家用房間空調(diào)器健康技術(shù)綜述

張奇，吳俊鴻，彭光前，單聯(lián)瑜，王銳鋒

（小米科技（武漢）有限公司，武漢，430010）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與人們生活水平的迅速提高，空調(diào)成為主流家電走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。隨著用戶(hù)對(duì)健康理念的認(rèn)知加深，對(duì)空調(diào)的要求不僅僅局限于調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，而是逐漸聚焦到健康功能。本文重點(diǎn)調(diào)研了當(dāng)前空調(diào)產(chǎn)品對(duì)微生物污染物、顆粒物污染物、氣體污染物的凈化技術(shù)現(xiàn)狀，為空調(diào)健康技術(shù)的升級(jí)迭代提供技術(shù)路線和創(chuàng)新思路。

1 空調(diào)出風(fēng)品質(zhì)與人體健康關(guān)系

1.1 室內(nèi)空氣污染現(xiàn)狀

室內(nèi)是人類(lèi)生產(chǎn)、生活、休息的重要場(chǎng)所，其空氣質(zhì)量直接關(guān)系到人們的生活健康，據(jù)統(tǒng)計(jì)，人的一生大部分時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，一個(gè)成年人每天大約需要12～16m3的空氣［1］。我國(guó)每年由于室內(nèi)空氣污染而死亡的人數(shù)在10萬(wàn)人次以上，平均每天死亡超過(guò)300人，相當(dāng)于全國(guó)每天因車(chē)禍死亡的人數(shù)［2-3］。因此，室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重影響到人們的健康和生活，給我國(guó)造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)與人體健康的關(guān)系

家用空調(diào)按照組件分為室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)，其中室內(nèi)機(jī)主要由過(guò)濾器、蒸發(fā)器、底殼、風(fēng)管/風(fēng)道等部件組成［4］。衛(wèi)生部抽檢60多個(gè)城市的空調(diào)系統(tǒng)微生物情況，發(fā)現(xiàn)每克積塵中細(xì)菌總數(shù)10萬(wàn)個(gè)以上的占80 %，每克積塵中細(xì)菌總數(shù)最高達(dá)277萬(wàn)個(gè)，每克積塵中真菌總數(shù)10萬(wàn)個(gè)以上的占73 %，每克積塵中真菌總數(shù)高達(dá)480萬(wàn)個(gè)［5］，而經(jīng)調(diào)查取樣，一般空氣中的微生物為1425個(gè)/cm2，可見(jiàn)空調(diào)系統(tǒng)微生物污染程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常呼吸的空氣［6］?？照{(diào)自身過(guò)濾器可以過(guò)濾、吸附來(lái)自室內(nèi)外的部分污染物，起到凈化空氣的作用。但是，空調(diào)無(wú)法凈化粒徑小的污染物（如PM2.5）和氣體污染物（甲醛、TVOC），以及在內(nèi)部環(huán)境滋生的微生物，該部分污染物會(huì)跟著空調(diào)氣流進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境，導(dǎo)致室內(nèi)空氣被嚴(yán)重污染。

空調(diào)的迅速普及使用，在改善了室內(nèi)溫度的同時(shí)也造成了室內(nèi)空氣污染。WHO（世界衛(wèi)生組織）調(diào)查表明：人體約有68 %的疾病與室內(nèi)污染有關(guān)［7］。最新研究表明長(zhǎng)期室內(nèi)污染對(duì)人的干擾如敏感、反感、煩惱、厭惡等導(dǎo)致植物神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，免疫功能減退，對(duì)生理和心理上造成很大影響［8］。另外，污染物得不到有效控制而使人群長(zhǎng)期暴露在污染環(huán)境中，可引起暴露人群發(fā)生各種相關(guān)疾?。ㄈ缦⒈茄椎龋?，嚴(yán)重危害人群健康［9］。

隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適性的重視以及空調(diào)器的普及，只能制冷制熱的空調(diào)器產(chǎn)品己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足人們對(duì)健康舒適的室內(nèi)環(huán)境的要求，空調(diào)器在清潔空氣方面的功能愈來(lái)愈受消費(fèi)者關(guān)注。

2 空調(diào)微生物凈化技術(shù)

現(xiàn)有的過(guò)濾技術(shù)尚無(wú)法完全濾過(guò)空氣中的小顆粒物和微生物，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，小顆粒物會(huì)經(jīng)由濾網(wǎng)和風(fēng)道，累積在風(fēng)葉、導(dǎo)風(fēng)板以及底殼水道上，在冷凝水、灰塵的共同作用，與水接觸最多的蒸發(fā)器、底殼水道便成為了微生物繁殖的“溫床”，產(chǎn)生異味、滋生致病細(xì)菌，危害人體健康［10］。

【1】空調(diào)材料殺菌技術(shù)

抗菌功能針對(duì)的是空調(diào)器中過(guò)濾器、蒸發(fā)器、貫流風(fēng)葉、接水盤(pán)、風(fēng)道等零部件所使用的材料。通過(guò)在材料加工過(guò)程中添加無(wú)機(jī)、有機(jī)等類(lèi)型的抗微生物成分，由于抗微生物成分溶出遷移可將附著在部件的微生物殺死，具有成本低、實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)［11］。但是只能殺滅附著在表面的微生物，當(dāng)部件表面被污染物覆蓋后，就無(wú)法發(fā)揮抗微生物效果，具有明顯的局限性［12］。

圖1 空調(diào)抗菌防霉過(guò)濾網(wǎng)和抗菌貫流風(fēng)葉

【2】紫外殺菌技術(shù)

紫外殺菌是利用適當(dāng)波長(zhǎng)的紫外線能夠破壞微生物機(jī)體細(xì)胞中的DNA或RNA的分子結(jié)構(gòu)，造成生長(zhǎng)性細(xì)胞死亡和再生性細(xì)胞死亡［13］，達(dá)到殺菌消毒的效果，目前常用的是UVC紫外殺菌技術(shù)。因?yàn)樽贤夤饪闪呀馑芰系姆肿渔?，降低塑料力學(xué)強(qiáng)度，需避免紫外光直接照射塑料件。此外，紫外光僅可對(duì)照射面有殺菌作用，作用范圍有限，殺菌效果局限性較大。最后，紫外光會(huì)產(chǎn)生臭氧［14］，危害人體健康，因此要控制紫外光功率和作用時(shí)長(zhǎng)。

圖2 空調(diào)UVC紫外殺菌技術(shù)

【3】離子殺菌技術(shù)

經(jīng)過(guò)調(diào)試，輸出電壓頻率為40 Hz時(shí)，采用雙蹤數(shù)字示波器測(cè)得SPWM1、SPWM2信號(hào)半個(gè)周期波形如圖10所示。根據(jù)圖10測(cè)得的波形可知，DSP產(chǎn)生的是對(duì)稱(chēng)的雙極性SPWM波形。

離子發(fā)生器將低電壓通過(guò)升壓電路升至正高壓及負(fù)高壓，并利用正高壓及負(fù)高壓電離空氣和水，產(chǎn)生大量的正離子及負(fù)離子。

正離子與負(fù)離子進(jìn)行正負(fù)電荷中和的瞬間會(huì)產(chǎn)生巨大的能量釋放，從而導(dǎo)致其周?chē)?xì)菌結(jié)構(gòu)的改變或能量的轉(zhuǎn)換，從而致使細(xì)菌死亡，實(shí)現(xiàn)殺菌的作用［15］。

離子型殺菌的缺點(diǎn)是需要在空調(diào)增加額外模塊；電離的離子濃度與輸出電壓正相關(guān)，一般是6-10 Kv，具有一定的安全隱患；離子容易在金屬部件聚集產(chǎn)生靜電，從而影響部分凈化效果［16］。

圖3 空調(diào)離子殺菌技術(shù)

【4】自清潔除菌

空調(diào)自清潔指的是利用蒸發(fā)器結(jié)霜原理，在化霜時(shí)一并將蒸發(fā)器上的微生物污染物清潔干凈［17］。該功能節(jié)省了用戶(hù)拆機(jī)清洗蒸發(fā)器的操作，同時(shí)是直接利用空調(diào)硬件，無(wú)需增加額外模塊，不會(huì)增加成本?，F(xiàn)階段研發(fā)出的56 ℃自清潔殺菌技術(shù)，通過(guò)蒸發(fā)器翅片加熱使空調(diào)內(nèi)部空間處于高溫的殺菌狀態(tài)，可有效地去除機(jī)器內(nèi)部殘留及吸附的微生物。

但是，該技術(shù)在復(fù)雜的家居環(huán)境，無(wú)法保證使用效果；同時(shí)，僅針對(duì)蒸發(fā)器有明顯效果，無(wú)法有效殺滅其它結(jié)構(gòu)件的微生物。

3 空調(diào)顆粒物凈化技術(shù)

PM2.5是空氣中主要的顆粒物污染物，可經(jīng)過(guò)呼吸進(jìn)入呼吸道，并沉積在支氣管表面，甚至在肺泡里。由于其本身攜帶大量的金屬污染物和有機(jī)化合物，這些污染物能夠?qū)е禄钚匝踝杂苫漠a(chǎn)生和細(xì)胞因子的釋放，從而引發(fā)肺炎［18］。據(jù)研究，PM2.5濃度與疾病爆發(fā)率正相關(guān)，在PM2.5更嚴(yán)重的冬季，因呼吸系統(tǒng)疾病引起的住院率的上升幅度明顯高于其它季節(jié)［19］。傳統(tǒng)空調(diào)技術(shù)無(wú)法凈化小粒徑的PM2.5污染物，因此PM2.5污染不可忽視。

【1】物理過(guò)濾技術(shù)

空調(diào)目前應(yīng)用的物理過(guò)濾器是為初效過(guò)濾器，初效過(guò)濾器僅可以過(guò)濾毛發(fā)、纖維等大體積污染物。高效過(guò)濾器（HEPA網(wǎng)）因?yàn)榭紫堵实?、比表面積大，可以過(guò)濾小體積的污染物（PM2.5等）。但是高效過(guò)濾器的風(fēng)阻較大，對(duì)風(fēng)機(jī)靜壓和噪聲控制要求高，且作為耗材，需要定期更換，否則會(huì)成為二次污染源。因此，高效過(guò)濾器應(yīng)用少，需要搭配特定機(jī)型使用。

圖4 空調(diào)HEPA網(wǎng)

靜電除塵技術(shù)原理，是利用高壓電場(chǎng)形成電暈，將污染空氣通過(guò)電暈區(qū)，使污染空氣中的顆粒物帶上電荷，然后在電場(chǎng)力的作用下，被吸附到極性相反的收集區(qū)并沉積，從而達(dá)到對(duì)空氣中顆粒物進(jìn)行凈化的作用［20］。

圖5 空調(diào)靜電除塵技術(shù)原理圖

該凈化技術(shù)相比HEPA網(wǎng)技術(shù)，其風(fēng)阻小，可以維持較大的循環(huán)風(fēng)量，提高換熱效率，降低能源消耗；但是，該技術(shù)成本高，一般要適配特定高端機(jī)型，因此產(chǎn)品售價(jià)高。

4 空調(diào)氣體污染物凈化技術(shù)

氣體污染物，主要分為有機(jī)污染物和無(wú)機(jī)污染物，有機(jī)污染物包括以TVOC為主的各種氣體污染物，包括烷類(lèi)、醛類(lèi)、酯類(lèi)和芳烴類(lèi)等［21］，來(lái)源主要有建筑材料、地毯、家具和油漆等；無(wú)機(jī)污染物則包括一氧化碳、氮氧化物、氨、臭氧、硫化氫、氡等，其來(lái)源包括建筑施工、下水道、工業(yè)和汽車(chē)尾氣等［22］。

【1】活性炭過(guò)濾網(wǎng)吸附技術(shù)

活性炭過(guò)濾網(wǎng)吸附氣體污染物是由于吸附劑和吸附質(zhì)分子間的作用力引起的［23］，這種吸附的作用力一般可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由范德華力引起的分子之間的互相作用力；一類(lèi)是化學(xué)鍵力，包括固體和氣體之間的電子轉(zhuǎn)移［24］。

通過(guò)吸附作用力，以及活性炭的多孔結(jié)構(gòu)，活性炭過(guò)濾網(wǎng)可以有效捕捉空氣中的氣體污染物。但是活性炭?jī)艋P(guān)注吸附飽和度問(wèn)題，一旦吸附量超過(guò)閾值，氣體污染物就會(huì)自行揮發(fā)至室內(nèi)，成為污染源［25］。

圖7 空調(diào)活性炭過(guò)濾網(wǎng)

【2】催化類(lèi)凈化技術(shù)

催化技術(shù)是通過(guò)某種介質(zhì)（金屬氧化物、過(guò)渡金屬、貴金屬等），可以與空氣中的氣態(tài)污染物產(chǎn)生某種化學(xué)反應(yīng)，從而將污染物分解［26］。

催化類(lèi)技術(shù)在空調(diào)空氣凈化領(lǐng)域具有發(fā)展?jié)摿?，其凈化條件簡(jiǎn)單，通?？梢栽诔爻合路磻?yīng)；另外，催化劑自身無(wú)損耗，且對(duì)TVOC、甲醛等污染物的分解高效［27］。問(wèn)題點(diǎn)是催化劑存在一定失活概率，失去催化效果；在氣體污染物濃度較低時(shí)，其降解效率低［28］，需要配合HEPA網(wǎng)、活性炭等作為吸附性的載體，反相增加空調(diào)進(jìn)風(fēng)阻力。

目前常見(jiàn)的催化技術(shù)是TiO2催化技術(shù)分解有機(jī)污染，錳系催化劑分解甲醛污染物等。

圖8 空調(diào)除甲醛過(guò)濾網(wǎng)

【3】新風(fēng)凈化技術(shù)

新風(fēng)空調(diào)組合了新風(fēng)系統(tǒng)，可以引入室外新鮮的空氣并排出室內(nèi)污濁空氣，可以在一定程度上稀釋室內(nèi)氣體污染物，從而降低污染物濃度。但新風(fēng)空調(diào)進(jìn)風(fēng)、送風(fēng)口單一，只有當(dāng)室內(nèi)外氣體環(huán)境形成壓強(qiáng)差時(shí)，新風(fēng)才能進(jìn)入室內(nèi)，一旦室內(nèi)室外的壓強(qiáng)達(dá)到平衡，或者高于室外時(shí)，新風(fēng)進(jìn)入量就會(huì)減少，影響用戶(hù)體驗(yàn)。

5 結(jié)論與展望

室內(nèi)空氣污染物來(lái)源廣、種類(lèi)多，已經(jīng)嚴(yán)重威脅人體健康；空調(diào)作為調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和空氣的產(chǎn)品，在室內(nèi)健康扮演了重要角色。本文針對(duì)室內(nèi)常見(jiàn)的三種污染物，微生物污染物、顆粒物污染物、氣體污染物，調(diào)研分析了市場(chǎng)上主流的凈化手段。

（1）微生物污染物，空調(diào)廠家采用材料殺菌技術(shù)、紫外殺菌技術(shù)、離子殺菌技術(shù)、自清潔除菌技術(shù)，這四項(xiàng)技術(shù)通過(guò)增設(shè)或者優(yōu)化空調(diào)硬件，可殺滅部件上黏附的微生物、以及空氣中漂浮的微生物。雖然空調(diào)已經(jīng)成熟應(yīng)用這幾項(xiàng)抗微生物技術(shù)，但由于室內(nèi)和空調(diào)內(nèi)部微環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致微生物滋生方式多樣性，因此未能完全解決微生物污染問(wèn)題，未來(lái)研究重點(diǎn)是改善微環(huán)境和協(xié)同應(yīng)用抗微生物技術(shù)，從微生物滋生源頭和后處理雙重手段解決微生物污染問(wèn)題。

（2）顆粒物污染物，空調(diào)廠家通過(guò)在空調(diào)進(jìn)風(fēng)口增設(shè)HEPA過(guò)濾網(wǎng)以及靜電除塵過(guò)濾網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物污染物的過(guò)濾和凈化。HEPA過(guò)濾網(wǎng)風(fēng)阻大，對(duì)風(fēng)機(jī)靜壓和噪聲控制要求高，還會(huì)降低空調(diào)風(fēng)量，影響主性能；靜電除塵過(guò)濾網(wǎng)成本高，且需要通電才能工作，增加額外電控硬件，因此這兩項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在特定機(jī)型，無(wú)普適性，且售價(jià)高。未來(lái)，開(kāi)發(fā)出可通用在多款機(jī)型的顆粒物凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”的技術(shù)突破是研究重點(diǎn)。

（3）氣體污染物，空調(diào)廠家通過(guò)物理性的活性炭吸附技術(shù)，以及化學(xué)性的催化凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物污染物的凈化。無(wú)論是活性炭吸附還是化學(xué)催化凈化，都要求氣體污染物與凈化模塊有足夠長(zhǎng)的接觸時(shí)間，因此凈化模塊孔隙率高，風(fēng)阻很大。未來(lái)的研究重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)更高效活性炭和催化劑材料，從而降低模塊阻力。

從世界范圍空調(diào)業(yè)發(fā)展看，健康是大勢(shì)所趨，特別是爆發(fā)的新冠疫情，更是提升了用戶(hù)對(duì)健康技術(shù)的需求。在此背景下，需要空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)捕捉市場(chǎng)的潛在需求和行業(yè)的未來(lái)走向；同時(shí)也要求空調(diào)技術(shù)人員勇于創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)新的符合用戶(hù)需求的健康技術(shù)。