基于TRIZ理論的空氣凈化器發(fā)展分析

文/東北大學(xué)機(jī)械學(xué)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(xué)機(jī)械學(xué)院 李海洋 趙新軍

一、引言

近年來，空氣污染日益嚴(yán)重，“霧霾”一詞成為全民關(guān)注的熱點(diǎn)，《2014中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，全國開展空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測的161個城市中，僅有16個城市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。持續(xù)惡化的空氣污染嚴(yán)重危害人類的身體健康，這也使得人們對空氣質(zhì)量問題的關(guān)注不斷提高，能凈化室內(nèi)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備，對空氣中的污染物有一定去除能力的裝置。空氣凈化器進(jìn)化過程如圖1所示。

圖1　空氣凈化器進(jìn)化發(fā)展圖

最早的空氣凈化器概念產(chǎn)品出現(xiàn)于16世紀(jì)，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(jì)，萊昂納多·達(dá)·芬奇發(fā)現(xiàn)用浸濕的精織布料可以過濾掉武器發(fā)射時所產(chǎn)生的有毒粉末。

1.第一代空氣凈化器——機(jī)械濾網(wǎng)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(hù)裝置用于消防人員。1854年，約翰斯·滕豪斯用木炭填充過濾網(wǎng)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(wǎng)——HEPA誕生，后來廣泛應(yīng)用于空氣凈化器中。該技術(shù)最初是用于核能研究防護(hù)，確保科學(xué)家的呼吸安全，HEPA對直徑0.3μm 以上的微粒去除效率可達(dá)到99.7%以上，可以過濾煙霧、灰塵以及細(xì)菌等污染物。但采用這種過濾器的空氣凈化器產(chǎn)生的噪音大，濾網(wǎng)需要頻繁更換，維護(hù)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(jié)構(gòu)，且產(chǎn)品體積大、機(jī)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(jì)80年代，空氣凈化器開始應(yīng)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。空氣凈化器設(shè)計(jì)重心轉(zhuǎn)移到空氣凈化技術(shù)的研發(fā)，在此期間多種凈化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，廣泛應(yīng)用到空氣凈化器中。第二代空氣凈化器是在原有的過濾網(wǎng)基礎(chǔ)上結(jié)合了靜電集塵、活性炭吸附等技術(shù)，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(xì)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(wǎng)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(shù)的誕生將空氣凈化器從被動凈化空氣轉(zhuǎn)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(nèi)的空氣，不再局限于產(chǎn)品擺放位置，凈化效果也得到極大的提高，但容易產(chǎn)生臭氧。隨后光觸媒技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一問題，因?yàn)槠浞磻?yīng)過程中本身不發(fā)生變化和損耗，安全無毒，降低了產(chǎn)品成本，也更迅速地殺滅空氣中的各種病毒、細(xì)菌等。由于主動式空氣凈化器（圖2a）的內(nèi)部沒有過濾網(wǎng)和風(fēng)機(jī)，因此在噪音和耗電量方面都非常低。與此同時，這類產(chǎn)品也無需更換過濾網(wǎng)，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(fù)合式空氣凈化器

隨著空氣污染源逐漸增多，人們發(fā)現(xiàn)單一的空氣凈化技術(shù)并不能完全去除空氣中的污染物質(zhì)。復(fù)合式空氣凈化器應(yīng)用多種技術(shù)和材料結(jié)合來達(dá)到功能最大化的目的。例如德國生產(chǎn)AGS-S6-幕尚S系列（圖2b）采用一體成型環(huán)保PP網(wǎng)、冷觸媒濾網(wǎng)和高效復(fù)合固化結(jié)晶活性炭濾網(wǎng)結(jié)合凈化空氣，一體成型環(huán)保PP網(wǎng)能有效阻隔如皮屑、毛發(fā)、塵土等較大顆粒物，冷觸媒濾網(wǎng)和高效復(fù)合固化結(jié)晶活性炭濾網(wǎng)則可以有效捕捉并分解空氣中的甲醛、苯、TVOC等有害物質(zhì)，將被動凈化方式和主動凈化方式結(jié)合一起，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)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(zhì)量的不斷關(guān)注，對空氣凈化器的功能要求已經(jīng)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(chǔ)上設(shè)計(jì)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(jī)內(nèi)置智能控制系統(tǒng)，具有智能檢測空氣質(zhì)量和濕度的功能，可根據(jù)室內(nèi)環(huán)境凈化空氣和調(diào)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(xué)所設(shè)計(jì)的“核孔膜防霧霾窗紗”（圖2c），其核心技術(shù)就是“核孔膜”，這些小孔是利用高能加速器加速原子核產(chǎn)生的強(qiáng)大穿透力制作而成，孔徑只允許分子通過，因此PM2.5等細(xì)小顆粒物會被薄膜擋住，這款窗紗對PM2.5的有效阻擋率達(dá)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(fēng)拂過窗紗，就會因摩擦而產(chǎn)生不被人感知的靜電，并長時間維持，當(dāng)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(yīng)用

目前我國空氣凈化器日趨完善，設(shè)計(jì)師們在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中所遇到的問題。TRIZ理論在空氣凈化器中的應(yīng)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(chǎn)品占據(jù)空間較大，樣式單一，為了解決這一問題，設(shè)計(jì)師利用TRIZ理論的曲面化原理，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)可承載更多濾網(wǎng)，使得過風(fēng)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(zhì)量的不斷提高，以往產(chǎn)品的簡單造型和配色已經(jīng)不能滿足人們的審美要求，設(shè)計(jì)師為了使產(chǎn)品更時尚美觀，運(yùn)用TRIZ理論中非對稱和改變顏色的原則設(shè)計(jì)出各種異形空氣凈化器，色彩絢麗、造型獨(dú)特，擺放在室內(nèi)不僅僅是空氣凈化設(shè)備，還是一件裝飾品，美觀實(shí)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(xì)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(yùn)用TRIZ理論的多功能原則，多種功能合為一體，增大產(chǎn)品的競爭力和價值，滿足消費(fèi)者更多需求。空氣凈化器的凈化功能不斷完善，但并不能根據(jù)室內(nèi)環(huán)境情況調(diào)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(shè)計(jì)師則利用TRIZ理論動態(tài)化原則設(shè)計(jì)出智能空氣凈化器，在產(chǎn)品中加入智能控制系統(tǒng)檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量，并隨室內(nèi)空氣質(zhì)量情況調(diào)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(nèi)空氣質(zhì)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(yīng)用

圖3

在空氣凈化器凈化技術(shù)方面，空氣凈化器最初的單層濾網(wǎng)式過濾，凈化效果差，設(shè)計(jì)師為使其能凈化更多污染物，在原有的基礎(chǔ)上增加多層過濾網(wǎng)，例如飛利浦空氣凈化器AC4372擁有4層過濾網(wǎng)，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(jié)構(gòu)代替單層結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品性能。

自從人們將設(shè)計(jì)重心轉(zhuǎn)移到空氣凈化技術(shù)，便有大量的研究成果運(yùn)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(shè)計(jì)師運(yùn)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(diǎn)，不及時更換容易產(chǎn)生二次污染。活性炭—納米二氧化鈦復(fù)合光催化技術(shù)的出現(xiàn)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(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)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(yùn)用的就是TRIZ理論中的自我服務(wù)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(yù)測空氣凈化器的未來發(fā)展趨勢有以下幾點(diǎn)：

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(yīng)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(chǎn)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(wǎng)及功能模塊化，用戶可自主選擇濾網(wǎng)及功能，滿足其個性化需求，提高產(chǎn)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(fù)離子，增加空氣加濕等功能，消費(fèi)者在購買產(chǎn)品時也更青睞于多功能空氣凈化器。這無不體現(xiàn)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(jié)論

在空氣凈化器的發(fā)展過程中，人們運(yùn)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。空氣凈化器在我國有著廣闊的市場前景，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(zhì)量，服務(wù)人類。

責(zé)編/劉紅偉

參考文獻(xiàn)

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百度：http://www.baidu.com/