綠植協同光催化凈化空調系統方案設計

杜芳莉 申慧淵 沈關炳 鐘 平 武景輝

（西安航空學院能源與建筑學院 西安 710077）

0 引言

建筑物是人們生活與工作的場所，據統計，現代人類大約有五分之四的時間是在建筑物中渡過，因此，室內環境品質成為人們的首要之選，舒適、健康成為選擇室內環境的關注點。近年來，由于室內的建筑裝飾材料及家具中大量化學成份的使用，使得甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、氡和TOVC等污染物進入室內，造成室內污染物含量嚴重超標[1]。目前大多數空調系統僅僅完成了對空氣的熱濕處理，而對室內的污染物只能通過稀釋后排放至室外，無法滿足健康舒適的室內空氣品質要求；同時，由于大多數空調系統對節能的要求，導致通過空調設備送入室內的新風量不足；且少量進入室內的新風卻由于汽車尾氣和工業廢氣的大量排放遭到污染，從而造成進入室內的新風中含有大量的NOx，SOx 和粉塵等[2,3]，且目前所使用的空調系統缺乏自凈功能。如果采取完全密閉的建筑運行形式，各種類型的房間內二氧化碳和甲醛等的濃度會隨著室內空氣溫、濕度等因素的變化，對兒童身體健康造成影響。Naydenov 等人通過測試，明確密閉環境下污染物會對兒童哮喘和過敏產生影響[4]。王佳慧對中國重慶地區住宅通風與學齡前兒童哮喘及過敏性疾病的相關性進行研究，結果表明，以示蹤氣體計算得到的換氣次數可以指明有53.8%的臥室和55.8%的客廳晚上換氣次數未達到標準限值[5]。綜上所述，傳統空調系統已無法滿足人們對健康生活的需求。本設計方案所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種綠植協同光催化凈化空調系統設計方案，其系統結構簡單，設計合理，實現方便，不僅能夠滿足對室內空氣的熱濕要求，同時，還能大幅度提高室內空氣含氧量，降低室內污染物濃度，滿足對室內空氣新鮮度和消毒殺菌的需求。

1 設計思路

綠植協同光催化凈化空調系統是在傳統空調系統熱濕處理基礎上增加凈化、除塵、增氧及消毒等功能，從而使空調系統不僅能夠滿足空氣的熱濕要求，同時，還能大幅度提高室內空氣的含氧量，降低室內有機污染物濃度，滿足室內空氣新鮮度和消毒、殺菌的需求。該系統由凈化系統和降溫除濕系統兩大部分組成。其中凈化系統是由TiO2光催化系統、綠植生態產氧系統、燈光照明及殺菌系統等組成；降溫除濕系統由除濕系統、再生系統、降溫系統組成。

本設計方案中，TiO2催化材料在紫外燈照射下將來自室內回風及室外新風中的有機污染物，如氮氧化物、硫氧化物、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、氡和TOVC 等降解為CO2和H2O；綠色植物在光照作用下進行光合作用，吸收經TiO2光催化降解所產生的CO2和H2O，釋放氧氣，增加空氣的含氧量，同時還可吸附混合空氣中的PM2.5。降溫除濕系統對經綠植協同光催化后的空氣進行熱濕處理，使空氣溫濕度滿足人們的熱舒適性要求。該設計方案不僅能使空氣在綠植房內實現循環自凈化，還可滿足對空氣進行消毒、殺菌及熱濕處理的要求，從而持續創造健康、舒適的室內環境。綠植協同光催化凈化空調系統方案設計思路如圖1 所示。

圖1 綠植協同光催化凈化空調系統方案設計思路Fig.1 Ideas of scheme design of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

2 工作原理

綠植協同光催化凈化空調系統是通過將室外新風和室內回風混合后的空氣經風機送至綠植房中，綠植房內設有TiO2光催化系統、綠植生態產氧系統、自給式能源供給系統和降溫除濕系統；其中綠植生態產氧系統包括合理密植的吊蘭或綠蘿盆栽；TiO2光催化系統包括紫外線燈和TiO2金屬濾網；自給式能源供給系統包括太陽能發電裝置和蓄電池；降溫除濕系統包括吸附除濕單元、吸附再生單元、降溫單元。綠植協同光催化凈化空調系統流程圖如圖2 所示。

具體工作過程為：來自綠植房外的新風與來自空調房內的回風進行混合，通過新回風管道（11）進入設置在綠植房底部的環形風道（5）內進行穩壓、整流。為使各系統處理空氣效率達到最優，系統在綠值房中合理地設計氣流組織，然后經設置在環形風道上的條縫形風口（6）低速送至TiO2金屬濾網（7）處，TiO2在紫外線燈的照射下將混合空氣中的有機污染物降解為CO2和H2O，并對空氣進行消毒殺菌，凈化消毒后的空氣低速進入綠植生態產氧系統中，利用置換通風原理，形成自下而上的活塞氣流，在氣流上升的過程中與綠植盆栽（2）充分接觸，綠植在光照作用下進行光合作用，吸收空氣中的CO2和H2O，同時釋放大量O2；與此同時，綠植盆栽（2）還可吸附空氣中的PM2.5顆粒狀污染物，使空氣進一步凈化，凈化后的空氣含氧量大大提高，有機污染物含量大幅度減少。最后進入設置在植物房頂部的除濕降溫風道（17）和（26）中進行降溫除濕處理，生成低溫低濕、高含氧量的凈化空氣進入送風管（28）中，在送風機（29）作用下，送入空調房內，完成系統循環。綠植協同光催化凈化空調系統結構示意圖如圖3 所示。

圖2 綠植協同光催化凈化空調系統流程圖Fig.2 Flow chart of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

圖3 綠植協同光催化凈化空調系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

2.1 TiO2 光催化系統

光催化技術是先進氧化技術中最具代表性的技術之一，TiO2以其化學性質穩定、氧化-還原性強、抗腐蝕、無毒及成本低而成為目前最為廣泛使用的半導體光催化劑[6,7]。其處理空氣污染物的機理是根據TiO2半導體的電子結構的特殊性而實現的，TiO2粒子本身很穩定，當它吸收了紫外光的能量以后，TiO2半導體會產生電子-空穴對，大大加強氧氣的氧化性，可有效將空氣中的有機污染物氧化，最終將其分解為CO2和H2O，從而達到消除有機污染物的目的。本項目所采用的TiO2降解速率實驗臺及TiO2降解作用下的NOx濃度變化曲線如圖4、圖5 所示。

圖4 二氧化鈦降解速率實驗臺Fig.4 Titanium dioxide degradation rate test rig

圖5 TiO2 降解NOX 濃度的變化曲線Fig.5 Variation curve of NOX concentration reduced by TiO2

2.2 綠植生態產氧系統

綠植生態產氧系統是根據植物的光合作用[8,9]，有效吸收回風及經TiO2光催化污染物后產生的CO2和H2O，并釋放氧氣，經過處理后的高含氧量空氣再進入降溫除濕系統。關于綠植的選取，本系統根據多次實驗測試，并結合項目實際分析，選用質優價廉、產氧量較高的吊蘭與易于養殖的綠蘿作為植物房主培植物[8]。

由于植物的光合作用可有效吸收空氣中的CO2并產生O2，這樣空調系統就可大量采用回風，從而使系統運行更節能。為提高植物的光合作用效率，本方案在設計綠植房時，將其放置在陽光充足的建筑物頂部，并采用圓柱型結構設計，這樣，一方面可滿足其在屋頂受風力等自然作用時結構穩定；另一方面，還可滿足房內綠植在白天任何時間都能接受到均勻的太陽照射。除此之外，為保證進入綠植房中的空氣均勻、低速，本項目還在綠植房底部環形送風道上均勻設置多個條縫形風口；另外，考慮到引進的新風中會含有一定的微小顆粒物，本方案通過對植物的合理密植，利用植物葉片對這些顆粒物的吸附作用來吸附降解空氣中的PM2.5，保證送入室內空氣的潔凈度[10]。

2.3 自給式能源供給系統

自給式能源供給系統是利用設置在綠植房頂部的太陽能發電裝置為綠植生態產氧系統和TiO2光催化系統提供自給能源，白天通過太陽能發電裝置可將部分太陽能轉化為電能，并儲存于蓄電池中，夜間或光照不足時，蓄電池則釋放儲存能為綠植房內的紫外燈提供能源供給，保證系統全天候高效運行[11]。它主要是由太陽能發電裝置、整流器、蓄電池、逆變器、紫外燈等組成。其結構示意圖如圖6 所示。

圖6 自給式能源供給系統結構圖Fig.6 Self-contained energy supply system structure

2.4 降溫除濕系統

降溫除濕系統是本裝置的重要組成部分，通過它可對凈化消毒后的高含氧量空氣進行熱濕處理，以滿足用戶的熱舒適性需求。本裝置是由除濕系統、再生系統、降溫系統三部分組成。其工作原理為：除濕吸附區對進入除濕風道中的空氣進行吸附除濕，吸濕后的吸附帶由電機帶動進入到吸附帶再生區進行自動再生[12-14]，經過除濕后的高溫、低濕空氣通過表冷器進行等濕降溫，生成低溫低濕的空氣經送風機和送風管送至空調房間，為人們生產生活提供健康舒適的環境。降溫除濕系統工作原理如圖7 所示。

圖7 降溫除濕系統工作原理圖Fig.7 Working principle of cooling dehumidification system

吸附帶再生過程為：當除濕吸附帶（35）在除濕風道（17）中完全吸附后自動轉入再生風道（18）中進行再生，再生所需的室外空氣經過太陽能輻射加熱板（25）與紅外電加熱器（23）互補進行加熱，當太陽能輻射加熱板（25）提供的輻射熱溫度達到60℃及以上時，關閉紅外電加熱器（23），直接采用太陽能輻射加熱板進行再生；當太陽能輻射加熱板提供溫度不足60℃時，則開啟紅外電加熱器進行再生。加熱后的空氣由再生空氣入口（21）進入再生風道內對吸濕后的吸附帶進行再生，再生過程中產生的高熱高濕空氣在排風機（24）作用下經排風口（22）排至綠植房外。如此不斷循環，從而保證吸附除濕帶高效循環使用。除濕吸附帶再生結構原理圖如圖8 所示。

圖8 除濕吸附帶再生結構原理圖Fig.8 Schematic diagram of regeneration of dehumidification adsorption band

3 空調系統模型設計

本設計方案充分利用TiO2光催化作用對空調系統新回風中的有機污染物進行降解，并在植物房內合理密植綠色植物對催化產物CO2及H2O 進行光合作用，產生大量O2，從而提高空調送風中的含氧量， 保證空調房間的送風品質。為使TiO2光催化劑及綠色植物能夠在充足的光照下進行作用，本設計方案將綠植房置于建筑物屋頂，同時考慮到屋頂易受風力等客觀因素影響[15]，將綠植房設計為圓柱型建筑，其整體結構透光性良好，且能夠保證陽光360°全方位照射；另外為保證該系統全天候運行，本系統還巧妙設計了自給式能源供給系統，通過在綠植房屋頂設置太陽能發電裝置，使設置在綠植房內的紫外燈不斷獲得能源供給，從而為TiO2光催化作用和綠色植物進行光合作用提供持續充足的光照資源。

該設計方案通過多次動態模擬及實物模型實驗測試，均得出該空調系統確實能夠有效改善空調房間的空氣品質，并能為空調房間持續創造健康、清新、舒適的室內環境。綠植協同光催化凈化空調系統三維模擬圖如圖9 所示，實物模型圖如圖10所示。綠植協同光催化凈化室內的NO2，其出口處的污染物去除率可以達到30%，優于純降解的去除效率（去除率為20%），其空調系統的NO2濃度分布圖如圖11 所示。

圖9 綠植協同光催化凈化空調系統三維模擬圖Fig.9 3D simulation of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

圖10 綠植協同光催化凈化空調系統實物模型圖Fig.10 Physical model of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

圖11 綠植協同光催化凈化空調系統NO2 濃度分布圖Fig.11 Distribution of NO2 concentration in the photocatalytic purifying air conditioning system green with plant

4 結論

綜上所述，綠植協同光催化凈化空調系統通過將TiO2光催化有機污染物技術與綠植的光合作用巧妙結合，使進入空調房間的空氣在有效凈化、殺毒的同時獲得大量的氧氣，從而大幅提高空調室內空氣含氧量，并有效降低污染物濃度，為人們工作及生活營造一個清新、舒適的環境。本設計的創新點如下所示：

（1）本系統利用太陽熱發電裝置為綠植生態產氧系統和TiO2光催化系統提供自給能源，保證系統全天候高效運行；

（2）本系統采用TiO2光催化技術，有效分解空氣中的甲醛、苯、硫氧化物、氮氧化物等污染物，系統運行綠色環保；

（3）本系統利用大葉植物的光合作用及吸附特性，在提高空氣含氧量同時還能有效吸附空氣中PM2.5，從而達到改善送風品質的目的；

（4）本系統巧妙設計了自動高效再生式吸附帶進行除濕，并選用以玻璃纖維為基質并復合氧化鋰的吸附材料，解決了普通空調技術除濕難題，具有舒適性高的優點；

（5）本系統吸附帶再生技術利用太陽能輻射加熱與紅外輻射加熱進行互補，有效利用了新能源的同時減少了常規能源的使用，達到了節能減排的目的。