基于可持續設計理念的無電冰箱設計研究

曾曦，廖粵，吳綺穎

基于可持續設計理念的無電冰箱設計研究

曾曦，廖粵，吳綺穎

（武漢工程大學 藝術設計學院，湖北 武漢 430200）

中國2012—2018年脫貧攻堅取得顯著成績，但現行扶貧機制下仍存在問題需要攻克，比如貧困區域經濟、基建設施相對落后產生的食物保鮮問題。從可持續設計理念角度出發，對無電冰箱進行解析，分別從物料構成、技術可行性和理念切入等方法對無電冰箱進行研究。在綜合各相關影響因素后設計出可行方案。基于可持續設計理念下的無電冰箱研究，可輔助國家扶貧政策落實，并切實提高貧困區域被扶貧對象及弱勢群體的生活質量，同時盡可能減少能源和其他自然資源的消耗。

可持續設計；無電冰箱；基礎設施；扶貧政策

自中國改革開放40年以來，貧困發生率在2018年末降為1.7%，國民生活水平已經從貧困向致富邁進，產生了質的蛻變。2015年中央出臺的《關于打贏脫貧攻堅戰的決定》將“精準扶貧，脫貧攻堅”定為基本方略，并提出確保到2020年解決區域性整體貧困。

這些年中國政府對地方性貧困區大力推進扶貧進程，并確保精準扶貧方略的實施，雖然成果斐然，但是依然有些貧困地區礙于基礎性、歷史性等因素，導致政府推進扶貧工作的展開依舊困難，即使早已不再是“荊棘遍地”卻也“溝壑難填”。中國深度貧困區域多是偏遠地區，此類地區嚴重缺乏基建類設施，而且自然資源貧瘠，沒有得到妥善處理，甚至很多偏遠地區依舊沒有通電。

在經濟落后、供電基礎設施不足的情況下，如何延長食物保鮮期成為了一個棘手問題。本設計希望通過可持續設計理念下的無電冰箱的設計研究，幫助國家落實扶貧政策，切實提高貧困區域被扶對象的生活質量，盡可能減少能源和其他自然資源的消耗。

1 可持續設計理念概述

可持續設計是一種以符合經濟、社會及生態學三者可持續經營為方針的設計方法。其初衷是通過巧妙的設計，消除產品制造以及使用過程中對環境的不利影響。簡而言之就是在產品的生產、使用和淘汰過程中，最大程度地將地球資源循環利用，在當代發展前提下不對未來環境造成不利影響，并構建起人類與自然之間和諧溝通的橋梁。

除了消除對環境的負面影響，可持續設計理念還倡導以能源創新型產品逐漸改變人類現有的行為方式，鼓勵群眾有意識地、趨于理性地消費，避免過度開發地球資源。可持續設計旨在用戶與產品之間建立了一種長效機制，維持經濟與社會之間的動態穩定——即產品設計中融入人文精神，促使人類越來越多地尊重和考慮自身消費對于環境可能帶來的不利影響。可持續設計理念的切入角度可以是材料，也可以是產品系統，更可以是一種昭示、一個概念。因此，要求設計師乃至民眾需對可持續理念具有深刻、全面的認識和思考。

2 可持續設計在中國的發展

當中國從“中國制造”模式開始轉變為“中國智造”時，這意味著其正在擺脫高成本低產出的模式，結合“綠水青山就是金山銀山”努力轉向可持續發展的創新型國家。而設計水平，則是創造性思維和創新能力的重要體現。在資源總數有上限而物質需求無上限的環境下，可持續發展理念正是中國這種發展中國家，尋求不破壞環境的基礎上實現經濟增長的必然選擇。

可持續設計理念不僅停留在產品設計，即物質形態上，更是通過可持續設計理念將其推廣到整個社會層面，即推動社會民眾精神層次的蛻變。2019年，這種理念被中國運用到城市管理模式中，鼓勵和推動上海城市居民進行垃圾分類，此舉是可持續理念在社會層面的推廣，例如人類使用瓶裝水后不對塑料瓶加以回收和再利用，那么這個塑料瓶子則需要經歷漫長的歲月才會被自然降解，并在這段歲月中產生“白色污染”，為避免可回收物質被浪費，最終所有的理念推行都應落實并考慮到產品設計。

2 無電冰箱可持續設計分析

2.1 無電冰箱可行性原理分析

“水”的比熱容高，這是一種常識，但設計是需要去分析常識背后的原理，以便于更好地為產品所應用。當處于自然界中的水需要產生溫度變化時，所消耗的能量是很大的，主要有2個原因：①水分子間存在大量的氫鍵，導致分子間的作用力強和勢能自由度大，所以平動動能自由度占比小，簡而言之就是單一分子提高溫度所需要的內能大；②水分子質量小，每千克液體所擁有的水分子摩爾數多，即每千克水提高溫度需要能量就多。

可持續無電冰箱的設計原理就是通過水的比熱容高的這個特點，并利用熱量傳遞的基本方式來實現設計目的。由于地表以下的溫度普遍較之地表以上要低，尤其是山林地帶。所需儲存的物品通過熱傳導被帶走熱量，使其降溫，加之水的比熱容高，在自然環境下不易產生溫度起伏，且能夠保持儲存環境的濕度來進行保溫、保鮮。

2.2 相關案例分析

不同于國內的無電冰箱研究，國外對于無電冰箱的設計研究很早就開始了。例如，尼日利亞北部是個半沙漠地區，其自然資源貧乏，生活在當地的居民只能靠些薄田艱難度日。由于當地氣候炎熱，新鮮的食物通常放置1 d就會腐敗，食物的快速變質導致當地居民必須在1 d內食用或賣出所有新鮮食物，因此，當地的新鮮食材不能獲得相應價值的售價，進而延緩了當地的經濟發展，產生惡性循環。基于以上情況，MOHAMMED設計了“罐中罐制冷系統”，如圖1所示，其將2個半圓形陶罐呈上下結構套在一起，2個罐子中間填上濕沙子，小罐子內部可以儲放蔬菜、水果和飲料等，罐子開口處再蓋上濕布。這樣“罐中罐制冷系統”的溫度在干熱的半沙漠或者沙漠的地區可以降到4 ℃左右，約等于冰箱冷藏室的溫度，這是MOHAMMED據古埃及人公元前2 500年就了解的物理學原理進行改良發明的。

圖1 MOHAMMED設計的“罐中罐制冷系統”

馬蘇克巴亥設計的冰箱如圖2所示。

圖2 馬蘇克巴亥設計的無電冰箱

馬蘇克巴亥在冰箱上設有蓄水池和引流槽，水通過引流槽流向下方，在這個過程中吸附熱量蒸騰而上，重回蓄水池。外層陶土起到隔熱效果，可起到降溫保鮮的作用，平均溫度可以保持在8 ℃。

冰箱能夠為生鮮蔬果類食物保鮮的核心技術就是抑制細胞的呼吸作用。眾所周知，在有機體中只要細胞是處于存活狀態時，其必定會進行呼吸作用，這就會產生代謝活動進而損耗自身營養物質并降低品質。但是在低溫、高濕度環境下細胞活性下降呼吸作用就會減緩，無電冰箱也是基于這種原理以維持食物品質。上述2個案例的設計，都是通過水分蒸發和物體間的熱傳導以及水的比熱容大等原理來實現產品功能性需求的。

3 可持續設計理念下的無電冰箱研究

3.1 無電冰箱相關設計要素研究

3.1.1 環境要素

導致中國貧困地區貧窮落后的原因有很多，其中主要是自然環境方面的因素，主要是地理位置所屬的地形、氣候等方面。中國位于世界上地表面積最大的亞歐大陸，地勢呈西部高而東部低，階梯性明顯，在地理上跨越了包括熱帶、亞熱帶和寒溫帶在內的三條氣候帶，中國由于東西地勢差異和南北溫帶跨度大造就了更為艱險的地形、地貌。

眾所周知中國的貧困地區多處于自然環境條件惡劣的區域，主要集中在西北和西南地區，這些地區主要分為幾種：①干旱嚴重。由于喀斯特地形地表水滲透嚴重，導致水資源缺失嚴重。②各種原因導致的第一產業發展艱難。③山高坡陡，植被覆蓋率低導致沙土化嚴重。

貧困地區除自然環境惡劣以外，所處位置都較為偏僻，遠離城市或當地的經濟中心，道路等基礎建設工程嚴重不足導致交通受阻。如果設立一個適宜人類生存的環境標準等級，即使不按富庶地區的自然條件作為衡量的標準，也有相當一部分地區是被認為不適宜人類生存的。由于存在環境問題的多樣性，在進行產品設計時將產品的使用環境放置于地表以下，其主要的優勢在于：①無論處于何種地貌，挖開土地存儲物品基本上都是屬于可實現的，即使身處沙漠，也有搭建地下帳篷來實現防曬、避暑和降溫；②地下溫度相較于地表要低并且更穩定，由于地下的濕氣重，含水量高，不易發生較大的溫度變化。

3.1.2 用戶群體要素

本設計研究將用戶群體聚焦于居住在中國西南貧困山區的被扶貧對象，被扶貧對象是典型的弱勢群體，即是養活自己都顯得尤為困難，更妄論提高自己家庭生活質量的人群。當前社會現象需要發掘正義的力量，使整個社會的競爭環境更為公平公正。以下是本文對弱勢群體根據需求進行的分類：①完全無法實現生活自理，且無任何親朋扶持援助，急需社會接濟的弱勢人群；②生活難以自理，有健全的身體，但可能礙于年齡過高或心智發育畸形等系列問題無法正常生活的弱勢人群；③生活可以自理，但是存在獲取社會資源較少等問題的弱勢人群。

除了第一類弱勢群體不適用于本設計以外，另兩類群體皆可以使用本設計以保障或提高生活質量。

3.1.3 CMF設計要素

3.1.3.1 色彩要素

顏色在無電冰箱設計上擁有著重要作用。研究表明人在產生購買行為這一動作時，顏色占據第一印象的60%，遠遠超過了材料和表面工藝給人的視覺沖擊和心理感受。

在對無電冰箱用戶群體進行界定后，可以得出該冰箱絕大部分用戶享有的社會資源較少，生活質量較低，其在購買商品時所關注的重點往往聚焦在產品的價格、功能和使用年限上，因此色彩設計重點應集中在用戶審美心理傾向于安全性、穩定性與適用性，對應的色系采用深褐色、灰色和白色。

3.1.3.2 材料要素

無電冰箱外部結構會長期接觸高濕度土壤，其外部結構須使用抗腐蝕性強和穩固性好的材料，以達到物體間快速的熱量傳導，將箱體內急需冷藏的物品快速降溫的同時又起到保護作用。外部結構與內部箱體中間的填充吸水層，使用常見的沙土或棉花、羊毛等纖維制品，在控制產品物料成本的同時可以有效、長期地吸附水分，以達到維持內部箱體溫度的動態平衡的功能性需求。

由于整個箱體長期掩埋地下，其內部箱體就需要在材料上使用密閉性好、質量輕、不易吸附異味的材料。就物質的導熱性能而言，一些新興的石墨烯、石墨和碳素復合材料等非金屬材料導熱性能極佳，但由于本產品的受用人群和使用環境定位在此不做嘗試。

經過以上分析，外部結構和內部箱體是可以使用相同金屬材料制作。對比工業上廣泛使用的鐵、銅、鋁等材料，通過資料查出三者純金屬的熱傳導系數分別為80 W/m·K、 401 W/m·K、237 W/m·K，相對而言合金會比純金屬的導熱系數低，可以得出鋁合金材料導熱系數相對高而造價成本低，材質本身密度低強度大，延展性好，具有優良的抗腐蝕性，較為符合本產品環境定位的地區使用。

3.1.3.3 表面處理工藝要素

鋁質金屬材料本身具備良好的抗腐蝕性，選擇適當的表面處理工藝能使其在特定的環境中，更好地將性能發揮出來。產品需要量產和更好地控制成本，產品主體鋁材的表面處理在此著重考慮噴砂和鈍化工藝，在其他基礎生產工藝不變的條件下，噴砂工藝處理不但可以達到改變材料表面粗糙度、消除應力的效果，還能達到清潔和光飾表面效果，而不同砂材的噴砂效果也不一，在良好的成本控制下也能制作出高檔質感。鈍化工藝，是在金屬材料表面生成鈍化膜，以提高材料的抗腐蝕能力，其在現代技術的改良下已經可以滿足環保需求，且工藝成本相對低廉和產量大，能夠調整工藝配方以符合產品的色彩設計。

3.1.4 相關造型要素

常規使用的冰箱設計是需要符合大眾審美情趣的，但是對于符合可持續設計的無電電冰箱來說，更要在這個造型基礎上考慮其結構是否符合人機工學。在設計中要考慮到產品的理論支撐，無電冰箱設計，首先要考慮這一產品所要面向的用戶群體是人，并且限制在特定地區的特殊人群。因而無電冰箱的造型設計中應該在功能性得到滿足的前提下以人為本，為此在對其進行造型界定時，要充分考慮其對人本的關懷，即保證其在安裝和移動程中的易安裝性、便攜性和安全性。

基于產品可持續設計理念，在整體造型設計中須符合工業制造標準，方便生產且無需使用特定高新技術，減少產品在制造完畢后長距離運輸導致的能源消耗。

3.2 筆者自制設計方案

通過對可持續設計理念的無電冰箱相關使用環境、用戶群體、CMF設計和相關造型設計要素研究，筆者自制一套設計方案，以期解決上述問題，即解決箱體投入使用過程中主體結構耐腐蝕性問題，保證足夠的透氣性，促使中間填充吸水層水分的吸熱、蒸發、散熱，并通過填充層接觸連接外部結構和內部箱體，以達到將所需冷藏的物品通過熱傳導的形式迅速降溫。

自制無電冰箱爆炸圖和產品圖如圖3所示。

無電冰箱是采用整體性設計，在有限運輸空間條件下更能節約運輸成本和降低能源消耗。圖3中爆炸圖貼有紅色Logo的白色金屬桶是無電冰箱內部箱體，設有3層可拆卸式承重托盤和提手，便于存儲體積和形狀不一的物品。黑色蓋子表面是塑料材質，中間是發泡層以達到隔熱保溫效果。最上方的白色護蓋是濕棉布層（使用時需澆濕），白色可以反射可見光減少外部熱量吸收，并且厚棉布可以吸附水分起到蒸騰散熱和阻隔熱輻射。

3.3 設計創新與可行性測試

該方案的原料獲取和制作工藝都極易實現，不運用高新技術的前提下，對產品進行了設計性的創新，為貧困地區和需要援助的人群提供更優質的生活條件，可以大量減少物資保存、運輸損耗、食物腐敗引起病毒傳播等系列問題。在對方案進行設計創新的同時還進行了可行性測試實驗，無電冰箱內部與實驗環境溫度對比圖如圖4所示，實驗地點為武漢城區，圖中所示溫度單位為攝氏度，測試標準采用干球溫度測法。實驗顯示無電冰箱內部箱體溫度可以維持在8 ℃水平，達到儲藏食物標準。

圖4 無電冰箱內部與實驗環境溫度對比圖

4 結語

當代設計應是基于“以人為本”關懷理念下，為廣大人民群眾所服務的創造性行為，并在此基礎上充分考慮和關懷社會弱勢群體。一個國家的人文風貌不僅體現在大眾層面上，更多體現在為小眾弱勢群體服務的點滴中，為之使社會公共資源更好、更全面地惠及全體民眾。本無電冰箱的設計方案是在應用可持續設計理念基礎上，充分考慮使用環境、受眾群體、CMF設計和相關造型因素后設計的，旨在創作出有利于當代經濟發展且不影響后代生存環境的可持續產品，并能夠輔助國家扶貧政策落實，切實提高貧困區域被扶貧對象的生活質量，同時減少能源和其他自然資源的消耗。

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TB472

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.008

2095－6835（2020）09－0023－04

曾曦，男，副教授。廖粵，男，研究生。吳綺穎，女，研究生。

〔編輯：張思楠〕