環保設備的設計優化及新技術應用

范勝利，林增維

（1.北京創臻環境技術有限公司，北京 100020；2.中城院（北京）環境科技股份有限公司，北京 100080）

1 引言

在經濟快速發展的同時，環境污染問題日益嚴重，環保設備的設計水平直接影響了環保措施的實施效果， 需要融入多種先進的設計理念，積極采用新技術、新材料、新方法，促進環保設備的節能化、自動化、智能化發展，更好地實現環境保護和污染治理的目的。

2 環保設備的設計優化要點分析

2.1 基于質量屋的產品優化設計方法

2.1.1 獲取優化需求信息

質量屋即質量功能展開法， 是一種顧客驅動的產品開發方法，從提升質量的角度出發，通過獲取顧客需求，采取針對性優化設計，實現新產品開發，所以，必須掌握設計優化需求信息，并以此為依據展開下一步工作。 一般可以從內部和外部兩個途徑獲取需求信息， 內部途徑主要指的是工作人員在設備運行時的操作和維修記錄，包括各種相關數據統計，而外部途徑則是通過業內經驗、專家評審獲得質量優化需求信息。 獲得信息后， 進行數據綜合分析， 可以將需求信息劃分為基本型、期望型、興奮型。 基本型需求是設備產品必須具備的功能，這種需求是最基本的設計優化對象， 代表了產品的基礎滿意度；期望型需求則要求更高，需要設備產品達到優秀級別，這種需求是體現產品競爭力的設計優化； 興奮型需求的特點是出人意料，更多的是個性化需求，如果滿足這種需求，需要付出較大代價，但是也會提高部分客戶黏性。 環保設備優化設計需求信息可以采用親和圖進行歸納整理， 將收集到的大量想法和建議，按親密程度歸類、匯總，確定需要解決的問題，建立問題解決思路。

2.1.2 確定設計優化要點

根據層次分析法的應用步驟， 分析優化設計需求指標體系，建立具有遞階層次結構的模型，通過組建專家小組，對需求指標進行重要性評價， 獲得各項指標的判斷矩陣和計算結果，并進行一致性檢驗，保證權重計算的準確性和可靠性。 然后，根據獲得的設計需求和技術需求，搭建質量屋，明確設計需求與技術需求之間的相互關系，并通過評分的方式，將定性關系轉化為定量關系評價。 由質量屋模型可以得到在設計階段需要優化調整的重點指標，著重控制主要影響因素，實現環保設備設計優化的目的[1]。

2.2 基于價值工程的產品優化設計方法

2.2.1 產品優化設計思路

價值工程在產品設計階段具有較強的適用性。 價值工程中的價值指的是產品比較價值， 即產品具有的功能與獲得功能的全部費用比值， 目的是以最低的壽命周期成本提高產品價值，實現產品優化設計的目標。 產品的壽命周期成本包括生產成本和使用維護成本。 在使用價值工程進行環保設備優化設計時，核心工作是分析產品功能，實現功能的定量化。 在此基礎上進一步細化，將功能、成本、價值作為整體考慮，以集體智慧開展有計劃、有組織的優化設計活動。 提高產品價值的途徑有多種，主要通過提高產品功能和降低產品成本來實現，既可以針對多方案進行比選， 也可以尋求產品內部功能模塊的改良， 這些都是價值工程在環保設備優化設計應用中的主要思路。

2.2.2 產品優化設計流程

價值工程的工作程序主要包括準備階段、分析階段、創新階段、 方案實施與評價階段。 準備階段需要做好優化對象選擇、組建工作組、制訂工作計劃等工作，明確優化設計的具體產品，并圍繞后續工作制訂計劃，做好準備；分析階段是價值工程應用的核心，主要圍繞功能、成本、價值三要素展開分析，完成資料收集整理、功能定義、功能評價等工作，功能定義需要根據功能分類確定，分析環保設備的功能有哪些，屬于基本功能還是輔助功能，是必要功能還是非必要功能；功能整理的主要任務是建立功能系統圖，明確不同層級功能之間的關系，然后通過各種量化方法對功能進行計量； 功能評價是將實現功能的最低費用作為功能的目標成本，即功能評價值，以此為基準， 與功能現實成本進行比較， 二者的差異就是優化期望值，應選擇功能價值低、優化期望值大的功能作為產品優化設計的重點對象。 功能重要性系數法是獲得功能評價值的常用方法，對產品各種功能打分，獲得相應權重，根據現有產品成本重新分配，得到功能目標成本[2]。

2.3 基于產品族DNA理論的優化設計方法

2.3.1 產品優化設計理念

DNA 在生物學中表示遺傳因子， 承載著生物體的主要遺傳信息， 在同種生物之間存在著性狀上的穩定性和變異性。 基于這種理念，產品族的概念得到了發展應用，強調在產品開發設計時應該如同生物體遺傳和變異一樣，能夠反復迭代、不斷發展，既與舊產品存在一定關聯，又能體現出新產品的差異性，所以，要構建產品族DNA 架構平臺，提取產品結構、功能、視覺等方面的DNA 因子，為新產品設計提供依據。隨著環保設備市場的不斷擴張，許多環保設備產品缺乏詳細規劃，通過模仿走中低端路子，產品波動性較大，如何在同質化競爭中脫穎而出，需要企業建立自己的產品族DNA 庫，在保證產品延續性的同時， 能夠對已有設計元素進行再整合、再創新。

2.3.2 產品族DNA 庫構建

產品族DNA 是實現產品延續性和差異性的關鍵，可以分為通用型DNA、適應型DNA、個性化DNA。在優化設計時，通用型DNA 在整個產品組中要保持延續性； 適應型DNA 則要在單一產品線中保持延續性，不同產品線間具有差異性；個性化DNA 則需要在所有產品中展現差異性。 相對于通用型DNA 相對固定的特點，后兩者在產品組發展過程中存在一定的變化，不適合統一化設計。 關于產品族DNA 庫的構建，不僅可以通過對企業現有產品進行特征分析，提取相關元素，還可以擴大到對市場范圍內的產品進行特征分析和元素提取，一般會采用兩種途徑相結合的方式。 立足自有產品，結合流行元素、競爭品牌、未來發展等方面，實施動態調整，適應不同市場環境、不同應用場景的產品優化設計，分析環保設備產品族特征，提取造型、色彩、材質等視覺信息，并加強功能特征分析，有效提取產品族DNA。 另外，除了同族群產品的特征元素提取，還可以采用泛族群理論，將泛族群化產品形態抽取出來，進行形態推演，然后應用到環保設備產品優化設計中[3]。

3 環保設備的新技術應用研究

3.1 絕熱式膜催化氧化技術

在各種污染治理過程中，大氣污染最為嚴峻，其中，揮發性有機物具有一定的刺激性和毒性，能夠產生致癌、致畸形等副作用，對生命健康影響較大，所以，揮發性有機物的治理成為環保設備發展的重要方向。 在加強源頭治理、清潔生產的同時，還應該采用更加高效節能的工藝技術，實現更好的末端治理效果。 絕熱式膜催化氧化技術是膜催化與絕熱氧化的耦合技術，具有熱量損失小、絕熱反應速度快等優點，而且該技術解決了絕熱反應中的安全問題。 使用的催化膜通過原位生產技術制作，具有大面積、統一均勻的催化活性能，能夠處理多種揮發性有機物，處理效率接近100%，可替代傳統的貴金屬催化劑， 在技術性和經濟性上都表現出較強的優勢。同時，催化膜的使用壽命更長，起燃溫度更低，具有更好的節能降耗作用。 將該技術應用在經過特殊設計后的環保設備，能夠在超高濃度廢氣排放中獲得更好的處理效果。 比如，在處理含氮類揮發性有機氣體時，可以同時產生催化氧化和脫硝作用，不需要采用噴淋或噴氨脫硝措施，在冷凝回收后可直接處理排放。

3.2 物聯網控制技術

數字經濟時代應該加強環保設備領域的數字化建設，構建環保物聯網，利用感知設備監測環保設備的運行數據，實現遠程化、智能化控制管理的效果。我國的環保設備市場需求持續旺盛，環保設備行業規模不斷擴大，許多環保設備依然處于機械化、半自動化水平，尤其是在農村污水集中處理工程中，采用人工巡檢的方式很難實現高效運維管理， 加強環保設備與信息化技術的深度融合具有重要的現實意義。 基于物聯網的環保設備控制管理系統應該涵蓋云端服務系統、 現場設備系統、 用戶界面交互系統， 各子系統之間及系統內部采用MQTT、Modbus、Websocket 等通信協議實現實時通信。 Web平臺是云端服務系統的核心，也是數據流通的樞紐，為用戶界面交互系統提供數據訪問服務，對消息服務器數據進行監聽、存儲、處理；現場設備系統主要指的是環保設備的控制及通信系統，根據控制核心的不同，可以分為PLC 自動控制和單片機控制； 用戶界面交互系統可以為用戶提供不同終端系統訪問服務，尤其是移動終端的使用，實現了遠程控制管理，數據由設備系統傳到云端系統， 通過用戶交互系統查看、 獲取數據，并發出控制指令到云端系統，傳遞到現場設備端系統，轉發給環保設備控制器，實現完整的控制管理循環。通過環保物聯網管理系統，可以實現環保設備站點管理、變量管理、地址管理、項目管理、數據管理、報表管理、用戶管理、警報管理等功能[4]。

4 結語

綜上所述，環保設備的種類比較多，每種設備的功能和適用場景不同，但都是以改善環境質量、控制環境污染為目標，在優化設計時，必須圍繞這個核心思想，明確基本原則，同時，采用先進設計理念和設計方法， 全面評價環保設備各組成部分及功能模塊的不足之處，實現產品的改革升級和更新換代。在此基礎上，積極采用新技術、新工藝，提高環保設備的節能化、智能化水平，力求獲得更好的綜合效益。