专用空气净化器设计

刘建军 宋明亮 毛庆 秦兵

摘要：我国过度排放的C02主要源于石化燃料的燃烧，这对我国空气质量构成了巨大伤害。目前，京津冀地区的雾霾天气已严重影响民众的日常生活和工作，尤其是该地区大型养老机构中的老年人的身心健康更令人担忧。现有市场中的空气净化产品仅仅是过滤掉空气中的尘埃，却不能有效地减少空气中的二氧化碳含量。因此，急需一种能够有效减少、调节空气中C02浓度的空气净化产品。

关键词：C02矿化 空气净化 产品结构

引言

近些年随着温室效应的加剧，空气中的二氧化碳比重也有所增加，尤其是民居和商業建筑室内空气中的C02大幅增加，室内C02增多更是对人体有一定伤害。空气中的C02占比约为0.031%，人生活在这个空间，不会受到危害，如果室内聚集着很多人，而且空气不流通。或者室内有煤气、液化石油气及煤火炉燃烧，使空气中氧气含量相对减少，产生大量二氧化碳，室内人员就会出现不同程度的中毒症状。关于二氧化碳在室内空气中最大允许含量，各国尚无统一规定，日本规定室内空气中二氧化碳含量为0.15%时为换气标准。

目前市场中空气净化器分为内循环和外循环，都是将污风吸入，经过内部滤网后在排除，根据风扇的功率，滤网的空间安排，如果风力过于强劲，经过滤网后排出的空气还会是还有污染物质，只有再次吸入空气，经过滤网，才能最大限度地消除污染物。

如果是在封闭室内，内循环产品导致室内空气不流通，容易导致室内空气不流通C02升高，反而容易造成空气的二次污染。而如果是外循环在空气流动，开窗通风的情况下，净化器的除醛功能基本没用，很大程度上成了不称职的吸尘器。因为自然通风，空气是流动的，说不定吸进入净化器的空气，从进化器排出时，就被自然通风的流动性带出了室外，也就是净化器的作用归零。因此针对上述问题，本产品定位在封闭式内条件下，采用过滤棉进行多次过滤，并采用氯化钠溶液进行最后过滤，同时通过电化学系统降低空气中C02含量。

二氧化碳浓度含量会影响人类的生活作息，整理出二氧化碳浓度含量与人体生理反应如下：

二、原理及技术阐述

本研究原理基于C02捕获与矿化封存的电化学系（专利号：201611128528.2）发明专利而改进的产品。所涉及到基础电化学反映原理具有一致性，即一种通过电化学方法实现C02矿化封存的系统。系统结构由流体动力模块、反应模块和控制显示模块三部分构成，保留完整的电化学工作系统。将此电化学系统技术应用到绿色建筑当中，基于系统构建封闭建筑室内二氧化碳调节装置，分为C02矿化封存系统、控制部分、空气过滤装置、外观整体形象。

（一）C02矿化原理

当前，公开的C02捕获与矿化封存技术主要有两类。一类是通过化学方法实现，而另一类则基于电化学方法。前者大都在高温或高压下进行，系统结构复杂。例如，Olsen Espen公开了在6000C～16000C，应用金属氧化物盐溶体吸收C02的技术与工艺（CN 102448581 A，US20120128559）。Terasaka等（Chem.Eng.Techn01.2006，29 No 9，第1118-1121页）公开T--种使用熔盐浆中的固体颗粒硅酸锂（LiSi04）作为工作介质来吸收C02的工艺，矿化产物为Li2C03和Li2Si03以悬浮固体颗粒的形式存在。US2005036932公开--种从废气中吸收和除去C02的方法，鼓入废气通过含CaO和/或ca（OH）2的固体颗粒的聚集体，使得废气中的C02转化成CaC03。cN 102491795A公开了在150～3500c、C02分压不低于1.0MPa的条件下，用钾长石将C02矿化生产富钾溶液的方法；而CN102895847 A则公开了将C02通入熔融碱金属、碱土金属、过渡金属的碳酸盐、硅酸盐、硼酸盐、氧化物、氢氧化物、硝酸盐、铝酸盐和它们的混合体中进行吸收电解的捕集方法。CN 103111161 A公开了一种规模较大的C02捕获工艺，通过具有正压压力的C02捕获塔中的溶剂捕获C02，过饱和C02溶液再进入释放塔进行抽出集中。基于电化学方法的C02捕获与转化工艺相对简单且运行环境相对温和，CN 101670236 A公开了通过碳酸盐水溶液捕获和电渗析回收C02的系统和方法，通过水溶液捕获C02后进行电渗析形成富C02液流和再生捕获溶液。CN 102351310 A公开了一种微生物电化学C02捕捉系统，利用有机废水作为微生物营养源，在C02捕获的同时兼顾污水处理问题。CN 102978653 A公开了一种矿化C02联产强酸的膜电解方法，其矿化原料为硝酸盐或硫酸盐，产物为碳酸盐和硝酸。CN 105420751 A公开了—种电化学还原二氧化碳制备碳氢化合物的方法，采用碱金属碳酸（氢）盐、硫酸盐、磷酸（氢）盐等作为物及电解质，其特色在于在电解质系统中引入有机溶剂。不同于水相体系的电化学捕获，CN103590064 A公开了将无水LiF和Li2C03按摩尔比（0.5～1.5）：1混合均匀加入添加剂后制成电解质熔盐，置于电解槽中加热至690～700 oc通入CD2电解的捕获方法。其中，阴极材质为Ni或Ti，阳极材质为Pt、Fe-Ni合金或Fe-Ni-A1203合金。

（二）设计创新

工业设计随着经济的飞速发展，其内涵和外延逐渐发展成包括造型设计、用户界面设计——UI、使用行为研究、消费心理研究、设计趋势分析、产品设计战略以及新材料与新工艺的开发和应用研究等多角度、深层次、全方位的立体式的设计学科；康佳多媒体工业设计研究所所长金勇称其为“大工业设计”概念。在其概念下，“以用户为中心的设计”，“为人的需要而设计”等设计理念逐渐地受到设计界的重视，企业设计创新也逐渐转变成注重开发潜在市场，以引导用户潜在消费为目的商业行为。

针对将之前的电化学系统发明与现有市场中空气净化技术相结合，并具体设计成空气净化功能和吸收C02功能的室内空气净化产品。首先目前市场上的空气净化器种类、功能不尽相同，但从空气净化器的工作原理来看，主要以下两种：

一是被动吸附过滤式，用风机将空气抽入机器，通过内置的滤网过滤空气，主要能够起到过滤粉尘、异味、消毒等作用。这种滤网式空气净化器多采用HEPA滤网+活性炭滤网+光触媒（冷触媒、多远触媒）+紫外线杀菌消毒+静电吸附滤网等方法来处理空气。其中HEPA滤网有过滤粉尘颗粒物的作用，其他活性炭等主要是吸附异味的作用，因此，可以看出，市面上带有风机滤网、光触媒、紫外线、静电等各种不同标签、看似十分混乱的空气净化器所采用的工作原理基本是相同的，都是被动吸附过滤式的空气净化。

二是主动式，其根本区别就在于，主动式的空气净化器摆脱了风机与滤网的限制，不是被动地等待室内空气被抽入净化器内进行过滤净化，之后再通过风机排出，而是有效、主动地向空气中释放净化灭菌因子，通过空气弥漫性的特点，到达室内的各个角落对空气进行无死角净化。目前在技术上比较成熟的主动净化技术主要是利用负氧离子作为净化因子处理空气和利用臭氧作为净化因子处理空气两种。这两种就是典型的基于主动净化原理而进行工作的空气净化器。

通过对产品内部结构设计实现合理布局，将两部分合理相连。（如图1）为产品内部结构示意图，（如图2）为产品内部工作原理图。该产品核心部件为C02封存系统，含有C02的空气，从产品右侧的进气格栅进入，从（图1）的06出气口释放出氢气和氧气。控制模块与C02封存系统、C02感应监测模块以及显示器相连，并通过系统控制器一方面给上述传模块件提供电力。控制器通过数字信号控制C02封存系统进行反映，整个产品被集成在125.6×w17.5×h16cm的空间内。

主要功能除矿化C02外，还有通过反应液与棉质滤网对空气进行过滤净化空气。由于细菌、真菌本身带有负电荷，当与带正电荷的滤网相遇时被中和，使细菌的呼吸机能被抑制而发生死亡，从而可以达到高效去除细菌的目的。滤网有效过滤到空气中30微米以上的大小的飘尘，其中包括家中宠物、人体的毛发以及粉尘等，过滤效果一般都可以达到90%左右。

三、应用技术领域

本研究是上述C02捕获与矿化封存的电化学系与当前市场上普通净化器工作原理相结合，设计成相应的产品，主要这对老年人应用到封闭室内环境中，调节筑空间内的二氧化碳浓度，净化室内空气。

我国过度排放的C02，这对空气质量构成巨大的伤害，雾霾天气时有发生。大型城市的写字楼、商场、医院等公共空间中，都是以封闭的环境；主要都是靠中央空调的通风管来通风；这样空气质量变得很差，二氧化碳超标。如果长时间待在空气浑浊的建筑空间内会导致头晕、目眩，并开始觉得昏昏欲睡，不利于人体健康，降低工作效率。尤其是大型养老机构中的老年人对空气质量的要求更高，因此针对上述问题研究团队根据老年人的行为特征以及使用习惯设计出一款针对大型养老机构封闭空间空气净化产品。

本产品采用落地式与墙体内嵌式两种使用模式，对产品的安装方式进行了适应性设计，产品可以方便快捷地安装在建筑室内墙壁以及放置在室内的某个地方。安装结构：通过外观设计将安裝结构与C02矿化封存系统、控制部分两部分整合在一起，壁挂板应水平安装，整个装置距室内天花板有10-15cm，方便拆装。安装挂钩应承受60kq的重量。详见图6壁挂架。本产品与现有市面上空气净化器的原理完全不同，主要是利用电化学的系统对封闭室内空间的C02进行分解，来调节室内C02的含量。安装简单操作方便，并采用多孔结构的泡沫镍做阳极，其功耗最小，最为节能（见图3）。

结论

本产品针对目前市场中内循环空气净化器的缺点，进行改良设计引入C02捕获与矿化封存的电化学系作为产品核心部件，并配合现有产品的碳化空心过滤棉对空气进行多次净化，并有效降低C02在空气中的含量。将此产品应用在大型养老机构中能有效地解决，室内空气质量，对老年人的身心健康以及生活品质都有所改善。