基于可持續(xù)設(shè)計理念的無電冰箱設(shè)計研究

曾曦，廖粵，吳綺穎

基于可持續(xù)設(shè)計理念的無電冰箱設(shè)計研究

曾曦，廖粵，吳綺穎

（武漢工程大學 藝術(shù)設(shè)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(xiàn)行扶貧機制下仍存在問題需要攻克，比如貧困區(qū)域經(jīng)濟、基建設(shè)施相對落后產(chǎn)生的食物保鮮問題。從可持續(xù)設(shè)計理念角度出發(fā)，對無電冰箱進行解析，分別從物料構(gòu)成、技術(shù)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(guān)影響因素后設(shè)計出可行方案?；诳沙掷m(xù)設(shè)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(qū)域被扶貧對象及弱勢群體的生活質(zhì)量，同時盡可能減少能源和其他自然資源的消耗。

可持續(xù)設(shè)計；無電冰箱；基礎(chǔ)設(shè)施；扶貧政策

自中國改革開放40年以來，貧困發(fā)生率在2018年末降為1.7%，國民生活水平已經(jīng)從貧困向致富邁進，產(chǎn)生了質(zhì)的蛻變。2015年中央出臺的《關(guān)于打贏脫貧攻堅戰(zhàn)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(qū)域性整體貧困。

這些年中國政府對地方性貧困區(qū)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(qū)礙于基礎(chǔ)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(qū)域多是偏遠地區(qū)，此類地區(qū)嚴重缺乏基建類設(shè)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(qū)依舊沒有通電。

在經(jīng)濟落后、供電基礎(chǔ)設(shè)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(shè)計希望通過可持續(xù)設(shè)計理念下的無電冰箱的設(shè)計研究，幫助國家落實扶貧政策，切實提高貧困區(qū)域被扶對象的生活質(zhì)量，盡可能減少能源和其他自然資源的消耗。

1 可持續(xù)設(shè)計理念概述

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

除了消除對環(huán)境的負面影響，可持續(xù)設(shè)計理念還倡導以能源創(chuàng)新型產(chǎn)品逐漸改變?nèi)祟惉F(xiàn)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(fā)地球資源?？沙掷m(xù)設(shè)計旨在用戶與產(chǎn)品之間建立了一種長效機制，維持經(jīng)濟與社會之間的動態(tài)穩(wěn)定——即產(chǎn)品設(shè)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(huán)境可能帶來的不利影響?？沙掷m(xù)設(shè)計理念的切入角度可以是材料，也可以是產(chǎn)品系統(tǒng)，更可以是一種昭示、一個概念。因此，要求設(shè)計師乃至民眾需對可持續(xù)理念具有深刻、全面的認識和思考。

2 可持續(xù)設(shè)計在中國的發(fā)展

當中國從“中國制造”模式開始轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊窃臁睍r，這意味著其正在擺脫高成本低產(chǎn)出的模式，結(jié)合“綠水青山就是金山銀山”努力轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新型國家。而設(shè)計水平，則是創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的重要體現(xiàn)。在資源總數(shù)有上限而物質(zhì)需求無上限的環(huán)境下，可持續(xù)發(fā)展理念正是中國這種發(fā)展中國家，尋求不破壞環(huán)境的基礎(chǔ)上實現(xiàn)經(jīng)濟增長的必然選擇。

可持續(xù)設(shè)計理念不僅停留在產(chǎn)品設(shè)計，即物質(zhì)形態(tài)上，更是通過可持續(xù)設(shè)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(xù)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(jīng)歷漫長的歲月才會被自然降解，并在這段歲月中產(chǎn)生“白色污染”，為避免可回收物質(zhì)被浪費，最終所有的理念推行都應落實并考慮到產(chǎn)品設(shè)計。

2 無電冰箱可持續(xù)設(shè)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(shè)計是需要去分析常識背后的原理，以便于更好地為產(chǎn)品所應用。當處于自然界中的水需要產(chǎn)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(nèi)能大；②水分子質(zhì)量小，每千克液體所擁有的水分子摩爾數(shù)多，即每千克水提高溫度需要能量就多。

可持續(xù)無電冰箱的設(shè)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(xiàn)設(shè)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(huán)境下不易產(chǎn)生溫度起伏，且能夠保持儲存環(huán)境的濕度來進行保溫、保鮮。

2.2 相關(guān)案例分析

不同于國內(nèi)的無電冰箱研究，國外對于無電冰箱的設(shè)計研究很早就開始了。例如，尼日利亞北部是個半沙漠地區(qū)，其自然資源貧乏，生活在當?shù)氐木用裰荒芸啃┍√锲D難度日。由于當?shù)貧夂蜓谉?，新鮮的食物通常放置1 d就會腐敗，食物的快速變質(zhì)導致當?shù)鼐用癖仨氃? d內(nèi)食用或賣出所有新鮮食物，因此，當?shù)氐男迈r食材不能獲得相應價值的售價，進而延緩了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，產(chǎn)生惡性循環(huán)。基于以上情況，MOHAMMED設(shè)計了“罐中罐制冷系統(tǒng)”，如圖1所示，其將2個半圓形陶罐呈上下結(jié)構(gòu)套在一起，2個罐子中間填上濕沙子，小罐子內(nèi)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(tǒng)”的溫度在干熱的半沙漠或者沙漠的地區(qū)可以降到4 ℃左右，約等于冰箱冷藏室的溫度，這是MOHAMMED據(jù)古埃及人公元前2 500年就了解的物理學原理進行改良發(fā)明的。

圖1 MOHAMMED設(shè)計的“罐中罐制冷系統(tǒng)”

馬蘇克巴亥設(shè)計的冰箱如圖2所示。

圖2 馬蘇克巴亥設(shè)計的無電冰箱

馬蘇克巴亥在冰箱上設(shè)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(shù)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(tài)時，其必定會進行呼吸作用，這就會產(chǎn)生代謝活動進而損耗自身營養(yǎng)物質(zhì)并降低品質(zhì)。但是在低溫、高濕度環(huán)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(zhì)。上述2個案例的設(shè)計，都是通過水分蒸發(fā)和物體間的熱傳導以及水的比熱容大等原理來實現(xiàn)產(chǎn)品功能性需求的。

3 可持續(xù)設(shè)計理念下的無電冰箱研究

3.1 無電冰箱相關(guān)設(shè)計要素研究

3.1.1 環(huán)境要素

導致中國貧困地區(qū)貧窮落后的原因有很多，其中主要是自然環(huán)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(nèi)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(qū)多處于自然環(huán)境條件惡劣的區(qū)域，主要集中在西北和西南地區(qū)，這些地區(qū)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?qū)е碌牡谝划a(chǎn)業(yè)發(fā)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(qū)除自然環(huán)境惡劣以外，所處位置都較為偏僻，遠離城市或當?shù)氐慕?jīng)濟中心，道路等基礎(chǔ)建設(shè)工程嚴重不足導致交通受阻。如果設(shè)立一個適宜人類生存的環(huán)境標準等級，即使不按富庶地區(qū)的自然條件作為衡量的標準，也有相當一部分地區(qū)是被認為不適宜人類生存的。由于存在環(huán)境問題的多樣性，在進行產(chǎn)品設(shè)計時將產(chǎn)品的使用環(huán)境放置于地表以下，其主要的優(yōu)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(xiàn)的，即使身處沙漠，也有搭建地下帳篷來實現(xiàn)防曬、避暑和降溫；②地下溫度相較于地表要低并且更穩(wěn)定，由于地下的濕氣重，含水量高，不易發(fā)生較大的溫度變化。

3.1.2 用戶群體要素

本設(shè)計研究將用戶群體聚焦于居住在中國西南貧困山區(qū)的被扶貧對象，被扶貧對象是典型的弱勢群體，即是養(yǎng)活自己都顯得尤為困難，更妄論提高自己家庭生活質(zhì)量的人群。當前社會現(xiàn)象需要發(fā)掘正義的力量，使整個社會的競爭環(huán)境更為公平公正。以下是本文對弱勢群體根據(jù)需求進行的分類：①完全無法實現(xiàn)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(fā)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(shè)計以外，另兩類群體皆可以使用本設(shè)計以保障或提高生活質(zhì)量。

3.1.3 CMF設(shè)計要素

3.1.3.1 色彩要素

顏色在無電冰箱設(shè)計上擁有著重要作用。研究表明人在產(chǎn)生購買行為這一動作時，顏色占據(jù)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(zhì)量較低，其在購買商品時所關(guān)注的重點往往聚焦在產(chǎn)品的價格、功能和使用年限上，因此色彩設(shè)計重點應集中在用戶審美心理傾向于安全性、穩(wěn)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(jié)構(gòu)會長期接觸高濕度土壤，其外部結(jié)構(gòu)須使用抗腐蝕性強和穩(wěn)固性好的材料，以達到物體間快速的熱量傳導，將箱體內(nèi)急需冷藏的物品快速降溫的同時又起到保護作用。外部結(jié)構(gòu)與內(nèi)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(chǎn)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(nèi)部箱體溫度的動態(tài)平衡的功能性需求。

由于整個箱體長期掩埋地下，其內(nèi)部箱體就需要在材料上使用密閉性好、質(zhì)量輕、不易吸附異味的材料。就物質(zhì)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(chǎn)品的受用人群和使用環(huán)境定位在此不做嘗試。

經(jīng)過以上分析，外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部箱體是可以使用相同金屬材料制作。對比工業(yè)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(shù)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(shù)低，可以得出鋁合金材料導熱系數(shù)相對高而造價成本低，材質(zhì)本身密度低強度大，延展性好，具有優(yōu)良的抗腐蝕性，較為符合本產(chǎn)品環(huán)境定位的地區(qū)使用。

3.1.3.3 表面處理工藝要素

鋁質(zhì)金屬材料本身具備良好的抗腐蝕性，選擇適當?shù)谋砻嫣幚砉に嚹苁蛊湓谔囟ǖ沫h(huán)境中，更好地將性能發(fā)揮出來。產(chǎn)品需要量產(chǎn)和更好地控制成本，產(chǎn)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(chǔ)生產(chǎn)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(zhì)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(xiàn)代技術(shù)的改良下已經(jīng)可以滿足環(huán)保需求，且工藝成本相對低廉和產(chǎn)量大，能夠調(diào)整工藝配方以符合產(chǎn)品的色彩設(shè)計。

3.1.4 相關(guān)造型要素

常規(guī)使用的冰箱設(shè)計是需要符合大眾審美情趣的，但是對于符合可持續(xù)設(shè)計的無電電冰箱來說，更要在這個造型基礎(chǔ)上考慮其結(jié)構(gòu)是否符合人機工學。在設(shè)計中要考慮到產(chǎn)品的理論支撐，無電冰箱設(shè)計，首先要考慮這一產(chǎn)品所要面向的用戶群體是人，并且限制在特定地區(qū)的特殊人群。因而無電冰箱的造型設(shè)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(guān)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(chǎn)品可持續(xù)設(shè)計理念，在整體造型設(shè)計中須符合工業(yè)制造標準，方便生產(chǎn)且無需使用特定高新技術(shù)，減少產(chǎn)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(shè)計方案

通過對可持續(xù)設(shè)計理念的無電冰箱相關(guān)使用環(huán)境、用戶群體、CMF設(shè)計和相關(guān)造型設(shè)計要素研究，筆者自制一套設(shè)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(jié)構(gòu)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(fā)、散熱，并通過填充層接觸連接外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)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(chǎn)品圖如圖3所示。

無電冰箱是采用整體性設(shè)計，在有限運輸空間條件下更能節(jié)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(nèi)部箱體，設(shè)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(zhì)，中間是發(fā)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(shè)計創(chuàng)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(xiàn)，不運用高新技術(shù)的前提下，對產(chǎn)品進行了設(shè)計性的創(chuàng)新，為貧困地區(qū)和需要援助的人群提供更優(yōu)質(zhì)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(shè)計創(chuàng)新的同時還進行了可行性測試實驗，無電冰箱內(nèi)部與實驗環(huán)境溫度對比圖如圖4所示，實驗地點為武漢城區(qū)，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(nèi)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(nèi)部與實驗環(huán)境溫度對比圖

4 結(jié)語

當代設(shè)計應是基于“以人為本”關(guān)懷理念下，為廣大人民群眾所服務的創(chuàng)造性行為，并在此基礎(chǔ)上充分考慮和關(guān)懷社會弱勢群體。一個國家的人文風貌不僅體現(xiàn)在大眾層面上，更多體現(xiàn)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(shè)計方案是在應用可持續(xù)設(shè)計理念基礎(chǔ)上，充分考慮使用環(huán)境、受眾群體、CMF設(shè)計和相關(guān)造型因素后設(shè)計的，旨在創(chuàng)作出有利于當代經(jīng)濟發(fā)展且不影響后代生存環(huán)境的可持續(xù)產(chǎn)品，并能夠輔助國家扶貧政策落實，切實提高貧困區(qū)域被扶貧對象的生活質(zhì)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〕