一种电梯智能空气净化系统的探讨*

吴建平

（四川信息职业技术学院，四川 广元 628040）

日常生活中，污染物按照形态区分主要包括气态污染物和颗粒污染物两种，其中气态污染物又分为有机与无机化合物，气态污染物中的有机化合物有装修过程中产生的TVOC等，无机化合物有人体正常呼吸产生的CO2等；颗粒污染物按照物质种类区分主要包括生物粒子和非生物粒子两种，花朵的花粉、病毒、边角处滋生的真菌与细菌等均属于生物粒子，吸烟产生的烟雾、地面移动溅起的粉尘、大气飘散的雾霾、PM2.5等均属于非生物粒子。这些污染物会严重影响人们日常乘电梯时的出行环境，给人体带来不适感，严重时损害人体健康。颗粒污染物具有滞留、累积的特征，电梯在运行过程中，随着时间的增加，若处理不及时，轿厢内的颗粒污染物会给人体带来不适感，如非生物粒子PM2.5就会造成人体呼吸不畅，严重时甚至威胁到人体健康，如过敏、胸闷等；细菌、病毒、真菌等颗粒污染物中的生物粒子，由于具备颗粒污染物滞留、累积的特征，可能依附于电梯通风系统滤膜表面或者边角细缝连接处，可能成为某些疾病的传播源[1]。目前所使用的电梯通风系统缺乏对电梯轿厢内颗粒污染物的实质处理，轿厢是一个狭小且相对封闭的环境，乘坐电梯的时候经常出现人挤人的现象，人体呼吸所产生的CO2会降低轿厢内的氧气含量，造成人体呼吸不畅、缺氧胸闷等不适症状。VOC气体也是一种严重影响人们身体健康的污染源，比如苯类气体进入到人体内，可能有致癌作用。

1 电梯污染物的来源及传播

1.1 建筑及室内设施

电梯系统一般布置在建筑物之内，建筑及室内设施一般包括建筑材料、室内装修材料、家具电器、日用品等，这些设施也可能通过楼道或者通风道进入到电梯轿厢，成为污染源[2]。经济的发展提高了人们对物质生活的追求，个性化、多样性等相关装修要求成为业主的主要需求，部分装修材料在一定时间内存在多种有害物质。这些有害物质随着时间的推移，会不断释放出来，建筑物本身是一个相对半封闭的空间，这些有害物质可能由于通风不佳而滞留在建筑物内，通过人行通道、步梯、通风道等多种渠道进入电梯轿厢内，造成轿厢空气环境质量急剧下降[3]。室内装修材料经常使用人造板材制作衣柜、地板、厨具等，人造地板在一定时间内会释放甲醛，这些室内装修材料在制作过程中通过胶黏剂连接在一起，这些胶黏剂存在大量未被释放的甲醛，随着温度的变化，会在不同阶段大量释放甲醛；在装修过程中，墙面粉刷、地面贴地板等装修处理，会使用到大量的工业产品，这些产品包括了涂料、防水剂、油漆、胶黏剂等，这些工业产品大多属于化工行业提炼而成含有大量的有机污染物，这些有机污染物随环境的变化会不断挥发出污染物。室内设施中的日用生活用品、家用电器、家具的使用也会由于某种原因产生有害物质，比如人造皮质沙发在高温环境下就可能会释放甲醛等有害物质，这些有害物质可能从建筑设施的通道间接进入到电梯轿厢，进而影响轿厢内的空气质量。

1.2 人类活动

电梯轿厢是一个狭小且封闭的空间，拥挤的人群乘坐电梯时，通过呼吸道排出的CO2、水蒸气会降低轿厢内的氧气含量，可能造成人体呼吸困难。乘坐电梯时，有时不可避免乘员说话、咳嗽、打喷嚏等现象的出现，这些现象也可能通过人体呼吸道带来细菌、病毒等有害人体健康的生物粒子，颗粒物有下沉、累积的特点，若不及时排出可能在一段时间内成为传播源，造成疾病的传播。人体在乘电梯时也会出现各种各样的携带物，包括人体本身散发的异味，穿着打扮时的挥发性物质、外卖餐饮味，以及其他各种物品所带来的影响空气质量的因素。

1.3 轿厢外大气环境

轿厢外的空气环境主要受到当前环境日益恶劣的影响，比如在冬季的时候，国内部分城市都会出现雾霾现象，北方部分城市还可能受到沙尘暴的影响，PM2.5的超标也在影响着人们的生活环境，大气中的污染物主要有PM2.5、雾霾等[4]。

1.4 地下车库

电梯通常由地下车库沿上连接各个楼层，电梯中的循环空气也主要与这些空间交互。空气的流通主要通过建筑通风系统进行更替，地下车库是一个相对密闭的环境，由于汽车出行频率高，汽车所排出的尾气基本很难在短时间排出过滤，导致地下车库各种有害物质会越积越多，加上地下车库的阴暗与潮湿，有害细菌也会迅速繁殖，对电梯的空气质量是一种严重的威胁。

2 总体控制策略

该电梯空气净化系统总体控制策略要明确的是基于智能化的控制设计，由于电梯轿厢内主要的污染物分为两大类，气体污染物和颗粒污染物，同时由于狭小的空间内人员拥挤所产生的CO2也会迅速累积，严重影响人体的正常呼吸，所以需要考虑的是电梯空气净化系统对于气体污染物、颗粒污染物、CO2的处理。应该考虑通过什么方式去除污染物，针对这两种污染物及CO2选择利用滤芯层进行过滤，紫外灯进行杀菌与消毒处理，电离空气产生负离子的方式提供“空气维生素”，同时利用循环风机的作用，不断从轿厢外吸入空气，进入电梯顶部的净化箱，乘员所产生的CO2等废气在从轿厢底部侧面排出去，在这样的一个来回循环系统中让轿厢一直处于一种安全舒适的环境。

从相关资料中可以得出电梯内的污染物主要净化方式如表1所示，以PM2.5为主的非生物颗粒污染物采用HEPA高效滤芯过滤与负离子吸附的方式处理；颗粒污染物中以细菌、病毒、微生物为主的生物粒子采用HEPA高效过滤滤芯及紫外灯的共同作用进行杀菌、消毒处理；由于活性炭具备良好的吸附作用，以甲醛为主的VOC气体污染物采用活性炭过滤。不管是污染物还是CO2，经过多层过滤层，在循环风机的作用下，轿厢内的空气一直保持来回循环，可以降低CO2浓度，负离子提供饱含富氧的空气环境，整个轿厢就能够一直保持清新自然的空气质量。

表1 污染物主要净化措施

污染物及CO2浓度大小的数据监测依靠三个传感器感应进行数据检测。颗粒污染物采用PM2.5传感器进行浓度检测，可有效检测PM2.5、细菌、病毒、微生物等粒子在空气中的浓度大小；气体采用VOC气体传感器及CO2传感器进行浓度检测，可有效检测TVOC、CO2等气体在空气中的浓度[5]。传感器模块检测到两种类型污染物及CO2后，将检测数据传输到控制器进行处理，确定的控制器空气质量等级判断值如表2所示。

表2 控制器空气质量等级判断值

从表2中我们可以得出如下结论：

1）满足PM2.5≤35 μg/m3、TVOC≤0.3 mg/m3、CO2＜1 000 ppm时，控制器判定当前空气质量为优。

2）满足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时，控制器判定当前空气质量为良。

3）满足PM2.5＞75 μg/m3或TVOC＞0.6 mg/m3或CO2≥1 000 ppm时，控制器判定当前空气质量为差；控制器接收到传感器的信号后，根据表中的空气质量等级关闭负离子发生器并控制循环风机的风速进行空气处理。具体控制净化装置执行状态如表3所示。

表3 净化装置执行状态

根据表1、表2、表3的空气污染物净化方式、空气质量等级的判断、净化装置的执行状态，可参考图1进行整个系统的逻辑控制[6]。

图1 系统控制逻辑图

空气净化系统开启后，传感器模块进行污染物及CO2的检测，数据经过控制器的判断后，按照三种模式的空气质量等级，执行净化装置及循环风机速度的控制。在轿厢内，有一部分污染物可能由乘员携带或者电梯开闭带入轿厢，双通道传感器可实现轿厢内与轿厢顶部进风口的空气质量的实时循环检测。

3 系统整机布置

该电梯空气净化系统的整机布置如图2所示。系统主要由空气净化箱、控制器及其外围电路、各种传感器、空气滤芯层、负离子发生器、循环风机系统、外部控制开关等部件构成[7-8]。

图2 整机布置

1）空气净化箱。该空气净化箱由两层腔体组成，上腔体及下腔体，在空气净化箱中部安装有空气滤芯层。空气净化箱2布置在轿厢顶部进风口处，从顶部进风口进入轿厢的空气，要经过空气净化箱的处理后，在循环风机的作用下进入轿厢内，确保顶部进入的空气符合系统标准。

2）传感器模块。传感器模块布置在空气净化箱上腔体内，也可布置在其他位置，如轿厢中部，可探讨与控制器集成化设计的方案，感应触头需布置在空气净化箱的上腔体内及轿厢内，该模块由PM2.5传感器、CO2传感器、VOC传感器共三个传感器组成，三个传感器均采用双通道结构形式，可以同时判断与监测轿厢顶部进风口与轿厢内的空气质量。

3）滤芯。滤芯层由多层过滤层构成，包括普通滤层、活性炭滤层、HEPA高效滤层共三层组成，每一层滤芯都有自己独特的作用。普通滤层主要用于空气的初步处理，如枝叶、生活废料等大杂质；活性炭滤层利用了活性炭具备良好的吸附污染物的特点，主要用于吸附甲醛、TVOC等污染物；HEPA滤层主要用于过滤以PM2.5为主的非生物粒子和以细菌、病毒为主的生物粒子，如雾霾、烟尘、病毒、细菌、粉尘等。

4）净化装置。净化装置主要布置在空气净化箱的下腔体内，由负离子发生器、紫外线灯管、滤芯层组成。负离子发生器通过电离产生负离子，可以起到除尘、杀菌的作用，同时有益于人们的身体健康，具有提高人体免疫力、调节新陈代谢等功能，负离子也具备一定的医疗保健作用，有“空气维生素”的称号，如改善心功能、延缓衰老等[9-10]。紫外灯管主要用于消毒杀菌处理。

5）控制器。控制器布置在轿厢中部，操作方便，在适当调节下可加入保护程序，防止乘员不小心触碰导致控制操作发生变化，影响空气质量的处理流程。该控制器根据上文的控制流程图可知，可显示当前的空气质量等级状态。

6）循环风机。循环风机安装在空气净化箱底部及轿厢两侧壁位置，采用主动吸风、排风方式快速进行轿厢内空气的流动，由高速、低速两种模式组成。循环风机根据控制器判断的空气质量等级，开启低速或者高速状态。

4 小结

随着城市化的不断发展，大量高楼被竖立起来，几乎所有的高楼都安装了电梯，当前汽车的大量使用，造成的环境污染日益严重，每天所乘坐的电梯空气质量环境也在不断下降。上述电梯空气净化系统，可以有效处理电梯轿厢中的颗粒污染物与气体污染物，并起到通风换气的作用，为人们的日常出行提供一个安全舒适的环境。