环保设备的设计优化及新技术应用

范胜利，林增维

（1.北京创臻环境技术有限公司，北京 100020；2.中城院（北京）环境科技股份有限公司，北京 100080）

1 引言

在经济快速发展的同时，环境污染问题日益严重，环保设备的设计水平直接影响了环保措施的实施效果， 需要融入多种先进的设计理念，积极采用新技术、新材料、新方法，促进环保设备的节能化、自动化、智能化发展，更好地实现环境保护和污染治理的目的。

2 环保设备的设计优化要点分析

2.1 基于质量屋的产品优化设计方法

2.1.1 获取优化需求信息

质量屋即质量功能展开法， 是一种顾客驱动的产品开发方法，从提升质量的角度出发，通过获取顾客需求，采取针对性优化设计，实现新产品开发，所以，必须掌握设计优化需求信息，并以此为依据展开下一步工作。 一般可以从内部和外部两个途径获取需求信息， 内部途径主要指的是工作人员在设备运行时的操作和维修记录，包括各种相关数据统计，而外部途径则是通过业内经验、专家评审获得质量优化需求信息。 获得信息后， 进行数据综合分析， 可以将需求信息划分为基本型、期望型、兴奋型。 基本型需求是设备产品必须具备的功能，这种需求是最基本的设计优化对象， 代表了产品的基础满意度；期望型需求则要求更高，需要设备产品达到优秀级别，这种需求是体现产品竞争力的设计优化； 兴奋型需求的特点是出人意料，更多的是个性化需求，如果满足这种需求，需要付出较大代价，但是也会提高部分客户黏性。 环保设备优化设计需求信息可以采用亲和图进行归纳整理， 将收集到的大量想法和建议，按亲密程度归类、汇总，确定需要解决的问题，建立问题解决思路。

2.1.2 确定设计优化要点

根据层次分析法的应用步骤， 分析优化设计需求指标体系，建立具有递阶层次结构的模型，通过组建专家小组，对需求指标进行重要性评价， 获得各项指标的判断矩阵和计算结果，并进行一致性检验，保证权重计算的准确性和可靠性。 然后，根据获得的设计需求和技术需求，搭建质量屋，明确设计需求与技术需求之间的相互关系，并通过评分的方式，将定性关系转化为定量关系评价。 由质量屋模型可以得到在设计阶段需要优化调整的重点指标，着重控制主要影响因素，实现环保设备设计优化的目的[1]。

2.2 基于价值工程的产品优化设计方法

2.2.1 产品优化设计思路

价值工程在产品设计阶段具有较强的适用性。 价值工程中的价值指的是产品比较价值， 即产品具有的功能与获得功能的全部费用比值， 目的是以最低的寿命周期成本提高产品价值，实现产品优化设计的目标。 产品的寿命周期成本包括生产成本和使用维护成本。 在使用价值工程进行环保设备优化设计时，核心工作是分析产品功能，实现功能的定量化。 在此基础上进一步细化，将功能、成本、价值作为整体考虑，以集体智慧开展有计划、有组织的优化设计活动。 提高产品价值的途径有多种，主要通过提高产品功能和降低产品成本来实现，既可以针对多方案进行比选， 也可以寻求产品内部功能模块的改良， 这些都是价值工程在环保设备优化设计应用中的主要思路。

2.2.2 产品优化设计流程

价值工程的工作程序主要包括准备阶段、分析阶段、创新阶段、 方案实施与评价阶段。 准备阶段需要做好优化对象选择、组建工作组、制订工作计划等工作，明确优化设计的具体产品，并围绕后续工作制订计划，做好准备；分析阶段是价值工程应用的核心，主要围绕功能、成本、价值三要素展开分析，完成资料收集整理、功能定义、功能评价等工作，功能定义需要根据功能分类确定，分析环保设备的功能有哪些，属于基本功能还是辅助功能，是必要功能还是非必要功能；功能整理的主要任务是建立功能系统图，明确不同层级功能之间的关系，然后通过各种量化方法对功能进行计量； 功能评价是将实现功能的最低费用作为功能的目标成本，即功能评价值，以此为基准， 与功能现实成本进行比较， 二者的差异就是优化期望值，应选择功能价值低、优化期望值大的功能作为产品优化设计的重点对象。 功能重要性系数法是获得功能评价值的常用方法，对产品各种功能打分，获得相应权重，根据现有产品成本重新分配，得到功能目标成本[2]。

2.3 基于产品族DNA理论的优化设计方法

2.3.1 产品优化设计理念

DNA 在生物学中表示遗传因子， 承载着生物体的主要遗传信息， 在同种生物之间存在着性状上的稳定性和变异性。 基于这种理念，产品族的概念得到了发展应用，强调在产品开发设计时应该如同生物体遗传和变异一样，能够反复迭代、不断发展，既与旧产品存在一定关联，又能体现出新产品的差异性，所以，要构建产品族DNA 架构平台，提取产品结构、功能、视觉等方面的DNA 因子，为新产品设计提供依据。随着环保设备市场的不断扩张，许多环保设备产品缺乏详细规划，通过模仿走中低端路子，产品波动性较大，如何在同质化竞争中脱颖而出，需要企业建立自己的产品族DNA 库，在保证产品延续性的同时， 能够对已有设计元素进行再整合、再创新。

2.3.2 产品族DNA 库构建

产品族DNA 是实现产品延续性和差异性的关键，可以分为通用型DNA、适应型DNA、个性化DNA。在优化设计时，通用型DNA 在整个产品组中要保持延续性； 适应型DNA 则要在单一产品线中保持延续性，不同产品线间具有差异性；个性化DNA 则需要在所有产品中展现差异性。 相对于通用型DNA 相对固定的特点，后两者在产品组发展过程中存在一定的变化，不适合统一化设计。 关于产品族DNA 库的构建，不仅可以通过对企业现有产品进行特征分析，提取相关元素，还可以扩大到对市场范围内的产品进行特征分析和元素提取，一般会采用两种途径相结合的方式。 立足自有产品，结合流行元素、竞争品牌、未来发展等方面，实施动态调整，适应不同市场环境、不同应用场景的产品优化设计，分析环保设备产品族特征，提取造型、色彩、材质等视觉信息，并加强功能特征分析，有效提取产品族DNA。 另外，除了同族群产品的特征元素提取，还可以采用泛族群理论，将泛族群化产品形态抽取出来，进行形态推演，然后应用到环保设备产品优化设计中[3]。

3 环保设备的新技术应用研究

3.1 绝热式膜催化氧化技术

在各种污染治理过程中，大气污染最为严峻，其中，挥发性有机物具有一定的刺激性和毒性，能够产生致癌、致畸形等副作用，对生命健康影响较大，所以，挥发性有机物的治理成为环保设备发展的重要方向。 在加强源头治理、清洁生产的同时，还应该采用更加高效节能的工艺技术，实现更好的末端治理效果。 绝热式膜催化氧化技术是膜催化与绝热氧化的耦合技术，具有热量损失小、绝热反应速度快等优点，而且该技术解决了绝热反应中的安全问题。 使用的催化膜通过原位生产技术制作，具有大面积、统一均匀的催化活性能，能够处理多种挥发性有机物，处理效率接近100%，可替代传统的贵金属催化剂， 在技术性和经济性上都表现出较强的优势。同时，催化膜的使用寿命更长，起燃温度更低，具有更好的节能降耗作用。 将该技术应用在经过特殊设计后的环保设备，能够在超高浓度废气排放中获得更好的处理效果。 比如，在处理含氮类挥发性有机气体时，可以同时产生催化氧化和脱硝作用，不需要采用喷淋或喷氨脱硝措施，在冷凝回收后可直接处理排放。

3.2 物联网控制技术

数字经济时代应该加强环保设备领域的数字化建设，构建环保物联网，利用感知设备监测环保设备的运行数据，实现远程化、智能化控制管理的效果。我国的环保设备市场需求持续旺盛，环保设备行业规模不断扩大，许多环保设备依然处于机械化、半自动化水平，尤其是在农村污水集中处理工程中，采用人工巡检的方式很难实现高效运维管理， 加强环保设备与信息化技术的深度融合具有重要的现实意义。 基于物联网的环保设备控制管理系统应该涵盖云端服务系统、 现场设备系统、 用户界面交互系统， 各子系统之间及系统内部采用MQTT、Modbus、Websocket 等通信协议实现实时通信。 Web平台是云端服务系统的核心，也是数据流通的枢纽，为用户界面交互系统提供数据访问服务，对消息服务器数据进行监听、存储、处理；现场设备系统主要指的是环保设备的控制及通信系统，根据控制核心的不同，可以分为PLC 自动控制和单片机控制； 用户界面交互系统可以为用户提供不同终端系统访问服务，尤其是移动终端的使用，实现了远程控制管理，数据由设备系统传到云端系统， 通过用户交互系统查看、 获取数据，并发出控制指令到云端系统，传递到现场设备端系统，转发给环保设备控制器，实现完整的控制管理循环。通过环保物联网管理系统，可以实现环保设备站点管理、变量管理、地址管理、项目管理、数据管理、报表管理、用户管理、警报管理等功能[4]。

4 结语

综上所述，环保设备的种类比较多，每种设备的功能和适用场景不同，但都是以改善环境质量、控制环境污染为目标，在优化设计时，必须围绕这个核心思想，明确基本原则，同时，采用先进设计理念和设计方法， 全面评价环保设备各组成部分及功能模块的不足之处，实现产品的改革升级和更新换代。在此基础上，积极采用新技术、新工艺，提高环保设备的节能化、智能化水平，力求获得更好的综合效益。