紫外除菌技术在空调系统微生物污染控制中的应用

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　　摘要：紫外除菌作为空气消毒的重要方法之一，目前已在空调系统得到了较为广泛的应用。本文介绍了紫外除菌技术的基本原理及影响其杀菌效果的主要因素，并结合国内外最新的研究情况，对紫外线表面消毒法与流动空气消毒法在空调系统微生物污染控制中的应用进行了综述与探讨，同时指出目前应用与研究中所存在的问题，为空调紫外除菌技术的发展提供理论依据与实践基础。
　　关键词：紫外除菌；空调；微生物污染
　　Application of UVGI on Microbial Contamination Controlling in HVAC
　　Xiao Rongbao1; Yan Hanbin2; Ding Lixing2
　　(1. Guangdong ECHO Engineering Ltd., Zhongshan 528447, China;
　　2. Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)
　　Abstract: As a critical measure to disinfect bacteria, UVGI had been applied widely in HVAC. The basic principle and influence factors of UVGI were introduced. Combining domestic and foreign latest research, the application of UVGI in the surface and flow of HVAC, and the existing problems was summarized. It was hoped to provide theoretical and the practical basis to the development of UVGI.
　　Key-words: UVGI; Air-conditioning system; Microbial contamination
　　
　　0 引言
　　 空调系统微生物污染已成为危害公众健康的“隐形杀手”。 近年来，国内外科研工作者对空气微生物污染所作的调查表明，空调系统中存有大量的不同种类的微生物，其中包括引起人体过敏反应和果蔬腐烂的各类真（霉）菌、引发军团病的嗜肺军团杆菌、引起炭疽病的炭疽芽孢杆菌、引起人类肠道疾病的大肠杆菌，甚至引起非典型肺炎的SARS病毒等[1-3]。这些微生物往往具有潜在的致病性和致敏性，不仅会给生活室内外环境带来不良气味，引起果蔬和馆藏的腐烂霉变，同时还可能造成接触人员的变态反应甚至其他严重的呼吸道疾病[4-6]。实现空调机组及其系统有效的微生物控制对保护人类健康和食品安全有着极其重要的意义。
　　 紫外（UV）消毒是上世纪20年代初发展起来的控制病原微生物通过空气传播的重要方法，同时也是目前空调洁净技术中较为常用的方法之一。研究表明，紫外辐射可明显除去通风系统表面的细菌和真菌，同时对于室内空气中的微生物也具有很好的抑制作用[7]。ASHRAE也曾经提出，将UVC灯炮安装在空调系统的通风管道中，可以有效地杀灭其中的微生物[8]。
　　 随着军团菌事件接二连三的发生和人们对室内空气品质（IAQ）的不断重视，紫外除菌逐渐在空调领域得到了应用，并迅速成为国内外研究的一大热点。然而紫外线的穿透力有限，而且容易产生紫外线与臭氧等副作用，直接危害室内人员的健康，使得这一技术的应用受到了极大的限制。进一步提高紫外除菌的效率，防止紫外线辐射，拓宽紫外线在空调系统中的应用，是当前研究的必然趋势。为此，文章结合国内外最新研究情况，分析了紫外除菌的影响因素，并对其在空调系统中的应用进行综述与探讨，为空调紫外除菌技术的发展提供理论依据与实践基础。
　　1 紫外除菌技术的基本原理
　　 紫外消毒的杀菌原理是利用紫外线光子的能量破坏介质中各种病毒、细菌以及其它致病体的DNA结构，从而使各种病毒、细菌以及其它致病体丧失复制繁殖能力，达到灭菌的效果[9]。
　　 紫外线根据其产生生物效应的不同，可分为A、B、C三个波段，其中A波段(UV-A)，又称黑斑效应紫外线， 波长范围在400-320nm；B波段(UV-B)，又称红斑效应紫外线，波长范围在320-290nm；C波段(UV-C)，波长范围在290―100nm，称为消毒紫外段，其杀菌作用最强。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。对微生物的杀灭率取决于其所吸收的紫外辐照剂量，其关系可用公式1表示[10]。
　　 （1）
　　 式中，为t时刻系统中残存的微生物数；为初始菌数；为衰减常数，；为辐射强度，；t为照射时间。
　　2 影响紫外除菌效率的主要因素
　　 根据紫外线对微生物的杀灭率的计算公式（公式1）可知，影响紫外除菌效率的基本因素有：微生物种类；紫外辐射的强度；紫外照射时间。事实上，影响紫外除菌效率的因素远不止这三类，环境温度、空气相对湿度、洁净度、紫外线的照射角度与距离等因素，都会对紫外线的杀菌效率产生重大的影响。
　　 （1）微生物的种类
　　 不同种类的微生物，对紫外线的抗性不同，因而其在紫外线下的衰减常数（κ）会有所差异[11]。例如真菌孢子和芽孢杆菌会产生芽孢等抗逆性结构，来抵抗紫外线的照射，其衰减常数要比其它种类的微生物小得多。
　　 （2）紫外辐射的强度
　　 紫外灯的照射强度是影响紫外除菌效率最主要的因素之一。一般说来，紫外强度越强，消毒的效果越好。目前我国基层医院紫外消毒所需要的强度一般不低于70[12]。
　　 （3）紫外照射时间
　　 采用紫外线进行空气除菌时，微生物只有在吸收一定剂量的紫外辐射后才会失去活性[13]，因而在实际应用中，紫外消毒的时间不能太短，否则达不到消毒除菌的要求。对实验室或无菌操作台进行紫外消毒时，消毒时间一般不低于20分钟。
　　 （4）环境温度
　　 温度对紫外线的消毒效果具有显著的影响，宿双宁等[14]的研究表明，在所有影响紫外消毒效果的因素中，温度对紫外线杀灭率影响最大。于玺华等[8]则认为，环境温度会对紫外线的强度产生重要影响，间接地影响了紫外线的消毒效果。环境温度在5～37℃时，对紫外线灯杀菌效果影响不大，室温在20～40℃范围内，紫外线的照射强度最大且稳定。卫生部消毒技术规范推荐的最佳紫外消毒温度为25℃。
　　 （5）空气相对湿度
　　 空气中的湿度增大，空气中的颗粒也随之增大，这样就阻断了紫外线的穿透力，从而使紫外线的杀菌率降低。因此，在进行紫外消毒时，应注意室内的干燥。一般情况下，紫外线消毒时，室内相对湿度最好控制在50%以下[15]。
　　 （6）紫外线的照射角度与距离
　　 照射角度是影响紫外线强度的重要因素，它与紫外线强度存在以下关系：
　　 （2）
　　 式中，为紫外灯的输出功率；为角系数；为灯的半径（cm）；为灯管的长度。
　　 紫外灯的照射距离也会对紫外线的强度产生影响，距离越大，强度越小[16]。

　　 （7）其它影响因素
　　 紫外线消毒效果除受上述因素影响外，空气洁净度、灯管表面的洁净度与反光性、微生物所在的介质以及紫外灯的电压等因素也会影响紫外线的除菌效果，其中电压是影响紫外线强度的最主要因素[17]。
　　3 紫外除菌技术在空调系统中的应用
　　 紫外除菌技术在空气洁净领域的应用起源于上世纪30年代，经过70多年的发展，目前紫外除菌技术已经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[18]。其应用形式主要可以分类两类：表面消毒与空气消毒。空气消毒又包括静态照射消毒与流动空气消毒。
　　3.1 空调各系统的表面消毒
　　 早在1973年欧洲就开始采用紫外线照射来控制空调机组内微生物的滋生，紫外灯一般布置在表冷器上风侧或过滤器下风侧。相关研究表明，在距表冷器或凝水盘1米处使用15W 紫外灯直接照射足够长时间就能达到灭菌的目的[19]。Menzies等（1999）探索了紫外辐射杀菌在空调系统上的可行性，发现紫外辐射可明显除去通风系统表面的细菌和真菌[20]。Salata等（2007）也研究了紫外灯对空调系统高效过滤器中的真菌的杀灭效果，结果表明，在空调系统中安装短波紫外灯可有效减少空气中黑曲霉和放线菌的浓度，并且紫外的杀灭效果随着空调系统相对湿度的减少而增加[21]。
　　 但是，由于紫外线的穿透力不强，在机组内部阴暗处等细菌容易滋生的地方，表面照射消毒难以达到理想的消毒效果。目前紫外消毒在空调系统表面消毒的应用主要集中在过滤网（器）、风管表面、冷却器表面与蒸发盘管上[19]。
　　3.2 流动空气消毒
　　3.2.1 一次性消毒
　　 一次性消毒指的是将紫外灯安装在系统内部，空气一次性流过时受到紫外灯的照射，其内部微生物被紫外线杀灭。根据紫外灯安装部位的不同，可以分为风管内照法与房间上照法两种。
　　 （1）风管内照法
　　 风管内照法一般将紫外灯设置在回风管内，以防污染空调送风或通过集中回风形成交叉传播。由于摩外新风中的病原微生物含量很少，直径较大的细菌芽胞可以被过滤器有效阻留下来，新风管道一般不设紫外灯。但对于一些特殊的医疗场所，如艾滋病病房，由于病人的免疫力较差，室外新风也必须经过严格消毒方可送入室内。
　　 张超杰等（2004）在中央空调回风管内安装紫外线灯管，照射1h后，空气中细菌总数可以维持在2500cfu／m3。以下，说明中央空调安装紫外线杀菌灯管后，对室内空气循环消毒，能有效地杀灭空气中的细菌繁殖体[22]。Josset等（2007）更设计了一种新型的紫外光反应器，可有效处理大流量空气气流中的军团菌污染[23]。刘明等（2010）介绍了紫外线消毒技术的应用情况, 分析了紫外线辐射消毒在通风空调系统中应用的可行性, 认为紫外线消毒装置与空气过滤器组合使用才能发挥出更大的效应, 在通风空调系统中宜将紫外线消毒装置设置在空气处理机组内盘管的出口侧[24]。
　　 采用风管内照法可有效避免紫外线对人体的辐射。在医院隔离病房等疾病容易传播的场所，使用紫外灯在回风段对空气进行循环消毒，可以大量减少对补给新风的要求，降低能耗，提高系统运行的经济性。由于风管内设置紫外灯的安装、检修、维护等有一定难度，对空气安全性要求较高的场合，建议风管内照法与其它消毒方法配合一起使用[19]。
　　 （2）房间上照法
　　 房间上照法控制室内微生物污染的研究始于1900年，紫外灯悬挂在房间上部或固定在墙上，灯管下安装具有反射特性的屏蔽材料，使紫外光直接射向房间上部空间，避免照射室内人员。上照法的消毒效果取决于房间下部污染空气与上部消毒空气的混合程度[19]。
　　 Beggs等（2002）研究了房间上照法紫外除菌的效果，表明提高上部空间的辐射强度可以增强紫外线消毒的效果，但提高空间辐射强度应以增加紫外灯的数量和合理布局为主，不应只增加单根紫外灯的功率[25]。Peng等（2003）也测试了紫外上照法对空调微生物的抑制作用，并研究了通风率、气流组织换气次数、紫外灯空间三维分布、相对湿度和微生物种类对紫外消毒效果的影响[26]。
　　 上照法紫外线消毒，房间气流组织形式宜采用上送下回。送风气流从房间顶部送入，经照射消毒后向下流动；房间下部人员活动区温度较高的污染气流上升，在房间内形成空气循环，提高了杀菌率。但上照法也存在一定的局限性，如房间的上部必须保证足够大的紫外照射空间，又应避免紫外灯照射到下部人员[19]。
　　3.2.2 循环空气消毒
　　 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，但这种独立的设备的循环范围有限，只能起到辅助作用[18]。
　　 进入21世纪以来，我国空调洁净技术飞速发展，紫外除菌在空调领域的研究也取得了重大突破。刘叶弟等（2003）研究了车厢内空气紫外消毒的可行性，并提出铁路空调客车车厢内循环空气的紫外线消毒的可行方案，同时对空调装置的送风量、消毒效果和紫外线灯的数量、布置之间的关系及安全保障措施还应通过试验进行优化[27]。吴耀杰等（2005）研究紫外线在空调系统中的利用方法，并根据紫外线消毒原理，设计了一种针对中央空调系统空气消毒的新型管道紫外线消毒机，进一步提高了空调系统中紫外设备对病原微生物的消毒效果[28]。
　　 循环空气消毒是一种自净式空气消毒器,紫外灯和高效过滤器组合安装在带有风机驱动的装置内。该装置对室内空气具有很好的消毒效果，单通路循环的除菌效率，对细菌繁殖体为99％，对细菌芽胞也可达80％左右[29]。
　　 循环消毒的效果与消毒器的摆放位置有很大关系。当房间体积较大时，为保证室内足够的空气流过消毒器，风机转速就必须加大，会造成室内人员有吹风感，影响人的舒适性。降低风速后，室内空气的自净次数也随之减少，消毒效果得不到保证。因此，独立紫外消毒只适用于房间体积小或局部消毒净化的场合[19]。
　　4 空调紫外除菌技术所存在的问题
　　 紫外线消毒在中央空调系统中已有许多成功的应用，但其实际应用中也存在的一些问题也值得重视：
　　 （1）紫外线照射灭菌虽对微生物有较好的杀灭作用，但紫外线的穿透力有限，微生物可能生长在裂缝处、阴影区如保温层处、积水处而使紫外线照射灭菌不能充分照射到，对其效果有很大的影响；另外，有些种类的微生物如芽胞、真菌孢子等，对紫外线的抵抗力很强，不易被杀死，加之风管内照法气流照射时间有限，不可能保证对所有微生物都有效[30]，所以对其杀菌方法需进一步探讨。
　　 （2）紫外除菌技术容易带来副作用。研究表明，空调通风系统的紫外灯开启后，室内人员的皮肤疹和刺激会比不开紫外灯更加频繁，另外如果处理得不好，还可以产生一定的紫外线辐射与臭氧[20]，危害到室内人员的安全与健康，因此在实际应用时一定要严防紫外线的泄露，并采取相应安全防范措施，防止臭氧的产生。
　　 （3）中央空调系统的结构复杂，存在较多的空气污染环节，而紫外线的除菌效果有限，为了清除空气微生物污染，仍然需要定期对过滤器、出回风口、凝结水盘等进行清洁消毒，以保证安装中央空调系统的公共场所空气卫生质量。
　　 （4）目前相对湿度、紫外照射的三维空调分布等因素对紫外除菌率效果的影响研究较少，对微生物受紫外辐照的响应分析不够细致、全面，因而设计者往往是仅凭经验确定系统，这就导致了设计出来的紫外除菌方案不尽合理，剂量高会造成昂贵的经济开支以及能量浪费，过低则会使得消毒效果不稳定。因此加强紫外除菌技术的基础研究，是空调紫外除菌技术发展不可或缺的重要组成部分。
　　5 前景与展望
　　 紫外除菌技术作为一种控制病原微生物通过空气传播的重要技术方法，有着其自身的优势，但目前紫外除菌技术在空调系统中的应用还处于研究阶段，相信经过大量的基础研究与良好的设计，特别是与光催化等空气洁净技术相联合后，其在空调系统微生物污染控制方面的重要地位将会更加凸显，无论在舒适性空调系统还是洁净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。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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