基于空氣品質(zhì)的船用空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)空氣凈化技術(shù)

趙自兵，徐 謙，田正軍，劉 臣，黃 戈，錢新春

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200041）

0 引言

客船上的旅客絕大數(shù)時間都在室內(nèi)度過，室內(nèi)空氣品質(zhì)會直接影響旅客的健康和滿意度，而客船是一個比較封閉的室內(nèi)環(huán)境，客船內(nèi)空氣品質(zhì)需通過空調(diào)通風(fēng)（Heating, Ventilation and Air Conditioning，HVAC）系統(tǒng)來保證。隨著新冠疫情的暴發(fā)，人們也越來越注重客船的室內(nèi)空氣環(huán)境的安全性。

目前，客船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計存在很大誤區(qū)，在設(shè)計過程中過于追求系統(tǒng)的節(jié)能性和乘客舒適度以獲得更大的經(jīng)濟(jì)利益，但忽視了室內(nèi)的空氣質(zhì)量。很多客船面臨室內(nèi)空氣中灰塵和細(xì)菌濃度增加的問題。此外，有機(jī)合成材料在客船室內(nèi)裝修上的廣泛應(yīng)用，散發(fā)大量揮發(fā)性有機(jī)化合物。這些污染物導(dǎo)致客船內(nèi)的空氣品質(zhì)惡化，進(jìn)而造成乘客和船員出現(xiàn)病態(tài)反應(yīng)。

新冠病毒在“鉆石公主”號上的廣泛傳播，引起各界對客船內(nèi)空氣質(zhì)量問題的廣泛關(guān)注。雖然全新風(fēng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)可通過稀釋室內(nèi)空氣來提高空氣品質(zhì)，但對于來自室外的空氣污染，依舊需要依靠空氣凈化裝置。使用空氣凈化裝置是保證客船內(nèi)空氣品質(zhì)最直接的方法，利用空氣濾器過濾空氣中的污染物，利用消殺裝置殺死空氣中的細(xì)菌和病毒。本文對客船內(nèi)空氣污染物的特點和常用的空氣凈化裝置進(jìn)行介紹，并對空氣凈化裝置在中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的運用進(jìn)行分析和討論。

1 客船內(nèi)空氣污染物

客船內(nèi)的主要空氣污染物見表1，按照來源可分為3種：1）船內(nèi)各種裝修材料散發(fā)的污染物，家具和油漆會隨著時間和溫度的變化不斷釋放甲醛等有機(jī)揮發(fā)物，地毯中的毛絨會引起皮膚過敏和哮喘病等疾病，還會吸附灰塵，滋生細(xì)菌；2）外部大氣環(huán)境中的污染物、柴油機(jī)廢氣和廚房的排風(fēng)；3）船員和旅客通過呼吸道和皮膚等器官排出的多種有毒物質(zhì)。

表1 客船內(nèi)的主要空氣污染物

按照污染物的性質(zhì)，可將客船內(nèi)空氣中的污染物劃分為化學(xué)性、生物性和物理性等3類?；瘜W(xué)性污染物主要為總揮發(fā)性有機(jī)物（Total Volatile Organic Compound，TVOC），物理性污染主要為可吸入顆粒物（Particulate Matter，PM），生物性污染主要為細(xì)菌和病毒等有機(jī)體。

TVOC是一種重要的室內(nèi)空氣污染物，一般包括芳香烴、脂肪烴、鹵代烴、含氧烴、萜烴、醇、醛、酮和酯等。客船上的TVOC主要來自裝修材料，其毒性可引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等功能異常，甚至?xí)斐擅撗鹾颂呛怂幔―eoxyribonucleic Acid，DNA）損傷，對人體的危害極大。由于TVOC的粒徑非常小，故纖維空氣濾器無法起到作用。

PM是動力學(xué)直徑不大于2.5 μm的細(xì)顆粒物，其體積很小，活性強(qiáng)，能吸附細(xì)菌和病毒等各種有毒有害物質(zhì)。PM可長時間飄浮在空氣中，會直接進(jìn)入肺泡，嚴(yán)重?fù)p害人體健康?？痛瑑?nèi)的 PM主要來自外部大氣環(huán)境。

病原微生物是指可以侵犯人體，引起感染甚至傳染病的微生物，以細(xì)菌和病毒的危害性最大。新冠病毒的直徑為0.125 μm，屬于超細(xì)顆粒，可以與空氣中的液體和固體顆粒物組成多相體系混合物（氣溶膠）。新冠病毒在干燥的環(huán)境中，存活時間為48 h，進(jìn)入大氣2 h后，其活性明顯下降。

2 空氣凈化技術(shù)

室內(nèi)空氣凈化技術(shù)主要有3類：1）除塵技術(shù)，主要為纖維過濾式除塵；2）氣體凈化技術(shù)，主要為活性炭過濾法；3）殺菌消毒技術(shù)，主要為紫外線消殺。一些空氣凈化裝置具有多種凈化功能，如：靜電空氣過濾器可同時去除空氣中的固體顆粒物和病原微生物；光催化凈化器可同時去除空氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物和病原微生物。

2.1 纖維過濾器

使用纖維過濾器去除空氣中的固體顆粒物是保證室內(nèi)空氣質(zhì)量最直接的方法?？諝膺^濾器通常分為粗效、中效和高效過濾器等3種類型。

高效空氣過濾器（High Efficiency Particle Air，HEPA）對于0.3 μm顆粒的過濾效率達(dá)到99.97%，不僅能有效地去除煙霧和灰塵，還能安全可靠地濾除空氣中的細(xì)菌和病毒等有機(jī)體，防止病毒的傳播。然而，HEPA的迎面風(fēng)速需控制在1 m/s以內(nèi)，壓降控制在400 Pa，濾器的體積較大，布置比較困難。

2.2 活性炭過濾器

活性炭過濾器被廣泛用于凈化室內(nèi)空氣?；钚蕴渴杷院?、比表面積高、吸附性能強(qiáng)，可用于吸附空氣中的有害氣體，如TVOC、SO、NH和HS等。此外，活性炭空氣過濾器還可去除空氣中的異味?；钚蕴康奈侥芰θQ于孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)，不同表面特性的活性炭對不同的污染物吸附效果差異明顯?；钚蕴烤哂辛己玫奈锢砦叫阅埽锢砦降慕Y(jié)合力較弱，容易脫落。為增強(qiáng)活性炭的吸附能力，通過化學(xué)氧化、還原和負(fù)載等改性方法使活性炭表面的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，化學(xué)吸附能力顯著增強(qiáng)。

影響活性炭過濾器吸附效果和使用壽命的主要外部環(huán)境因素包括污染物的種類和濃度、氣流在過濾材料中的滯留時間、空氣的溫度和濕度?；钚蕴课絼┬枰ㄆ诟鼡Q，更換費用和有害物質(zhì)的濃度成正比。

2.3 靜電過濾器

靜電過濾器是在工業(yè)靜電除塵器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的室內(nèi)空氣凈化設(shè)備，現(xiàn)已被大量應(yīng)用于各種室內(nèi)場合?？諝馔ㄟ^靜電過濾器的一級過濾段時，在主極板和接地極之間的環(huán)流離子作用下，空氣中的微粒荷電、帶電微粒在收集段被捕集。靜電過濾器阻力小、除塵和滅菌效率高、重復(fù)實用性好。

某靜電過濾器除菌試驗結(jié)果顯示：在風(fēng)速為3 m/s、風(fēng)量為2 000 m/h的情況下，靜電過濾器對葡萄球菌的平均滅殺率為99.9%，效果顯著。相對于纖維過濾器，靜電過濾器更適合捕捉粒徑為2.5 μm的微粒，且壓力損失很小。

2.4 紫外線燈

美國環(huán)境保護(hù)署（United States Environmental Protection Agency，USEPA）對HVAC的生物滅活效率和管道內(nèi)紫外線照明系統(tǒng)給出了技術(shù)評價報告。技術(shù)評價報告給出了HVAC管道內(nèi)紫外線設(shè)備的生物滅活效率：所有紫外線裝置對營養(yǎng)細(xì)菌的滅活率均≥99%，對其他微生物的有效性均≥93%。

殺毒效果的好壞取決于紫外線的光照強(qiáng)度和光照時間，波長為254 nm的紫外線光殺毒效果最好?！断炯夹g(shù)規(guī)范》規(guī)定：對于風(fēng)道中單獨安裝的紫外燈，殺滅一般細(xì)菌繁殖體所需照射劑量為 10 000 μWs/cm。

2.5 光催化凈化器

目前國內(nèi)研究最多的是采用納米 TiO半導(dǎo)體材料為催化劑，其光催化活性高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧化還原性強(qiáng)、抗光陰極腐蝕性強(qiáng)、無毒且成本低。在10～100 μWs/cm紫外線的照射下，TiO固體表面生成空穴和電子?？昭〞龠M(jìn)有機(jī)物的氧化和分解，最終生成CO和HO。納米TiO光催化凈化器雖對有機(jī)污染物有良好的降解作用，但它不能解決室內(nèi)空氣中的細(xì)微顆粒物問題，這是由于催化劑微孔容易被顆粒物堵塞，進(jìn)而造成催化劑失活。

3 空氣凈化技術(shù)在客船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的運用

客船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)需要處理的空氣污染物主要為來自室外的PM，以及來自室內(nèi)的TVOC和病原微生物。不同空氣凈化設(shè)備可有效處理的污染物情況見表2。客船的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)分為全空氣系統(tǒng)和水-氣系統(tǒng)，全空氣系統(tǒng)又分為全新風(fēng)系統(tǒng)和部分新風(fēng)系統(tǒng)。

表2 不同空氣凈化設(shè)備可有效處理的污染物情況

3.1 帶熱轉(zhuǎn)輪的全新風(fēng)系統(tǒng)

帶熱轉(zhuǎn)輪的全新風(fēng)系統(tǒng)是客船上應(yīng)用最普遍的系統(tǒng)，見圖1。該系統(tǒng)具備了全新風(fēng)的優(yōu)點，空氣只在船內(nèi)循環(huán)1次，空氣質(zhì)量高，且熱轉(zhuǎn)輪回收能量的效率高，熱回收率能達(dá)到50%以上。然而，帶熱轉(zhuǎn)輪的全新風(fēng)系統(tǒng)存在把少量排風(fēng)中的污染物帶入新風(fēng)的缺點。

圖1 帶熱轉(zhuǎn)輪的全新風(fēng)系統(tǒng)

為消除PM，帶熱轉(zhuǎn)輪的全新風(fēng)系統(tǒng)在新風(fēng)管后布置 F7中效過濾器，并在其前方布置清潔后可反復(fù)使用的G4粗效過濾器，這樣既可延長F7中效濾器的使用時間，也能減少更換成本。在回風(fēng)凈化方面，布置G4粗效過濾器，并用紫外線對空氣中的病菌進(jìn)行消殺。為延長紫外線照射的時間，回風(fēng)段需額外加長。紫外線可同時照到熱轉(zhuǎn)輪和濾器，能有效殺死吸附在其表面的病菌。根據(jù)劉子嘉等的試驗結(jié)果，細(xì)菌可在濾器上存活3天，這可能導(dǎo)致空氣的二次污染，需要重點關(guān)注。在風(fēng)機(jī)和冷熱盤管之間也布置少量紫外線燈管，可用于減少表面細(xì)菌的滋生。

3.2 部分回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)

部分回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)在客船上的使用也較為普遍，該系統(tǒng)將房間內(nèi)的部分空氣抽回空調(diào)箱和新風(fēng)匯合，經(jīng)處理后再送入房間，見圖2。部分回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)的中央空調(diào)箱由于沒有熱轉(zhuǎn)輪而相對簡單，體積較小，容易布置。在外界溫度適中時，可關(guān)閉回風(fēng)風(fēng)閘，進(jìn)行全新風(fēng)運作，直接利用外界空氣對房間進(jìn)行冷卻。在房間內(nèi)無旅客的時候，可關(guān)閉新風(fēng)風(fēng)閘和排風(fēng)風(fēng)閘，進(jìn)行全回風(fēng)運作，對房間進(jìn)行凈化殺毒。

圖2 部分回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)

部分回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)最大的問題在于回風(fēng)直接混入新風(fēng)會帶來空氣污染。因此，要對其回風(fēng)進(jìn)行空氣凈化，消除室內(nèi)的TVOC和病菌。采用G4粗效濾器對回風(fēng)進(jìn)行過濾，保護(hù)抽風(fēng)機(jī)和其他凈化裝置。在回風(fēng)進(jìn)入空調(diào)箱前，先用紫外線殺滅病菌，接著用活性炭過濾器吸收TVOC。待回風(fēng)進(jìn)入空調(diào)箱和新風(fēng)混合后，利用靜電過濾器，進(jìn)一步凈化空氣中的固體顆粒和病菌。新風(fēng)口布置了G4濾器，用以保護(hù)后面的靜電過濾器。送風(fēng)機(jī)上方布置了紫外線燈管，用于殺滅病菌。

3.3 水-氣系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤管

水-氣空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的最大特點是在房間內(nèi)布置風(fēng)機(jī)盤管（File Control Unit，F(xiàn)CU），見圖3。風(fēng)機(jī)盤管使空氣在房間內(nèi)循環(huán)，進(jìn)而控制房間溫度。呼吸用的新風(fēng)來自中央空調(diào)箱，水-氣系統(tǒng)通過減少室外新風(fēng)來減少空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，降低能耗，還可減小中央空調(diào)箱的大小和風(fēng)管的數(shù)量。風(fēng)機(jī)盤管面對的空氣污染物主要為室內(nèi)的病菌和TVOC，可在風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)安裝紫外線燈管或靜電過濾器來殺滅病菌。對消除空氣中的TVOC而言，使用光催化凈化器是最合適的。

圖3 水-氣系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤管

4 結(jié)論

新冠疫情對人們的生活和郵輪的運營造成了深遠(yuǎn)的影響。本文對客船上的空氣污染物進(jìn)行分析，主要包括來自室內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物和病原微生物，以及來自室外的固體顆粒物。對纖維過濾器、活性炭過濾器、靜電過濾器、紫外線燈和光催化凈化器等5種空氣凈化設(shè)備進(jìn)行介紹，并分析空氣凈化技術(shù)在客船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的運用。當(dāng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的工程師在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，面對節(jié)能性、舒適性和安全性的選擇，需要把安全性放到最重要的位置。