路灯和空气净化技术的组合式创新设计

朱庆祥 乔慧

摘要：为了解决城市道路空气污染问题，采用组合设计的方法，提出给路灯增加空气净化功能的概念，文章在分析了路灯的结构和当前空气净化技术之后，得出可行的组合方案，并采用了仿生法给路灯设计了新的形态。新设计为缓解城市道路空气污染问题提供了一定的参考意义。

关键词：产品设计 组合设计 路灯 空气净化

引言

近年来，由道路机动车造成的空气污染问题越来越严重，据环境保护部发布的《中国机动车污染防治年报（2014年度）》显示，2013年全国机动车保有量达2.32亿辆，机动车尾气排放已成为我国空气污染的重要来源，是造成雾霾、光化学污染的重要原因。研究表明，由道路交通产生的污染物已经成为城市中空气污染的主要来源，并且道路交通相关的污染空气靠近人体的呼吸带，给城市居民的健康带来严重威胁。城市道路交通空气污染已成为一个亟待解决的课题。文中通过研究把路灯和空气净化技术进行组合创新设计，探索一种能够缓解城市道路交通空气污染问题的新方案。

一、组合设计

组合设计是产品设计常用的创新方式，是将两种或两种以上原理、技术、形态、产品的一部分或全部科学合理地以一定规则叠加和结合，形成新原理、新技术、新形态、新产品等的创新方法。组合设计所参与组合的技术和产品是已经存在并经过实践检验的，所以通过组合设计产生的新产品具有较高的可靠性和实用性，另外组合设计还具有一下优点：

（1）消减产品成本。多种功能的产品组合在一起，共用某些材料、结构及生产流程，可以节约产品的生产成本；（2）缩减产品体积。组合设计可以把实现不同功能的多个产品组合到一个产品里，增加了使用的便利性和便携性，减小了产品的体积；（3）丰富产品功能。组合设计可以在产品基础功能上增加更多相关的辅助功能，使产品基本功能更加完善。（4）符合绿色设计的思想。组合设计将多个相似或者相关的功能组合在一起，达到一物多用的目的。可以节约材料，方便用户使用、储存，对于生产者和消费者来说，具有双赢的效果，符合绿色环保的理念。

在新产品设计研发中，常用的组合设计方法有以下三种：

（1）功能组合。把两种或两种以上相关的或不相关的功能组合到一个产品里，以形成一个新产品。（2）形态组合。将一种或多种基本形态单元按照美学形式法则和产品结构的要求进行叠加组合，以形成新的产品形态。（3）材料组合。将不同的材料以一定结构组合起来应用到同一产品中，组合起来的材料具有新的性能特性或感官特性，解决单一材料的不足。

一般来说，在进行新产品开发过程中会综合地使用以上一种或多种方式。解决城市道路交通污染的问题，更多的是关于功能性的，所以主要采用功能组合来进行方案创新。

为了获取具有一定创新意义的可行方案，就不能在开始的时候设定进行组合的元素，而是应该列举尽可能多的组合元素进行组合，获得大量组合方案，然后并从中筛选出合理的创新方案。在城市城市道路空气污染这个问题当中涉及到两个维度的元素——城市道路交通相关元素、空气净化相关元素。首先通过列举法列举出城市道路交通相关元素有：公路、机动车、人、路灯；其次列举出空气净化相关元素有：绿色植物、空气净化器、降雨、通风；把这两类元素填充到组合矩阵进行正交组合，得出-系列组合方案，删除无意义方案后，结果（如表1）所示。

通过对道路交通元素和空气净化元素的正交组合，得到了多种组合方案，分析这些方案的创新型和实用性结果（如表2）所示。

从（如表2中）可以看出，有三种具有创新性并且技术可以实现的组合方案——有喷水功能的公路、有空气净化功能的路灯、喷水的路灯。对于有喷水功能的公路和喷水的路灯这两个组合方案来说，降水只能沉降空氣中的颗粒物，对空气的净化功能有限，并且需要建立相应的供水管网，事倍而功半。对于有空气净化功能的路灯这个方案来说，路灯是城市道路的基础设施，分布于道路两侧，间距30-50米，采用城市电网供电，一般电压为220V，如果给路灯增加空气净化的功能，此功能使用路灯的供电线路供电，在不影响照明的基础上合理地增加空气净化的功能，将会是一个解决城市道路空气污染问题的可行方案。

二、路灯的结构

现在公路路灯通常采用杆状结构，其结构和形态大同小异，典型的路灯结构（如图1）所示。

从路灯的结构图中可以看出，路灯高约10米，灯杆根径约190毫米，梢径约80毫米，呈中空的管状结构，主要起支撑作用。中空的灯杆为安装空气净化装置提供了空间。每个路灯都有供电设施，可以为空气净化装置提供能源。所以路灯具有加装空气净化装置的结构基础。

三、空气净化技术

当前比较成熟的空气净化技术主要有以下几种：

（1）通过固体材料过滤净化空气。这是一种物理除尘净化技术，采用多孔性过滤材料，例如HEPA滤网、活性炭滤网、无纺布、滤纸等，通过吸附和过滤空气中的悬浮颗粒物以达到净化空气的目的。优点是结构简单，可以高效过滤空气中的悬浮颗粒物。缺点是净化有害气体性能差，并且需要定期更新过滤网。（2）通过静电除尘净化空气。通过静电场使空气中悬浮颗粒物带电，带电的颗粒物通过电场时会被吸附收集，达到净化空气目的。优点是可以高效去除空气中的微粒污染物，同时还可有效吸附空气中的病毒和细菌。缺点是不能直接杀死病毒、细菌，分解污染物。（3）通过钠米光触媒催化分解技术净化空气。利用钠米光触媒催化分解空气中的污染物，使之变成其他物质或与滤料上的某些成分结合而被固定达到去除目的。优点是广谱性的实用性效果，净化效率较高，可以杀死空气中的病毒、细菌，分解空气中的有害气体。缺点是这种类型净化器净化效率除与净化器本身性能有关外，与；争化条件密切相关。（4）通过负离子净化空气。负离子净化技术是一种主动型净化空气技术，通过释放负离子，使空气中的悬浮颗粒和负离子结合并沉降，从而达到空气净化的目的。优点是不仅可以吸附烟雾、灰尘使其沉降，而且还可以杀灭细菌。缺点是生成负离子的同时会产生臭氧，造成二次污染。

四、路灯和空气净化功能的组合

接下来分析在路灯上应用哪种空气净化技术比较合适。

（1）路灯是一种大量存在的公共设施，如果组合的空气净化技术需要频繁维护，显然不合适。固体材料过滤方式，需要定期更换滤网，会消耗很多的人力物力，显然不是一个好的选择。

（2）静电除尘技术可以有效地清除空气中的悬浮颗粒物，并且能够长期有效地运行，但是不能杀菌和分解有害气体，所以适合污染空气的初级净化处理。

（3）钠米光触媒技术可以催化分解污染物和有害气体，并且可以杀死细菌和病毒，能够长期有效地运行，但是适用于空气中污染物含量比较低的情况，所以适合净化经过初级净化的空气。

（4）负离子净化技术，是一种主动型的空气净化形式，能够有效地沉降空气中的悬浮颗粒物，并且可以长期有效运行，但是净化效率不高，可以作为道路空气净化的补充手段。

通过以上分析和对比，并结合每种空气净化技术的特点、道路交通的环境特点及路灯的结构，采用如下方案进行路灯灯杆内空气净化装置的设计：

（1）路灯灯杆近地位置加装风机，并使用路灯的电缆供电。（2）路灯的灯杆中加装一个二级空气净化结构。第一级采用静电除尘技术，净化空气中的大多数悬浮颗粒物；第二级采用纳米光触媒技术，进一步清除空气中的悬浮颗粒物、病菌和有害气体；（3）路灯灯杆的顶部加装一个负离子发生器，生成的负离子沉降悬浮在道路上方空气中的微颗粒物。

五、路燈的仿生形态设计

分析了路灯的结构和空气净化技术之后，通过组合设计已经给路灯赋予了新的功能——空气净化功能。在设计产品造型时，产品的形态应该表明产品的功能，具有空气净化功能的路灯的形态应该有净化的语义。在设计路灯造型时，采用了形态仿生的方法，形态的仿生是将生物的形态设计成产品的形态特征。植物是自然界生物中净化空气的主力军，所以借鉴自然界中植物的形态来设计路灯的形态。造型方案（如图2）所示。

结论

通过组合设计的方法得出了多种解决城市道路交通污染问题的新方案，对各个方案的可行性进行分析后确定了路灯和空气净化技术进行组合的方向。在分析路灯的结构和空气净化技术之后，得出路灯和空气净化技术具体组合结构和方式。并采用仿生法设计了具有空气净化功能的路灯的新形态。新的路灯设计方案为解决城市道路空气污染问题提供了一个可行参考方向。