模块化消毒杀菌空调设计研究

张莉 黄永佳

关键词：模块化设计 空调 结构 需求 消毒杀菌

引言

随着信息化时代的到来，工作条件与生活需求的转变使得人们在室内环境停留的时间愈发长久，空气作为人类生存必不可少的媒介物质，室内空气质量的好坏与人类健康密不可分。美国环保局等机构在欧美国家的调查结果显示，空调系统的运行对室内空气污染的贡献高达42%～53%，主要是由于空调系统的长期运行、管理不当等原因造成的，空调系统造成的污染物主要是悬浮颗粒物和微生物[1]。在经历了疫情的洗礼之后，室内与公共健康问题对人们的工作、学习、生活带来了很大的影响。然而大多数空调不具备清洁功能，目前市场上的空调或者空气净化设备，只有少部分具有自清洁或者方便清洁的功能。一旦久置或室内环境潮湿等原因难免会滋生细菌，开启空调时细菌与微生物一同随空调风吹出，对人的身心健康会造成损害。目前多数挂机空调无法自行清洁，需要寻求专业人士拆机清洗，过程繁琐耗时。由于传统空调内部结构盲点太多，无法完全解决空调内部细菌残留问题。基于这样的大环境，设计者应当聚焦后疫情时代的人群防疫需求来进行相关产品的研发升级，寻求更加智能、全面、人性化的防疫产品[2]。因此，开展模块化消毒杀菌空调设计对室内环境以及人们的日常生活健康有着十分重要和积极的作用。

一、模块化相关理论研究

（一）模块化概念：在许多具有复杂系统的领域中，模块化都被证明是一个有用的概念。模块化设计的概念则是在1997年哈佛大学的鲍德温和克拉克《设计规则—模块化的力量》一书中提出的，其中对模块化核心概念包含两个观点。

第一个观点是不同的模块内部的相互依赖关系和模块之间的独立性。换句话说，模块就是大系统的单元，这些单元虽然结构上相互独立，但是又共同发挥作用。因此，系统作为一个整体必须提供一个框架或者一个架构，从而保证结构的独立性同时保证功能的一体化。模块与模块之间的关系即是独立又是整体，模块是一个单元，自身可看作一个整体，而与其他模块产生联系的时候也可看作一个整体，不同等级的关联度也能产生不同的模块主次层级，从而构成整个复杂的系统。

第二个观点是复杂的系统可以通过将系统分割成小块，然后分别处理来实现。当问题的复杂性超过一定程度，可以将这种复杂性分离抽象出来，从而将其中的要素简化[3]。对人们来说，解决复杂问题或者管理复杂系统比较高效的方法就是将系统或者问题分解。在分解的过程中，找到解决问题的突破口。

（二）模块化设计定义：模块化设计是对一定范围内相同功能或不同功能、不同规格的产品进行功能分析，并以此为基础划分并设计出一系列功能模块，通过模块的组合和选择来构成不同产品，以满足市场不同需求的一种设计方法。

模块化设计通过对产品结构分解，将产品转化为可快速组合设计的产品模块平台。通过不同模块的选择、不同的组合方式，可以实现最终产品功能、外观造型的多样性选择。在产品的最终生成过程中增加了消费者的选择空间，实现不同消费群体对于产品不同功能和审美的需求，在已有产品基础上尽最大空间和限度进行满足。由此可见“模块化”产品设计的思路则是由“个体→拆分→组合”的这样—种模式[4]。

（三）模块化设计方法：产品在研发阶段有很多需要考虑的方面，从不同的角度出发会选择不同的模块化设计方法。为了让产品在功能、实用性、成本等方面有更好的表现，选择利用模块化方法对产品进行合理划分，从而满足用户需求，同时解决在设计中存在的困难以及问题。

1.按结构划分：按结构模块划分是将整个产品结构拆分成多个主要元件的模块结构，侧重于产品零件的划分，得到很多不同结构的模块，并且如果还可以进一步进行模块划分，则继续拆分模块，得到更小的元件，直到该模块变成最基本的几何结构不能再进行划分[5]。结构划分是利用模块化设计独有的分解特点，當产品过于复杂或者在开发产品的过程中出现了无法解决的问题时，利用结构分解可以简化问题难度，在分解的过程中解决问题。

2.按功能划分：产品按功能进行模块划分是将相同产品的不同功能进行模块化，独立功能或多个功能分别组成一个模块，每个模块相互独立。在产品的后续研究开发过程中，根据需求决定如何组合模块，从而获得全新的产品。

通过将产品分为功能模块划分，可以将一种产品分为基本功能，辅助功能，特殊功能和自适应功能四种类型，对应不同功能可以定义各个模块，客户可以通过模块服务请求新增产品功能，如果其是具有新功能的模块，则将其定义为非模块[5]。

（四）模块化与绿色设计

1.满足绿色产品的快速开发要求：绿色设计主要考虑在产品全生命周期过程中，产品对环境所来带的影响。模块化设计简化了产品结构，产品结构易于装配、拆卸和维护。由于模块的可拆卸、可回收、可重组等方面，在符合绿色设计的同时，最大限度降低产品开发过程中对自然的影响。

2.便于拆卸回收和维护更换：模块化设计可将产品中对环境或对人体有害的部分、使用寿命相近的部分等集成在同一模块，便于拆卸回收和维护更换等。同时，由于产品由相对独立的模块组成，便于维修，必要时可更换模块，而不致影响生产。模块化产品互换性强，便于拆装、维修和搬运。通用模块易于从整机中拆卸和组装，维修可以以模块为单位进行，从而大大改善了维修条件，简化了维修工作，加快了维修速度，提高了维修质量[6]。

3.减少零部件数量，简化产品结构：按照传统的观点，整机由部件组成，部件由组件构成，组件由零件构成，因而要生产一种产品，就得制造大量的专用零件[6]。按模块化的观点，模块是构成产品的单元，简化了产品结构并减少了零件的数量。产品结构的简化，可以快速组合成符合客户和市场需求的产品，增加生产效率。

二、空调消毒杀菌技术分析

（一）空调消毒杀菌技术现状：由于使用需求，近几年推出了带有消毒杀菌功能的空调，因此其技术类型也更加多样化。

1.高温消毒：美的空调在其2020年开发者大会上，公布了其巴氏高温杀菌技术。由于新冠病毒对热敏感，所以采取56摄氏度30分钟可有效灭活病菌。美的巴氏高温杀菌技术突破空调器制热温度限制，将室内换热器温度控制在56℃及以上高温持续运行30分钟以上，可帮助灭活新冠病毒[7]。

2.自清洁技术：目前这项技术国内空调厂家走在了世界前列，包括海尔在内的很多厂家其最新发布的空调都有自清洁技术。技术原理则是，通过冷膨胀技术，能让换热器上的冷凝水结冰结霜，随后快速制热暖化成水，利用热胀冷缩，进而强力剥离换热器上的污垢。此外，通过将冷凝水的水量增加，能够保证足够的水量来冲刷翅片，除了物理方法，一些厂家通过对换热器的翅片涂层做改良，使其变的亲水抗菌，实现了从化学方法上来使空调实现自清洁。

3.UVC除菌：是指特定波段的紫外线光，一般波长的紫外线光是100到400纳米的不可见光，而波长范围为100到280纳米的被称为UV-C深紫外线光。这种光不会照射在地球上，在到达地表之前会被臭氧吸收，所以日晒也不包含具有杀菌效果的UVC，日晒下的杀菌作用多数由于干燥和高温，所以需要利用LED或灯管来人工产光，UV-C具有杀菌、有机分解、光聚合和传感等功能，光照时间越长，累积的光量越多，杀菌效果越好。

4.EMPC多维相控技术：这是一种由多个关联或不关联的信号输入，系统根据输入，建立數学模型，利用AI技术自适应确定输出关系，使输出值不断趋向于理想值的一种智能控制技术。空气环境多维相控技术，根据空气中温度、湿度、含氧量、颗粒物、微生物、有害气体以及异味等多个影响空气质量的维度，建立实时的数学模型，对能够影响这些维度的设备或功能模块进行控制，使其不断趋向于理想值。

由于空气中温度、湿度、含氧量、颗粒物、微生物、有害气体以及异味之间没有必然联系，是一个开环系统，无法按固定的数学模型来运行，空气多维相控技术率先采用AI自适应控制技术，实时地根据当前空气环境数据，建立实时动态的数学模型，AI控制中心根据计算结果，按模型对相应的设备模块运行状态进行控制，实现多个维度指标的综合控制。

5.负离子杀菌：负氧离子本身携带多余电子，其杀灭细菌、病毒的原理使破坏细菌病毒等微生物的分子蛋白结构，使其产生结构性改变或能量转移，从而使细菌、病毒等微生物降低活性死亡，最终沉降于地面。海尔洗空气空调借鉴了航空航天、高能物理领域原理。例如离心瀑布洗，可以产生万级天然负离子，精准控湿在52%左右，高效去除7大类空气污染物。

目前空调的消毒杀菌技术已经逐渐成熟，最新发布的空调已经有了一定的消毒杀菌和清洁效果。但其杀菌清洁效率也会随着使用时间的增加而降低，自清洁也无法全方位清洁空调内部，模块化空调提供了一个很好的清洁杀菌方法，未来空调发展方向也注定会由繁入简，方便居家自主清洁使用。

（二）消毒杀菌模块分析

1.金属离子的溶出往往是纳米材料发挥抗菌效果的重要机理之一，而对于纳米材料的抗菌机理，许多学者提出银离子的释放是其发挥抗菌作用的关键。大量实验证明，银离子对细菌、病毒以及真菌有着良好的消杀以及抑制能力。水中只需要少量银离子就能杀死大部分细菌，银离子受温度影响较大，随着温度的升高，杀菌所需的时间会缩短。

消毒杀菌模块的第一部分利用核心为银离子的过滤器，来对空调内的各模块进行消毒杀菌，并且配合相应的清洗结构，使微量银离子融入水中，在清洗的过程中对空调内的主要结构和相应零件进行消毒杀菌。

2.消毒杀菌模块的第二部分为等离子发生器，此模块用于对室内空气消毒杀菌，等离子体消毒杀菌可以达到除尘、消除异味、改善空气的品质，以促进人体健康的保健作用。

等离子体主要由带电粒子控制，并受到电磁场共同作用，形成的等离子体温度≤50℃ ，即低温等离子体。电子和电子之间的相互撞击让周围空气很快达到热力学平衡，使电离的气体温度仍然保持在正常生物可以生存的环境温度，因此低温等离子体可适用于生物消毒。在其电离过程中可产生大量微小活性物质，尽管这些活性物质很快就会消失，但在短时间内依然能够对生物体结构及活性造成破坏。已有研究表明，低温等离子体可快速杀死细菌和病毒[8]。

三、空调设计实践

（一）实例分析：对1.5匹格力定频空调进行了拆卸整理，根据现有空调结构作为基础进行模块化设计。

1.外壳分析。拆卸空调分出外壳、空调中框和过滤网等。作为空调的外型，主要要求是外形美观和确定空调尺寸。拆卸过程中发现外壳多是利用螺丝固定，较为繁琐。

2.通风系统分析。空调的通风系统为空调提供足够的风力，也是空调系统中难以清理的部分，其中包括底盘、导风结构、贯流风扇等。空调风经过蒸发器降温或者加温后，进入贯流风扇吹出，由于内部结构和设计问题，长期使用风扇和底盘较易积累灰尘。空调如果想清洗通风系统必先拆下蒸发器，过程复杂且线路繁多。空调通风系统如图1所示。

3.制冷和电控系统分析。制冷系统和电控系统是空调制冷核心，其中包括蒸发器、电机、线路盒等。制冷系统与电控系统紧密相连，电控系统则连接所有电机。传统空调的线路部分焊死在蒸发器上，导致制冷系统与电控系统实为一体。空调步进电机主要功能是控制上下导叶板，对风向进行控制。风扇电机主要控制贯流风扇的转速，由于技术发展如今主流电机有定频和变频两种电机，传统空调多使用定频电机，且定频电机价格较低。变频电机的优势在于可以更精准地调节电机转速，达到精准控温的能力。蒸发器与线路盒如图2所示。

4.空调问题总结。（1）消毒杀菌问题：长期在室内空气质量会下降，并且伴随细菌滋生。在如今全球的大环境之下，用户出入室内也难免带入有害菌甚至病毒。（2）空调清洁问题：长期使用导致积灰和滋生细菌，从而导致霉风或者空调异味。空调异味在南方尤为严重，长期潮湿的环境导致空调内机发霉，并且难以清洁。（3）拆机问题：由于传统空调的结构和设计问题，其拆卸一直都是难点，即使是专业人士也需要一定时间，且空调内部结构复杂，拆卸不当也会造成其他问题。

5.解决方式。（1）消毒杀菌模块：内置消毒杀菌模块，利用等离子体发生器产生的正负离子可以对室内的空气进行消毒杀菌，保证空调风从内至外完全消杀。（2）创新清洗方式：利用银离子消毒滤芯结合类花洒式清洗结构，两侧喷水纵向清洗空调内机，无死角清洗空调，减少空调内机清洗难度。（3）模块化拆卸：利用模块化设计，将空调内部系统分割成各个模块及相关子模块。对产品而言，方便生产配送，减少产品生产周期的同时增加装机效率。对用户而言，针对不同的需求可自行拆卸，减少拆卸安装难度，降低维修成本，增加使用寿命。

（二）结构及原理说明

1.消毒杀菌模块设计。（1）银离子消杀清洗模块：消毒杀菌模块分为两部分置于通风系统之内，第一部分为银离子过滤芯模块。此模块为方便拆卸使用利用卡扣式设计，只需按压卡扣向下用力即可拆卸。银离子滤芯模块放置在空调较为中枢的位置，需要清洁时，按模块进行拆卸操作。此模块为方便清洗空调内部设计有喷淋孔，只需将消毒杀菌模块连接水管即可向两侧喷淋，无论平行放置还是竖立放置，其水流均可经过整个空调，从而减少了清洗难度，方便清洁的同时通过赋予水微量银离子以清洁空调内部。如图3所示。（2）等离子体消杀模块：第二部分为等离子体消毒杀菌模块，位于通风系统内，为更大范围接触空气增加消毒杀菌范围，正负离子头嵌入主要通风路径，从而扩大正负离子释放量和流经范围。开启空调时按遥控器选择对应功能，便可以使其随贯流风扇的带动将正负离子扩散到整个空调机内外，以达到室内空气清新健康。如图4所示。

2.模块化空调可拆卸设计。（1）空调外壳拆卸：空调外壳的主要作用是美观，其中包括壳顶、导风叶、中框等。拆卸使用卡扣式设计，减少螺丝方便拆卸安装。为防止拆卸刮蹭墙面，减少空调上下方向拆卸。因其可更换性，用户可根据使用需求自行拆卸组装，如出现外壳损坏可自行拆卸更换。空调外壳拆卸如图5所示。（2）空调可拆卸模块：将空调的通风系统模块化，其中所包含的均为可拆卸模块。与传统空调不同，传统空调的内机底盘多是不可拆卸，并且蒸发器整个包裹通风结构，且线路复杂，从而导致较难拆卸。模块化空调在传统空调的基础上将内机底盘模块化，其中包含的子模块有贯流风扇、导风结构等。拆卸通风模块只需侧面拆卸少量螺丝，其余均使用卡扣式设计，将整个模块从空调下方取出即可进行清洗。为保证贯流风扇的稳定性，其使用螺丝固定，可根据空调内情况自行拆卸清洗。通风系统拆卸及模块化如图6所示。

（3）固定模块：固定模块均分布在制冷系统与电控系统之中，其中包括蒸发器、电机、线路盒等。由于制冷系统的特殊与复杂，为保持空调的稳定性与减少操作难度，在非必要的情况下不考虑拆卸蒸发器清洗。而电控系统多为固定模块，线路盒和电机均不需要清洗，除维修外也无需拆卸。只需将蒸发器外的各种模块化滤网拆下清洗即可，如遇蒸发器发霉则可将蒸发器与线路盒接線断开，拆下螺丝即可取下蒸发器进行清洗。

总结与展望

（一）总结：通过对空调内部结构设计，解决人们在日常生活中使用空调存在的种种问题与痛点，其中包括空调内机清洁以及室内细菌滋生问题。从长期角度考虑，改善室内环境以及人们的健康状态。通过模块化设计，可以实现快速拆卸清洁空调，防止空调内细菌滋生，以及长期使用其内部难以清理的问题。

由于疫情的影响，迫使很多人放慢了生活节奏，也开始重视消毒杀菌，说明了人们对健康的重视度在逐渐恢复。干净清洁的室内空气环境不仅可以放松心情，还利于保持健康。相反空调长期处于一个较差的工作环境，其中滋生的细菌和累积的灰尘在使用的过程中对人的负面影响也在逐渐增强。在如今的环境之下，模块化消毒杀菌空调符合当前的社会需求和积极健康的社会意义。

（二）展望

1.推广家用产品模块化：模块化消毒杀菌空调的出现既可以将消毒杀菌产品进行有效推广，也可以拓展模块化设计在空调上的应用。在满足消费者基本需求的前提下，让市场涌现更多类似的模块化产品。

2.促进消毒杀菌空调的发展：可以令新型消毒杀菌技术逐渐普及，让更多的人以较低的价格购买到消毒杀菌空调。市场上现有的消毒杀菌空调并不多，家用模块化空调则更加稀缺，所以其拥有相当大的潜在市场以及商业价值，设计此款空调不仅可以解决如今市面上空调存在的问题还可以给予消费者更多的选择空间。

3.未来空调趋势：后疫情时代对各方面产生的影响是深远的，各国也都加强了对公共卫生和相关技术领域的关注与投入，消杀产品的崛起也是大势所趋。空调作为家用与公共场所必备的产品，空调未来的发展侧重也会偏向健康、安全、清洁等方面。

如今我国在空调技术层面已经走在世界前列，尤其是挂机空调，但是目前新型空调在我国市场占有率较低。为了满足未来我国空调市场需求，继续研究模块化消毒杀菌空调有着相当的必要性和前瞻性。