中央空調管道中應用紫外線消毒的研究

徐夢萱，郝 魁

（天津糧濱投資有限公司，天津 300042）

1 引言

紫外線消毒有著悠久的歷史，早在上個世紀20年代就已取得了廣泛的應用，從1936年開始在手術室中應用紫外線消毒技術，1937年首次在學校中應用該技術減少風麻疹的傳播，并取得了令人滿意的成功。紫外線殺菌屬于純物理消毒方法，具有簡單便捷、廣譜高效、無二次污染、便于管理和實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。殺菌紫外線特指波長范圍在200~275 nm的C波段紫外線。目前，國外在對于結核病的防治中大量采用該項技術，但是國外的大量研究成果以及參考文獻中很少有關于中央空調風道中應用紫外線消毒技術的內容。

從歷史上看，在空調風道中采用紫外線消毒的確在20世紀六七十年代就提出并應用，由于效果有限，近20多年來已很少采用。2003年SARS疫情暴發(fā)后期，有人建議對于無法按全新風運行的全空氣空調系統(tǒng)中應對SARS疫情可在空調回風總管內或其他部位安裝紫外線燈，其照射強度時間為6 000~7 000μW.s/cm2，也可采用其他可靠的消毒或過濾裝置，如高效過濾器或靜電除菌裝置等。圖1給出了通常紫外線燈在風道中的布置示意圖，對于風道中紫外線消毒能否取得理想的效果，在后面內容中將進行詳細分析。

2 紫外線強度的計算

紫外線的消毒主要與紫外線的輻射強度I、照射時間t以及所殺滅微生物的特定死亡常數(shù)有關。紫外線殺菌機理是通過紫外線的照射，破壞或改變微生物的DNA脫氧核糖核酸結構，使細菌當即死亡或不能繁殖后代，從而達到殺菌的目的。不同種類的微生物對紫外線的敏感度不同，真菌孢子抵抗力最強，次之為芽孢，再次為革蘭氏陽性菌。革蘭氏陰性桿菌最易被紫外線殺死。紫外線消毒的數(shù)學表達式如下所示：

式中：S：暴露在紫外線下的細菌數(shù)量。

k：標準死亡率常數(shù)，cm2/μW·s。

I：紫外線輻射強度，μW/cm2。

t：照射時間，s。

可以看出，紫外線的輻射強度是影響其消毒效率的關鍵因素之一。文章正是對紫外線輻射強度計算模型進行分析研究，以便確定較為準確的強度計算公式，方便以后的科學研究。

關于紫外線強度的計算模型，國內主要采用的方法是在距照射源50 cm以外，照射強度大約與距離平方成反比；在距照射源50 cm以內，照射強度與距離成反比。根據(jù)上述計算原則，我們通過模擬計算和實際測量來考量20 W的紫外線照射在不同距離下產生的照射強度，其實驗結果見圖2。

圖2 傳統(tǒng)計算結果與測試結果的比較

從圖2中，可以明顯看出，雖然傳統(tǒng)的計算公式能夠計算出不同距離下的紫外線強度，但是如果數(shù)據(jù)的擬合程度不高，傳統(tǒng)的計算公式顯然不能夠完全滿足精確計算要求。文章將引用輻射角系數(shù)法計算輻射強度。

式中：l：燈的橫斷面長度，cm；

x：任意點到燈的距離，cm；

r：燈的半徑，cm；

Fd1-2（x，l，r）：燈的輻射角系數(shù)，無量綱。

應用上述角系數(shù)公式，可以得出紫外線燈輻射強度的計算公式，見公式7。同時，利用輻射角系數(shù)公式，計算出距燈不同距離下的紫外線輻射強度，見圖3。

式中：EUV：紫外線燈的輸出功率，μW；

I：不同位置下的輻射強度，μW/cm2。

圖3 20 W燈的角系數(shù)計算值與實驗測試值的對比

從圖3的對比結果可以看出，應用輻射角系數(shù)法計算出的輻射強度要比運用傳統(tǒng)的計算方法得出的結果更準確一些。

3 風道中紫外線燈試驗研究

前面已經分析了紫外線強度的計算公式。如果將紫外線燈布置在空調風道內對流動空氣進行消毒的話，情況則復雜得多，要考慮多方面的因素：①紫外線照射源單源照射強度；②多紫外線照射源的疊加強度；③風道壁對紫外線的反射作用。涉及紫外線反射計算的方法是相當復雜的，在工程應用中極為不便，由此我們通過對不同材質風道內表面不同情況的實驗對比，對紫外線強度在風道中的分布進行進一步研究。實驗所用不銹鋼風道為6.0 m×6.0 m，風道內設置3處15 W紫外線照射源，系統(tǒng)示意圖見圖1。為了通過試驗檢測風道內壁對紫外線反射的影響，分別進行風道內壁敷設拋光的鋁鉑、敷設黑布以及不加反射物質3種工況。系統(tǒng)中采用3處15 W紫外線照射源，在距燈500 mm、800 mm處設置測量隔柵，通過測量隔柵來確定測試點的位置，然后用紫外線輻射照度計測量輻射強度。

多紫外線照射源的輻射強度是通過輻射角系數(shù)公式分別計算3處紫外線照射源對空間某點的輻射強度，然后采用數(shù)學疊加的方法計算該點的總強度，計算結果見表1。表中的測量結果是在敷設黑布、忽略反射因素下的紫外線強度值，不難看出計算結果與測量結果比較吻合。

在測量中還發(fā)現(xiàn)風道內壁的材質不同，對于紫外線強度的影響比較大，具體情況見圖4。圖中的測點1~5即為圖1中各個測點。

表1 測量值與計算值對比表 μW/cm2

圖4 不同材質敷設內壁的風道的強度對比圖

從圖4不難看出，使用不同材料對風道內壁進行敷設對紫外線強度分布的影響比較大。試驗測量結果表明，使用鋁鉑敷設風道內壁時要比使用黑布敷設風道內壁的紫外線強度平均提高20%~30%左右。由于計算紫外線反射強度十分復雜，從工程角度來看，按照20%左右來估算鋁鉑襯里的反射強度是合適的。

4 中央空調風道內紫外線強度及殺菌效果的分析

前面已經對紫外線殺菌強度的計算方法以及其準確性進行了分析，確定了合理的計算方法，同時根據(jù)試驗研究結果得到了安裝鋁箔襯里能夠增加20%輻射強度的結論?，F(xiàn)對風道中布置紫外線燈對流動空氣進行滅菌的效果進行分析。這里按照衛(wèi)生部消毒技術規(guī)范所規(guī)定的最低照射劑量7 000μW.s/cm2為依據(jù)，計算在1 m見方的風道斷面中，風速為8 m/s的條件下，滿足上述照射劑量的紫外線燈布置的需求量。

首先根據(jù)燈管的長度以及布置美觀的要求，假定每500 mm的距離安裝一組3根紫外線照射源，計算模型見圖5，這里管道長度為7 m，燈管數(shù)量為45根。在計算中我們逐一計算了每排照射源對斷面AD產生的輻射強度，通過疊加所有強度得到該斷面的最終強度。按同樣的方法我們也逐一計算了每排照射源對管道邊緣斷面上產生的輻射強度，同樣通過疊加得到管道邊緣斷面的最終強度，再取兩個斷面輻射強度的平均值作為該段風道輻射強度的平均值。不難看出，即便按照如此大密度的排布方式，中心斷面的平均輻射強度約為6 000μW/cm2，邊緣斷面的平均輻射強度約為2 000μW/cm2，在這7 m長的風道中的紫外線平均輻射強度僅約為4 000μW/cm2。同時，考慮到安裝鋁箔襯里提高管道反射，增加20%的輻射強度，則管道內的總輻射強度為5 400 μW/cm2。

圖5 1×1 m風道安裝紫外線燈示意圖（AD斷面為中間斷面）

依據(jù)上述紫外線照射源布置方案測算，要達到7 000μW.s/cm2的輻照劑量，被處理空氣至少要在風道內滯留約1.3 s。若按通常情況下風道設計風速8 m/s計算，滿足上述的輻照劑量所需的風道長度應為10 m，應布設30 W紫外線照射源數(shù)量約為66只的紫外線燈。

5 結論

紫外線作為一種普遍使用、歷史悠久的消毒手段，對中央空調系統(tǒng)的殺菌能夠起到十分重要的作用。文章通過輻射角系數(shù)計算方法來計算紫外線燈所產生的輻射強度，獲得了十分準確的計算數(shù)據(jù)，同時分析了不同反射材料對紫外線燈強度的影響，得到了添加鋁箔襯里的風道能夠提高紫外線強度20%的結論，為風道內合理計算安裝燈管的數(shù)量作出了貢獻。

同時，本文依據(jù)殺菌最低輻照劑量，計算了在風道中需要安裝的殺菌紫外線燈管的數(shù)量，結論為：在10 m長的風道內安裝66只紫外線燈（共約2 000 W），就可以達到7 000μW.s/cm2的輻照劑量，起到對快速流動的氣體（8 m/s）進行殺菌處理的作用。