文/東北大學機械學院 李海洋 趙新軍

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基于TRIZ理論的空氣凈化器發(fā)展分析

文/東北大學機械學院 李海洋 趙新軍

一、引言

近年來，空氣污染日益嚴重，“霧霾”一詞成為全民關注的熱點，《2014中國環(huán)境狀況公報》顯示，全國開展空氣質量新標準監(jiān)測的161個城市中，僅有16個城市空氣質量達標。持續(xù)惡化的空氣污染嚴重危害人類的身體健康，這也使得人們對空氣質量問題的關注不斷提高，能凈化室內空氣的空氣凈化器逐漸受到人們青睞，空氣凈化器在我國將會有廣闊的市場前景。本文嘗試基于TRIZ理論分析空氣凈化器的發(fā)展與演變，探索空氣凈化器的發(fā)展方向。

二、空氣凈化器的發(fā)展歷程

國家空氣凈化器相關標準中把空氣凈化器定義為“從空氣中分離和去除一種或多種污染物的設備，對空氣中的污染物有一定去除能力的裝置?？諝鈨艋鬟M化過程如圖1所示。

圖1　空氣凈化器進化發(fā)展圖

最早的空氣凈化器概念產品出現于16世紀，是一種用于人的面罩呼吸器，可以過濾掉煙霧和粉塵。18世紀，萊昂納多·達·芬奇發(fā)現用浸濕的精織布料可以過濾掉武器發(fā)射時所產生的有毒粉末。

1.第一代空氣凈化器——機械濾網式空氣凈化器

最初的空氣凈化器源于消防。1823年，約翰和查爾斯·迪恩共同研發(fā)了一款新型防護裝置用于消防人員。1854年，約翰斯·滕豪斯用木炭填充過濾網來過濾空氣，使得凈化空氣的效果顯著提高。二戰(zhàn)期間，一種新型過濾網——HEPA誕生，后來廣泛應用于空氣凈化器中。該技術最初是用于核能研究防護，確?？茖W家的呼吸安全，HEPA對直徑0.3μm 以上的微粒去除效率可達到99.7%以上，可以過濾煙霧、灰塵以及細菌等污染物。但采用這種過濾器的空氣凈化器產生的噪音大，濾網需要頻繁更換，維護成本高，且只能濾除懸浮微粒、無法濾除有害氣體。此時的空氣凈化器多為箱式結構，且產品體積大、機身沉重。

2.第二代空氣凈化器——組合式空氣凈化器

到了20世紀80年代，空氣凈化器開始應用于家庭，隨著空氣污染逐漸加重，人們對空氣凈化器的凈化能力要求越來越高?？諝鈨艋髟O計重心轉移到空氣凈化技術的研發(fā)，在此期間多種凈化技術應運而生，廣泛應用到空氣凈化器中。第二代空氣凈化器是在原有的過濾網基礎上結合了靜電集塵、活性炭吸附等技術，提高第一代空氣凈化器去除顆粒污染物功效的同時，還增加去除花粉、細菌等功能。此時的空氣凈化器仍處于被動凈化空氣狀態(tài)，存在凈化面積小、噪音大、需要定期更換濾網等不足之處。

3.第三代空氣凈化器——主動式空氣凈化器

離子化技術的誕生將空氣凈化器從被動凈化空氣轉變到可以主動凈化空氣，利用空氣的彌漫性可以凈化整個室內的空氣，不再局限于產品擺放位置，凈化效果也得到極大的提高，但容易產生臭氧。隨后光觸媒技術的出現解決了這一問題，因為其反應過程中本身不發(fā)生變化和損耗，安全無毒，降低了產品成本，也更迅速地殺滅空氣中的各種病毒、細菌等。由于主動式空氣凈化器（圖2a）的內部沒有過濾網和風機，因此在噪音和耗電量方面都非常低。與此同時，這類產品也無需更換過濾網，但在使用一段時間之后，這類空氣凈化器的電極部分仍需要水洗。第二、第三代空氣凈化器比較見表1。

4.第四代空氣凈化器——復合式空氣凈化器

隨著空氣污染源逐漸增多，人們發(fā)現單一的空氣凈化技術并不能完全去除空氣中的污染物質。復合式空氣凈化器應用多種技術和材料結合來達到功能最大化的目的。例如德國生產AGS-S6-幕尚S系列（圖2b）采用一體成型環(huán)保PP網、冷觸媒濾網和高效復合固化結晶活性炭濾網結合凈化空氣，一體成型環(huán)保PP網能有效阻隔如皮屑、毛發(fā)、塵土等較大顆粒物，冷觸媒濾網和高效復合固化結晶活性炭濾網則可以有效捕捉并分解空氣中的甲醛、苯、TVOC等有害物質，將被動凈化方式和主動凈化方式結合一起，實現了強大的空氣凈化功能。

表1　第二、第三代空氣凈化器比較表

圖2

5.第五代空氣凈化器——多功能空氣凈化器

隨著人們對生活質量的不斷關注，對空氣凈化器的功能要求已經不僅僅是凈化空氣，同時還需要提供健康的空氣。于是在傳統(tǒng)凈化器的基礎上設計師為其添加了空氣加濕、定時和空氣檢測等功能，空氣凈化器開始趨于多功能化。例如飛利浦的一款空氣一體機內置智能控制系統(tǒng)，具有智能檢測空氣質量和濕度的功能，可根據室內環(huán)境凈化空氣和調節(jié)濕度，同時還能提供健康空氣。空氣凈化器的形式也不再局限于家庭用電器形式，例如清華大學所設計的“核孔膜防霧霾窗紗”（圖2c），其核心技術就是“核孔膜”，這些小孔是利用高能加速器加速原子核產生的強大穿透力制作而成，孔徑只允許分子通過，因此PM2.5等細小顆粒物會被薄膜擋住，這款窗紗對PM2.5的有效阻擋率達到98%以上。德國Trittec AG公司發(fā)布的第五代微塵過濾窗紗，采用具有高靜電效能的纖維材料制成，風拂過窗紗，就會因摩擦而產生不被人感知的靜電，并長時間維持，當微塵靠近就被迅速阻隔。

三、TRIZ理論在空氣凈化器發(fā)展中的應用

目前我國空氣凈化器日趨完善，設計師們在設計空氣凈化器時使用了很多TRIZ理論中的發(fā)明創(chuàng)造原理，有效解決了設計中所遇到的問題。TRIZ理論在空氣凈化器中的應用見表2。

在空氣凈化器外觀上，早期空氣凈化器以板式和箱式為主，這類產品占據空間較大，樣式單一，為了解決這一問題，設計師利用TRIZ理論的曲面化原理，設計出了圓柱式空氣凈化器，沒有棱角，增加安全性，給人溫和的感覺。同時減小了凈化器體積，并且圓柱式結構可承載更多濾網，使得過風距離和停留時間大幅增加，凈化效率更高，合理節(jié)省使用空間。隨著人們生活質量的不斷提高，以往產品的簡單造型和配色已經不能滿足人們的審美要求，設計師為了使產品更時尚美觀，運用TRIZ理論中非對稱和改變顏色的原則設計出各種異形空氣凈化器，色彩絢麗、造型獨特，擺放在室內不僅僅是空氣凈化設備，還是一件裝飾品，美觀實用。

在空氣凈化器功能方面，最初的空氣凈化器僅能過濾空氣中的顆粒物，隨著空氣污染物的增加，凈化器的功能也在不斷增加，在增加了過濾花粉、細菌、有毒氣體等凈化功能的同時還增加了空氣加濕、定時等功能，這則是運用TRIZ理論的多功能原則，多種功能合為一體，增大產品的競爭力和價值，滿足消費者更多需求?？諝鈨艋鞯膬艋δ懿粩嗤晟疲⒉荒芨鶕覂拳h(huán)境情況調節(jié)凈化功能，使用者也不能直觀地感受空氣凈化器的凈化功效，設計師則利用TRIZ理論動態(tài)化原則設計出智能空氣凈化器，在產品中加入智能控制系統(tǒng)檢測室內空氣質量，并隨室內空氣質量情況調整工作狀態(tài)，節(jié)約資源，快速有效，還可以通過指示燈顯示室內空氣質量，讓使用者隨時感受到空氣凈化器的顯著功效。

表2　TRIZ理論在空氣凈化器的應用

圖3

在空氣凈化器凈化技術方面，空氣凈化器最初的單層濾網式過濾，凈化效果差，設計師為使其能凈化更多污染物，在原有的基礎上增加多層過濾網，例如飛利浦空氣凈化器AC4372擁有4層過濾網，將凈化能力提升到可以過濾0.02微米的微塵。這便是利用了TRIZ理論中的向另一維度過渡的原則，利用多層結構代替單層結構，提高產品性能。

自從人們將設計重心轉移到空氣凈化技術，便有大量的研究成果運用到空氣凈化器中，活性炭便是其中之一。為解決空氣凈化器對氣態(tài)污染物凈化能力差的問題，設計師運用TRIZ理論中多孔材料原則，利用活性炭這種多孔材料凈化空氣，因其與空氣有極大的接觸面積，所以能有效凈化空氣中的氣體污染物。可是活性炭存在吸附飽和的缺點，不及時更換容易產生二次污染?；钚蕴俊{米二氧化鈦復合光催化技術的出現解決了這一問題，活性炭可快速吸附空氣中極低濃度的污染物加快光催化作用，二氧化鈦的光催化作用則促使活性炭吸附的污染物向二氧化鈦轉移，實現活性炭的原位再生，使空氣凈化器無需更換活性炭，從而降低成本，方便使用。這個過程運用的就是TRIZ理論中的自我服務原則。

四、空氣凈化器未來發(fā)展趨勢分析

通過分析空氣凈化器的發(fā)展歷程，預測空氣凈化器的未來發(fā)展趨勢有以下幾點：

1.智能化

智能家居是生活發(fā)展的大趨勢，空氣凈化器作為家居系統(tǒng)中的重要組成部分，必將順應發(fā)展趨勢，逐漸完善其智能性（圖3a）。這將使空氣凈化器使用更便捷舒適、更人性化，人們可以隨時掌握和操控家居環(huán)境。

2.模塊化

近年來人們對家居產品的需求愈發(fā)紛繁龐雜，并且追求個性化，傳統(tǒng)意義上的空氣凈化器總也難以滿足所有用戶的各類差別化需求。所以說，模塊化（圖3b）將是空氣凈化器的發(fā)展趨勢之一，未來空氣凈化器可將濾網及功能模塊化，用戶可自主選擇濾網及功能，滿足其個性化需求，提高產品滿意度。

3.多功能化

空氣凈化器從凈化空氣到向空氣中提供負離子，增加空氣加濕等功能，消費者在購買產品時也更青睞于多功能空氣凈化器。這無不體現著空氣凈化器多功能化的發(fā)展趨勢（圖3c）。也許在未來你可以在健身的同時來凈化家中的空氣。

五、結論

在空氣凈化器的發(fā)展過程中，人們運用了許多TRIZ理論。相信TRIZ理論在空氣凈化器未來的發(fā)展中也會起到重要作用?？諝鈨艋髟谖覈兄鴱V闊的市場前景，智能化、模塊化和多功能的空氣凈化器將會是未來發(fā)展趨勢，更加人性化的空氣凈化器將會為人們提供更為清潔健康的空氣環(huán)境，提升人們生活質量，服務人類。

責編/劉紅偉

參考文獻

[1] 趙新軍.技術創(chuàng)新理論（TRIZ）及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社.2004(5).

[2] 邱麥平.空氣凈化器的分類[ J].現代家電.2014(14).

[3] 高立新.室內空氣凈化器的現狀及改進措施[J].哈爾濱工業(yè)大學學報.2014(2).

[4]數據參考：

百度：http://www.baidu.com/