凈化空調中應用紫外輻照消毒技術改善空氣質量和環(huán)境

1 引言

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

以控制細菌為目的的生物潔凈室在設計上套用工業(yè)潔凈室的方法, 僅重視含塵度或換氣次數等一些指標, 忽視細菌滋生源的控制, 違背了生物潔凈技術的宗旨。生物潔凈技術根本不存在控制粒徑的概念, 對微生物危害來說不存在下限粒徑,微生物控制的宗旨是清除微生物的所有危害, 將細菌濃度控制在一定水平上^[2]。在醫(yī)院層流手術室引起術后感染的不是塵埃粒子, 而是某些特定條件的致病菌, 而且還要達到一定的濃度, 凈化只是達到這一目的的保障手段。潔凈度級別不同, 但在衛(wèi)生學上可能是等價的, 或者說引起術后感染率可能無差異^[3]。現有數據資料表明, 即使是作為凈化空調系統(tǒng)重要組成部分的空氣過濾器, 其在對控制微生物方面并不是完全有效的, 有時還會導致空氣質量惡化閉。所以, 這就要求對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)性的對策。從生物潔凈的意義上講,控制細菌繁殖應該比除掉細菌更重要。

傳統(tǒng)的舒適性空調系統(tǒng)僅停留在對空氣的熱濕處理水平上, 而對空氣質量的重視程度不夠, 尤其是空調系統(tǒng)中的微生物控制, 導致“ 病態(tài)建筑綜合癥” 發(fā)病情況越來越多, 對空調房間的空氣質量抱怨不斷, 對身體健康和工作效率造成很大的影響。因投資及運行費用的限制, 舒適性空調系統(tǒng)不可能按照凈化空調系統(tǒng)設計, 這就需要尋求有效的、低投資的技術來解決舒適性空調系統(tǒng)的微生物污染問題。

隨著生活水平提高及社會的發(fā)展, 人們對空調系統(tǒng)的微生物污染已經相當重視, 尤其是美國“ 9·11” 事件后發(fā)生的炭疽恐怖事件。國外的研究和實際應用表明, 紫外輻照消毒(Ultvariolet Germicidal Irradiation)技術在HVAC系統(tǒng)中的應用對控制微生物的生長和傳播, 以及節(jié)能都是很有效的。美國GSA 最新設備標準(#5 Mechanical,section 5.4,Drains and DrainPans)已經推薦在空調的濕表面和滴水盤安裝紫外C 設備控制微生物的生長和傳播。

2 UVGI技術簡介

紫外線按波長分為A、B、C 三個波段和真空紫外線,

A 波段320 ～ 400nm,B波段275 ～ 320nm,C波200 ～275nm, 真空紫外線100 ～200nm。其中C 波段紫外線殺菌最有效, 殺菌作用最強的波段是250 ～270nm。當微生物經過紫外C 照射區(qū)域時紫外線會穿透微生物的細胞膜和細胞核, 破壞蛋白質和核酸(DNA) 的分子鍵, 使其失去復制能力或失去活性, 從而達到殺菌消毒的目的。對微生物的殺滅率取決于其所吸收的紫外輻照劑量, 輻照

劑量為輻照強度與輻照時間的乘積。

現代UVGI消毒技術具有高效、廣譜、無二次污染、節(jié)約能耗、投資小和應用靈活等顯著優(yōu)點。該技術在國外空氣消毒領域內的應用范圍也正在迅速拓展, 應用形式越來越多樣化, 在空氣消毒領域內的地位越來越重要, 已取得了顯著的經濟效益和社會效益。

3 國內外紫外技術的研究及應用

3.1 國外情況

國外第一個UVGI水消毒裝置完成于1909年, 而第一個VUGI空氣消毒裝置直到20 世紀30年代年才出現。第一個UVGI空氣消毒系統(tǒng)的設計方法在1940年被提出, 其后續(xù)不同的版本被延用至今, 光強的計算基本上是按照這樣的原則: 在距燈管中心500mm以內, 照射強度與距離成反比,在500mm以上, 照射強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模型如( l) 式所示,

式中S― 經過時間t 后的細菌存活率%；

k ― 殺滅常數cm²(μW·s)；

I ― 光強拌μW/cm²時；

t ― 輻照時間s

以往設計方法的缺陷在于:

(l) 錯誤地定義了光強場, 這樣的計算方法與光探測儀得到的結果不同；

(2) 未闡明燈的位置和類型；

(3) 忽視表面反射造成的光強場的變化；

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

(5) 對微生物受紫外輻照的響應分析不夠細致、全面, 在整個殺菌過程均使用如(l) 式的指數式衰減方程, 但當輻照的時間較短或較長的情況下,這種計算方法就不夠準確。

所以設計者僅憑經驗來確定系統(tǒng)。如只是用盡可能多的燈填滿斷面, 或者基于一些粗糙的試驗。大量的設計是按照開平方的原則來定義光強場, 但這樣的模型對系統(tǒng)設計來說不夠準確, 導致過高或過低的后果。過量設計的系統(tǒng), 盡管保險,但會造成昂貴的經濟開支以及能量浪費。除了改善燈本身的設計外, 后來也沒有仔細研究引起VUGI 系統(tǒng)失敗的根本原因, 因為消毒效果不穩(wěn)定, 導致VUGI 空氣消毒的應用工業(yè)一直停滯了數十年。近幾年來, 隨著紫外燈本身性能的提高, 紫外空氣消毒技術又呈現出蓬勃發(fā)展的勢頭。目前已對單燈系統(tǒng)進行了比較全面深人的理論研究, 對光強場的計算提出了新的計算方法, 如(2) 式所示,該計算方法是將輻射角系數的概念引人到光強場的計算中來, 使計算的準確性大大提高。

式中I_s ― 任一點的紫外光強拜μW/cm²時；

E_uv ― 燈的紫外輸出功率召μW ；

F_tot― 總輻射角系數；

r ― 燈的半徑；

l― 燈的長度。

對微生物受紫外輻照的響應也提出了新的兩階段數學模型, 如(3) 式所示,

式中S― 經過時間t 后的細菌存活率%；

k_f― 快速殺滅率常數,cm²/(μWs)；

k_s―慢速殺滅率常數,cm²/(μWs)；

f― 慢速殺滅階段的細菌占初始濃度的百分比(決定于k_s)。

新的設計計算方法使系統(tǒng)的性能, 效率大大提高, 同時降低了其一次投資。國外目前VU GI 技術應用于很多種場合的微生物控制, 如風道、過濾器、冷卻盤管, 以及其它空氣處理部件等。

對UVG I 技術與過濾器各自的作用也有了新的認識, 認為過濾器與UVGI 系統(tǒng)結合使用時,VUGI 起的是補充不足的作用而不是附加輔助的作用, 是不可替代的, 解決過濾器不能解決的問題,特別是對以控制微生物為目的的生物潔凈室。高性能的反光材料對紫外空氣消毒效果也起著重要作用, 對消毒腔內的一次反射及后續(xù)內部反射對消毒效果的影響也正在進行深人研究。另外, 在研究中現,UVGI 技術還會帶來節(jié)能的效果, 因為它會殺死生長在冷卻盤管表面上的微生物, 同時也減少了灰塵附著的機會, 使系統(tǒng)始終保持高效

率的熱交換^[4]。

3.2 國內情況

國內目前紫外消毒技術還是以靜態(tài)照射消毒為主, 應用在一些專門、特定的場合, 如醫(yī)院層流手術室等, 其缺點是消毒時人員不能在場。八十年代, 國內開發(fā)了類似于空氣自凈器的循環(huán)風紫外線空氣消毒滅菌裝置^[5], 但這種獨立的設備的循環(huán)范圍有限, 只能起到輔助作用。另外有專利文獻報道一種新型反照式紫外滅菌燈可在人員停留時對房間進行消毒, 其原理是利用室內空氣自然對流循環(huán)流過紫外燈, 而達到消毒的目的, 但靠自然對流產生的流量畢竟太小, 且人是最大的發(fā)菌源, 當有人員活動時, 原來的滅菌效果很快就蕩然無存。

國產紫外燈性能也制約了紫外技術在空氣消毒領域內的應用, 國產紫外燈壽命一般在1000 -2000小時, 紫外輸出強度一般占燈總功率的5 -10 % ,臭氧發(fā)生量也較大。此外, 國內對紫外光強的監(jiān)測重視程度不夠, 這樣就會有可能造成事故。

4 幾種改善空氣質. 的手段分析

4.1 新風

通風可稀釋污染物濃度, 從而改善空氣品質,但不能消除污染源。另外, 因節(jié)能或運行費用的限制, 多數建筑的通風量受到限制, 甚至嚴重不足。盡管常規(guī)的空調系統(tǒng)設計中都要考慮新風量, 但首先補進系統(tǒng)的新風本身的質量值得考慮,其次造成的負荷增加, 而且實際運行管理如何也是很關鍵的。

4.2 過濾

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

4.3 噴藥

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

4.4 奧氧

臭氧有很強的殺菌能力, 但臭氧對人體有危害作用, 同時會對橡膠、鋼鐵等產生破壞作用。美國加利福尼亞EPA已忠告市民慎用臭氧消毒產品。

4.5 光催化

光催化是一項比較新的技術, 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現多指標的體系,除塵凈化效率也不穩(wěn)定, 又容易產生二次場塵, 所以靜電空氣凈化裝置不得作為凈化空調系統(tǒng)的送風末級凈化設施, 也不得作為獨立機組直接設在潔凈層流手術室和潔凈輔助用房內, 日本空氣清凈協(xié)會的空氣凈化手冊也明確說明了這一點^[6]。

5 UVGI技術應用中搖要研究的問題

在吸收國外研究成果的基礎上, 應發(fā)展符合我國國情的UVGI空氣消毒技術, 尤其是在HVAC系統(tǒng)中的應用, 需要研究的內容大致如下:

(1) VU GI 消毒腔內空氣流動的計算流體力學

研究;

(2) 對多燈系統(tǒng)進行深人研究；

(3) 編制動態(tài)紫外消毒模擬計算程序, 包括光強場的計算程序和流場計算程序；

(4) 殺菌常數的研究；

(5) 詳細研究相對濕度對殺菌常數的影響；

(6) 研究和應用高反光性的材料；

(7) 建立紫外空氣消毒設計的指導方針；

(8) 研究和發(fā)展如何使過濾系統(tǒng)和UVGI 技術更好配合, 優(yōu)化系統(tǒng)性能, 并降低能耗。科學技術發(fā)展到今天, 任何一門技術都不能獨立地由某單一學科來完成,UVGI技術的研究工作需要光學、電子技術、控制技術、計算流體力學、材料學, 化學、空氣微生物學、醫(yī)學、實驗技術以及暖通工程等相關學科協(xié)同進行。

6 結語

空氣調節(jié)技術不僅要在能源利用、能量的節(jié)約和回收、能量轉換和傳遞設備性能改進、系統(tǒng)的技術經濟分析和優(yōu)化及計算機控制等方面繼續(xù)研究和開發(fā), 而且要進一步研究創(chuàng)造有利于健康的適于人類工作和生活的內部空間環(huán)境。

目前改善空氣質量的各種手段都不是萬能的。必須針對具體問題, 選擇不同技術和多種技術聯合應用。尤其在以微生物控制為目的的生物潔凈室中, 可以UVGI 技術為主, 結合建筑設計, 如人流、物流的路線, 以及其它輔助措施, 如人員著裝、器材消毒以及加強空調系統(tǒng)的運行管理等, 從各個方面來控制微生物污染及其引起的感染。UVG I 技術作為一種控制經由空氣途徑引起的微生物感染的技術, 有著其自身的優(yōu)勢, 在HVAC系統(tǒng)中的應用在國際上剛剛開始不久, 可以預見其無論在舒適性空調系統(tǒng)還是凈化空調系統(tǒng)中都將有廣闊的應用前景, 對提高人民的生活質量, 節(jié)約能耗, 具有重大意義。我國暖通技術始終與發(fā)達國家有差距, 目前一些相關規(guī)范也不健全, 我國應盡快制定各種生物潔凈室的相關規(guī)范、標準, 同時UVGI技術也會將得到更快、更大的發(fā)展。

參考文獻

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   3唐會杰沈晉明醫(yī)院潔凈層流手術室的室內空調參數分析潔凈與空調技術2002，2:24 - 27

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   5許鐘麟空氣潔凈技術原理同濟大學出版社1998．4：325.  326 - 330

   6《醫(yī)院潔凈手術部建設標準》第五章第三十條．