净化空调中应用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, 成为菌源、尖埃源和气味源( 细菌的代谢物);而整个系统成为传播媒介。在以控制微生物为目的的生物洁净室中, 将会造成更为严重的后果, 尤其在医院中, 更有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, 会造成换热能力显著下降, 导致系统能耗增加^[1]。

以控制细菌为目的的生物洁净室在设计上套用工业洁净室的方法, 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, 违背了生物洁净技术的宗旨。生物洁净技术根本不存在控制粒径的概念, 对微生物危害来说不存在下限粒径,微生物控制的宗旨是清除微生物的所有危害, 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, 但在卫生学上可能是等价的, 或者说引起术后感染率可能无差异^[3]。现有数据资料表明, 即使是作为净化空调系统重要组成部分的空气过滤器, 其在对控制微生物方面并不是完全有效的, 有时还会导致空气质量恶化闭。所以, 这就要求对生物洁净室微生物的污染及其引起的医院感染作出更加有效的系统性的对策。从生物洁净的意义上讲,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控制, 导致“ 病态建筑综合症” 发病情况越来越多, 对空调房间的空气质量抱怨不断, 对身体健康和工作效率造成很大的影响。因投资及运行费用的限制, 舒适性空调系统不可能按照净化空调系统设计, 这就需要寻求有效的、低投资的技术来解决舒适性空调系统的微生物污染问题。

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污染已经相当重视, 尤其是美国“ 9·11” 事件后发生的炭疽恐怖事件。国外的研究和实际应用表明, 紫外辐照消毒(Ultvariolet Germicidal Irradiation)技术在HVAC系统中的应用对控制微生物的生长和传播, 以及节能都是很有效的。美国GSA 最新设备标准(#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 设备控制微生物的生长和传播。

2 UVGI技术简介

紫外线按波长分为A、B、C 三个波段和真空紫外线,

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

剂量为辐照强度与辐照时间的乘积。

现代UVGI消毒技术具有高效、广谱、无二次污染、节约能耗、投资小和应用灵活等显著优点。该技术在国外空气消毒领域内的应用范围也正在迅速拓展, 应用形式越来越多样化, 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 国内外紫外技术的研究及应用

3.1 国外情况

国外第一个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的研究, 导致许多矛盾的结果出现, 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, 而链球菌的杀灭常数随相对湿度的增加而增加；

(5) 对微生物受紫外辐照的响应分析不够细致、全面, 在整个杀菌过程均使用如(l) 式的指数式衰减方程, 但当辐照的时间较短或较长的情况下,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。如只是用尽可能多的灯填满断面, 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量浪费。除了改善灯本身的设计外, 后来也没有仔细研究引起VUGI 系统失败的根本原因, 因为消毒效果不稳定, 导致VUGI 空气消毒的应用工业一直停滞了数十年。近几年来, 随着紫外灯本身性能的提高, 紫外空气消毒技术又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论研究, 对光强场的计算提出了新的计算方法, 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― 灯的长度。

对微生物受紫外辐照的响应也提出了新的两阶段数学模型, 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比(决定于k_s)。

新的设计计算方法使系统的性能, 效率大大提高, 同时降低了其一次投资。国外目前VU GI 技术应用于很多种场合的微生物控制, 如风道、过滤器、冷却盘管, 以及其它空气处理部件等。

对UVG I 技术与过滤器各自的作用也有了新的认识, 认为过滤器与UVGI 系统结合使用时,VUGI 起的是补充不足的作用而不是附加辅助的作用, 是不可替代的, 解决过滤器不能解决的问题,特别是对以控制微生物为目的的生物洁净室。高性能的反光材料对紫外空气消毒效果也起着重要作用, 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 技术还会带来节能的效果, 因为它会杀死生长在冷却盘管表面上的微生物, 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 国内情况

国内目前紫外消毒技术还是以静态照射消毒为主, 应用在一些专门、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在场。八十年代, 国内开发了类似于空气自净器的循环风紫外线空气消毒灭菌装置^[5], 但这种独立的设备的循环范围有限, 只能起到辅助作用。另外有专利文献报道一种新型反照式紫外灭菌灯可在人员停留时对房间进行消毒, 其原理是利用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, 且人是最大的发菌源, 当有人员活动时, 原来的灭菌效果很快就荡然无存。

国产紫外灯性能也制约了紫外技术在空气消毒领域内的应用, 国产紫外灯寿命一般在1000 -2000小时, 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, 国内对紫外光强的监测重视程度不够, 这样就会有可能造成事故。

4 几种改善空气质. 的手段分析

4.1 新风

通风可稀释污染物浓度, 从而改善空气品质,但不能消除污染源。另外, 因节能或运行费用的限制, 多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风量, 但首先补进系统的新风本身的质量值得考虑,其次造成的负荷增加, 而且实际运行管理如何也是很关键的。

4.2 过滤

过滤是空气洁净中最常用的手段, 用于过滤灰尘和病菌, 但不能完全去除细菌和病毒, 也不能阻止霉菌在湿表面上生长。而且在实际使用中,在条件如湿度适宜、有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,系统的能耗也越大。

4.3 喷药

使用药物使房间内有特殊的气味, 药物消毒时需控制投药的剂量, 太少则影响消毒效果, 太多又容易造成二次污染, 而且微生物也会逐渐产生抗药性。到目前为止, 还未发现对人无害而又能杀菌的消毒剂。

4.4 奥氧

臭氧有很强的杀菌能力, 但臭氧对人体有危害作用, 同时会对橡胶、钢铁等产生破坏作用。美国加利福尼亚EPA已忠告市民慎用臭氧消毒产品。

4.5 光催化

光催化是一项比较新的技术, 但还不够成熟,例如如何提高光能利用率, 如何有效清除其表面的污物, 特别是苯系物被氧化后在其表面形成的粘膜。

4 .6 静电

静电空气净化装置难于实现多指标的体系,除尘净化效率也不稳定, 又容易产生二次场尘, 所以静电空气净化装置不得作为净化空调系统的送风末级净化设施, 也不得作为独立机组直接设在洁净层流手术室和洁净辅助用房内, 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技术应用中摇要研究的问题

在吸收国外研究成果的基础上, 应发展符合我国国情的UVGI空气消毒技术, 尤其是在HVAC系统中的应用, 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体力学

研究;

(2) 对多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, 并降低能耗。科学技术发展到今天, 任何一门技术都不能独立地由某单一学科来完成,UVGI技术的研究工作需要光学、电子技术、控制技术、计算流体力学、材料学, 化学、空气微生物学、医学、实验技术以及暖通工程等相关学科协同进行。

6 结语

空气调节技术不仅要在能源利用、能量的节约和回收、能量转换和传递设备性能改进、系统的技术经济分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的。必须针对具体问题, 选择不同技术和多种技术联合应用。尤其在以微生物控制为目的的生物洁净室中, 可以UVGI 技术为主, 结合建筑设计, 如人流、物流的路线, 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等, 从各个方面来控制微生物污染及其引起的感染。UVG I 技术作为一种控制经由空气途径引起的微生物感染的技术, 有着其自身的优势, 在HVAC系统中的应用在国际上刚刚开始不久, 可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广阔的应用前景, 对提高人民的生活质量, 节约能耗, 具有重大意义。我国暖通技术始终与发达国家有差距, 目前一些相关规范也不健全, 我国应尽快制定各种生物洁净室的相关规范、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沈晋明黄霞生物洁净技术与微生物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同济大学出版社1998．4：325.  326 - 330

   6《医院洁净手术部建设标准》第五章第三十条．