凈化空調(diào)中應(yīng)用紫外輻照消毒技術(shù)改善空氣質(zhì)量和環(huán)境

1 引言

HVAC系統(tǒng)常處于濕工況, 其濕表面如冷卻盤(pán)管、滴水盤(pán)以及風(fēng)道等都是細(xì)菌、霉菌等滋生繁殖的溫床, 成為菌源、尖埃源和氣味源( 細(xì)菌的代謝物);而整個(gè)系統(tǒng)成為傳播媒介。在以控制微生物為目的的生物潔凈室中, 將會(huì)造成更為嚴(yán)重的后果, 尤其在醫(yī)院中, 更有造成交叉感染的危險(xiǎn), 這已被實(shí)踐反復(fù)證實(shí)。另外, 各種形式的空調(diào)系統(tǒng)的冷卻盤(pán)管表面一旦被霉菌等污染, 繼而沾染灰塵, 會(huì)造成換熱能力顯著下降, 導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加^[1]。

以控制細(xì)菌為目的的生物潔凈室在設(shè)計(jì)上套用工業(yè)潔凈室的方法, 僅重視含塵度或換氣次數(shù)等一些指標(biāo), 忽視細(xì)菌滋生源的控制, 違背了生物潔凈技術(shù)的宗旨。生物潔凈技術(shù)根本不存在控制粒徑的概念, 對(duì)微生物危害來(lái)說(shuō)不存在下限粒徑,微生物控制的宗旨是清除微生物的所有危害, 將細(xì)菌濃度控制在一定水平上^[2]。在醫(yī)院層流手術(shù)室引起術(shù)后感染的不是塵埃粒子, 而是某些特定條件的致病菌, 而且還要達(dá)到一定的濃度, 凈化只是達(dá)到這一目的的保障手段。潔凈度級(jí)別不同, 但在衛(wèi)生學(xué)上可能是等價(jià)的, 或者說(shuō)引起術(shù)后感染率可能無(wú)差異^[3]?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)資料表明, 即使是作為凈化空調(diào)系統(tǒng)重要組成部分的空氣過(guò)濾器, 其在對(duì)控制微生物方面并不是完全有效的, 有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化閉。所以, 這就要求對(duì)生物潔凈室微生物的污染及其引起的醫(yī)院感染作出更加有效的系統(tǒng)性的對(duì)策。從生物潔凈的意義上講,控制細(xì)菌繁殖應(yīng)該比除掉細(xì)菌更重要。

傳統(tǒng)的舒適性空調(diào)系統(tǒng)僅停留在對(duì)空氣的熱濕處理水平上, 而對(duì)空氣質(zhì)量的重視程度不夠, 尤其是空調(diào)系統(tǒng)中的微生物控制, 導(dǎo)致“ 病態(tài)建筑綜合癥” 發(fā)病情況越來(lái)越多, 對(duì)空調(diào)房間的空氣質(zhì)量抱怨不斷, 對(duì)身體健康和工作效率造成很大的影響。因投資及運(yùn)行費(fèi)用的限制, 舒適性空調(diào)系統(tǒng)不可能按照凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì), 這就需要尋求有效的、低投資的技術(shù)來(lái)解決舒適性空調(diào)系統(tǒng)的微生物污染問(wèn)題。

隨著生活水平提高及社會(huì)的發(fā)展, 人們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的微生物污染已經(jīng)相當(dāng)重視, 尤其是美國(guó)“ 9·11” 事件后發(fā)生的炭疽恐怖事件。國(guó)外的研究和實(shí)際應(yīng)用表明, 紫外輻照消毒(Ultvariolet Germicidal Irradiation)技術(shù)在HVAC系統(tǒng)中的應(yīng)用對(duì)控制微生物的生長(zhǎng)和傳播, 以及節(jié)能都是很有效的。美國(guó)GSA 最新設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)(#5 Mechanical,section 5.4,Drains and DrainPans)已經(jīng)推薦在空調(diào)的濕表面和滴水盤(pán)安裝紫外C 設(shè)備控制微生物的生長(zhǎng)和傳播。

2 UVGI技術(shù)簡(jiǎn)介

紫外線(xiàn)按波長(zhǎng)分為A、B、C 三個(gè)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)殺菌最有效, 殺菌作用最強(qiáng)的波段是250 ～270nm。當(dāng)微生物經(jīng)過(guò)紫外C 照射區(qū)域時(shí)紫外線(xiàn)會(huì)穿透微生物的細(xì)胞膜和細(xì)胞核, 破壞蛋白質(zhì)和核酸(DNA) 的分子鍵, 使其失去復(fù)制能力或失去活性, 從而達(dá)到殺菌消毒的目的。對(duì)微生物的殺滅率取決于其所吸收的紫外輻照劑量, 輻照

劑量為輻照強(qiáng)度與輻照時(shí)間的乘積。

現(xiàn)代UVGI消毒技術(shù)具有高效、廣譜、無(wú)二次污染、節(jié)約能耗、投資小和應(yīng)用靈活等顯著優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)在國(guó)外空氣消毒領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍也正在迅速拓展, 應(yīng)用形式越來(lái)越多樣化, 在空氣消毒領(lǐng)域內(nèi)的地位越來(lái)越重要, 已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 國(guó)內(nèi)外紫外技術(shù)的研究及應(yīng)用

3.1 國(guó)外情況

國(guó)外第一個(gè)UVGI水消毒裝置完成于1909年, 而第一個(gè)VUGI空氣消毒裝置直到20 世紀(jì)30年代年才出現(xiàn)。第一個(gè)UVGI空氣消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在1940年被提出, 其后續(xù)不同的版本被延用至今, 光強(qiáng)的計(jì)算基本上是按照這樣的原則: 在距燈管中心500mm以?xún)?nèi), 照射強(qiáng)度與距離成反比,在500mm以上, 照射強(qiáng)度大約與距離平方成反比。傳統(tǒng)的微生物受紫外輻照響應(yīng)模型如( l) 式所示,

式中S― 經(jīng)過(guò)時(shí)間t 后的細(xì)菌存活率%；

k ― 殺滅常數(shù)cm²(μW·s)；

I ― 光強(qiáng)拌μW/cm²時(shí)；

t ― 輻照時(shí)間s

以往設(shè)計(jì)方法的缺陷在于:

(l) 錯(cuò)誤地定義了光強(qiáng)場(chǎng), 這樣的計(jì)算方法與光探測(cè)儀得到的結(jié)果不同；

(2) 未闡明燈的位置和類(lèi)型；

(3) 忽視表面反射造成的光強(qiáng)場(chǎng)的變化；

(4 ) 相對(duì)濕度的修正僅限于對(duì)大腸桿菌的研究, 而忽視了對(duì)其它微生物的研究, 導(dǎo)致許多矛盾的結(jié)果出現(xiàn), 例如, 研究表明沙雷氏菌屬的殺滅常數(shù)隨著相對(duì)濕度的增加而減小, 而鏈球菌的殺滅常數(shù)隨相對(duì)濕度的增加而增加；

(5) 對(duì)微生物受紫外輻照的響應(yīng)分析不夠細(xì)致、全面, 在整個(gè)殺菌過(guò)程均使用如(l) 式的指數(shù)式衰減方程, 但當(dāng)輻照的時(shí)間較短或較長(zhǎng)的情況下,這種計(jì)算方法就不夠準(zhǔn)確。

所以設(shè)計(jì)者僅憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定系統(tǒng)。如只是用盡可能多的燈填滿(mǎn)斷面, 或者基于一些粗糙的試驗(yàn)。大量的設(shè)計(jì)是按照開(kāi)平方的原則來(lái)定義光強(qiáng)場(chǎng), 但這樣的模型對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)不夠準(zhǔn)確, 導(dǎo)致過(guò)高或過(guò)低的后果。過(guò)量設(shè)計(jì)的系統(tǒng), 盡管保險(xiǎn),但會(huì)造成昂貴的經(jīng)濟(jì)開(kāi)支以及能量浪費(fèi)。除了改善燈本身的設(shè)計(jì)外, 后來(lái)也沒(méi)有仔細(xì)研究引起VUGI 系統(tǒng)失敗的根本原因, 因?yàn)橄拘Ч环€(wěn)定, 導(dǎo)致VUGI 空氣消毒的應(yīng)用工業(yè)一直停滯了數(shù)十年。近幾年來(lái), 隨著紫外燈本身性能的提高, 紫外空氣消毒技術(shù)又呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。目前已對(duì)單燈系統(tǒng)進(jìn)行了比較全面深人的理論研究, 對(duì)光強(qiáng)場(chǎng)的計(jì)算提出了新的計(jì)算方法, 如(2) 式所示,該計(jì)算方法是將輻射角系數(shù)的概念引人到光強(qiáng)場(chǎng)的計(jì)算中來(lái), 使計(jì)算的準(zhǔn)確性大大提高。

式中I_s ― 任一點(diǎn)的紫外光強(qiáng)拜μW/cm²時(shí)；

E_uv ― 燈的紫外輸出功率召μW ；

F_tot― 總輻射角系數(shù)；

r ― 燈的半徑；

l― 燈的長(zhǎng)度。

對(duì)微生物受紫外輻照的響應(yīng)也提出了新的兩階段數(shù)學(xué)模型, 如(3) 式所示,

式中S― 經(jīng)過(guò)時(shí)間t 后的細(xì)菌存活率%；

k_f― 快速殺滅率常數(shù),cm²/(μWs)；

k_s―慢速殺滅率常數(shù),cm²/(μWs)；

f― 慢速殺滅階段的細(xì)菌占初始濃度的百分比(決定于k_s)。

新的設(shè)計(jì)計(jì)算方法使系統(tǒng)的性能, 效率大大提高, 同時(shí)降低了其一次投資。國(guó)外目前VU GI 技術(shù)應(yīng)用于很多種場(chǎng)合的微生物控制, 如風(fēng)道、過(guò)濾器、冷卻盤(pán)管, 以及其它空氣處理部件等。

對(duì)UVG I 技術(shù)與過(guò)濾器各自的作用也有了新的認(rèn)識(shí), 認(rèn)為過(guò)濾器與UVGI 系統(tǒng)結(jié)合使用時(shí),VUGI 起的是補(bǔ)充不足的作用而不是附加輔助的作用, 是不可替代的, 解決過(guò)濾器不能解決的問(wèn)題,特別是對(duì)以控制微生物為目的的生物潔凈室。高性能的反光材料對(duì)紫外空氣消毒效果也起著重要作用, 對(duì)消毒腔內(nèi)的一次反射及后續(xù)內(nèi)部反射對(duì)消毒效果的影響也正在進(jìn)行深人研究。另外, 在研究中現(xiàn),UVGI 技術(shù)還會(huì)帶來(lái)節(jié)能的效果, 因?yàn)樗鼤?huì)殺死生長(zhǎng)在冷卻盤(pán)管表面上的微生物, 同時(shí)也減少了灰塵附著的機(jī)會(huì), 使系統(tǒng)始終保持高效

率的熱交換^[4]。

3.2 國(guó)內(nèi)情況

國(guó)內(nèi)目前紫外消毒技術(shù)還是以靜態(tài)照射消毒為主, 應(yīng)用在一些專(zhuān)門(mén)、特定的場(chǎng)合, 如醫(yī)院層流手術(shù)室等, 其缺點(diǎn)是消毒時(shí)人員不能在場(chǎng)。八十年代, 國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了類(lèi)似于空氣自?xún)羝鞯难h(huán)風(fēng)紫外線(xiàn)空氣消毒滅菌裝置^[5], 但這種獨(dú)立的設(shè)備的循環(huán)范圍有限, 只能起到輔助作用。另外有專(zhuān)利文獻(xiàn)報(bào)道一種新型反照式紫外滅菌燈可在人員停留時(shí)對(duì)房間進(jìn)行消毒, 其原理是利用室內(nèi)空氣自然對(duì)流循環(huán)流過(guò)紫外燈, 而達(dá)到消毒的目的, 但靠自然對(duì)流產(chǎn)生的流量畢竟太小, 且人是最大的發(fā)菌源, 當(dāng)有人員活動(dòng)時(shí), 原來(lái)的滅菌效果很快就蕩然無(wú)存。

國(guó)產(chǎn)紫外燈性能也制約了紫外技術(shù)在空氣消毒領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用, 國(guó)產(chǎn)紫外燈壽命一般在1000 -2000小時(shí), 紫外輸出強(qiáng)度一般占燈總功率的5 -10 % ,臭氧發(fā)生量也較大。此外, 國(guó)內(nèi)對(duì)紫外光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)重視程度不夠, 這樣就會(huì)有可能造成事故。

4 幾種改善空氣質(zhì). 的手段分析

4.1 新風(fēng)

通風(fēng)可稀釋污染物濃度, 從而改善空氣品質(zhì),但不能消除污染源。另外, 因節(jié)能或運(yùn)行費(fèi)用的限制, 多數(shù)建筑的通風(fēng)量受到限制, 甚至嚴(yán)重不足。盡管常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都要考慮新風(fēng)量, 但首先補(bǔ)進(jìn)系統(tǒng)的新風(fēng)本身的質(zhì)量值得考慮,其次造成的負(fù)荷增加, 而且實(shí)際運(yùn)行管理如何也是很關(guān)鍵的。

4.2 過(guò)濾

過(guò)濾是空氣潔凈中最常用的手段, 用于過(guò)濾灰塵和病菌, 但不能完全去除細(xì)菌和病毒, 也不能阻止霉菌在濕表面上生長(zhǎng)。而且在實(shí)際使用中,在條件如濕度適宜、有一定的營(yíng)養(yǎng)源情況下, 過(guò)濾器也會(huì)滋生細(xì)菌。另外, 過(guò)濾精度越高的過(guò)濾器,系統(tǒng)的能耗也越大。

4.3 噴藥

使用藥物使房間內(nèi)有特殊的氣味, 藥物消毒時(shí)需控制投藥的劑量, 太少則影響消毒效果, 太多又容易造成二次污染, 而且微生物也會(huì)逐漸產(chǎn)生抗藥性。到目前為止, 還未發(fā)現(xiàn)對(duì)人無(wú)害而又能殺菌的消毒劑。

4.4 奧氧

臭氧有很強(qiáng)的殺菌能力, 但臭氧對(duì)人體有危害作用, 同時(shí)會(huì)對(duì)橡膠、鋼鐵等產(chǎn)生破壞作用。美國(guó)加利福尼亞EPA已忠告市民慎用臭氧消毒產(chǎn)品。

4.5 光催化

光催化是一項(xiàng)比較新的技術(shù), 但還不夠成熟,例如如何提高光能利用率, 如何有效清除其表面的污物, 特別是苯系物被氧化后在其表面形成的粘膜。

4 .6 靜電

靜電空氣凈化裝置難于實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)的體系,除塵凈化效率也不穩(wěn)定, 又容易產(chǎn)生二次場(chǎng)塵, 所以靜電空氣凈化裝置不得作為凈化空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)末級(jí)凈化設(shè)施, 也不得作為獨(dú)立機(jī)組直接設(shè)在潔凈層流手術(shù)室和潔凈輔助用房?jī)?nèi), 日本空氣清凈協(xié)會(huì)的空氣凈化手冊(cè)也明確說(shuō)明了這一點(diǎn)^[6]。

5 UVGI技術(shù)應(yīng)用中搖要研究的問(wèn)題

在吸收國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上, 應(yīng)發(fā)展符合我國(guó)國(guó)情的UVGI空氣消毒技術(shù), 尤其是在HVAC系統(tǒng)中的應(yīng)用, 需要研究的內(nèi)容大致如下:

(1) VU GI 消毒腔內(nèi)空氣流動(dòng)的計(jì)算流體力學(xué)

研究;

(2) 對(duì)多燈系統(tǒng)進(jìn)行深人研究；

(3) 編制動(dòng)態(tài)紫外消毒模擬計(jì)算程序, 包括光強(qiáng)場(chǎng)的計(jì)算程序和流場(chǎng)計(jì)算程序；

(4) 殺菌常數(shù)的研究；

(5) 詳細(xì)研究相對(duì)濕度對(duì)殺菌常數(shù)的影響；

(6) 研究和應(yīng)用高反光性的材料；

(7) 建立紫外空氣消毒設(shè)計(jì)的指導(dǎo)方針；

(8) 研究和發(fā)展如何使過(guò)濾系統(tǒng)和UVGI 技術(shù)更好配合, 優(yōu)化系統(tǒng)性能, 并降低能耗?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天, 任何一門(mén)技術(shù)都不能獨(dú)立地由某單一學(xué)科來(lái)完成,UVGI技術(shù)的研究工作需要光學(xué)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)、材料學(xué), 化學(xué)、空氣微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及暖通工程等相關(guān)學(xué)科協(xié)同進(jìn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

空氣調(diào)節(jié)技術(shù)不僅要在能源利用、能量的節(jié)約和回收、能量轉(zhuǎn)換和傳遞設(shè)備性能改進(jìn)、系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和優(yōu)化及計(jì)算機(jī)控制等方面繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā), 而且要進(jìn)一步研究創(chuàng)造有利于健康的適于人類(lèi)工作和生活的內(nèi)部空間環(huán)境。

目前改善空氣質(zhì)量的各種手段都不是萬(wàn)能的。必須針對(duì)具體問(wèn)題, 選擇不同技術(shù)和多種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用。尤其在以微生物控制為目的的生物潔凈室中, 可以UVGI 技術(shù)為主, 結(jié)合建筑設(shè)計(jì), 如人流、物流的路線(xiàn), 以及其它輔助措施, 如人員著裝、器材消毒以及加強(qiáng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理等, 從各個(gè)方面來(lái)控制微生物污染及其引起的感染。UVG I 技術(shù)作為一種控制經(jīng)由空氣途徑引起的微生物感染的技術(shù), 有著其自身的優(yōu)勢(shì), 在HVAC系統(tǒng)中的應(yīng)用在國(guó)際上剛剛開(kāi)始不久, 可以預(yù)見(jiàn)其無(wú)論在舒適性空調(diào)系統(tǒng)還是凈化空調(diào)系統(tǒng)中都將有廣闊的應(yīng)用前景, 對(duì)提高人民的生活質(zhì)量, 節(jié)約能耗, 具有重大意義。我國(guó)暖通技術(shù)始終與發(fā)達(dá)國(guó)家有差距, 目前一些相關(guān)規(guī)范也不健全, 我國(guó)應(yīng)盡快制定各種生物潔凈室的相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn), 同時(shí)UVGI技術(shù)也會(huì)將得到更快、更大的發(fā)展。

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