不同原理空氣消毒凈化器效果與分析

□ 伍誠(chéng)麟 WU Cheng-lin 田金 TIAN Jin 許鋒 XU Feng

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，環(huán)境問題已成為全球研究的熱點(diǎn)問題[1]。在中國(guó)，“霧霾已成為人民群眾健康的重要危險(xiǎn)因素之一”[2]。霧霾中的PM2.5（particulate matter 2.5，PM2.5）是嚴(yán)重危害人體健康的物質(zhì)之一[3]。PM2.5是指顆粒物直徑小于等于2.5um的粒子，粒子周圍會(huì)有細(xì)菌及病毒附著，由于體積較小，因此可直接被人體吸入肺部，進(jìn)而引起多種疾病[4]。有研究顯示，長(zhǎng)期處于高濃度PM2.5的環(huán)境中，會(huì)引發(fā)心血管及呼吸系統(tǒng)疾病[5-7]。

在新冠疫情全球肆虐的大環(huán)境下，醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)對(duì)空氣環(huán)境的消毒、凈化要求日益提高。與紫外線消毒相比，空氣消毒凈化器可對(duì)空氣實(shí)現(xiàn)持續(xù)消毒，而不對(duì)人體產(chǎn)生危害[8]。除此之外，空氣中的PM2.5濃度是影響人體健康的重要危險(xiǎn)因素，研究顯示空氣消毒凈化器可有效降低空氣中PM2.5的濃度，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量[9]，因此被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院等人員密集，空氣質(zhì)量較惡劣的地方。Qian等人[10]的研究顯示長(zhǎng)時(shí)間自然通風(fēng)可產(chǎn)生較高的換氣率，從而可促進(jìn)空氣流通，有效降低醫(yī)院交叉感染，給患者提供良好的空氣環(huán)境。但醫(yī)院樓宇建設(shè)較為復(fù)雜，對(duì)于部分密閉房間，只有通過空氣消毒凈化器才能實(shí)現(xiàn)空氣的凈化與消毒。目前常用的空氣消毒凈化器在凈化原理上主要分為兩種[11]。一種是依靠靜電吸附裝置對(duì)空氣中的顆粒進(jìn)行吸附，其原理是利用機(jī)器內(nèi)部高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生4KV-8KV的直流高壓，使經(jīng)過的帶灰塵及微生物的空氣發(fā)生電離，產(chǎn)生的陽(yáng)離子與灰塵及細(xì)菌微生物接觸，隨后帶正電的顆粒在電場(chǎng)的作用下向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，其最高可吸附0.01μm的顆粒物，進(jìn)而達(dá)到除塵的作用[12]。另一種則靠纖維吸附技術(shù)對(duì)空氣中的顆粒進(jìn)行攔截，從而達(dá)到凈化空氣的作用[13]。針對(duì)材質(zhì)種類繁多的過濾網(wǎng)，張輝等人[14]比較了不同材質(zhì)的濾網(wǎng)對(duì)凈化效果的影響，其研究顯示由HEPA材料制成的過濾網(wǎng)對(duì)PM2.5的凈化效果要明顯優(yōu)于其他5種材料（靜電棉、防霧霾納米紗窗、初效過濾棉、不銹鋼篩網(wǎng)、耐高溫玻璃纖維）。

性能指標(biāo)參數(shù)是比較不同空氣消毒凈化器的依據(jù)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18801-2015指出潔凈空氣量（clean air delivery rate，CADR）和凈化能效是空氣消毒凈化器重要性能指標(biāo)參數(shù)[15]。因此，在醫(yī)院這種人流密集場(chǎng)所，需要對(duì)不同凈化原理的空氣消毒凈化器的凈化效果進(jìn)行深入比較。基于此，本文將從潔凈空氣量、有效凈化效率、去除率、凈化能效四個(gè)層面比較同一品牌型號(hào)的空氣消毒凈化器采用不同凈化原理對(duì)PM2.5的凈化效果，從而為醫(yī)院采購(gòu)空氣消毒凈化器以及設(shè)備使用的日常管理提供參考和建議。

試驗(yàn)材料與方法

1.試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)選取容積為10.1m（長(zhǎng)1.63m×寬2.18m×高2.85m）的密閉房間進(jìn)行?？諝庀緝艋魑恢霉潭ㄓ诜课輧?nèi)側(cè)，進(jìn)風(fēng)口朝向污染源。

2.試驗(yàn)器材。紅塔山經(jīng)典100香煙作為顆粒物污染來源，空氣消毒凈化器1臺(tái)，靜電吸附裝置3套并進(jìn)行編號(hào)，HEPA復(fù)合過濾器3塊并進(jìn)行編號(hào)，PM2.5激光檢測(cè)儀（SOTO-KJ1)，輸入功率檢測(cè)儀，風(fēng)速儀。

3.空氣消毒凈化器結(jié)構(gòu)。靜電吸附型空氣消毒凈化器由前置過濾網(wǎng)、靜電吸附電場(chǎng)、活性炭過濾器、紫外線燈管、光觸媒、負(fù)離子發(fā)生器、風(fēng)機(jī)、出風(fēng)窗等組成，輸入最大功率為63W。為確保試驗(yàn)其它裝置及參數(shù)一致，同一臺(tái)消毒凈化器采用HEPA復(fù)合過濾器替換靜電吸附裝置。

4.試驗(yàn)方法

4.1處理風(fēng)量及實(shí)際輸入功率檢測(cè)。每臺(tái)空氣消毒凈化器在試驗(yàn)開始前，均先檢測(cè)處理風(fēng)量數(shù)值。將空氣消毒凈化器接入電源，關(guān)閉紫外線、負(fù)離子等占用功率的功能，風(fēng)量依次調(diào)中、高兩個(gè)風(fēng)機(jī)檔位。用風(fēng)速儀依次在出風(fēng)口處隨機(jī)選取三個(gè)位置測(cè)量其線速度。處理風(fēng)量Q=v*S 其中v為線速度的平均值，S為出風(fēng)口面積。在測(cè)量同時(shí)，用輸入功率檢測(cè)儀依次測(cè)量中、高兩個(gè)風(fēng)機(jī)檔位的實(shí)際輸入功率值P。

4.2自然衰減的檢測(cè)。(1)試驗(yàn)開始前用空氣檢測(cè)儀檢測(cè)室內(nèi)PM2.5濃度，濃度低于20μg/m以下則開始試驗(yàn)。(2)香煙分別放置房間的中間位置，點(diǎn)燃5～6根香煙，使PM2.5濃度達(dá)到1200～1400μg/m3。(3)記錄t0時(shí)刻的濃度值，隨后每間隔2分鐘記錄一次濃度值。連續(xù)記錄20分鐘。

4.3總衰減的檢測(cè)。重復(fù)步驟4.2 ⑴—⑵。⑶記錄t0時(shí)刻的濃度值，開啟空氣消毒凈化器風(fēng)機(jī)中檔位，記錄實(shí)測(cè)輸入功率，隨后每間隔2分鐘記錄一次濃度值，連續(xù)記錄20分鐘。(4)開啟空氣消毒凈化器風(fēng)機(jī)高檔位再重復(fù)步驟4.2(1)—(2)。

4.4 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

從式(1)(2)(3)中可以算出相關(guān)系數(shù)R2，自然衰減系數(shù)Kn，總衰減系數(shù)Ke

5.數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。利用spss26.0進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，其中p＜0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

結(jié)果

1.兩種空氣消毒凈化器部分參數(shù)對(duì)比。各試驗(yàn)機(jī)詳細(xì)參數(shù)見表1。靜電吸附式空氣消毒凈化器與HEPA高效過濾器空氣消毒凈化器在不同風(fēng)機(jī)檔位下處理風(fēng)量以及輸入功率對(duì)比結(jié)果如圖1、圖2所示。靜電吸附裝置高檔位和中檔位的處理風(fēng)量及輸入功率均顯著高于同檔位HEPA高效過濾器（p＜0.01)。靜電吸附裝置高檔位處理風(fēng)量：Q=445.5±7.8m3/h，高檔位輸入功率為P=41.2±0.7W。靜電吸附裝置中檔位處理風(fēng)量：Q=336±6.9m3/h，中檔位輸入功率為P=21.8±0.2W。HEPA高效過濾器高檔位處理風(fēng)量：Q=372±6.9 m3/h，高檔位輸入功率P=31.6±0.7W。HEPA高效過濾器中檔位處理風(fēng)量：Q=267±6.9m3/h，中檔位輸入功率為P=15.5±0.1W。

圖1 兩種空氣消毒凈化器處理風(fēng)量比較（＊＊＊p＜0.01)

圖2 兩種空氣消毒凈化器輸入功率比較（＊＊＊p＜0.01)

表1 試驗(yàn)機(jī)靜電吸附裝置與HEPA高效過濾器輸入功率與風(fēng)速參數(shù)

2.兩種空氣消毒凈化器CADR值比較。靜電吸附式空氣消毒凈化器與HEPA高效過濾器空氣消毒凈化器在風(fēng)機(jī)中檔位與高檔位的CADR值對(duì)比結(jié)果如圖3所示。靜電吸附裝置的高檔位與中檔位CADR值均顯著高于同檔位的HEPA過濾器。靜電吸附裝置高檔位CADR=210.3±0.6m3/h，靜電吸附裝置中檔位CADR=188.4±1.4m3/h。HEPA高效過濾器高檔位CADR=170±15.5m3/h，HEPA高效過濾器中檔位CADR= 117.5±6.5m3/h。

圖3 兩種空氣消毒凈化器CADR值比較（＊p＜0.05，＊＊＊p＜0.01)

3.兩種空氣消毒凈化器有效凈化率比較。靜電吸附式空氣消毒凈化器與HEPA高效過濾器空氣消毒凈化器在風(fēng)機(jī)中檔位與高檔位的有效凈化率對(duì)比結(jié)果如圖4所示。靜電吸附裝置的高檔位與中檔位的有效凈化率均要高于HEPA，靜電吸附裝置中檔位的有效凈化率顯著高于靜電吸附裝置高檔位以及HEPA的中、高檔位。靜電吸附裝置風(fēng)機(jī)高檔位有效凈化率α=47.2±1%，靜電吸附裝置風(fēng)機(jī)中檔位有效凈化率α=56.2±1.2%。HEPA高效過濾器風(fēng)機(jī)高檔位有效凈化率α=45.7±3.4%，HEPA高效過濾器風(fēng)機(jī)中檔位有效凈化率α=44±1.7%。

圖4 兩種空氣消毒凈化器有效凈化率比較（＊＊＊p＜0.01)

4. 兩種空氣消毒凈化器凈化能效比較。靜電吸附式空氣消毒凈化器與HEPA高效過濾器空氣消毒凈化器在風(fēng)機(jī)中檔位與高檔位的凈化能效對(duì)比結(jié)果如圖5所示。靜電吸附裝置與HEPA在中檔位的凈化能效均顯著高于其同類別的高檔位凈化能效。除此之外，靜電吸附裝置中檔位凈化能效顯著高于HEPA中、高檔位。靜電吸附裝置高檔位凈化能效η=5.1±0.09m3/W.h，靜電吸附裝置中檔位凈化能效η=8.66±0.08m3/W.h。HEPA高效過濾器高檔位凈化能效η=5.37±0.38m3/W.h，HEPA高效過濾器中檔位凈化能效η=7.56±0.37m3/W.h。

圖5 兩種空氣消毒凈化器凈化能效比較（＊p＜0.05，＊＊＊p＜0.01)

5.兩種空氣消毒凈化器去除率比較。靜電吸附式空氣消毒凈化器與HEPA高效過濾器空氣消毒凈化器在風(fēng)機(jī)中檔位與高檔位的去除率對(duì)比結(jié)果如圖6所示。靜電吸附裝置中檔位的去除率顯著高于HEPA中檔位。靜電吸附裝置高檔位去除率β=99.9%，靜電吸附裝置中檔位去除率β=99.7±0.1%。HEPA高效過濾器高檔位去除率β=99.5±0.3%，HEPA高效過濾器中檔位去除率β=97.8±0.5%。

圖6 兩種空氣消毒凈化器去除率比較（＊p＜0.05)

討論

根據(jù)上述從潔凈空氣量(CADR)、有效凈化率、凈化能效、去除率四個(gè)指標(biāo)比較不同凈化原理的空氣消毒凈化器對(duì)PM2.5的凈化效果，可以發(fā)現(xiàn)靜電吸附式空氣消毒凈化器在風(fēng)機(jī)中、高檔位的處理風(fēng)量以及輸入功率都顯著高于HEPA高效過濾器空氣消毒凈化器。不僅如此，兩種不同凈化原理的空氣消毒凈化器CADR值均隨著處理風(fēng)量的增加而增加，凈化能效隨處理風(fēng)量的增加而減小。靜電吸附式空氣消毒凈化器風(fēng)機(jī)中檔位在CADR、有效凈化率、凈化能效、去除率等方面均顯著高于HEPA高效過濾器式空氣消毒凈化器風(fēng)機(jī)中檔位。靜電吸附式空氣消毒凈化器風(fēng)機(jī)高檔位在CADR方面高于HEPA高效過濾器式空氣消毒凈化器風(fēng)機(jī)高檔位。除此之外，靜電吸附式空氣消毒凈化器的風(fēng)機(jī)中檔位在有效凈化率、凈化能效顯著高于靜電吸附式空氣消毒凈化器的風(fēng)機(jī)高檔位。

與物理吸附攔截方式相比，靜電吸附原理空氣消毒凈化器利用高壓發(fā)生器需要對(duì)靜電吸附裝置產(chǎn)生直流高壓[12]。因此，靜電吸附式空氣消毒凈化器的輸入功率要顯著高于HEPA高效過濾空氣消毒凈化器。靜電吸附裝置與HEPA過濾器結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。靜電吸附裝置由正、負(fù)極組成，極板中間中空[16]。與HEPA多層致密孔徑結(jié)構(gòu)相比，在相同的風(fēng)機(jī)功率下其處理風(fēng)量更大。研究顯示在同一條件下CADR值隨處理風(fēng)量的增加而增大[14]。PM2.5去除率也會(huì)隨CADR增加而增大[17]。對(duì)于靜電吸附式空氣消毒凈化器而言，較高的處理風(fēng)量會(huì)使其在風(fēng)機(jī)中、高檔位所產(chǎn)生的CADR值顯著高于對(duì)應(yīng)的HEPA高效過濾器空氣消毒凈化器，與此同時(shí)去除率也會(huì)隨CADR值的增加而提升。結(jié)果顯示靜電吸附式空氣消毒凈化器的有效凈化率隨著處理風(fēng)量的增加而減少，這可能跟處理風(fēng)量與靜電吸附裝置接觸時(shí)間有關(guān)。較低的風(fēng)速可以使處理風(fēng)量經(jīng)過靜電吸附裝置用時(shí)更久，使其與帶電離子接觸更充分，有效凈化率更高。凈化能效是反應(yīng)環(huán)保程度的重要參數(shù)[18]，試驗(yàn)結(jié)果凈化能效均隨處理風(fēng)量的增加而減小，該結(jié)果與張輝等人[14]的結(jié)果一致。CADR值針對(duì)不同污染源數(shù)值不同，本試驗(yàn)采用香煙作為污染源，對(duì)其它污染物的凈化效果需進(jìn)一步試驗(yàn)并討論。

綜上，靜電吸附式空氣消毒凈化器在不同的風(fēng)機(jī)功率下CADR值、有效凈化率、去除率均高于對(duì)應(yīng)的HEPA高效過濾式空氣消毒凈化器。除此之外，對(duì)于靜電吸附式空氣消毒凈化器而言，盡管風(fēng)機(jī)中檔位CADR值小于高檔位，但其較高的有效凈化效率和凈化能效有助于節(jié)省能源以及環(huán)保。研究顯示HEPA高效過濾器隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)而增加進(jìn)風(fēng)阻力，導(dǎo)致處理風(fēng)量下降，當(dāng)纖維吸附飽和后無法繼續(xù)吸附，因此需要定期更換，否則容易引起二次污染[19]。但是，靜電吸附式空氣消毒凈化器在環(huán)境灰塵較大時(shí)使用，大顆粒物易使正負(fù)極板發(fā)生短路而產(chǎn)生異響。另外，靜電吸附裝置定期清洗后必須曬干使用，否則容易引起高壓板發(fā)生短路。除此之外，靜電吸附式空氣消毒凈化器長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生臭氧危害人體健康[20]。醫(yī)學(xué)工程部門作為空氣消毒凈化器的采購(gòu)、管理、維護(hù)部門，應(yīng)對(duì)不同類型的空氣消毒凈化器進(jìn)行全面比較，找到適合醫(yī)院使用的空氣消毒凈化器，并為臨床使用、維修保養(yǎng)提供參考建議和技術(shù)支持。