绿植协同光催化净化空调系统方案设计

杜芳莉 申慧渊 沈关炳 钟 平 武景辉

（西安航空学院能源与建筑学院 西安 710077）

0 引言

建筑物是人们生活与工作的场所，据统计，现代人类大约有五分之四的时间是在建筑物中渡过，因此，室内环境品质成为人们的首要之选，舒适、健康成为选择室内环境的关注点。近年来，由于室内的建筑装饰材料及家具中大量化学成份的使用，使得甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、氡和TOVC等污染物进入室内，造成室内污染物含量严重超标[1]。目前大多数空调系统仅仅完成了对空气的热湿处理，而对室内的污染物只能通过稀释后排放至室外，无法满足健康舒适的室内空气品质要求；同时，由于大多数空调系统对节能的要求，导致通过空调设备送入室内的新风量不足；且少量进入室内的新风却由于汽车尾气和工业废气的大量排放遭到污染，从而造成进入室内的新风中含有大量的NOx，SOx 和粉尘等[2,3]，且目前所使用的空调系统缺乏自净功能。如果采取完全密闭的建筑运行形式，各种类型的房间内二氧化碳和甲醛等的浓度会随着室内空气温、湿度等因素的变化，对儿童身体健康造成影响。Naydenov 等人通过测试，明确密闭环境下污染物会对儿童哮喘和过敏产生影响[4]。王佳慧对中国重庆地区住宅通风与学龄前儿童哮喘及过敏性疾病的相关性进行研究，结果表明，以示踪气体计算得到的换气次数可以指明有53.8%的卧室和55.8%的客厅晚上换气次数未达到标准限值[5]。综上所述，传统空调系统已无法满足人们对健康生活的需求。本设计方案所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种绿植协同光催化净化空调系统设计方案，其系统结构简单，设计合理，实现方便，不仅能够满足对室内空气的热湿要求，同时，还能大幅度提高室内空气含氧量，降低室内污染物浓度，满足对室内空气新鲜度和消毒杀菌的需求。

1 设计思路

绿植协同光催化净化空调系统是在传统空调系统热湿处理基础上增加净化、除尘、增氧及消毒等功能，从而使空调系统不仅能够满足空气的热湿要求，同时，还能大幅度提高室内空气的含氧量，降低室内有机污染物浓度，满足室内空气新鲜度和消毒、杀菌的需求。该系统由净化系统和降温除湿系统两大部分组成。其中净化系统是由TiO2光催化系统、绿植生态产氧系统、灯光照明及杀菌系统等组成；降温除湿系统由除湿系统、再生系统、降温系统组成。

本设计方案中，TiO2催化材料在紫外灯照射下将来自室内回风及室外新风中的有机污染物，如氮氧化物、硫氧化物、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、氡和TOVC 等降解为CO2和H2O；绿色植物在光照作用下进行光合作用，吸收经TiO2光催化降解所产生的CO2和H2O，释放氧气，增加空气的含氧量，同时还可吸附混合空气中的PM2.5。降温除湿系统对经绿植协同光催化后的空气进行热湿处理，使空气温湿度满足人们的热舒适性要求。该设计方案不仅能使空气在绿植房内实现循环自净化，还可满足对空气进行消毒、杀菌及热湿处理的要求，从而持续创造健康、舒适的室内环境。绿植协同光催化净化空调系统方案设计思路如图1 所示。

图1 绿植协同光催化净化空调系统方案设计思路Fig.1 Ideas of scheme design of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

2 工作原理

绿植协同光催化净化空调系统是通过将室外新风和室内回风混合后的空气经风机送至绿植房中，绿植房内设有TiO2光催化系统、绿植生态产氧系统、自给式能源供给系统和降温除湿系统；其中绿植生态产氧系统包括合理密植的吊兰或绿萝盆栽；TiO2光催化系统包括紫外线灯和TiO2金属滤网；自给式能源供给系统包括太阳能发电装置和蓄电池；降温除湿系统包括吸附除湿单元、吸附再生单元、降温单元。绿植协同光催化净化空调系统流程图如图2 所示。

具体工作过程为：来自绿植房外的新风与来自空调房内的回风进行混合，通过新回风管道（11）进入设置在绿植房底部的环形风道（5）内进行稳压、整流。为使各系统处理空气效率达到最优，系统在绿值房中合理地设计气流组织，然后经设置在环形风道上的条缝形风口（6）低速送至TiO2金属滤网（7）处，TiO2在紫外线灯的照射下将混合空气中的有机污染物降解为CO2和H2O，并对空气进行消毒杀菌，净化消毒后的空气低速进入绿植生态产氧系统中，利用置换通风原理，形成自下而上的活塞气流，在气流上升的过程中与绿植盆栽（2）充分接触，绿植在光照作用下进行光合作用，吸收空气中的CO2和H2O，同时释放大量O2；与此同时，绿植盆栽（2）还可吸附空气中的PM2.5颗粒状污染物，使空气进一步净化，净化后的空气含氧量大大提高，有机污染物含量大幅度减少。最后进入设置在植物房顶部的除湿降温风道（17）和（26）中进行降温除湿处理，生成低温低湿、高含氧量的净化空气进入送风管（28）中，在送风机（29）作用下，送入空调房内，完成系统循环。绿植协同光催化净化空调系统结构示意图如图3 所示。

图2 绿植协同光催化净化空调系统流程图Fig.2 Flow chart of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

图3 绿植协同光催化净化空调系统结构示意图Fig.3 Schematic diagram of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

2.1 TiO2 光催化系统

光催化技术是先进氧化技术中最具代表性的技术之一，TiO2以其化学性质稳定、氧化-还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂[6,7]。其处理空气污染物的机理是根据TiO2半导体的电子结构的特殊性而实现的，TiO2粒子本身很稳定，当它吸收了紫外光的能量以后，TiO2半导体会产生电子-空穴对，大大加强氧气的氧化性，可有效将空气中的有机污染物氧化，最终将其分解为CO2和H2O，从而达到消除有机污染物的目的。本项目所采用的TiO2降解速率实验台及TiO2降解作用下的NOx浓度变化曲线如图4、图5 所示。

图4 二氧化钛降解速率实验台Fig.4 Titanium dioxide degradation rate test rig

图5 TiO2 降解NOX 浓度的变化曲线Fig.5 Variation curve of NOX concentration reduced by TiO2

2.2 绿植生态产氧系统

绿植生态产氧系统是根据植物的光合作用[8,9]，有效吸收回风及经TiO2光催化污染物后产生的CO2和H2O，并释放氧气，经过处理后的高含氧量空气再进入降温除湿系统。关于绿植的选取，本系统根据多次实验测试，并结合项目实际分析，选用质优价廉、产氧量较高的吊兰与易于养殖的绿萝作为植物房主培植物[8]。

由于植物的光合作用可有效吸收空气中的CO2并产生O2，这样空调系统就可大量采用回风，从而使系统运行更节能。为提高植物的光合作用效率，本方案在设计绿植房时，将其放置在阳光充足的建筑物顶部，并采用圆柱型结构设计，这样，一方面可满足其在屋顶受风力等自然作用时结构稳定；另一方面，还可满足房内绿植在白天任何时间都能接受到均匀的太阳照射。除此之外，为保证进入绿植房中的空气均匀、低速，本项目还在绿植房底部环形送风道上均匀设置多个条缝形风口；另外，考虑到引进的新风中会含有一定的微小颗粒物，本方案通过对植物的合理密植，利用植物叶片对这些颗粒物的吸附作用来吸附降解空气中的PM2.5，保证送入室内空气的洁净度[10]。

2.3 自给式能源供给系统

自给式能源供给系统是利用设置在绿植房顶部的太阳能发电装置为绿植生态产氧系统和TiO2光催化系统提供自给能源，白天通过太阳能发电装置可将部分太阳能转化为电能，并储存于蓄电池中，夜间或光照不足时，蓄电池则释放储存能为绿植房内的紫外灯提供能源供给，保证系统全天候高效运行[11]。它主要是由太阳能发电装置、整流器、蓄电池、逆变器、紫外灯等组成。其结构示意图如图6 所示。

图6 自给式能源供给系统结构图Fig.6 Self-contained energy supply system structure

2.4 降温除湿系统

降温除湿系统是本装置的重要组成部分，通过它可对净化消毒后的高含氧量空气进行热湿处理，以满足用户的热舒适性需求。本装置是由除湿系统、再生系统、降温系统三部分组成。其工作原理为：除湿吸附区对进入除湿风道中的空气进行吸附除湿，吸湿后的吸附带由电机带动进入到吸附带再生区进行自动再生[12-14]，经过除湿后的高温、低湿空气通过表冷器进行等湿降温，生成低温低湿的空气经送风机和送风管送至空调房间，为人们生产生活提供健康舒适的环境。降温除湿系统工作原理如图7 所示。

图7 降温除湿系统工作原理图Fig.7 Working principle of cooling dehumidification system

吸附带再生过程为：当除湿吸附带（35）在除湿风道（17）中完全吸附后自动转入再生风道（18）中进行再生，再生所需的室外空气经过太阳能辐射加热板（25）与红外电加热器（23）互补进行加热，当太阳能辐射加热板（25）提供的辐射热温度达到60℃及以上时，关闭红外电加热器（23），直接采用太阳能辐射加热板进行再生；当太阳能辐射加热板提供温度不足60℃时，则开启红外电加热器进行再生。加热后的空气由再生空气入口（21）进入再生风道内对吸湿后的吸附带进行再生，再生过程中产生的高热高湿空气在排风机（24）作用下经排风口（22）排至绿植房外。如此不断循环，从而保证吸附除湿带高效循环使用。除湿吸附带再生结构原理图如图8 所示。

图8 除湿吸附带再生结构原理图Fig.8 Schematic diagram of regeneration of dehumidification adsorption band

3 空调系统模型设计

本设计方案充分利用TiO2光催化作用对空调系统新回风中的有机污染物进行降解，并在植物房内合理密植绿色植物对催化产物CO2及H2O 进行光合作用，产生大量O2，从而提高空调送风中的含氧量， 保证空调房间的送风品质。为使TiO2光催化剂及绿色植物能够在充足的光照下进行作用，本设计方案将绿植房置于建筑物屋顶，同时考虑到屋顶易受风力等客观因素影响[15]，将绿植房设计为圆柱型建筑，其整体结构透光性良好，且能够保证阳光360°全方位照射；另外为保证该系统全天候运行，本系统还巧妙设计了自给式能源供给系统，通过在绿植房屋顶设置太阳能发电装置，使设置在绿植房内的紫外灯不断获得能源供给，从而为TiO2光催化作用和绿色植物进行光合作用提供持续充足的光照资源。

该设计方案通过多次动态模拟及实物模型实验测试，均得出该空调系统确实能够有效改善空调房间的空气品质，并能为空调房间持续创造健康、清新、舒适的室内环境。绿植协同光催化净化空调系统三维模拟图如图9 所示，实物模型图如图10所示。绿植协同光催化净化室内的NO2，其出口处的污染物去除率可以达到30%，优于纯降解的去除效率（去除率为20%），其空调系统的NO2浓度分布图如图11 所示。

图9 绿植协同光催化净化空调系统三维模拟图Fig.9 3D simulation of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

图10 绿植协同光催化净化空调系统实物模型图Fig.10 Physical model of green plant cooperative photocatalytic purifying air conditioning system

图11 绿植协同光催化净化空调系统NO2 浓度分布图Fig.11 Distribution of NO2 concentration in the photocatalytic purifying air conditioning system green with plant

4 结论

综上所述，绿植协同光催化净化空调系统通过将TiO2光催化有机污染物技术与绿植的光合作用巧妙结合，使进入空调房间的空气在有效净化、杀毒的同时获得大量的氧气，从而大幅提高空调室内空气含氧量，并有效降低污染物浓度，为人们工作及生活营造一个清新、舒适的环境。本设计的创新点如下所示：

（1）本系统利用太阳热发电装置为绿植生态产氧系统和TiO2光催化系统提供自给能源，保证系统全天候高效运行；

（2）本系统采用TiO2光催化技术，有效分解空气中的甲醛、苯、硫氧化物、氮氧化物等污染物，系统运行绿色环保；

（3）本系统利用大叶植物的光合作用及吸附特性，在提高空气含氧量同时还能有效吸附空气中PM2.5，从而达到改善送风品质的目的；

（4）本系统巧妙设计了自动高效再生式吸附带进行除湿，并选用以玻璃纤维为基质并复合氧化锂的吸附材料，解决了普通空调技术除湿难题，具有舒适性高的优点；

（5）本系统吸附带再生技术利用太阳能辐射加热与红外辐射加热进行互补，有效利用了新能源的同时减少了常规能源的使用，达到了节能减排的目的。