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「可持续设计理念」课程系列08丨住:你选的空气净化器,空净化了吗?

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/课程综述/

可持续设计理念

Sustainability consciousness


我们的星球是一个巨大的生态系统,由无数相互关联互动的子系统构成,可持续性既在于宏观星球尺度,也在于无数细小短暂的微观层面。


设计属于人类的基本活动,而每一件设计都将对可持续性产生积极或消极的影响。如果设计师能理解人类活动是如何影响环境的,设计就能使人类的命运重获生机。在年轻的设计专业学生中根植可持续意识,是迈向真正的可持续发展的重要一步。


在这样的背景下,同济大学设计创意学院多年前便开设了 “可持续设计理念”(Sustainability consciousness)课程,希望培养具有“可持续理念”的设计师。课程的核心是引导同学们理解人类系统与自然系统之间的互动关联,洞察生活中可持续性的议题:在衣、食、住、行、文、弃等诸多生活场景中,研究人类行为对生态环境的影响;探讨现有的设计实践、潜在的设计策略,可以/可能在哪些环节、怎样的层面上、如何影响到人类系统的衣、食、住、行、文、弃,进而影响到自然系统的大气、水体、土地环境、生物圈等等,领悟设计所能产生的影响。


近年来我院朱小村、姚雪艳、曹静、刘洋、莫娇、童毓舟等多位老师,与校内外专家共同开展了这项课程的教学和指导工作。课程结题作业要求学生们3-6人一组,从日常生活出发挖掘可持续议题,探究“熟视无睹、习以为常、理所当然”的现象背后的深远影响,并通过设计专业技能,将这些分析和思考呈现传达出来,鼓励同学们在探究的基础上提出新颖、创新的想法和概念。


我们选取了自2017年至2021年五年间的共约20个有代表性的学生作业,按照衣、食、住、行、文、弃几个方面的顺序依次向读者呈现,希望与社会各界人士共同交流和探讨“可持续”相关议题的同时,激发和引导公众在日常生活中增强可持续发展意识,践行可持续发展理念。


系列01丨衣:消失的裁衣店

系列02丨衣:你毕业了,你的校服呢?

系列03丨衣:轻轻一喷付出多少代价?

系列04丨食 · “环保餐盒”真的环保吗?

系列05丨食:自动贩卖机如何影响大学生饮食习惯?(1)

系列06丨食:自动贩卖机如何影响大学生饮食习惯?(2)

系列07丨食:碳故事游戏——逃跑的食物



「可持续设计理念」课程系列 08


雾霾自从2011年进入我们的视线以来,早已从大家毫不知情的一个环境问题,成为了家家户户日常会讨论的社会生活问题。如今,为了“解决”与每个人都切身相关的空气问题,许多人选择了购买空气净化器来净化室内空气,而这样的思路也同样依靠着市场推广,普及到众多城市家庭之中。但空气净化器真的是应对空气污染问题的良策吗?还是只是饮鸩止渴?

「可持续设计理念」课程系列08丨住:你选的空气净化器,空净化了吗? 崇真艺客

本期主题:住 · 你选的空气净化器,空净化了吗?

作者:

同济大学设计创意学院本科三年级 陈雨婷(媒体传达设计方向)、吴优(工业设计方向)、王敏萱(工业设计方向)

内容编辑:江垚

研究焦点:住

关键词:空气净化器、火力发电、能耗、回收、生命周期评估

「可持续设计理念」课程系列08丨住:你选的空气净化器,空净化了吗? 崇真艺客

01/选题背景

雾霾,是雾和霾的组合词。高密度人口的经济及社会活动必然会排放大量细颗粒物(PM2.5),一旦排放超过大气循环能力和承载度,细颗粒物浓度将持续积聚,此时如果受静稳天气等影响,极易出现大范围的雾霾。随着雾霾的大规模加剧,空气净化器的市场需求量与日俱增。


空气净化器净化的是室内的空气。我们通过用入侵率(Infiltration,室内浓度比室外浓度)定义到底有多少室外的颗粒物污染能进到室内。Environment Science Technology曾做实验测得我国平均的入侵率在0.55左右,也就是说我们呆在室内,一半雾霾都挡不住。尤其国内建筑物里的通风以自然通风为主,机械通风很少会加过滤器,所以在我国室内空气与雾霾密切相关。


假设全上海都使用空气净化器,以空气净化器的适用面积依据《空气净化器》(GB/T 18801)新国际征求意见稿测算:适用面积=(0.07-0.12)*CADR(房间高度为 2.4 米)。CADR(Clean air delivery rate)洁净空气量,为表征空气净化器净化能力的参数。CADR值越大,表示净化器的净化效果越好,但也意味着能耗越大。市面上的空气净化器CADR值一般在200-430m3/h之间,适用面积14-51.6m2。若全上海的总居住房屋面积87351.17万m2 都使用空气净化器来净化室内,我们将要需要约2361-4160 万台普通空气净化器,人手1-1.7台,能耗不堪设想。


人们为了净化室内空气而大量使用空气净化器,殊不知,却忽视了其生产原料,生产过程,使用过程,废弃过程对环境产生的影响。尤其是使用过程中的耗能,对大气产生的污染远远大于其净化的部分,这真的解决问题吗?

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图1 空气净化器实际上产生污染和能耗(作者自绘)


02/研究部分

从目前市场上的空气净化器类型来说,主流为机械过滤式空气净化器,也就是用高风量的风机鼓动空气通过滤网,可以拦截其中的部分颗粒物和微生物,具有多重滤网,分别是前置滤网、 HEPA过滤层(Highefficiency particulate air filter 高效空气过滤网)以及活性炭过滤层。然后再将过滤后的空气排出,达到净化空气的效果。从目前市场来看,使用HEPA滤网的机械过滤式净化器是最主流、产品最成熟的一种。所以我们聚焦在机械过滤式空气净化器上进行讨论。


1. 空气净化器生产过程中的能源消耗

当我们从生命周期的源头开始研究发现,过滤式空气净化器主要由马达、风扇、空气过滤网、智能监测系统组成。机器内的马达和风扇使室内空气循环流动,污染的空气通过机内的滤网后将各种污染物清除或吸附,从而达到净化空气的目的。以小米2代空气净化器为例,总重4.9kg的机身是系列产品中最轻,结构最简单的一款。


据其官网数据,我们得知小米空气净化器2滤网中活性炭约为100g(非常少),HEPA滤网约为400g,外壳主要由ABS塑料制成,约为4kg(新华网),这三种组成分别为椰壳活性炭,PP聚丙烯塑料,ABS塑料。这些同时也是现在主流被动式净化器的主要材料。


按照EuropePlastic和Sciencedirecti提供的数据计算可以得出,在整个生产过程中,一台小米空气净化器产生能耗最大的是其塑料外壳和塑料件,对水消耗最大的是椰壳活性炭,对空气影响最大的是ABS塑料件,其次是椰壳活性炭。由于ABS塑料占比较大,它产生的能耗也大,椰壳活性炭虽然占比小,但是能耗巨大。

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图2 小米空气净化器拆解图/一台空气净化器能耗排放图 (作者自绘,数据来源:EuropePlastic& Science Direct)(作者整理)


2. 空气净化器生产过程中产生的污染

在生产过程中,每生产1吨的ABS、HEPA、椰壳活性炭分别产生3805kg、2733kg、6460kg的温室气体(Franklin Associates),加剧全球变暖的同时,排出大量酸性气体和硫酸盐硝酸盐废水,加剧酸雨和土壤酸化。


三者生产过程中均产生不溶性的悬浮颗粒物,对水体,进一步对人体造成不可逆的负面影响。尤其是活性炭,作为空气净化器中需要120天就需要更换一次的耗材,在生产过程中对水体排放出重金属Zn离子,易通过食物链富集而逐级放大, 鱼类处于水体食物链的高层, 会蓄积更多的Zn离子。关于Zn2+对水生动物致毒的研究报道较多, 如李丽娜等报道了Zn离子对泥螺(Bullactaexarata) 的毒性实验, 结果表明Zn2+对泥螺的24h半致死量为0.133g/L,而江西大茅山活性炭厂废水中Zn离子浓度约为200~600mg/L,足以半致死。

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图3 生产产生的污染影响 (作者自绘)


3. 空气净化器使用过程中的隐形污染

不止消耗能源,空气净化器在使用过程中本身就是一个隐形的污染制造源。以“GIGA循绿”曾经的研究为例(详见:上海空气4: 空气过滤器是净化还是污染,“GIGA循绿”博客:http://blog.gigabase.org/zh/contents/71):每台消耗215瓦电的IQair空气净化器在流速为440m3/h的情况下,如果采用2006年中国环境出版社发表的一篇报告中的数据,即在生产1瓦电所消耗的煤炭会产生16克颗粒物用以计算;结合考虑我国目前以火电为主要供电来源、其中燃煤发电更是占了九成的背景,这一小时的耗电很大一部分将来自煤电。那么,每台空气净化器将产生3440克颗粒物 (相当于20个苹果的重量)。


如果说空气中的PM10颗粒物为140 ug/m3,那么空气净化器每小时只能够净化62克颗粒物,用不了多久,空气过滤器产生的污染就会比净化的空气要来得多。PM 2.5的推算与此类同。可见净化器使用越多,由机器运行所需能耗而间接产生的污染颗粒物就越多,因此就更加需要进一步净化空气——无止境的恶性循环。


4. 空气净化器废弃过程的环境影响

空气净化器在回收过程中属于整体性强,需拆解后再利用或处理的废弃物,应先进行无害化处理后再资源化利用,并与其他生活垃圾分开储存和分类收运。在国内,消费者在丢弃时大都整体丢弃或作为废品出售,而社区街道保洁一般不会设置专门存放场所,环卫车只能装运经过压缩处理的垃圾,未经拆解很难处理。


而如果空气净化器作为生活垃圾,被直接不合理拆分、粉碎或焚烧处理,净化器中污染物、病菌或少量金属物质元件粉碎填埋将会导致土壤生态毒性增加。若焚烧则会产生大量的污染烟尘和毒性物质,毒性物质的处理同样需要耗费大量的资源。单从滤网说起,无论是活性炭滤网还是HEPA滤网都包含了高密度海绵和化学纤维、玻璃纤维等物质,若粉碎后填埋处理会增加土壤的降解负担,加重微塑料颗粒沉积。而焚烧则会产生烟雾、灰尘和苯的化合物等有毒气体,吸入则会增加患癌风险。

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图4 污染循环示意图 (来源:作者自绘)

对于消费者而言,即使不直接整机丢弃,可以对空气净化器进行的操作也实则有限。而由于正规回收成本高,所以很多废旧家电流入了小作坊,这也是废旧家电回收利用率低的原因。

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图5 废弃家电回收现状(作者自绘数据来源:废弃电器电子产品理论报废量测算模型和行业调研)

小作坊操作往往会采用粉碎出售或者直接焚烧等非正规手段,从而极易导致废旧电器中的有毒物质挥发或者进入水体和土壤。同时,非正规的电路板处理过程中往往会使用强酸,产生的废液如果不经过处理直接排放也会对环境造成严重污染。


从回收利用环节来说,空气净化器作为家用电器的一员,对于消费者来说合理废弃难度较大,正规回收渠道也因为回收源头较为分散而不断努力克服瓶颈。而从设计细节来说,滤网这一个主要部件,例如大部分的活性炭滤网,最初生产时就将活性炭颗粒物或纤维与其他材料紧密编织在一起,导致回收利用难度大。


因而可以看出,无论是被直接丢弃,还是不合理的回收,空气净化器现有的生命周期末端状况都十分堪忧。


5. 总结

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图6 生产、使用、废弃对于空气、水体和土壤的影响关系链(作者自绘)

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图7 生产、使用、废弃对于空气、水体和土壤的影响关系链局部(作者自绘)

根据前文对于空气净化器的LCA研究,得出本图结构。从净化器生产过程便包括大量的加工生产耗能和运输耗能,而同时,日夜不间断的长期使用也同样造成了大量的耗电量。即使追溯到清洗和回收环节,当前现状下的空气净化器也很难在这些方面对环境有益,反而会造成更多的污染和环境隐患。多方的能源需求会转换为煤电场的大量燃煤,将空气问题再次抛回给自然环境,最终欲速而不达。


根据前文提及的GIGA的计算数据,人们在使用空气净化器解决室内空气问题的同时,在为全球空气污染施加更多的净化压力。而这样恶性循环的污染,最终会危害到人类自身。空气净化器作为常见的家用电器,需要长期持续使用,且影响范围有限,为了解决净化室内空气的问题,往往需要不止一台空气净化器的参与。但在中国,由此产生的巨大耗电量则间接产生大量的煤电需求,更多的低等煤炭被燃烧使用,导致雾霾问题和温室气体问题进一步严重。


雾霾会对人体健康产生多方面的危害。长期生活在雾霾环境当中,使人体免疫力下降,颗粒物还可以增加动物对细菌的敏感性,从而导致肺对感染的抵抗力下降。雾霾颗粒也极有可能造成呼吸系统中颗粒物沉积,增加慢性呼吸系统疾病几率,同时容易诱发心血管疾病的急性发作。对空气净化器生命周期的不同阶段研究可见,为了应对空气污染日益加重情况而生的空气净化器,实则在整个生命周期中都不断的制造新的污染,加重其他有害气体和废水排放等问题,最终危害人类自身。

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图8 雾霾对人体的影响(作者自绘)


03/设计思考

1. 节能减排,改善源头能源结构

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图9 环境问题治理思考逻辑图(作者自绘)

从微观的个人角度上来看,空气净化器降低了身边的污染,但从宏观上来看,制造、使用、废弃的生命周期里空气净化器势必造成对环境对大气的污染。两者同时存在,我们确实可以通过思考其生命周期,从而对原材料,制造,使用,丢弃,运输这几方面来考察一款产品是否在环境影响方面仍然有改进的空间,但这依然是从末端解决问题。我们在调研过程中同样也发现,家用空气净化器只是困住了雾霾和有害物质,并没有使其消失。在这个逻辑的背后,改善源头能源结构,节能减排才是当务之急。从现在的电源结构来看,火电所占的比例仍然较大,对节能减排造成巨大压力。

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图10 2015年中国发电设备容量示意图 (作者自绘数据来源:维基百科)


2.构建协同治理的主体支撑

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图11 环境协同治理框架 (作者自绘)

1952年伦敦的严重烟雾事件,英国政府通过完善相关法制,综合多方利益,强化公众参与,制定弹性奖惩措施,给雾霾天气带来诸多启示与借鉴。政府在协同治理中起到主导作用,企业与公众的加入弥补了政府在环境治理的不足,使环境治理机制更具活力。针对当前日趋严重的环境问题,政府,公众,企业可建构三位一次的协同治理框架。


3. 社交媒体促进低碳出行

对于16%的出行雾霾贡献,我们看到现行的一些可供参考的想法。2017年北京发改委联合腾讯、北京环交所、北京节能低碳工程技术研究院联合启动“我自愿每周再少开一天车”活动,每年准备了数百万元的礼包,请市民来领取。在每次停驶前后分别拍摄上传行驶里程,停驶24小时以上即可出售碳减排量,并获得每天的微信红包。


4. 共享减霾

Roosegaarde Studio提出的「Smog Free」环保企划的最新设计方案,是具备「减少雾霾」功能的单车。这一设计将空气净化装置与中国正在大力推广的「共享单车」相结合,它可以在吸入雾霾后为骑行者释放清洁后的空气。据悉北京现在有超过 100 万辆共享单车,如果这一设计最终成真,不仅能有效起到净化空气的作用,也能呼吁都市人群多骑车环保出行,让大家都有机会成为问题的解决者而非制造者。



参考文献


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[2]邱麦平.空气净化器的分类[J].现代家电,2014(14):22-23.

[3]Xiaocun Zhu, PiusLeuba Dit Galland, Ryan D. Dick, Raefer K. Wallis.Towards Regenerative UrbanEnvironments:Urban Interiors for the Sustainable Human Species[M]. Design Innovationsfor Contemporary Interiors and Civic Art. 2017.

[4]马聪兴,王兆南,张美云,李文静,张睿,宋衍燕.65台家用空气净化器过滤膜细菌污染状况及净化效果分析[J].现代预防医学,2017,44(22):4202-4205.

[5]Pei J, Ji L.Secondary VOCs emission from used fibrous filters in portable air cleaners andventilation systems[J]. Building and Environment, 2018.

[6]Boustead.Acrylonitrile-Butadiene-Styrene Copolymer (ABS) PlasticsEurope(2005).

[7]Zhu X, Lv M, YangX. Performance of sorption-based portable air cleaners in formaldehyde removal:Laboratory tests and field verification[J]. Building and Environment, 2018,136: 177-184.

[8]Noemi Arena,Jacquetta Lee, Roland Clift. Life Cycle Assessment of activated carbonproduction from coconut shells. Journal of Cleaner Production 125

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[9]Soreanu G.Biotechnologies for improving indoor air quality[M]//Start-Up Creation. 2016:301-328.

[10]AydoganA, Montoya L D. Formaldehyde Removal by Four Indoor Plant Species[J].




点评

近年来大家对雾霾的关注日渐增加,各种解决方式和净化产品层出不穷,空气净化器小组对此做了较为深入探讨,整个研究过程进步显著。结尾对节能减排的思考有意义,即减少对能源的需求以及因此产生的排放更为关键,这是从源头上解决问题,否则再多末端应对手段都无意义。因此如何通过设计推广大气环境方面的理念(即解决雾霾不能依赖于机器而应从源头努力),促进大众在日常生活各方面个人可努力的行为(节能、低碳出行等等),乃至总体生活方式的改进,就可以成为可持续设计的良机。具体而言,如何通过设计手段呈现传达本研究的信息,以及结合可能的活动、物质设计等等促进行动,可能就是年轻的设计师最有价值的贡献。



教学团队 |  朱小村(主讲)、莫娇、曹静、姚雪艳、杨皓、郭光普、潘朝阳(Raefer Wallis)、龚万彬、江垚、王茜、白梓迪、汤润瑜、保佳祺

助教 |  保佳祺、汤润瑜、王茜、江垚、白梓迪

编辑 |  江垚

校对 |  白梓迪、王茜




编辑 / 榴莲
责编 / 雪青





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