一種電梯智能空氣凈化系統的探討*

吳建平

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628040）

日常生活中，污染物按照形態區分主要包括氣態污染物和顆粒污染物兩種，其中氣態污染物又分為有機與無機化合物，氣態污染物中的有機化合物有裝修過程中產生的TVOC等，無機化合物有人體正常呼吸產生的CO2等；顆粒污染物按照物質種類區分主要包括生物粒子和非生物粒子兩種，花朵的花粉、病毒、邊角處滋生的真菌與細菌等均屬于生物粒子，吸煙產生的煙霧、地面移動濺起的粉塵、大氣飄散的霧霾、PM2.5等均屬于非生物粒子。這些污染物會嚴重影響人們日常乘電梯時的出行環境，給人體帶來不適感，嚴重時損害人體健康。顆粒污染物具有滯留、累積的特征，電梯在運行過程中，隨著時間的增加，若處理不及時，轎廂內的顆粒污染物會給人體帶來不適感，如非生物粒子PM2.5就會造成人體呼吸不暢，嚴重時甚至威脅到人體健康，如過敏、胸悶等；細菌、病毒、真菌等顆粒污染物中的生物粒子，由于具備顆粒污染物滯留、累積的特征，可能依附于電梯通風系統濾膜表面或者邊角細縫連接處，可能成為某些疾病的傳播源[1]。目前所使用的電梯通風系統缺乏對電梯轎廂內顆粒污染物的實質處理，轎廂是一個狹小且相對封閉的環境，乘坐電梯的時候經常出現人擠人的現象，人體呼吸所產生的CO2會降低轎廂內的氧氣含量，造成人體呼吸不暢、缺氧胸悶等不適癥狀。VOC氣體也是一種嚴重影響人們身體健康的污染源，比如苯類氣體進入到人體內，可能有致癌作用。

1 電梯污染物的來源及傳播

1.1 建筑及室內設施

電梯系統一般布置在建筑物之內，建筑及室內設施一般包括建筑材料、室內裝修材料、家具電器、日用品等，這些設施也可能通過樓道或者通風道進入到電梯轎廂，成為污染源[2]。經濟的發展提高了人們對物質生活的追求，個性化、多樣性等相關裝修要求成為業主的主要需求，部分裝修材料在一定時間內存在多種有害物質。這些有害物質隨著時間的推移，會不斷釋放出來，建筑物本身是一個相對半封閉的空間，這些有害物質可能由于通風不佳而滯留在建筑物內，通過人行通道、步梯、通風道等多種渠道進入電梯轎廂內，造成轎廂空氣環境質量急劇下降[3]。室內裝修材料經常使用人造板材制作衣柜、地板、廚具等，人造地板在一定時間內會釋放甲醛，這些室內裝修材料在制作過程中通過膠黏劑連接在一起，這些膠黏劑存在大量未被釋放的甲醛，隨著溫度的變化，會在不同階段大量釋放甲醛；在裝修過程中，墻面粉刷、地面貼地板等裝修處理，會使用到大量的工業產品，這些產品包括了涂料、防水劑、油漆、膠黏劑等，這些工業產品大多屬于化工行業提煉而成含有大量的有機污染物，這些有機污染物隨環境的變化會不斷揮發出污染物。室內設施中的日用生活用品、家用電器、家具的使用也會由于某種原因產生有害物質，比如人造皮質沙發在高溫環境下就可能會釋放甲醛等有害物質，這些有害物質可能從建筑設施的通道間接進入到電梯轎廂，進而影響轎廂內的空氣質量。

1.2 人類活動

電梯轎廂是一個狹小且封閉的空間，擁擠的人群乘坐電梯時，通過呼吸道排出的CO2、水蒸氣會降低轎廂內的氧氣含量，可能造成人體呼吸困難。乘坐電梯時，有時不可避免乘員說話、咳嗽、打噴嚏等現象的出現，這些現象也可能通過人體呼吸道帶來細菌、病毒等有害人體健康的生物粒子，顆粒物有下沉、累積的特點，若不及時排出可能在一段時間內成為傳播源，造成疾病的傳播。人體在乘電梯時也會出現各種各樣的攜帶物，包括人體本身散發的異味，穿著打扮時的揮發性物質、外賣餐飲味，以及其他各種物品所帶來的影響空氣質量的因素。

1.3 轎廂外大氣環境

轎廂外的空氣環境主要受到當前環境日益惡劣的影響，比如在冬季的時候，國內部分城市都會出現霧霾現象，北方部分城市還可能受到沙塵暴的影響，PM2.5的超標也在影響著人們的生活環境，大氣中的污染物主要有PM2.5、霧霾等[4]。

1.4 地下車庫

電梯通常由地下車庫沿上連接各個樓層，電梯中的循環空氣也主要與這些空間交互。空氣的流通主要通過建筑通風系統進行更替，地下車庫是一個相對密閉的環境，由于汽車出行頻率高，汽車所排出的尾氣基本很難在短時間排出過濾，導致地下車庫各種有害物質會越積越多，加上地下車庫的陰暗與潮濕，有害細菌也會迅速繁殖，對電梯的空氣質量是一種嚴重的威脅。

2 總體控制策略

該電梯空氣凈化系統總體控制策略要明確的是基于智能化的控制設計，由于電梯轎廂內主要的污染物分為兩大類，氣體污染物和顆粒污染物，同時由于狹小的空間內人員擁擠所產生的CO2也會迅速累積，嚴重影響人體的正常呼吸，所以需要考慮的是電梯空氣凈化系統對于氣體污染物、顆粒污染物、CO2的處理。應該考慮通過什么方式去除污染物，針對這兩種污染物及CO2選擇利用濾芯層進行過濾，紫外燈進行殺菌與消毒處理，電離空氣產生負離子的方式提供“空氣維生素”，同時利用循環風機的作用，不斷從轎廂外吸入空氣，進入電梯頂部的凈化箱，乘員所產生的CO2等廢氣在從轎廂底部側面排出去，在這樣的一個來回循環系統中讓轎廂一直處于一種安全舒適的環境。

從相關資料中可以得出電梯內的污染物主要凈化方式如表1所示，以PM2.5為主的非生物顆粒污染物采用HEPA高效濾芯過濾與負離子吸附的方式處理；顆粒污染物中以細菌、病毒、微生物為主的生物粒子采用HEPA高效過濾濾芯及紫外燈的共同作用進行殺菌、消毒處理；由于活性炭具備良好的吸附作用，以甲醛為主的VOC氣體污染物采用活性炭過濾。不管是污染物還是CO2，經過多層過濾層，在循環風機的作用下，轎廂內的空氣一直保持來回循環，可以降低CO2濃度，負離子提供飽含富氧的空氣環境，整個轎廂就能夠一直保持清新自然的空氣質量。

表1 污染物主要凈化措施

污染物及CO2濃度大小的數據監測依靠三個傳感器感應進行數據檢測。顆粒污染物采用PM2.5傳感器進行濃度檢測，可有效檢測PM2.5、細菌、病毒、微生物等粒子在空氣中的濃度大??；氣體采用VOC氣體傳感器及CO2傳感器進行濃度檢測，可有效檢測TVOC、CO2等氣體在空氣中的濃度[5]。傳感器模塊檢測到兩種類型污染物及CO2后，將檢測數據傳輸到控制器進行處理，確定的控制器空氣質量等級判斷值如表2所示。

表2 控制器空氣質量等級判斷值

從表2中我們可以得出如下結論：

1）滿足PM2.5≤35 μg/m3、TVOC≤0.3 mg/m3、CO2＜1 000 ppm時，控制器判定當前空氣質量為優。

2）滿足35 μg/m3＜PM2.5≤75 μg/m3、TVOC≤0.5 mg/m3、CO2＜1 000 ppm或PM2.5≤75 μg/m3、0.3 mg/m3＜TVOC≤0.5 mg/m3、CO2＜1 000 ppm時，控制器判定當前空氣質量為良。

3）滿足PM2.5＞75 μg/m3或TVOC＞0.6 mg/m3或CO2≥1 000 ppm時，控制器判定當前空氣質量為差；控制器接收到傳感器的信號后，根據表中的空氣質量等級關閉負離子發生器并控制循環風機的風速進行空氣處理。具體控制凈化裝置執行狀態如表3所示。

表3 凈化裝置執行狀態

根據表1、表2、表3的空氣污染物凈化方式、空氣質量等級的判斷、凈化裝置的執行狀態，可參考圖1進行整個系統的邏輯控制[6]。

圖1 系統控制邏輯圖

空氣凈化系統開啟后，傳感器模塊進行污染物及CO2的檢測，數據經過控制器的判斷后，按照三種模式的空氣質量等級，執行凈化裝置及循環風機速度的控制。在轎廂內，有一部分污染物可能由乘員攜帶或者電梯開閉帶入轎廂，雙通道傳感器可實現轎廂內與轎廂頂部進風口的空氣質量的實時循環檢測。

3 系統整機布置

該電梯空氣凈化系統的整機布置如圖2所示。系統主要由空氣凈化箱、控制器及其外圍電路、各種傳感器、空氣濾芯層、負離子發生器、循環風機系統、外部控制開關等部件構成[7-8]。

圖2 整機布置

1）空氣凈化箱。該空氣凈化箱由兩層腔體組成，上腔體及下腔體，在空氣凈化箱中部安裝有空氣濾芯層?？諝鈨艋?布置在轎廂頂部進風口處，從頂部進風口進入轎廂的空氣，要經過空氣凈化箱的處理后，在循環風機的作用下進入轎廂內，確保頂部進入的空氣符合系統標準。

2）傳感器模塊。傳感器模塊布置在空氣凈化箱上腔體內，也可布置在其他位置，如轎廂中部，可探討與控制器集成化設計的方案，感應觸頭需布置在空氣凈化箱的上腔體內及轎廂內，該模塊由PM2.5傳感器、CO2傳感器、VOC傳感器共三個傳感器組成，三個傳感器均采用雙通道結構形式，可以同時判斷與監測轎廂頂部進風口與轎廂內的空氣質量。

3）濾芯。濾芯層由多層過濾層構成，包括普通濾層、活性炭濾層、HEPA高效濾層共三層組成，每一層濾芯都有自己獨特的作用。普通濾層主要用于空氣的初步處理，如枝葉、生活廢料等大雜質；活性炭濾層利用了活性炭具備良好的吸附污染物的特點，主要用于吸附甲醛、TVOC等污染物；HEPA濾層主要用于過濾以PM2.5為主的非生物粒子和以細菌、病毒為主的生物粒子，如霧霾、煙塵、病毒、細菌、粉塵等。

4）凈化裝置。凈化裝置主要布置在空氣凈化箱的下腔體內，由負離子發生器、紫外線燈管、濾芯層組成。負離子發生器通過電離產生負離子，可以起到除塵、殺菌的作用，同時有益于人們的身體健康，具有提高人體免疫力、調節新陳代謝等功能，負離子也具備一定的醫療保健作用，有“空氣維生素”的稱號，如改善心功能、延緩衰老等[9-10]。紫外燈管主要用于消毒殺菌處理。

5）控制器。控制器布置在轎廂中部，操作方便，在適當調節下可加入保護程序，防止乘員不小心觸碰導致控制操作發生變化，影響空氣質量的處理流程。該控制器根據上文的控制流程圖可知，可顯示當前的空氣質量等級狀態。

6）循環風機。循環風機安裝在空氣凈化箱底部及轎廂兩側壁位置，采用主動吸風、排風方式快速進行轎廂內空氣的流動，由高速、低速兩種模式組成。循環風機根據控制器判斷的空氣質量等級，開啟低速或者高速狀態。

4 小結

隨著城市化的不斷發展，大量高樓被豎立起來，幾乎所有的高樓都安裝了電梯，當前汽車的大量使用，造成的環境污染日益嚴重，每天所乘坐的電梯空氣質量環境也在不斷下降。上述電梯空氣凈化系統，可以有效處理電梯轎廂中的顆粒污染物與氣體污染物，并起到通風換氣的作用，為人們的日常出行提供一個安全舒適的環境。