净化空调中应用(yòng)紫外辐照消毒技术改善空气质量和环境

1 引言

HVAC系统常处于湿工况, 其湿表面如冷却盘管、滴水盘以及风道等都是细菌、霉菌等滋生繁殖的温床, 成為(wèi)菌源、尖埃源和气味源( 细菌的代謝(xiè)物(wù));而整个系统成為(wèi)传播媒介。在以控制微生物(wù)為(wèi)目的的生物(wù)洁净室中, 将会造成更為(wèi)严重的后果, 尤其在医院中, 更有(yǒu)造成交叉感染的危险, 这已被实践反复证实。另外, 各种形式的空调系统的冷却盘管表面一旦被霉菌等污染, 继而沾染灰尘, 会造成换热能(néng)力显著下降, 导致系统能(néng)耗增加^[1]。

以控制细菌為(wèi)目的的生物(wù)洁净室在设计上套用(yòng)工业洁净室的方法, 仅重视含尘度或换气次数等一些指标, 忽视细菌滋生源的控制, 违背了生物(wù)洁净技术的宗旨。生物(wù)洁净技术根本不存在控制粒径的概念, 对微生物(wù)危害来说不存在下限粒径,微生物(wù)控制的宗旨是清除微生物(wù)的所有(yǒu)危害, 将细菌浓度控制在一定水平上^[2]。在医院层流手术室引起术后感染的不是尘埃粒子, 而是某些特定条件的致病菌, 而且还要达到一定的浓度, 净化只是达到这一目的的保障手段。洁净度级别不同, 但在卫生學(xué)上可(kě)能(néng)是等价的, 或者说引起术后感染率可(kě)能(néng)无差异^[3]。现有(yǒu)数据资料表明, 即使是作為(wèi)净化空调系统重要组成部分(fēn)的空气过滤器, 其在对控制微生物(wù)方面并不是完全有(yǒu)效的, 有(yǒu)时还会导致空气质量恶化闭。所以, 这就要求对生物(wù)洁净室微生物(wù)的污染及其引起的医院感染作出更加有(yǒu)效的系统性的对策。从生物(wù)洁净的意义上讲,控制细菌繁殖应该比除掉细菌更重要。

传统的舒适性空调系统仅停留在对空气的热湿处理(lǐ)水平上, 而对空气质量的重视程度不够, 尤其是空调系统中的微生物(wù)控制, 导致“ 病态建筑综合症” 发病情况越来越多(duō), 对空调房间的空气质量抱怨不断, 对身體(tǐ)健康和工作效率造成很(hěn)大的影响。因投资及运行费用(yòng)的限制, 舒适性空调系统不可(kě)能(néng)按照净化空调系统设计, 这就需要寻求有(yǒu)效的、低投资的技术来解决舒适性空调系统的微生物(wù)污染问题。

随着生活水平提高及社会的发展, 人们对空调系统的微生物(wù)污染已经相当重视, 尤其是美國(guó)“ 9·11” 事件后发生的炭疽恐怖事件。國(guó)外的研究和实际应用(yòng)表明, 紫外辐照消毒(Ultvariolet Germicidal Irradiation)技术在HVAC系统中的应用(yòng)对控制微生物(wù)的生長(cháng)和传播, 以及节能(néng)都是很(hěn)有(yǒu)效的。美國(guó)GSA 最新(xīn)设备标准(#5 Mechanical,section 5.4,Drains and DrainPans)已经推荐在空调的湿表面和滴水盘安装紫外C 设备控制微生物(wù)的生長(cháng)和传播。

2 UVGI技术简介

紫外線(xiàn)按波長(cháng)分(fēn)為(wèi)A、B、C 三个波段和真空紫外線(xiàn),

A 波段320 ～ 400nm,B波段275 ～ 320nm,C波200 ～275nm, 真空紫外線(xiàn)100 ～200nm。其中C 波段紫外線(xiàn)杀菌最有(yǒu)效, 杀菌作用(yòng)最强的波段是250 ～270nm。当微生物(wù)经过紫外C 照射區(qū)域时紫外線(xiàn)会穿透微生物(wù)的细胞膜和细胞核, 破坏蛋白质和核酸(DNA) 的分(fēn)子键, 使其失去复制能(néng)力或失去活性, 从而达到杀菌消毒的目的。对微生物(wù)的杀灭率取决于其所吸收的紫外辐照剂量, 辐照

剂量為(wèi)辐照强度与辐照时间的乘积。

现代UVGI消毒技术具有(yǒu)高效、广谱、无二次污染、节约能(néng)耗、投资小(xiǎo)和应用(yòng)灵活等显著优点。该技术在國(guó)外空气消毒领域内的应用(yòng)范围也正在迅速拓展, 应用(yòng)形式越来越多(duō)样化, 在空气消毒领域内的地位越来越重要, 已取得了显著的经济效益和社会效益。

3 國(guó)内外紫外技术的研究及应用(yòng)

3.1 國(guó)外情况

國(guó)外第一个UVGI水消毒装置完成于1909年, 而第一个VUGI空气消毒装置直到20 世纪30年代年才出现。第一个UVGI空气消毒系统的设计方法在1940年被提出, 其后续不同的版本被延用(yòng)至今, 光强的计算基本上是按照这样的原则: 在距灯管中心500mm以内, 照射强度与距离成反比,在500mm以上, 照射强度大约与距离平方成反比。传统的微生物(wù)受紫外辐照响应模型如( l) 式所示,

式中S― 经过时间t 后的细菌存活率%；

k ― 杀灭常数cm²(μW·s)；

I ― 光强拌μW/cm²时；

t ― 辐照时间s

以往设计方法的缺陷在于:

(l) 错误地定义了光强场, 这样的计算方法与光探测仪得到的结果不同；

(2) 未阐明灯的位置和类型；

(3) 忽视表面反射造成的光强场的变化；

(4 ) 相对湿度的修正仅限于对大肠杆菌的研究, 而忽视了对其它微生物(wù)的研究, 导致许多(duō)矛盾的结果出现, 例如, 研究表明沙雷氏菌属的杀灭常数随着相对湿度的增加而减小(xiǎo), 而链球菌的杀灭常数随相对湿度的增加而增加；

(5) 对微生物(wù)受紫外辐照的响应分(fēn)析不够细致、全面, 在整个杀菌过程均使用(yòng)如(l) 式的指数式衰减方程, 但当辐照的时间较短或较長(cháng)的情况下,这种计算方法就不够准确。

所以设计者仅凭经验来确定系统。如只是用(yòng)尽可(kě)能(néng)多(duō)的灯填满断面, 或者基于一些粗糙的试验。大量的设计是按照开平方的原则来定义光强场, 但这样的模型对系统设计来说不够准确, 导致过高或过低的后果。过量设计的系统, 尽管保险,但会造成昂贵的经济开支以及能(néng)量浪费。除了改善灯本身的设计外, 后来也没有(yǒu)仔细研究引起VUGI 系统失败的根本原因, 因為(wèi)消毒效果不稳定, 导致VUGI 空气消毒的应用(yòng)工业一直停滞了数十年。近几年来, 随着紫外灯本身性能(néng)的提高, 紫外空气消毒技术又(yòu)呈现出蓬勃发展的势头。目前已对单灯系统进行了比较全面深人的理(lǐ)论研究, 对光强场的计算提出了新(xīn)的计算方法, 如(2) 式所示,该计算方法是将辐射角系数的概念引人到光强场的计算中来, 使计算的准确性大大提高。

式中I_s ― 任一点的紫外光强拜μW/cm²时；

E_uv ― 灯的紫外输出功率召μW ；

F_tot― 总辐射角系数；

r ― 灯的半径；

l― 灯的長(cháng)度。

对微生物(wù)受紫外辐照的响应也提出了新(xīn)的两阶段数學(xué)模型, 如(3) 式所示,

式中S― 经过时间t 后的细菌存活率%；

k_f― 快速杀灭率常数,cm²/(μWs)；

k_s―慢速杀灭率常数,cm²/(μWs)；

f― 慢速杀灭阶段的细菌占初始浓度的百分(fēn)比(决定于k_s)。

新(xīn)的设计计算方法使系统的性能(néng), 效率大大提高, 同时降低了其一次投资。國(guó)外目前VU GI 技术应用(yòng)于很(hěn)多(duō)种场合的微生物(wù)控制, 如风道、过滤器、冷却盘管, 以及其它空气处理(lǐ)部件等。

对UVG I 技术与过滤器各自的作用(yòng)也有(yǒu)了新(xīn)的认识, 认為(wèi)过滤器与UVGI 系统结合使用(yòng)时,VUGI 起的是补充不足的作用(yòng)而不是附加辅助的作用(yòng), 是不可(kě)替代的, 解决过滤器不能(néng)解决的问题,特别是对以控制微生物(wù)為(wèi)目的的生物(wù)洁净室。高性能(néng)的反光材料对紫外空气消毒效果也起着重要作用(yòng), 对消毒腔内的一次反射及后续内部反射对消毒效果的影响也正在进行深人研究。另外, 在研究中现,UVGI 技术还会带来节能(néng)的效果, 因為(wèi)它会杀死生長(cháng)在冷却盘管表面上的微生物(wù), 同时也减少了灰尘附着的机会, 使系统始终保持高效

率的热交换^[4]。

3.2 國(guó)内情况

國(guó)内目前紫外消毒技术还是以静态照射消毒為(wèi)主, 应用(yòng)在一些专门、特定的场合, 如医院层流手术室等, 其缺点是消毒时人员不能(néng)在场。八十年代, 國(guó)内开发了类似于空气自净器的循环风紫外線(xiàn)空气消毒灭菌装置^[5], 但这种独立的设备的循环范围有(yǒu)限, 只能(néng)起到辅助作用(yòng)。另外有(yǒu)专利文(wén)献报道一种新(xīn)型反照式紫外灭菌灯可(kě)在人员停留时对房间进行消毒, 其原理(lǐ)是利用(yòng)室内空气自然对流循环流过紫外灯, 而达到消毒的目的, 但靠自然对流产生的流量毕竟太小(xiǎo), 且人是最大的发菌源, 当有(yǒu)人员活动时, 原来的灭菌效果很(hěn)快就荡然无存。

國(guó)产紫外灯性能(néng)也制约了紫外技术在空气消毒领域内的应用(yòng), 國(guó)产紫外灯寿命一般在1000 -2000小(xiǎo)时, 紫外输出强度一般占灯总功率的5 -10 % ,臭氧发生量也较大。此外, 國(guó)内对紫外光强的监测重视程度不够, 这样就会有(yǒu)可(kě)能(néng)造成事故。

4 几种改善空气质. 的手段分(fēn)析

4.1 新(xīn)风

通风可(kě)稀释污染物(wù)浓度, 从而改善空气品质,但不能(néng)消除污染源。另外, 因节能(néng)或运行费用(yòng)的限制, 多(duō)数建筑的通风量受到限制, 甚至严重不足。尽管常规的空调系统设计中都要考虑新(xīn)风量, 但首先补进系统的新(xīn)风本身的质量值得考虑,其次造成的负荷增加, 而且实际运行管理(lǐ)如何也是很(hěn)关键的。

4.2 过滤

过滤是空气洁净中最常用(yòng)的手段, 用(yòng)于过滤灰尘和病菌, 但不能(néng)完全去除细菌和病毒, 也不能(néng)阻止霉菌在湿表面上生長(cháng)。而且在实际使用(yòng)中,在条件如湿度适宜、有(yǒu)一定的营养源情况下, 过滤器也会滋生细菌。另外, 过滤精度越高的过滤器,系统的能(néng)耗也越大。

4.3 喷药

使用(yòng)药物(wù)使房间内有(yǒu)特殊的气味, 药物(wù)消毒时需控制投药的剂量, 太少则影响消毒效果, 太多(duō)又(yòu)容易造成二次污染, 而且微生物(wù)也会逐渐产生抗药性。到目前為(wèi)止, 还未发现对人无害而又(yòu)能(néng)杀菌的消毒剂。

4.4 奥氧

臭氧有(yǒu)很(hěn)强的杀菌能(néng)力, 但臭氧对人體(tǐ)有(yǒu)危害作用(yòng), 同时会对橡胶、钢铁等产生破坏作用(yòng)。美國(guó)加利福尼亚EPA已忠告市民(mín)慎用(yòng)臭氧消毒产品。

4.5 光催化

光催化是一项比较新(xīn)的技术, 但还不够成熟,例如如何提高光能(néng)利用(yòng)率, 如何有(yǒu)效清除其表面的污物(wù), 特别是苯系物(wù)被氧化后在其表面形成的粘膜。

4 .6 静電(diàn)

静電(diàn)空气净化装置难于实现多(duō)指标的體(tǐ)系,除尘净化效率也不稳定, 又(yòu)容易产生二次场尘, 所以静電(diàn)空气净化装置不得作為(wèi)净化空调系统的送风末级净化设施, 也不得作為(wèi)独立机组直接设在洁净层流手术室和洁净辅助用(yòng)房内, 日本空气清净协会的空气净化手册也明确说明了这一点^[6]。

5 UVGI技术应用(yòng)中摇要研究的问题

在吸收國(guó)外研究成果的基础上, 应发展符合我國(guó)國(guó)情的UVGI空气消毒技术, 尤其是在HVAC系统中的应用(yòng), 需要研究的内容大致如下:

(1) VU GI 消毒腔内空气流动的计算流體(tǐ)力學(xué)

研究;

(2) 对多(duō)灯系统进行深人研究；

(3) 编制动态紫外消毒模拟计算程序, 包括光强场的计算程序和流场计算程序；

(4) 杀菌常数的研究；

(5) 详细研究相对湿度对杀菌常数的影响；

(6) 研究和应用(yòng)高反光性的材料；

(7) 建立紫外空气消毒设计的指导方针；

(8) 研究和发展如何使过滤系统和UVGI 技术更好配合, 优化系统性能(néng), 并降低能(néng)耗。科(kē)學(xué)技术发展到今天, 任何一门技术都不能(néng)独立地由某单一學(xué)科(kē)来完成,UVGI技术的研究工作需要光學(xué)、電(diàn)子技术、控制技术、计算流體(tǐ)力學(xué)、材料學(xué), 化學(xué)、空气微生物(wù)學(xué)、医學(xué)、实验技术以及暖通工程等相关學(xué)科(kē)协同进行。

6 结语

空气调节技术不仅要在能(néng)源利用(yòng)、能(néng)量的节约和回收、能(néng)量转换和传递设备性能(néng)改进、系统的技术经济分(fēn)析和优化及计算机控制等方面继续研究和开发, 而且要进一步研究创造有(yǒu)利于健康的适于人类工作和生活的内部空间环境。

目前改善空气质量的各种手段都不是万能(néng)的。必须针对具體(tǐ)问题, 选择不同技术和多(duō)种技术联合应用(yòng)。尤其在以微生物(wù)控制為(wèi)目的的生物(wù)洁净室中, 可(kě)以UVGI 技术為(wèi)主, 结合建筑设计, 如人流、物(wù)流的路線(xiàn), 以及其它辅助措施, 如人员着装、器材消毒以及加强空调系统的运行管理(lǐ)等, 从各个方面来控制微生物(wù)污染及其引起的感染。UVG I 技术作為(wèi)一种控制经由空气途径引起的微生物(wù)感染的技术, 有(yǒu)着其自身的优势, 在HVAC系统中的应用(yòng)在國(guó)际上刚刚开始不久, 可(kě)以预见其无论在舒适性空调系统还是净化空调系统中都将有(yǒu)广阔的应用(yòng)前景, 对提高人民(mín)的生活质量, 节约能(néng)耗, 具有(yǒu)重大意义。我國(guó)暖通技术始终与发达國(guó)家有(yǒu)差距, 目前一些相关规范也不健全, 我國(guó)应尽快制定各种生物(wù)洁净室的相关规范、标准, 同时UVGI技术也会将得到更快、更大的发展。

参考文(wén)献

   1 Heinemann,S,H,N.Nolard.( 1994) Biocontaminationin air-conditioning.Health imp]icanonsof fungi in indoor envionments.R.A. Samson.Amsterdam.Elevier:179,

   2沈晋明黄霞生物(wù)洁净技术与微生物(wù)控制洁净与空调技术2002，2:8 -12

   3唐会杰沈晋明医院洁净层流手术室的室内空调参数分(fēn)析洁净与空调技术2002，2:24 - 27

   4 Shaughnessy,R,E，LeVetin,and C.Rogers.(1999)”The dffects of UV -C on biological contamination ofAHUs in a com-mercial office buildinS: Preliminary results．”Indoor Environment

99：195 - 202．

   5许钟麟空气洁净技术原理(lǐ)同济大學(xué)出版社1998．4：325.  326 - 330

   6《医院洁净手术部建设标准》第五章第三十条．