張莉 黃永佳

關鍵詞：模塊化設計 空調 結構 需求 消毒殺菌

引言

隨著信息化時代的到來，工作條件與生活需求的轉變使得人們在室內環(huán)境停留的時間愈發(fā)長久，空氣作為人類生存必不可少的媒介物質，室內空氣質量的好壞與人類健康密不可分。美國環(huán)保局等機構在歐美國家的調查結果顯示，空調系統(tǒng)的運行對室內空氣污染的貢獻高達42%～53%，主要是由于空調系統(tǒng)的長期運行、管理不當?shù)仍蛟斐傻?，空調系統(tǒng)造成的污染物主要是懸浮顆粒物和微生物[1]。在經(jīng)歷了疫情的洗禮之后，室內與公共健康問題對人們的工作、學習、生活帶來了很大的影響。然而大多數(shù)空調不具備清潔功能，目前市場上的空調或者空氣凈化設備，只有少部分具有自清潔或者方便清潔的功能。一旦久置或室內環(huán)境潮濕等原因難免會滋生細菌，開啟空調時細菌與微生物一同隨空調風吹出，對人的身心健康會造成損害。目前多數(shù)掛機空調無法自行清潔，需要尋求專業(yè)人士拆機清洗，過程繁瑣耗時。由于傳統(tǒng)空調內部結構盲點太多，無法完全解決空調內部細菌殘留問題。基于這樣的大環(huán)境，設計者應當聚焦后疫情時代的人群防疫需求來進行相關產(chǎn)品的研發(fā)升級，尋求更加智能、全面、人性化的防疫產(chǎn)品[2]。因此，開展模塊化消毒殺菌空調設計對室內環(huán)境以及人們的日常生活健康有著十分重要和積極的作用。

一、模塊化相關理論研究

（一）模塊化概念：在許多具有復雜系統(tǒng)的領域中，模塊化都被證明是一個有用的概念。模塊化設計的概念則是在1997年哈佛大學的鮑德溫和克拉克《設計規(guī)則—模塊化的力量》一書中提出的，其中對模塊化核心概念包含兩個觀點。

第一個觀點是不同的模塊內部的相互依賴關系和模塊之間的獨立性。換句話說，模塊就是大系統(tǒng)的單元，這些單元雖然結構上相互獨立，但是又共同發(fā)揮作用。因此，系統(tǒng)作為一個整體必須提供一個框架或者一個架構，從而保證結構的獨立性同時保證功能的一體化。模塊與模塊之間的關系即是獨立又是整體，模塊是一個單元，自身可看作一個整體，而與其他模塊產(chǎn)生聯(lián)系的時候也可看作一個整體，不同等級的關聯(lián)度也能產(chǎn)生不同的模塊主次層級，從而構成整個復雜的系統(tǒng)。

第二個觀點是復雜的系統(tǒng)可以通過將系統(tǒng)分割成小塊，然后分別處理來實現(xiàn)。當問題的復雜性超過一定程度，可以將這種復雜性分離抽象出來，從而將其中的要素簡化[3]。對人們來說，解決復雜問題或者管理復雜系統(tǒng)比較高效的方法就是將系統(tǒng)或者問題分解。在分解的過程中，找到解決問題的突破口。

（二）模塊化設計定義：模塊化設計是對一定范圍內相同功能或不同功能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析，并以此為基礎劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的組合和選擇來構成不同產(chǎn)品，以滿足市場不同需求的一種設計方法。

模塊化設計通過對產(chǎn)品結構分解，將產(chǎn)品轉化為可快速組合設計的產(chǎn)品模塊平臺。通過不同模塊的選擇、不同的組合方式，可以實現(xiàn)最終產(chǎn)品功能、外觀造型的多樣性選擇。在產(chǎn)品的最終生成過程中增加了消費者的選擇空間，實現(xiàn)不同消費群體對于產(chǎn)品不同功能和審美的需求，在已有產(chǎn)品基礎上盡最大空間和限度進行滿足。由此可見“模塊化”產(chǎn)品設計的思路則是由“個體→拆分→組合”的這樣—種模式[4]。

（三）模塊化設計方法：產(chǎn)品在研發(fā)階段有很多需要考慮的方面，從不同的角度出發(fā)會選擇不同的模塊化設計方法。為了讓產(chǎn)品在功能、實用性、成本等方面有更好的表現(xiàn)，選擇利用模塊化方法對產(chǎn)品進行合理劃分，從而滿足用戶需求，同時解決在設計中存在的困難以及問題。

1.按結構劃分：按結構模塊劃分是將整個產(chǎn)品結構拆分成多個主要元件的模塊結構，側重于產(chǎn)品零件的劃分，得到很多不同結構的模塊，并且如果還可以進一步進行模塊劃分，則繼續(xù)拆分模塊，得到更小的元件，直到該模塊變成最基本的幾何結構不能再進行劃分[5]。結構劃分是利用模塊化設計獨有的分解特點，當產(chǎn)品過于復雜或者在開發(fā)產(chǎn)品的過程中出現(xiàn)了無法解決的問題時，利用結構分解可以簡化問題難度，在分解的過程中解決問題。

2.按功能劃分：產(chǎn)品按功能進行模塊劃分是將相同產(chǎn)品的不同功能進行模塊化，獨立功能或多個功能分別組成一個模塊，每個模塊相互獨立。在產(chǎn)品的后續(xù)研究開發(fā)過程中，根據(jù)需求決定如何組合模塊，從而獲得全新的產(chǎn)品。

通過將產(chǎn)品分為功能模塊劃分，可以將一種產(chǎn)品分為基本功能，輔助功能，特殊功能和自適應功能四種類型，對應不同功能可以定義各個模塊，客戶可以通過模塊服務請求新增產(chǎn)品功能，如果其是具有新功能的模塊，則將其定義為非模塊[5]。

（四）模塊化與綠色設計

1.滿足綠色產(chǎn)品的快速開發(fā)要求：綠色設計主要考慮在產(chǎn)品全生命周期過程中，產(chǎn)品對環(huán)境所來帶的影響。模塊化設計簡化了產(chǎn)品結構，產(chǎn)品結構易于裝配、拆卸和維護。由于模塊的可拆卸、可回收、可重組等方面，在符合綠色設計的同時，最大限度降低產(chǎn)品開發(fā)過程中對自然的影響。

2.便于拆卸回收和維護更換：模塊化設計可將產(chǎn)品中對環(huán)境或對人體有害的部分、使用壽命相近的部分等集成在同一模塊，便于拆卸回收和維護更換等。同時，由于產(chǎn)品由相對獨立的模塊組成，便于維修，必要時可更換模塊，而不致影響生產(chǎn)。模塊化產(chǎn)品互換性強，便于拆裝、維修和搬運。通用模塊易于從整機中拆卸和組裝，維修可以以模塊為單位進行，從而大大改善了維修條件，簡化了維修工作，加快了維修速度，提高了維修質量[6]。

3.減少零部件數(shù)量，簡化產(chǎn)品結構：按照傳統(tǒng)的觀點，整機由部件組成，部件由組件構成，組件由零件構成，因而要生產(chǎn)一種產(chǎn)品，就得制造大量的專用零件[6]。按模塊化的觀點，模塊是構成產(chǎn)品的單元，簡化了產(chǎn)品結構并減少了零件的數(shù)量。產(chǎn)品結構的簡化，可以快速組合成符合客戶和市場需求的產(chǎn)品，增加生產(chǎn)效率。

二、空調消毒殺菌技術分析

（一）空調消毒殺菌技術現(xiàn)狀：由于使用需求，近幾年推出了帶有消毒殺菌功能的空調，因此其技術類型也更加多樣化。

1.高溫消毒：美的空調在其2020年開發(fā)者大會上，公布了其巴氏高溫殺菌技術。由于新冠病毒對熱敏感，所以采取56攝氏度30分鐘可有效滅活病菌。美的巴氏高溫殺菌技術突破空調器制熱溫度限制，將室內換熱器溫度控制在56℃及以上高溫持續(xù)運行30分鐘以上，可幫助滅活新冠病毒[7]。

2.自清潔技術：目前這項技術國內空調廠家走在了世界前列，包括海爾在內的很多廠家其最新發(fā)布的空調都有自清潔技術。技術原理則是，通過冷膨脹技術，能讓換熱器上的冷凝水結冰結霜，隨后快速制熱暖化成水，利用熱脹冷縮，進而強力剝離換熱器上的污垢。此外，通過將冷凝水的水量增加，能夠保證足夠的水量來沖刷翅片，除了物理方法，一些廠家通過對換熱器的翅片涂層做改良，使其變的親水抗菌，實現(xiàn)了從化學方法上來使空調實現(xiàn)自清潔。

3.UVC除菌：是指特定波段的紫外線光，一般波長的紫外線光是100到400納米的不可見光，而波長范圍為100到280納米的被稱為UV-C深紫外線光。這種光不會照射在地球上，在到達地表之前會被臭氧吸收，所以日曬也不包含具有殺菌效果的UVC，日曬下的殺菌作用多數(shù)由于干燥和高溫，所以需要利用LED或燈管來人工產(chǎn)光，UV-C具有殺菌、有機分解、光聚合和傳感等功能，光照時間越長，累積的光量越多，殺菌效果越好。

4.EMPC多維相控技術：這是一種由多個關聯(lián)或不關聯(lián)的信號輸入，系統(tǒng)根據(jù)輸入，建立數(shù)學模型，利用AI技術自適應確定輸出關系，使輸出值不斷趨向于理想值的一種智能控制技術?？諝猸h(huán)境多維相控技術，根據(jù)空氣中溫度、濕度、含氧量、顆粒物、微生物、有害氣體以及異味等多個影響空氣質量的維度，建立實時的數(shù)學模型，對能夠影響這些維度的設備或功能模塊進行控制，使其不斷趨向于理想值。

由于空氣中溫度、濕度、含氧量、顆粒物、微生物、有害氣體以及異味之間沒有必然聯(lián)系，是一個開環(huán)系統(tǒng)，無法按固定的數(shù)學模型來運行，空氣多維相控技術率先采用AI自適應控制技術，實時地根據(jù)當前空氣環(huán)境數(shù)據(jù)，建立實時動態(tài)的數(shù)學模型，AI控制中心根據(jù)計算結果，按模型對相應的設備模塊運行狀態(tài)進行控制，實現(xiàn)多個維度指標的綜合控制。

5.負離子殺菌：負氧離子本身攜帶多余電子，其殺滅細菌、病毒的原理使破壞細菌病毒等微生物的分子蛋白結構，使其產(chǎn)生結構性改變或能量轉移，從而使細菌、病毒等微生物降低活性死亡，最終沉降于地面。海爾洗空氣空調借鑒了航空航天、高能物理領域原理。例如離心瀑布洗，可以產(chǎn)生萬級天然負離子，精準控濕在52%左右，高效去除7大類空氣污染物。

目前空調的消毒殺菌技術已經(jīng)逐漸成熟，最新發(fā)布的空調已經(jīng)有了一定的消毒殺菌和清潔效果。但其殺菌清潔效率也會隨著使用時間的增加而降低，自清潔也無法全方位清潔空調內部，模塊化空調提供了一個很好的清潔殺菌方法，未來空調發(fā)展方向也注定會由繁入簡，方便居家自主清潔使用。

（二）消毒殺菌模塊分析

1.金屬離子的溶出往往是納米材料發(fā)揮抗菌效果的重要機理之一，而對于納米材料的抗菌機理，許多學者提出銀離子的釋放是其發(fā)揮抗菌作用的關鍵。大量實驗證明，銀離子對細菌、病毒以及真菌有著良好的消殺以及抑制能力。水中只需要少量銀離子就能殺死大部分細菌，銀離子受溫度影響較大，隨著溫度的升高，殺菌所需的時間會縮短。

消毒殺菌模塊的第一部分利用核心為銀離子的過濾器，來對空調內的各模塊進行消毒殺菌，并且配合相應的清洗結構，使微量銀離子融入水中，在清洗的過程中對空調內的主要結構和相應零件進行消毒殺菌。

2.消毒殺菌模塊的第二部分為等離子發(fā)生器，此模塊用于對室內空氣消毒殺菌，等離子體消毒殺菌可以達到除塵、消除異味、改善空氣的品質，以促進人體健康的保健作用。

等離子體主要由帶電粒子控制，并受到電磁場共同作用，形成的等離子體溫度≤50℃ ，即低溫等離子體。電子和電子之間的相互撞擊讓周圍空氣很快達到熱力學平衡，使電離的氣體溫度仍然保持在正常生物可以生存的環(huán)境溫度，因此低溫等離子體可適用于生物消毒。在其電離過程中可產(chǎn)生大量微小活性物質，盡管這些活性物質很快就會消失，但在短時間內依然能夠對生物體結構及活性造成破壞。已有研究表明，低溫等離子體可快速殺死細菌和病毒[8]。

三、空調設計實踐

（一）實例分析：對1.5匹格力定頻空調進行了拆卸整理，根據(jù)現(xiàn)有空調結構作為基礎進行模塊化設計。

1.外殼分析。拆卸空調分出外殼、空調中框和過濾網(wǎng)等。作為空調的外型，主要要求是外形美觀和確定空調尺寸。拆卸過程中發(fā)現(xiàn)外殼多是利用螺絲固定，較為繁瑣。

2.通風系統(tǒng)分析?？照{的通風系統(tǒng)為空調提供足夠的風力，也是空調系統(tǒng)中難以清理的部分，其中包括底盤、導風結構、貫流風扇等?？照{風經(jīng)過蒸發(fā)器降溫或者加溫后，進入貫流風扇吹出，由于內部結構和設計問題，長期使用風扇和底盤較易積累灰塵?？照{如果想清洗通風系統(tǒng)必先拆下蒸發(fā)器，過程復雜且線路繁多?？照{通風系統(tǒng)如圖1所示。

3.制冷和電控系統(tǒng)分析。制冷系統(tǒng)和電控系統(tǒng)是空調制冷核心，其中包括蒸發(fā)器、電機、線路盒等。制冷系統(tǒng)與電控系統(tǒng)緊密相連，電控系統(tǒng)則連接所有電機。傳統(tǒng)空調的線路部分焊死在蒸發(fā)器上，導致制冷系統(tǒng)與電控系統(tǒng)實為一體。空調步進電機主要功能是控制上下導葉板，對風向進行控制。風扇電機主要控制貫流風扇的轉速，由于技術發(fā)展如今主流電機有定頻和變頻兩種電機，傳統(tǒng)空調多使用定頻電機，且定頻電機價格較低。變頻電機的優(yōu)勢在于可以更精準地調節(jié)電機轉速，達到精準控溫的能力。蒸發(fā)器與線路盒如圖2所示。

4.空調問題總結。（1）消毒殺菌問題：長期在室內空氣質量會下降，并且伴隨細菌滋生。在如今全球的大環(huán)境之下，用戶出入室內也難免帶入有害菌甚至病毒。（2）空調清潔問題：長期使用導致積灰和滋生細菌，從而導致霉風或者空調異味?？照{異味在南方尤為嚴重，長期潮濕的環(huán)境導致空調內機發(fā)霉，并且難以清潔。（3）拆機問題：由于傳統(tǒng)空調的結構和設計問題，其拆卸一直都是難點，即使是專業(yè)人士也需要一定時間，且空調內部結構復雜，拆卸不當也會造成其他問題。

5.解決方式。（1）消毒殺菌模塊：內置消毒殺菌模塊，利用等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的正負離子可以對室內的空氣進行消毒殺菌，保證空調風從內至外完全消殺。（2）創(chuàng)新清洗方式：利用銀離子消毒濾芯結合類花灑式清洗結構，兩側噴水縱向清洗空調內機，無死角清洗空調，減少空調內機清洗難度。（3）模塊化拆卸：利用模塊化設計，將空調內部系統(tǒng)分割成各個模塊及相關子模塊。對產(chǎn)品而言，方便生產(chǎn)配送，減少產(chǎn)品生產(chǎn)周期的同時增加裝機效率。對用戶而言，針對不同的需求可自行拆卸，減少拆卸安裝難度，降低維修成本，增加使用壽命。

（二）結構及原理說明

1.消毒殺菌模塊設計。（1）銀離子消殺清洗模塊：消毒殺菌模塊分為兩部分置于通風系統(tǒng)之內，第一部分為銀離子過濾芯模塊。此模塊為方便拆卸使用利用卡扣式設計，只需按壓卡扣向下用力即可拆卸。銀離子濾芯模塊放置在空調較為中樞的位置，需要清潔時，按模塊進行拆卸操作。此模塊為方便清洗空調內部設計有噴淋孔，只需將消毒殺菌模塊連接水管即可向兩側噴淋，無論平行放置還是豎立放置，其水流均可經(jīng)過整個空調，從而減少了清洗難度，方便清潔的同時通過賦予水微量銀離子以清潔空調內部。如圖3所示。（2）等離子體消殺模塊：第二部分為等離子體消毒殺菌模塊，位于通風系統(tǒng)內，為更大范圍接觸空氣增加消毒殺菌范圍，正負離子頭嵌入主要通風路徑，從而擴大正負離子釋放量和流經(jīng)范圍。開啟空調時按遙控器選擇對應功能，便可以使其隨貫流風扇的帶動將正負離子擴散到整個空調機內外，以達到室內空氣清新健康。如圖4所示。

2.模塊化空調可拆卸設計。（1）空調外殼拆卸：空調外殼的主要作用是美觀，其中包括殼頂、導風葉、中框等。拆卸使用卡扣式設計，減少螺絲方便拆卸安裝。為防止拆卸刮蹭墻面，減少空調上下方向拆卸。因其可更換性，用戶可根據(jù)使用需求自行拆卸組裝，如出現(xiàn)外殼損壞可自行拆卸更換?？照{外殼拆卸如圖5所示。（2）空調可拆卸模塊：將空調的通風系統(tǒng)模塊化，其中所包含的均為可拆卸模塊。與傳統(tǒng)空調不同，傳統(tǒng)空調的內機底盤多是不可拆卸，并且蒸發(fā)器整個包裹通風結構，且線路復雜，從而導致較難拆卸。模塊化空調在傳統(tǒng)空調的基礎上將內機底盤模塊化，其中包含的子模塊有貫流風扇、導風結構等。拆卸通風模塊只需側面拆卸少量螺絲，其余均使用卡扣式設計，將整個模塊從空調下方取出即可進行清洗。為保證貫流風扇的穩(wěn)定性，其使用螺絲固定，可根據(jù)空調內情況自行拆卸清洗。通風系統(tǒng)拆卸及模塊化如圖6所示。

（3）固定模塊：固定模塊均分布在制冷系統(tǒng)與電控系統(tǒng)之中，其中包括蒸發(fā)器、電機、線路盒等。由于制冷系統(tǒng)的特殊與復雜，為保持空調的穩(wěn)定性與減少操作難度，在非必要的情況下不考慮拆卸蒸發(fā)器清洗。而電控系統(tǒng)多為固定模塊，線路盒和電機均不需要清洗，除維修外也無需拆卸。只需將蒸發(fā)器外的各種模塊化濾網(wǎng)拆下清洗即可，如遇蒸發(fā)器發(fā)霉則可將蒸發(fā)器與線路盒接線斷開，拆下螺絲即可取下蒸發(fā)器進行清洗。

總結與展望

（一）總結：通過對空調內部結構設計，解決人們在日常生活中使用空調存在的種種問題與痛點，其中包括空調內機清潔以及室內細菌滋生問題。從長期角度考慮，改善室內環(huán)境以及人們的健康狀態(tài)。通過模塊化設計，可以實現(xiàn)快速拆卸清潔空調，防止空調內細菌滋生，以及長期使用其內部難以清理的問題。

由于疫情的影響，迫使很多人放慢了生活節(jié)奏，也開始重視消毒殺菌，說明了人們對健康的重視度在逐漸恢復。干凈清潔的室內空氣環(huán)境不僅可以放松心情，還利于保持健康。相反空調長期處于一個較差的工作環(huán)境，其中滋生的細菌和累積的灰塵在使用的過程中對人的負面影響也在逐漸增強。在如今的環(huán)境之下，模塊化消毒殺菌空調符合當前的社會需求和積極健康的社會意義。

（二）展望

1.推廣家用產(chǎn)品模塊化：模塊化消毒殺菌空調的出現(xiàn)既可以將消毒殺菌產(chǎn)品進行有效推廣，也可以拓展模塊化設計在空調上的應用。在滿足消費者基本需求的前提下，讓市場涌現(xiàn)更多類似的模塊化產(chǎn)品。

2.促進消毒殺菌空調的發(fā)展：可以令新型消毒殺菌技術逐漸普及，讓更多的人以較低的價格購買到消毒殺菌空調。市場上現(xiàn)有的消毒殺菌空調并不多，家用模塊化空調則更加稀缺，所以其擁有相當大的潛在市場以及商業(yè)價值，設計此款空調不僅可以解決如今市面上空調存在的問題還可以給予消費者更多的選擇空間。

3.未來空調趨勢：后疫情時代對各方面產(chǎn)生的影響是深遠的，各國也都加強了對公共衛(wèi)生和相關技術領域的關注與投入，消殺產(chǎn)品的崛起也是大勢所趨?？照{作為家用與公共場所必備的產(chǎn)品，空調未來的發(fā)展側重也會偏向健康、安全、清潔等方面。

如今我國在空調技術層面已經(jīng)走在世界前列，尤其是掛機空調，但是目前新型空調在我國市場占有率較低。為了滿足未來我國空調市場需求，繼續(xù)研究模塊化消毒殺菌空調有著相當?shù)谋匾院颓罢靶浴?/p>