智能防雾霾过滤窗的设计构思

智能防雾霾过滤窗的设计构思

中南大学冶金丁晓博050102

（一）探究过程

1.雾霾的成因以及对人体危害性的认识。

2.对于目前市场上主流防雾霾产品的了解及指出现有产品的一些缺点。

3.综合目前市场上已有产品的特性，结合自己对雾霾问题的认识，提出了创新性的智能防雾霾过滤窗这一设计。

4.对于构思的产品进行可行性论证，指出具体设计方案。

（二）产品设计背景说明

随着我国社会经济的迅速发展，空气污染，尤其是雾霾污染问题变得更加严重，不仅雾霾天气出现的频率越来越高，而且在严重程度上也比以前有所加大。相关研究者的数据显示，我国雾霾污染最为严重的区域主要有四个区域，分别是：①华南地区，主要以珠三角地区为主；②西南地区，四川盆地是最严重的雾霾区域；③华北地区，是以北京、天津和河北为主的京津冀地区；④以上海、浙江、江苏为主的长三角地区，雾霾污染也非常严重。我国气象总局雾霾气象显示，年我国雾霾污染波及到多个大中型城市，全国的平均雾霾天数达到历史顶峰——29.9d，远远超过历史同期平均雾霾天数。

雾霾是一种自然现象，其形成需要满足以下几个条件：①近地面空气当中的水汽含量较大，底层大气的垂直运动受到阻碍，使得空气中的悬浮颗粒不能有效向高空扩散，停留在近地面和低空中，然后与空气中的水蒸气凝结，产生雾霾。②大气活动不明显。在风力较大的情况下，空气中的悬浮颗粒都会被大气吹走；而风力较小的情况下，空气流动较小，同时，由于城市高层建筑的阻碍，使得区域空气不能够产生有效流动，静风现象增多，这就使得空气当中的悬浮颗粒难以飘散，聚集在一起，从而形成雾霾。除自然原因外，人为因素才是目前雾霾愈演愈烈的元凶：在社会经济的生产发展过程中，能源资源的消耗会产生大量的工业生产废弃物。这些工业生产废弃物的排放使得空气中的二氧化硫和粉尘等悬浮颗粒含量大大增加，破坏了大气环境。而城市生活中的生活废弃物、汽车尾气的排放也使得空气中的悬浮颗粒和二氧化硫含量增加，最终造成雾霾污染问题。除此之外，人们对雾霾污染的防护意识还不够强，在生活和生产中，会出现许多破坏大气环境的行为，造成雾霾污染问题。

雾霾天气对于人体的伤害也是非常严重的：雾霾天气时，空中浮游大量尘粒和烟粒等有害物质，会对人体的呼吸道造成伤害，空气中飘浮大量的颗粒、粉尘、污染物病毒等，一旦被人体吸入，就会刺激并破坏呼吸道黏膜，使鼻腔变得干燥，破坏呼吸道黏膜防御能力，细菌进入呼吸道，容易造成上呼吸道感染。雾霾中的微粒附着到角膜上，可能引起角、结膜炎，或加重患者角膜炎、结膜炎的病情。雾霾天对人体心脑血管疾病的影响也很严重，会阻碍正常的血液循环，导致心血管病、高血压、冠心病、脑溢血，可能诱发心绞痛、心肌梗塞、心力衰竭等，使慢性支气管炎出现肺源性心脏病等。

（三）市场主流产品的介绍

在上文中，我们介绍了雾霾的成因以及对于人体的危害，诚然，雾霾的防治是一项长期性，系统性的艰巨任务，个人的力量是远远不够的，需要整个国家，甚至整个世界团结起来，减少污染，以根治雾霾污染。那是否对于个别家庭而言，防治雾霾问题是做不到的？对于我们，尤其是家里有小孩和老人的家庭来说，我们可以通过使用空气净化设备，将雾霾挡在屋外，从而使雾霾对人体的伤害尽可能的降到最低。

目前市场上的空气净化设备有许多，他们的工作原理可以分为以下几类：机械滤网式、静电驻极滤网式、高压静电集尘等。

机械滤网式一般主要通过以下4种方式捕获微粒：直接拦截，惯性碰撞，布朗扩散机理，筛选效应，其对细小颗粒物收集效果好但风阻大，为了获得高的净化效率，滤网的阻力较大，而且滤网需要致密导致寿命降低，需定期更换。

高压静电集尘利用高压静电场使气体电离从而使尘粒带电吸附到电极上的收尘方法，其风阻虽小但对较大颗粒和纤维捕集效果差，会引起放电，且清洗麻烦费时，易产生臭氧，形成二次污染。

静电驻极滤网式相对机械式过滤能仅有效地去除10微米以上的颗粒物，而当颗粒物的粒径除至5微米，2微米甚至亚微米的范围时，高效的机械式过滤系统就会变得比较昂贵，且风阻会显著增加。通过静电驻极空气过滤材料过滤，能以较低的能源消耗达到很高的捕获效率，同时兼具静电除尘低风阻的优点，但无需外接上万伏的电压，故不会产生臭氧，且由于其组成为聚丙烯材质，很方便抛弃处理。

但是目前市场上主流的空气净化设备有一个缺点：它们要发挥净化空气的功能，需要一个相对封闭的空间。这一点很好理解：它们在工作时需要我们紧闭窗户：如果我们一边开着空气净化器，一方面又要开着窗户流通空气，那么其净化效果就会大打折扣，但是如果我们一直紧闭门窗，那么长时间空气缺少流通，对于身体也不好。

如右图，主流的空气净化设备要求有一个封闭的工作环境，通过室内

空气的循化过滤达到净化空气的目的。但这样以来室内空气与室外的空气隔绝了，达不到换气的效果。长时间必然导致室内空气质量的下降。

（四）“智能防雾霾过滤窗”设计构思

我想设计的智能防雾霾过滤窗的工作原理是将建筑外门窗与空气净化通风装置通过结构上的巧妙结合，实现针对雾霾进行净化，利用动力设备产生机械强力使空气对流，有效除去环境空气中的雾霾后，将新风送入室内。

这款窗户由窗体上下两部分组成。上方是由过滤网、风扇、控制器等组装成的过滤系统，下方则是普通窗户。平时空气状况良好的时候，下方的窗户正常开关使用。而遇到了雾霾天，只要打开上方的过滤系统，就能通过智能调控实时控制其中风扇的运转开关，加快空气流通，并过滤掉进入的外部空气中的大多数颗粒物。除了能过滤雾霾，通过网络作为媒介，还能用手机对智能防雾霾过滤窗进行远程控制，实时对家居环境进行监测。我们可以通过加装一个粉尘传感器对空气中的颗粒物数量进行检测，当数值大于某一设定值时，就可以给用户发送一个预警信息，用户就能随时查询当前的空气质量中的PM值以及控制智能防雾霾过滤窗的工作状态。这样一来，用户在外就能检测到家中的环境，并及时的采取净化措施。

如上图所示，采用智能防雾霾过滤窗后，我们不仅可以对室内空气进行净化，而且可以与外界的空气进行交换，这样即使长时间使用，由于始终保持于外界空气的交换，所以室内的空气可以一直保证新鲜，这样就克服了传统的空气净化器无法与外界交换空气的缺点，使人们在呼吸新鲜空气的同时免于受到雾霾的危害。

那么智能防雾霾过滤窗具体设计构想是怎样的？具体设计如下图：

如上图所示，智能防雾霾过滤窗主体分为下半部分普通窗户和上半部分空气过滤系统，而其设计的核心就是空气过滤系统，而空气过滤系统设计并不复杂，它的工作原理主要包括（1）污染空气流入，（2）空气循环净化，（3）清洁空气流出三个步骤，对于步骤（1）和步骤（3）来说，其只需要在空气过滤系统中安装普通的降噪抽风机和鼓风机就可以实现，并无技术难度，关键在于步骤（2）的设计：在上文中我们已经介绍过目前空气净化器的几种基本工作原理，主要可以分为以下几类：机械滤网式、静电驻极滤网式、高压静电集尘等。而由我们对上述三种净化方式的对比可知，“静电驻极滤网式”其对空气的净化能力较出色，且在工作时不会产生对人体有害的气体，故我选择在智能防雾霾过滤系统中安装静电驻极滤网作为空气净化的主要手段，其次，我们也可以选择加装一些活性炭滤网等过滤设备，构成对于污染空气的二次屏障，以最大可能的保证屋内空气的健康清洁。

综上所述，本文首先由我国越来越严重的雾霾污染引入讨论话题，介绍了雾霾形成的自然和人为原因，以及雾霾对于人体健康的严重危害，接着又简单介绍了目前市场上一些主流空气净化设备的工作原理以及其存在的局限性：在空气净化与空气流通方面无法兼顾。所以，针对以上的不足之处，我创新性的构思了智能防雾霾过滤窗这一产品，它克服了传统空气净化设备无法兼顾空气净化与空气流通的局限性，而且安装方便，结构也并不复杂，只是对于传统空气净化设备的结构进行了一定的创新，并将其与普通窗户结合起来，再加入目前流行的“智慧家居”等网络智能，就完成了“智能防雾霾过滤窗”的设计构思，其可行性和实用性都是比较出色的，我也希望能够通过这一产品，填补目前市场上主流空气净化设备的一些空白，为人们的健康带来真正的帮助。

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