CN1867390A - 空气净化壁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对房间中的空气执行连续光催化净化的装置，所述装置优选地采用了墙板(1)的形式，其包括：一外部金属结构；用于输入被处理空气的开口(11)；一内部金属构架(4)，在该构架上安装了多个UVA灯(3)；一光催化作用过滤器(2)；以及一用于将净化后空气排出的开口(12)。本发明装置的特征在于：光催化作用过滤器包括至少一个金属栅格(2)，其被含二氧化钛(TiO₂)的膜层覆盖着，其中的二氧化钛主要是锐钛相二氧化钛，从而增大了光催化剂被UVA光线照射到的面积。

Description

空气净化壁

技术领域

[01]本发明涉及一种空气净化装置，其以与二氧化钛接触时的多相光催化作用为工作原理，优选地是，该装置采用了墙板的形式。

[02]本发明还涉及由所述装置实施的空气简化方法。

背景技术

[03]作为对光致水分解现象的研究结果，从70年代起人们认识到了多相光催化作用。这种技术在于：利用自然太阳光或人造UV光照源(λ＜400nm)对一半导体(通常是二氧化钛)执行照射。该半导体材料将发生激发，这将使价带的电子e^-被激发到半导体的导带中(还原过程)。对应的空穴h⁺(氧化作用)将与吸附在半导体表面上的OH基团发生反应，以便于形成具有高氧化性的氢氧基OH。氢氧基能与有机分子-例如污染物发生反应，使得后者无机化，同时生成水和二氧化碳。光催化作用由于存在催化剂，所以能将该光致反应加速。由于在催化剂表面上光致反应是在处于不同相的两种环境的界面上发生的，所以该反应是多相性的。

[04]二氧化钛TiO₂存在于不同的晶体形态中：金红石、锐钛矿(anatase)、板钛矿、以及大量由高压形成的晶体相。只有金红石和锐钛矿的晶体形态表现出光催化活性。尤其是，在本发明的体系内，使用的是活性最强的锐钛矿，锐钛矿具有细长的四面体结构，并带有不规则的八面体氧结构。

[05]无论是在颜料和化妆品、还是在食品等物质中，二氧化钛都大量存在。因而，可利用其光活性来分解其表面上吸附的有机分子。因而，通过与二氧化钛接触而产生的多相光催化作用尤其被用来净化水，破坏污染物、杀虫剂、颜料、细菌，对农业和工业冲洗水执行去毒处理，净化空气(除臭、消除有毒气体)，以及作为自清洁剂，其中，自清洁剂被用在处于露天环境中的、并暴露在各种元素中的物体或建筑物上。

[06]现在已经出现了大量的带有光催化作用过滤器的空气净化和/或除臭装置，其中的某些装置还具有结构工程或建筑方面的功能，其中的光催化作用过滤器是以二氧化钛为基础的。在大多数情况下，这些发明所解决的问题是：

-优化对UV辐射的利用，例如通过优化光催化剂支撑体与照射灯之间的几何关系和布置关系，或者通过提高UV灯的效能而实现该效果，其中，对于后者的情况，针对UV灯的光催化效应而通过增设反射器来提高效能(例如可参见文献：JP 09 084866、EP 993859、JP 2000 334448、JP 10249166、JP 2001 293336、JP 2002 295874、JP 2001 218820)；

-增大可用来实现催化剂活性的光谱范围，例如在轻型光催化作用的应用场合中使用可见光(例如参见文献JP 2002 083511、JP 2002 035599)；

-通过使照射灯易于更换而改善装置的维护性；

-通过采用扁平照射灯或发光二极管(LED)、而不是传统的UV灯来提高装置的紧凑性(例如参见文献JP 2000 051332、JP 09 000941)。

[07]在大多数情况下，专利文件中的装置都设置有用于迫使空气循环流动的风扇，这可能使气流成为湍流态。

[08]但是，根据现有技术的装置很少或无助于满足如下的要求：

-将空气净化器结合到建筑元件中首先需要组件具有令人满意的结构机械性能，其次，需要在深度方面具有很高的紧凑性，由于要将UV灯布置在正确的定向上，这一点是难以实现的；

-光催化作用过滤器能被UV照射到的表面达到最大；

-优化装置内部空气的循环；

-能调节装置外壁的温度。

发明内容

[09]本发明的目的在于提供一种能克服现有技术中缺点的解决方案。

[10]本发明致力于设计一种能被结合到建筑物结构元件中的空气净化器，其中结构元件是指建筑物墙板层次上的元件。

[11]尤其是，本发明还致力于提供一种开环工作的空气净化器，从而能从居住空间的大气气氛中连续地清除污染物。

[12]本发明的第一目的涉及一种用于对居住房间的空气执行净化的、连续的光催化作用净化装置，该装置优选地采用了墙板的形式，其包括：

-一外部金属结构，其优选地是用钢材制成的；

-位于墙板前表面下部的一个开口，其用于输入要被处理的空气；

-一内部金属构架，在该构架上安装了一组UVA灯-即能发射波长在315-400nm范围内的紫外线辐射的灯；

-一过滤器，其包括一支撑件，其被一膜层覆盖着，膜层中带有作为光催化剂的二氧化钛(TiO₂)；

-位于墙板前表面上部的一个开口，其用于将净化后的空气排出，装置内部的气流可确保能自然循环，或由至少一个风扇实现强制循环；

其特征在于：所述装置包括至少一个栅格，其是由覆盖有一膜层的多孔金属(métal déployé)制成的，膜层带有二氧化钛(TiO₂)-主要是锐钛矿相的二氧化钛，从而增大了光催化剂被UVA光线照射到的面积。

[13]本发明优越于现有技术之处在于：光催化剂过滤器的支撑件是由金属制成的，因而，与通常采用的纸质支撑件相反，其工作寿命是不受限制的。

[14]优选地是，根据本发明的环境空气净化装置被用来利用与二氧化钛接触时的光催化作用分解破坏挥发性的有机化合物-例如烷烃、醇类、醛类、酮、芳香烃、以及萜烃。

[15]更一般而言，该装置将被以结构元件或装饰性元件的形式应用在建筑行业中，其中的元件例如是墙板、隔断墙、地板、天花板、活动天花板等。具有外部金属表面的结构元件最好能与所有类型的装饰层相适配，涂饰层例如是石膏、油漆、壁纸等。

[16]作为一个优点，外部金属结构或者是用光亮退火(recuit brillant)不锈钢等钢材制成的，或者是在其内表面上覆盖一个薄层，该薄层对于波长小于400nm的光线的反射率大于90％。

[17]上述方案首先是增大了受到照射的总表面，其次提高了过滤器单位表面积所吸收的能量，这些效果的优点上：能显著降低所需的照射功率，因而可减小发热和工作成本，归根结底是优化了效率。

[18]根据本发明一种优选的实施方式，外部结构前表面的宽度至少为1.5米，优选地是2米，用于输入空气和排出空气的开口为宽度相等的缝隙的形式，且它们的宽度略小于前表面的宽度，而它们的高度大于3cm，优选地是等于5cm。

[19]优选地是，所述开口所处位置距离所述前表面的底端和顶端至少为10cm，更为优选地是5cm。

[20]本发明一个重要的特征在于被多孔金属扩大了的表面，其中的多孔金属优选地是钢丝网，其上覆盖有光催化剂，该多孔金属的总网眼表面(S_steel)都被TiO₂膜层覆盖着，但网眼厚度上的表面例外，即：

$S_{\mathrm{steel}}=[{\mathrm{ws}}_{\mathrm{mesh}}\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{LD}}_{\mathrm{mesh}}}{2}\right)}^2}+{\left(\frac{{\mathrm{SD}}_{\mathrm{mesh}}}{2}\right)}^2-\frac{{\mathrm{st}}_{\mathrm{mesh}}^2}{2\sin \left(2\mathrm{arctg}\left(\frac{{\mathrm{SD}}_{\mathrm{mesh}}}{{\mathrm{LD}}_{\mathrm{mesh}}}\right)\right)}]$

式中：LD_mesh、SD_mesh、st_mesh分别指代网眼的长对角线、短对角线、以及网眼的股条。

[21]为了进一步扩大该优点，对网眼进行选择，以减小网眼物理表面(S_steel)与其总表面(S_mesh)之间的比值(s_steel)：

$s_{\mathrm{steel}}=\frac{S_{\mathrm{steel}}}{S_{\mathrm{mesh}}}=\frac{4}{{\mathrm{LD}}_{\mathrm{mesh}}{\mathrm{SD}}_{\mathrm{mesh}}}{S}_{\mathrm{steel}}$

所述比值优选地是1/3。

[22]根据本发明优选的实施方式，格栅在垂直方向上由一些固定件保持着，这些固定件只位于格栅的周边上，UVA灯被布置成沿墙壁的宽度方向以三个为一组，风扇属于被设定为90°角的切向流类型，其位于墙壁的顶部，风扇的数目被选择为可确保居住房间中空气的更新量至少为30m³/小时/人。

[23]根据本发明的又一优选实施方式，空气净化装置可采用柱筒的形式，其横截面为圆形、矩形、或正方形，且柱筒具有至少一根沿其轴线布置的UVA发光管，发光管被覆盖有光催化性TiO₂的多孔金属包围着，柱筒内表面的反射率大于90％。该实施方式更是专用于在导管中对空气进行净化或清除污染物。

[24]本发明的第二个目的涉及一种用于优化上述空气净化元件尺寸设计的方法，该方法的特征在于包括如下的步骤：

a)确定装置的外部几何结构；

b)确定钢丝网格栅和照射设备的数目；

c)计算格栅的照度；如果光强不大于设定的容许阈值，返回到步骤b)；

d)计算气流和温度分布；如果钢质壁受热升温，返回到步骤b)；

e)计算污染物浓度的改变；如果总的净化效率不大于规定的限度；返回到步骤b)；

f)使净化或污染物清除元件的尺寸达到最优。

附图说明

[25]图1是一个示意性的三维图，表示了根据本发明的空气净化壁；

[26]图2是一个示意性的分解图，表示了根据本发明的活性壁；

[27]图3示意性地表示了一个网眼，其是用多孔金属制成的元件的基本单元，在该网眼上淀积了二氧化钛；

[28]图4示意性地表示了在被设定为90°的切向风扇中、空气流的改变；

[29]图5a表示了对一多孔金属格栅计算出的原始照度图表，该栅格属于根据本发明的空气净化器；

[30]图5b表示了到达多孔金属格栅的原始光强曲线的一些实例，该曲线涉及直接照射和间接照射两个方面；

[31]图6表示了用在与本发明有关的净化模型中的光强图表；

[32]图7表示了用于对根据本发明的净化壁的尺寸执行优化设计的算法；

[33]图8示意性地表示了一种二维模型的实例，该模型代表的是具有一格栅和三个照射灯的净化壁；

[34]图9中的图线表示了根据本发明的净化壁的效率，该效率是格栅数目、照射灯组的数目、空气循环流动类型(自然或强制)的函数；以及

[35]图10表示了净化壁外表面上温度的特征曲线，其是UVA灯数目以及所假定气流类型的函数。

具体实施方式

[36]图1和图2所示的空气净化壁1的工作原理是与二氧化钛接触时的多相光催化作用。该装置包括一活性壁1，其采用开环工作模式，该活性壁包括：

-位于活性壁前表面10下部的进气口11，空气与任何可能污染物的混合物经该进气口进入到装置中；

-位于活性壁内部的一个或几个格栅2，它们是用多孔金属制成的，且其上淀积有二氧化钛，格栅由具有UVA灯3的照射装置进行照射，以激发二氧化钛膜层；

-位于活性壁前表面10顶部的开口12，已被清除了污染物的空气经该开口排出。气流或者是由风扇(对流或强制循环)产生的，或者是由于温度升高而产生的(自然循环)，温度升高的原因在于照射系统。

[37]为了优化地设计根据本发明的空气净化装置的尺寸，采用了数学及数值模型，尤其是用这些模型来描述净化壁中使污染物产生循环流动的热分布以及湍流形态的对流。为该特定的情况开发了一种理论上的净化模型，并由试验结果进行检验，在限制性条件的层次上导入了该理论模型，以便于评估净化装置在去除污染物方面的效率。

[38]因而，对净化壁结构设计和尺寸的总体研究必须要考虑到热学的、声学的、以及结构上的限制条件和净化现象。已获得的研究成果主要集中在热学方面和清除污染物方面。

[39]在对净化壁的尺寸进行设计时，必须要将对气流、温度分布、以及净化过程的计算结果不解耦地导入到总的优化算法中。尺寸设计准则的定义解释了为何要进行联耦。

[40]净化壁1被布置在诸如办公室、会客室等封闭空间内。因而，该空间内的大气温度要与钢丝壁的温度相联系，大气温度就起到了限制条件的作用。另外，空间内人员与净化壁可能会有直接的接触，这就需要对钢丝网的表面温度进行调节。结果就是，第一条优化准则就是减小净化壁的升温。

[41]第二条优化准则关于净化过程的效率。光催化作用的总效率必须要被最大化，以便于缩短对所考虑的居住空间进行净化所需的时间。

[42]这两条准则促成了一个具有极值的优化函数。事实上，为了满足第一条准则，必须要减少照射系统对净化壁的加热，且如果必需的话，应当努力使该加热作用为零。对于第二条准则，光子通量必须要足以使净化过程的总效率达到最大，因而必须要强化照射系统。优化的意义在于确定出这样的照射系统：其所造成的加热效应最小，同时能达到最大的净化效率。

[43]为了进行计算，将净化壁1的外部尺寸固定为2米高(H_wall)、2米宽(W_wall)、10cm厚(t_wall)，优化尺寸设计所基于的三个参数是：多孔金属格栅2的数目、用在照射系统中的UVA灯3的数目、以及是否使用风扇5来强制流动(例如参见图5)。

[44]如图2所示，所使用的活性钢丝壁包括由一些元件组成的组件，其中的每个元件都具有特殊的功能，这些功能有助于获得经过优化的光催化空气净化系统，这些元件包括：外部钢质结构，基本上是指前表面10和背面部分15；多孔金属格栅2，其上淀积有TiO₂膜层；具有UVA灯3的照射系统，其被连接到一金属构架4上。加上风扇5和向整个净化壁供能的电气箱(图中未示出)，就构成了整个组件。

1.外部结构

[45]活性壁1的外部结构是由钢板构成的。在对二氧化钛进行照射方面，这些钢板的表面特性具有主要作用。

[46]为了使接触二氧化钛所产生的光催化效率得到优化，所有的多孔金属格栅都必须被从不同照射灯发出的紫外线光照射到，其中的那些照射灯构成了照射系统。为此，对于波长短于锐钛相型二氧化钛的基准波长(即387nm)的照射，外部结构钢质饰面的内表面必须具有最大的反射率。因而必须要使用对紫外线具有高反射率(高于90％)的钢材，例如可使用经光亮退火的不锈钢。

[47]根据本发明的优选实施方式，外部结构的前表面10具有两个1.9米长、5cm高的开口。开口11位于前表面10的底部，其允许空气进入到净化壁中，并在与二氧化钛接触时发生多相光催化作用，因而被净化。

[48]位于前表面10顶部的开口12允许净化后的空气被返送回接受处理的空间中。

[49]根据几个参数来确定开口的尺寸：要被处理的空气体积、空气在活性壁内的停留时间、以及空气在活性壁入口和出口处的速度。

[50]为了增大被活性壁处理的空气体积，必须要使位于前表面底部的进气口11的面积尽可能地大。因而，将其长度选择为1.9米，该尺寸满足机械上(在前表面的强度方面)的约束条件及关于要处理的空气体积方面的约束条件。出口12的长度与进气口11的长度相等，原因在于：为了达到最大的净化效率，活性壁中的气流必须是水平均匀的，利用长度相等的进口和出口就能精确地获得此效果。

[51]为了增大空气在活性壁内的停留时间，主要是将进气口和出口尽可能分开地布置。因而，进气口被布置在距离活性壁底部5cm的地方，出口被布置在距离顶部5cm的地方。

[52]按照IAQ的标准，建筑物内可接受的平均空气速度是在20到30cm/s的数量级上。另外，单个人的空气更新率是在30m³/hr的数量级上。为了满足这两个条件，开口11、12的高度被限定为5cm。

2.多孔金属格栅

[53]多孔金属格栅2构成了用于多相光催化作用的半导体的支撑件。在所获得的研究结果中，考虑采用锐钛相型二氧化钛。

[54]多孔金属被确定为以网眼6为基础元件的点阵(见图3)。

[55]网眼6是由四个参数确定的：长对角线(LD_mesh)、短对角线(SD_mesh)、股条的宽度(ws_mesh)、以及厚度(th_mesh)。在前三个参数的基础上可将网眼的金属表面(S_steel)定义如下：

$S_{\mathrm{steel}}=[{\mathrm{ws}}_{\mathrm{mesh}}\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{LD}}_{\mathrm{mesh}}}{2}\right)}^2}+{\left(\frac{{\mathrm{SD}}_{\mathrm{mesh}}}{2}\right)}^2-\frac{{\mathrm{ws}}_{\mathrm{mesh}}^2}{2\sin \left(2\mathrm{arctg}\left(\frac{{\mathrm{SD}}_{\mathrm{mesh}}}{{\mathrm{LD}}_{\mathrm{mesh}}}\right)\right)}]---\left(1.1\right)$

[56]为了确定多孔金属的四个参数，必须要考虑到几个参数：二氧化钛膜层的总表面；以及照射系统对该表面的照度。

[57]为了实现最优的净化效率，TiO₂膜层的总表面必须要最大。当TiO₂被淀积到多孔金属上时，被TiO₂覆盖的表面就等于金属表面(S_steel)。如果没有二氧化钛被淀积到网眼6的厚度方向上，则这两个表面的相等性就是正确的。基于淀积操作所必须采用的工业方法，认为该假设是成立的。事实上，对于工业上的应用场合，二氧化钛的淀积是在尚未扩张开的连续金属板上进行的，因而，这就意味着二氧化钛不会出现在网眼的厚度方向上。

[58]另外，为了增大与二氧化钛接触时产生的多相光催化过程，半导体的整个表面都必须要被从照射系统发射出的UVA光线照射到。由于活性壁可能具有几个多孔金属格栅，因而光线必须要能照射到各个格栅的两表面。为此，网眼物理表面(S_steel)与网眼表面(S_mesh)的比值必须要为最小：

$s_{\mathrm{steel}}=\frac{S_{\mathrm{steel}}}{S_{\mathrm{mesh}}}=\frac{4}{{\mathrm{LD}}_{\mathrm{mesh}}{\mathrm{SD}}_{\mathrm{mesh}}}{S}_{\mathrm{steel}}---\left(1.2\right)$

[59]为了满足这两项要求，将S_steel的比值选择为1/3的数量级。

[60]基于从MDB(Métal DéployéBelge S.A.，Arcelor Group)公司获得的多孔金属产品目录，选出了三种可接受的多孔金属，它们的参考标号分别为62.25.43.30、A28.15.21.10、以及A28.15.25.15，对应的尺寸分别是下列的三组：(LD_mesh＝62mm，SD_mesh＝25mm，ws_mesh＝4.3mm，th_mesh＝3mm)；(LD_mesh＝28mm，SD_mesh＝15mm，ws_mesh＝2.5mm，th_mesh＝1mm)；(LD_mesh＝28mm，SD_mesh＝15mm，ws_mesh＝2.5mm，th_mesh＝1.5mm)。

[61]选择多孔金属类型的最后一项准则取决于多孔金属的结构刚性。多孔金属格栅被垂直地放置在活性壁内。为了避免所采用的内部增强件使活性壁变得散乱，多孔金属必须能仅利用位于格栅周边的固定件就保持垂直状态。

[62]该准则使得多孔金属62.25.43.30成为了最终的选择，原因在于其厚度足以满足上述的刚度准则。

3.照射系统

[63]照射系统包括一组型号为CLEO 2(Philips)的25W UVA灯。这种灯具在UVA波段(也就是说在320nm和400nm的波长范围内)的功率输出是4.3W。这些灯还产生了UVB辐射，其与UVA的比值为1.2％。该灯的尺寸为：长度是516.9mm、直径为16mm。

[64]照射灯被布置成沿活性壁的宽度(W_wall)方向三个成一组。在计算活性壁尺寸的过程中，确定出灯组的数目。用来确定灯组数目的准则是：实现对空气及净化壁外部结构最小程度的加热；并使其上淀积有二氧化钛的多孔金属格栅的所有表面获得最低的照度阈值。

4.风扇

[65]风扇5确保了空气流经活性壁进行循环。由风扇产生的气流必须要满足空气更新率方面的标准。该标准推荐：对于居住空间，空气更新率应当在30m³/小时/人的数量级上。

[66]可以考虑根据所要净化的空间类型来对气流进行调节。

[67]采用了被设定为90°的切向风扇，也就是说，风扇能使气流的方向改变90°，该风扇是属于Ziehl-Abegg品牌的QR 06-GKM7OPB型风机。这种类型的风扇能使空气的入流达到550m³/hr的数量级。

[68]借助于一个对发动机的供电进行控制的电位器来调节流量。

[69]图4表示了在设定为90°的切向风扇中气流方向的改变。

[70]风扇被布置在活性壁的顶部，以使整个活性壁都具有均匀的气流。

5.电气盒

[71]活性壁的工作需要用一个电源向照射系统和风扇供电。为了避免为每一照射灯和每个风扇设置电插头，在下拐角处设置了一个电气盒。该电气盒由单个电插头从外界接电，并向活性壁中的所有电气器件供电。

6.气流及限制条件

[72]为了用模型来描述气流，采用了Navier-Stokes的不可压缩及稳定流方程。还利用Boussinesque近似法将热效应对气流的影响导入到模型中。由空气在活性壁内的流速与进口表面所确定的雷诺数足够大，足以证明湍流模型的使用是正确的。

[73]在1m/s数量级上的慢流速和对活性壁低程度的加热验证了需要采用不可压缩法和Boussinesque近似法的假设。

6.1动力学方面的限制条件

[74]必须要将空气流量应用在净化装置的进气口处。

[75]进气口处必须要应用两项动力学限制条件。导入了将在数值研究过程中变动的空气流量Q_air以及被假定为与进气表面垂直的流动方向。

[76]在出口处，只需要一个限制条件。要在此处应用基准压力的数值。

6.2限制性的湍流条件

[77]在净化装置的进气口处，必须要应用两方面的条件：湍流的动能(k)以及湍流动能的耗散(ε)。这两个条件非常难于进行评价，原因在于它们取决于装置进气口上游的流动，而这部分的流动未被归入到数值模拟模型中。

[78]为了确定这些限制条件，在研究目的方面进行论证。在这项涉及净化壁尺寸设计的研究中，必须从空气净化方面来评价装置的效率。已经表明：对空气进行混合将有利于净化过程，原因在于混合能确保将污染物最优地输送到半导体的表面处。该空气混合操作的特征主要由湍流度来表征：湍流度越大，污染物越均匀。

[79]为了研究最为极端的情况-即混合程度最低的情况，假定在净化装置的进口处为层流的状态。只在净化壁内部产生湍流。这样，进气口处所应用的、关于湍流动能及其耗散的限制条件就变得非常简单了。此条件下，湍流动能及其耗散的影响被取消了。

6.3热力学限制条件

[80]对于热力学限制条件，限定了四个不同的条件：净化装置进气口处的限制条件、照射灯的限制条件、净化壁内部部件的限制条件、以及带有二氧化钛的多孔金属格栅的各个部分的限制条件。

[81]有关热力学限制条件的总公式合并了对流流动、辐射流、传导流、以及外部表面流。该总公式被简化为所考虑的表面的函数。

A)净化装置的进气口

[82]该限制条件最简单。该条件能对净化壁的平均温度水平进行确定。为此，应用了20℃的温度条件：

          T_intake＝20℃                                (1.3)

B)照射灯

[83]输入能量是由CLEO型25W照射灯的系统来保证的，这种照射灯能保证4.3W的发光功率。各个照射灯的限制条件是：

$k_0\frac{d}{d\stackrel{\→}{n}}T{|}_{\mathrm{plate}}+{q^{\′\′}}_{\mathrm{radiative}}+{q^{\′\′}}_{\mathrm{lamps}}=0---\left(1.4\right)$

式中，照射灯的热流是由如下的公式给出的：

${q^{\′\′}}_{\mathrm{lamps}}=\frac{P}{S_{\mathrm{lamps}}}=\frac{\mathrm{4,3}}{2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{lamp}}{L}_{\mathrm{lamp}}}=147W/m^2---\left(1.5\right)$

式中，R_lamp是照射灯的半径(8mm)，L_lamp是照射灯的长度(517mm)。

C)净化壁的内部部件

[84]净化壁的热力学限制条件非常复杂，原因在于必须要考虑到在光亮退火不锈钢板内部产生的传导性热交换、以及在净化壁外部上产生的对流性热交换和辐射性热交换。这一类型的数据可以不是精确限定的。

[85]可考虑采用两种方案：采用外部对流热交换和辐射热交换的平均系数、或者假定最为不利的情况来设计净化装置的尺寸。选择第二种方案。事实上，如果净化壁在最为不利的条件下所获得的加热都是最小的，则肯定所有的情况都能被满足。

[86]下面分析最为不利的情况，如果具有CLEO型UV灯的照射系统正在净化壁内工作，则多孔金属格栅和光亮退火不锈钢板就会被加热。净化壁前表面与相邻空间中环境空气的温度直接接触。因而，在前表面与相邻空间之间会存在热传递。因而，相邻空间趋于使前表面的温度降低。最为不利的情况将是这样的：假定相邻空间中的空气立即就达到了前表面的温度值，这样的条件是绝热性的条件。不考虑这样的可能性：外界对前表面的照射在逻辑上会升高其温度。

[87]采用了绝热性的条件，也就是说，假定前表面中传导热流与外部对流热流和辐射热流的的总和为零。

[88]因而具有如下的限制条件：

$k_0\frac{d}{d\stackrel{\→}{n}}T{|}_{\mathrm{plate}}+{q^{\′\′}}_{\mathrm{radiative}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{stainless}}{q^{\′\′}}_{\mathrm{light}}=0---\left(1.6\right)$

式中，q″_light是从照射灯到达表面上的光通量，α_stainless是光亮退火不锈钢的吸收系数。

[89]光亮退火不锈钢对红外波段的吸收系数在0.15数量级上，在紫外波段的数值达到0.3的数量级。

D)多孔金属格栅

[90]多孔金属格栅被完全导入到计算中。因而使用一种耦合型的限制条件，其带有由于从照射系统输入能量而出现的额外输入量。

7.污染物以及理论净化模型

[91]净化装置-即净化壁必须能对由大范围污染物组成的复杂混合物进行处理。按照挥发性有机化合物(VOC)的类属名对污染物进行分组。建筑物内污染程度的调控标准要求对各种污染物进行限制，而且要求限制挥发性有机化合物的总量(TVOC)。所允许的平均浓度在200-500μg/m³的数量级上。该浓度水平对应于低于各种污染物ppm_volume的数值。

[92]主要的污染物被分成6类：烷烃、醇类、乙醛、酮、芳香烃、以及萜烃。

[93]第一类污染物是烷烃。烷烃是仅由其上结合有氢原子的碳链组成的分子(见表1)。

烷烃	分子式	CA(μg/m3)	MWA(g/mol)	CA(ppbvolume)
					己烷	C6H14	9.85	86.2	2.56
庚烷	C7H16	12	100.23	2.68
					辛烷	C8H18	10.1	114.26	1.98
壬烷	C9H20	8.5	128.29	1.48
					癸烷	C10H22	15.7	142.32	2.47
十一烷	C11H24	20.85	156.35	2.98
					十二烷	C12H26	12.05	170.38	1.58
十三烷	C13H28	3.8	184.41	0.46
					十四烷	C14H30	10.3	198.44	1.16

                           表1

[94]将各种化合物的平均浓度合计起来可获得总的烷烃浓度，该总浓度为103μg/m³。

在烷烃的总类中，存在带有环形碳链的化合物。这些化合物是环烷烃(见表2)。

环烷烃	分子式	CA(μg/m3)	MWA(g/mol)	CA(ppbvolume)
					环己烷	C6H12	5.6	84.16	1.49
甲基环己烷	C7H14	6.6	98.19	1.50
					甲基环戊烷	C6H12	1.6	84.16	0.42

                             表2

[95]环烷烃在属于烷烃类的化合物中只占一小部分。它们的总浓度为14μg/m³。

[96]所列举的挥发性有机化合物的第二类是醇类(见表3)。

醇类	分子式	CA(μg/m3)	MWA(g/mol)	CA(ppbvolume)
					1-丁醇	C4H10O	5.5	74.12	1.66
2-丁氧基乙醇	C6H14O2	56	118.17	10.62
					1-己醇-2-乙基	C8H18O	4.1	130.23	0.7
苯酚	C6H6O	3.4	94.11	0.8

                             表3

[97]属于该类物质的四种主要污染物的各自浓度的总和为69μg/m³。

[98]第三类污染物是由醛类化合物表征的。这些化合物的单独浓度是最高的-尤其是甲醛和乙醛(见表4)

醛类	分子式	CA(μg/m3)	MWA(g/mol)	CA(ppbvolume)
					甲醛	CH2O	77.22	30.03	57.63
乙醛	C2H4O	28.28	44.05	14.38
					Proprionaldehyde	C3H6O	3.86	58.08	1.48
丁烯醛	C4H6O	2.52	70.09	0.8
					丁醛	C4H8O	2.84	72.11	0.88
苯甲醛	C6H7O	2.1	106.12	0.44

                              表4

[99]该类污染物中各种化合物的浓度使得总浓度达到116μg/m³。

[100]第四类污染物是酮类，表5中列出了三种化合物，它们的总浓度为30.8μg/m³。

酮类	分子式	CA(μg/m3)	MWA(g/mol)	CA(ppbvolume)
					丙酮	C3H6O	26	58.08	10.03
2-丁酮	C4H8O	3.4	72.11	1.05
					4-甲基-2-戊酮	C6H12O	1.4	100.16	0.3

                              表5

[101]芳香烃属于第五类化合物。该类化合物中也包括一种高浓度的化合物-即甲苯(表6)

芳香烃	分子式	CA(μg/m3)	MWA(g/mol)	CA(ppbvolume)
					苯	C6H6	4.43	78.12	1.27
甲苯	C7H8	62.32	92.15	15.15
					o-二甲苯	C8H10	3.93	106.17	0.82
苯乙烯	C8H8	0.92	104.15	0.19
					，苯乙烷	C8H10	5.99	106.17	1.26
2-乙基甲苯	C9H12	2.3	120.19	0.42
					3-乙基甲苯	C9H12	3.7	120.19	0.69
4-乙基甲苯	C9H12	1.9	120.19	0.35
					1，2，4-三甲基苯	C9H12	0.7	120.19	0.13

                                       表6

[102]芳香烃化合物的总浓度为86μg/m³。

[103]最后一个种类包含的是萜烃化合物(表7)。这些化合物的总浓度是76.8μg/m³。

萜烃	分子式	CA(μg/m3)	MWA(g/mol)	CA(ppbvolume)
					松萜	C10H16	18.3	136.23	3.01
苎烯	C10H16	58.5	136.23	9.62

                             表7

[104]挥发性有机化合物的总浓度是420μg/m³。

[105]有关污染物的上述非排除性列表表明这些污染物的平均浓度低于ppm_volume。在对实验结果(针对低浓度复杂混合物的情况得出)进行分析的过程中，发现每种污染物都利用与二氧化钛接触时的光催化作用而经受了净化处理，就如同其是测试腔室中唯一的一种污染物一样。可利用这一性质而将上述所有的化合物都导入到用于设计净化装置尺寸的算法中。如果采用这一性质，就可确定出一种试验污染物A，其初始浓度即为各种VOC的总浓度-即420μg/m³。

[106]在对乙醛进行净化的情况下，上述净化模型中的参数可被精确地确定。这些参数-量子效率和基准浓度取决于到达二氧化钛处的光子通量。在三个参数数值的基础上(光子通量分别被确定为1.66*10^-4、7.26*10^-5、2.56*10^-5爱因斯坦/m²/s)，确定出量子效率和基准浓度的插值函数。利用这些插值函数能得出净化参数的数值，这些净化参数作为光子通量的函数。既然入射光子的流量在1.66*10^-4与2.56*10^-5爱因斯坦/m²/s之间，就能保证净化参数数值的精度。

[107]对乙醛净化参数的精确了解使得该化合物可被作为试验污染物，从而能将上文列举的所有VOC化合物导入到模型中。

[108]因而，对根据本发明的净化装置进行设计时可假定大气只被乙醛一种化合物污染了，且其浓度为420μg/m³，该数值对应于213ppb_volume。为了确保尺寸设计具有保险裕量，将乙醛的浓度假定为1ppm_volume。

[109]在对实验结果进行分析的过程中，不体现出乙醛分解过程中的任何中间产品，其中，乙醛的分解是由于与喷涂了二氧化钛的膜层进行接触而发生的。因而，唯一考虑的分解反应就是氢氧基对乙醛的分解反应。

[110]在计算乙醛在净化壁中的扩散度的总过程中，将本发明的理论净化模型用作一个限制条件，这样就需要确定出一些净化参数，这些参数是通过对一些用其它途径(未公开)确定的数值应用插值函数而得到的，且需要利用乙醛分解的反应等式确定出stoechiometric系数，并需要确定出到达二氧化钛表面处的光子通量。

7.1光子通量

[111]在优化算法中，对光子通量的估算是一个重要步骤。为了进行该计算，采用了一种可视计算软件-例如SPEOS软件(法国Optis公司出品)。该软件通过按照物理定律计算光线的传播而确定出照度图表和光通量图表。可利用这些图表来确定出有关光强度在给定表面(F_SPEOS)上分布的空间函数：

$F_{\mathrm{SPEOS}}(x,y)=\underset{\mathrm{total}\_\mathrm{spectrum}}{\∫}I(\mathrm{\λ},x,y)\mathrm{d\λ}---\left(1.7\right)$

式中：

-x、y是表面上给定点的空间坐标；

-total_spectrum是所使用的照射灯的全部发射光谱；

-I是光强(W/m²/nm)；

-λ是辐射的波长(nm)。

[112]对于本发明的理论净化模型，必须要确定出光子通量-即单位时间内到达某一坐标点(x、y)的被照射表面的光子数。

[113]为了将从照度图表获得的数据与光子数(N_hv)关联起来，遵从了如下的假设：光强I(λ，x，y)可被分成三个起作用的成分：第一个成分就是光强的标准定额|I|；第二个成分I_s(x，y)只取决于位置点在所考虑表面上的空间位置；第三个成分代表的是光谱依存度I_λ(λ)。将后两个数值规范化。可得到下式：

I(λ，x，y)＝|I| I_s(x，y) I_λ(λ)             (1.8)

[114]通过导入光强的这一定义(1.8)，就可将到达被照射表面上点(x、y)的光子通量的公式改写为：

$\frac{{\mathrm{dN}}_{\mathrm{hv}}(x,y)}{\mathrm{dt}}=\frac{\left|I\right|{\stackrel{\‾}{I}}_s(x,y)}{N_{\mathrm{Avogadro}}}\left[\underset{0}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{gap}}}{\∫}}\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{\λ}\right)}{E_{\mathrm{hv}}\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{d\λ}\right]---\left(1.9\right)$

式中：E(hv)＝hv＝h.c/λ。

[115]如果光源的发射光谱是已知的(通常由照射灯制造商的提供)，则就可估算出对可被半导体吸收的各个波长的积分值。对于来自于飞利浦公司的CLEO型照射灯，已经注意到：光强的减弱取决于照射系统与被照射表面之间的距离。如果频谱是规则化的，则就能获得由制造商提供的照射灯的发射光谱。

[116]正规化的光子通量(F_hv，0)只能从由制造商提供的数据计算出，且在整个被照射表面上，该数值都是常数，因而，光子通量可被定义为：

${\stackrel{\‾}{F}}_{\mathrm{hv},0}=\frac{1}{N_{\mathrm{Avogadro}}}\left[\underset{0}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{gap}}}{\∫}}\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{\λ}\right)}{E_{\mathrm{hv}}\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{d\λ}\right]=\mathrm{9,695}x{10}^{-14}---(1.10)$

[117]如果比值(1.8)也被导入到公式(1.7)中，则可获得函数F_SPEOS的如下表达式：

$F_{\mathrm{SPEOS}}(x,y)=\left|I\right|{\stackrel{\‾}{I}}_s(x,y)\underset{\mathrm{total}\_\mathrm{spectrum}}{\∫}{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---(1.11)$

[118]在该表达式(1.11)中，一个可从光源制造商提供的数据直接计算出的数据项可被再一次求得：

${\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{source},0}=\underset{\mathrm{total}\_\mathrm{spectrum}}{\∫}{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}=\mathrm{3,909}x{10}^{-8}---(1.12)$

[119]如果将表达式(1.10、1.11、1.12)导入到计算单位时间内到达被照射表面的光子数的公式(1.9)中，则公式为：

$\frac{{\mathrm{dN}}_{\mathrm{hv}}(x,y)}{\mathrm{dt}}=F_{\mathrm{SPEOS}}(x,y)\frac{{\stackrel{\‾}{F}}_{\mathrm{hv},0}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{source},0}}---\left(1.13\right)$

(式中 F_hv，0/ I_source，0＝2.48*10^-6)。

[120]当利用该公式(1.13)、由SPEOS软件提供的照度图表(F_SPEOS(x，y))、以及光源的光谱数据时，就能计算出到达催化剂表面上各个位置点的光子通量。

7.2照度图表

[121]上一段中表明：在利用SPEOS软件获得的照度图表、以及光源光谱特性的基础上，本发明净化模型的所有有用数据都能得到。

[122]为了获得照度图表，将净化壁的三维模型导入到SPEOS软件中。至于用于进行流动模拟的几何模型，确定出必要的因素、重要的因素、以及可以忽略的因素。但是，在这三类因素中的每一个中确定出的因素不同于在CFD(计算流体动力学)计算中确定出的那些因素。CFD模拟的目的与SPEOS软件的目的是不同的，三类因素的列表通常是不同的。

[123]CLEO型的25W UVA照射灯、净化装置的前部和后部被包括在必要因素中，必要因素也即是其几何特性和空间位置与实际情况没有差异的那些因素。

[124]净化格栅被包括在主要因素中，重要因素也即是指几何模型中必须要考虑的、但可由不同于实际情况的几何参数和空间位置对其进行描述的那些因素。格栅3mm的厚度在照射计算中不会产生核心作用。由格栅厚度造成的阴影可被忽略不计。格栅被假定为二维平面。

[125]风扇、净化壁的顶部和底部以及垂直侧面、用于向不同电气系统供电的电气盒都被包括在可被忽略的因素(即其对模拟目的的影响可以忽略不计的因素)中。风扇、电气盒......可被忽略的原因在于：它们的制造材料在UVA波段范围内具有非常小的反射律，这就意味着：可将被反射向覆盖有二氧化钛的格栅表面的能量忽略不计。对于净化壁的顶部部分、底部部分、以及侧边部分，由于格栅与它们垂直，所以假定它们对格栅照射情况的影响也是可忽略不计的。

[126]一旦确定了几何模型中的各个因素之后，就将用于进行模拟的参数导入。所有的表面都由与光线科目的物理特性表征：所要考虑的光线反射类型-Lambertian型、高斯型或其它、......，反射类型取决于材料的表面状态；反射率对频谱的依存度等。对于光源而言，其发射光谱和功率被导入。

[127]利用SPEOS软件进行的模拟必须要提供到达每个多孔金属格栅上各个点能量值。为了获得该信息，必须要在照度图表上执行进一步的处理。事实上，照度图表是一些简单的平面二维表面，其记载了光线穿过其某一点的“数目”，由此而推导出在所考虑点处的能量数量(见图5.a)。类似地，SPEOS软件能画出一些特征曲线，这些曲线表达了由到达格栅的直接照射和间接照射所形成的光强(参见图5.b的示例)。

[128]进一步的简单处理在于将原始照度图表映射到多孔金属格栅的实际表面上。通过将原始照度图表与一个函数Γ(x，y)相乘就能简单地完成该操作，除了多孔金属所处的位置之外，该函数的数值均为零，在多孔金属位置的情况下，函数等于1。这样就获得了要被导入到净化模型中的光强图表(见图6)。

[129]有两种导入这些光强图表的方法：

1)将所有的数据导入到一个文件中，该文件将被以计算代码的形式应用；

2)定义一个数学函数，其描述了光强的空间分布。

[130]选择采用第二种方法，原因在于其能获得特定条件下的解析解。该数学函数具有如下的形式：

式中：

-F_SPEOS是描述了光强在所考虑表面上分布的空间函数；

-x、y是所考虑的点在被照射表面上的坐标；

-g(k_x、k_y)是函数F_SPEOS的傅立叶变换形式；

-k_x，k_y分别是随x、y(2π/λ_x，2π/λ_y)的波数；

-

是积分的实数部分；

-Γ(x，y)是压缩照度图表在多孔金属实际表面上的映射函数。

[131]这是一个傅立叶积分。该函数F_SPEOS(x，y)被用在本发明的净化模型中。对于光强的任何分布，都必须要将幅值为g(k_x、k_y)的平顶波在全部波数(0，∞)上积分。在我们的研究中，该傅立叶积分可被简化成一个傅立叶级数，原因在于：所研究系统的几何特性允许定义周期性。

[132]在第一种近似法中，将光强假定为在水平方向上是恒定的，这样就去除了傅立叶级数中x的影响。此外，照射灯分布在y坐标上的周期性允许用一个求和来取代积分，其中的求和是两照射灯之间距离的波长倍数：

$F_{\mathrm{SPEOS}}(x,y)=\mathrm{\Γ}(x,y)\mathrm{\Σ}{A}_j\cos \left(j\frac{2\mathrm{\π}}{d_{\mathrm{lamp}}}y\right)---\left(1.15\right)$

式中，A_j代表波j的幅值，d_lamp代表两行灯之间的距离。

[133]总体而言，该求和涉及无穷多个贡献因素。在某些情况下，只有最初少数几种模态的贡献因素是重要的，这样就允许将无穷求和缩减为有限个模态的求和。

[134]因而，为了获得函数F_SPEOS，对通过用SPEOS软件进行模拟所获得的原始照度图表进行了分析。该分析只是给出了未在表达式(1.15)中定义的参数-即傅立叶分解的系数A_j。

7.3渐进方程及限制条件

[135]净化装置的目的是对所针对空间中的空气体积执行连续的净化。因而，必须在稳定模式下研究净化装置的效率。因而，乙醛浓度的渐进方程是稳定的渐进方程(平流扩散方程)：

式中： 是空气的速度范围，C_A(kg/m³)是污染物A的浓度，D_A是污染物A的扩散系数，该系数是由分子的贡献成分与湍流的贡献成分组合而成的，T(K)是空气温度，p^tot(atm)是总压力，μ^t是湍流粘度。

[136]在净化壁外部构架的内部部件上，质量流的消去被保留为一个限制条件。在多孔金属格栅上，针对乙醛而引入了本发明的净化模型。将来自于SPEOS软件和净化参数插值函数的数据引入就能使表达式具体描述乙醛随时间的减少。

[137]对于净化壁尺寸设计的研究，必须要应用到净化壁进口处的浓度。由于将要计算净化装置在稳定模态下的效率，所以应用了1ppm_volume的恒定浓度。在出口处不施加任何条件。

7.4确定净化装置的效率

[138]为了设计净化装置的尺寸，必须要定义一条准则，以便于能评价净化性能。为此，将进入和离开净化装置的污染物流量定义为：

$Q_{A,\mathrm{int\; ake}-\mathrm{outlet}}=\underset{S_{\mathrm{int\; ake}}-S_{\mathrm{outlet}}}{\∫\∫}{C}_A\stackrel{\→}{u}\·\stackrel{\→}{n}\mathrm{dS}---\left(1.17\right)$

式中：

-Q_{A，intake-outlet}是污染物在净化装置进口或出口处的流量；

-C_A是净化装置进口或出口处的污染物浓度；

是净化装置进口或出口处的速度范围；

是所考虑的表面的法向量，在进口处，该法向量指向净化装置的内部，在出口处，该法向量指向出口的外部。

[139]基于污染物的流量，净化壁对污染物A的效率(η_A，wall)被定义为：

${\mathrm{\η}}_{A,\mathrm{wall}}=\frac{Q_{A,\mathrm{outlet}}-Q_{A,\mathrm{int\; ake}}}{Q_{A,\mathrm{int\; ake}}}---\left(1.18\right)$

[140]该定义式(1.18)所具有的数值可以在0(当系统完全无效时)与1(当系统最为有效时)之间变动，后者对应于净化装置不会将任何污染物重新引入到被清洁空间中的情况。

[141]图7总结了净化装置的优化算法。

7.5二维方法

[142]净化壁的几何结构允许用二维方案来取代完整的三维方案来解决问题。相比于沿

轴的垂直速度和水平速度，沿

轴(见图1)的速度分量可忽略不计。对净化装置的研究是在一个垂直剖面内进行的。除了两个端部之外，在净化壁的整个宽度范围内，三维效应可忽略不计，在两端部处，两垂直侧边的效应则可表现出来。在第一步的研究中，这些3D效果可被忽略，从而假定在整个净化壁中都是二维流动的情况。

[143]该二维方法允许使用从2D情况发展来的计算代码。

[144]在对净化壁的描述中，确定了其上淀积有催化剂-TiO₂的多孔金属网眼的尺寸。多孔金属格栅被定位在平面O， 上，该平面是与用来对流动进行二维处理所定义的垂直剖面相垂直的平面。为了对多孔金属进行建模，必须要针对其主要效果。多孔金属是用来淀积二氧化钛的。在模型中必须要保留的主要特征就是多孔金属表面与格栅总表面之间的比值(S_steel)。

[145]多孔金属被模型化为一个多孔壁，且该多孔壁上孔隙的尺寸能保持上述的表面比值(见图8：1个格栅与3个照射灯)。对于具有n_grates个多孔金属格栅的活性壁，二氧化钛的总表面面积等于：

S_TiO2＝2n_grateS_steelH_wallL_wall               (1.19)

[146]系数2表明在格栅的两侧上都淀积有二氧化钛。

[147]图9将净化壁的效率曲线综合为UVA灯行数的函数，且该函数取决于是否使用了一个或两个格栅，且循环是否为自然循环或强制循环。灯行数(4行灯)最多、两个格栅、且自然循环的情况能获得最高的效率。

[148]采用UVA通量作为TiO₂膜层的激发源会使得净化壁内部的温度升高。为了确定外部表面温度升高的特征曲线，在考虑了辐射热、对流热、传导热的前提下，采用了能计算出流动及温度范围的CFD软件。图10表示出了温升ΔT＝T-T0的一些实例，其作为壁高y的函数，依赖于灯的数目以及对流是自然进行还是强制进行。

Claims (15)

1.用于对居住房间的空气执行连续的光催化净化的装置，该装置优选地呈现墙板(1)的形式，其包括：

-一外部金属结构，其优选地用钢材制成；

-一开口(11)，其用于输入要被处理的空气，所述开口(11)位于所述墙板前表面(10)的下部；

-一内部金属构架(4)，在该构架上安装一组UVA灯(3)；

-一过滤器(2)，其包括一支撑件，所述支撑件被一膜层覆盖，该膜层中带有光催化性的二氧化钛(TiO₂)；

-一开口(12)，其用于将净化后的空气排出，该开口(12)位于所述墙板前表面(10)的上部，在所述装置内的空气流动由自然循环保证，或由至少一个风扇(5)实现的强制循环保证；

其特征在于：所述装置包括至少一个栅格(2)，所述栅格(2)由覆盖有一膜层的多孔金属制成，该膜层包含二氧化钛(TiO₂)——主要是呈锐钛相的二氧化钛，用于增大由UVA光线照射到的光催化剂面积。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述外部金属结构由钢材制成，或者拥有覆盖一薄层的内表面，该薄层对于波长小于400nm的光线的反射率大于90％。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述外部金属结构由光亮退火不锈钢制成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于：所述外部结构前表面(10)的宽度至少为1.5米，优选地是2米；并且，所述用于输入空气和排出空气的开口(11、12)为宽度相等的缝隙的形式，且其宽度值略小于前表面(10)的宽度，其高度大于3cm，优选地是等于5cm。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述开口(11、12)所处位置距离所述前表面(10)的相应底端和顶端至少为10cm，优选地是5cm。

6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述多孔金属是钢丝网，该钢丝网的全部网眼(6)表面(S_steel)都被TiO₂膜层覆盖，但网眼厚度上的表面例外，即：

$S_{\mathrm{steel}}=[{\mathrm{ws}}_{\mathrm{mesh}}\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{LD}}_{\mathrm{mesh}}}{2}\right)}^2}+{\left(\frac{{\mathrm{SD}}_{\mathrm{mesh}}}{2}\right)}^2-\frac{{\mathrm{st}}_{\mathrm{mesh}}^2}{2\sin \left(2\mathrm{arctg}\left(\frac{{\mathrm{SD}}_{\mathrm{mesh}}}{{\mathrm{LD}}_{\mathrm{mesh}}}\right)\right)}]$

式中：LD_mesh、SD_mesh、st_mesh分别指代网眼的长对角线、短对角线、以及网眼的股条。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述网眼(6)被选择为用以减小网眼物理表面(S_steel)与其总表面(S_mesh)之间的比值(s_steel)：

$S_{\mathrm{steel}}=\frac{S_{\mathrm{steel}}}{S_{\mathrm{mesh}}}=\frac{4}{{\mathrm{LD}}_{\mathrm{mesh}}{\mathrm{SD}}_{\mathrm{mesh}}}{S}_{\mathrm{steel}}$

所述比值优选地是1/3。

8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述格栅(2)在垂直方向上由固定件保持着，所述固定件只位于所述格栅的周边上。

9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述UVA灯(3)被布置成沿所述墙板的宽度方向以三个为一组。

10.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述风扇(5)为90°角的切向类型，且位于所述墙板的顶部，所述风扇的数目被选择为用于实现居住房间中空气的更新，所述更新量至少为30m²/小时/人。

11.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于：所述装置采用柱筒的形式，其横截面为圆形、矩形、或正方形，且柱筒具有至少一根沿其轴线布置的UVA发光管，并且所述发光管被覆盖有光催化性TiO₂的多孔金属格栅包围着，所述柱筒内表面具有大于90％的反射率。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的空气净化装置的用途，其通过二氧化钛的光催化作用，分解破坏烷烃、醇类、醛类、酮、芳香烃、以及萜烃等挥发性的有机化合物。

13.将根据权利要求1至10中任一项所述的空气净化装置的用途，其将所述空气净化装置以结构元件或装饰性元件的形式应用在建筑行业中，其中的元件例如是墙板、隔断墙、地板、天花板或活动天花板等，所述元件具有一外部金属表面，所述外部金属表面被石膏、油漆、壁纸等装饰层所覆盖。

14.根据权利要求11所述的空气净化装置的用途，其特征在于，以空气导管的形式使用所述空气净化装置。

15.根据权利要求1至10中任一项所述的空气净化元件的尺寸优化方法，该方法的特征在于包括如下的步骤：

a)确定所述装置的外部几何结构；

b)确定所述钢丝网格栅(2)和所述照射设备(3)的数目；

c)计算格栅的照度；如果光强不大于设定的误差阈值，返回到步骤b)；

d)计算空气流动和温度分布；如果钢质壁(11、15)受热温升，返回到步骤b)；

e)计算污染物浓度的改变；如果总的净化效率不大于规定的限度；返回到步骤b)；

f)获得优化尺寸的净化或去污元件。

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