家用空调的新风引入与室内污染.doc

家用空调的新风引入与室内微生物污染西南科技大学环境与资源学院 温玉杰 唐中华 段莉摘要 本文主要简要介绍了家庭居住环境的污染特点，以及家用空调新风引入的方式。着重讨论了不同的新风引入方式下对室内微生物污染物分布特性的影响。同时介绍了目前主要的生物污染物控制技术，分析其在家用空调系统使用的可行性。关键词 家居环境 空调新风 微生物 控制技术Taking out-air in home used air-condition with influence to Microorganism pollution in roomsSouthwest University of Science and Technology，Mianyang，Sichuan Province，ChinaWenyujie，Tangzhonghua，DuanliAbstract This article main simply introduces the polluting characters in home environment and the importing fresh air modes for mini-splited air condition. Above this, it discusses the infection for the microorganism pollution distribution in using different importing mode of fresh air. At the same time, it introduces some main method for controlling microorganism pollution and analyses the feasibility for using all that methods in mini-splited air condition for home using.Keywords home environment, fresh air in air condition, microorganism, controlling technology0 序言人的一生中90%以上的时间都是在室内度过的，尤其是自家的家居环境中1。然而长久以来，人们往往只注意到了室内的各种物理参数，比如温度、湿度、气流速度等。近年来室内的物理化学性的污染物水平引起了人们的重视，但对人的生体健康有着重要影响的生物类污染物，尤其是微生物污染物且没有引起人们足够的重视，单纯的加大新风量，并不能有效地对微生物污染物进行控制，而且可能引起污染物在居住小区的更大范围扩散。掌握微生物污染物与新风引入的关系，选择合适的新风方式和恰当的控制技术，是有效的提高室内空气品质的途径。1 家居环境微生物污染1.1 室内微生物的种类空调系统中的微生物的分类方法有许多种。按照其生物学上的特性可分为：真菌、细菌、病毒2。病毒一般个体大小在0.020.3，适宜生活在2560,对碱性环境较敏感，常见的有甲肝病毒、乙肝病毒、SARS病毒等。细菌一般个体大小在0.53.0，适宜的生活温度为2560，一般生活在中型和偏碱性环境，常见的包括革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、炭疽菌、大肠杆菌等。真菌一般个体大小在210，适宜生活温度为2337，一般生活在酸性环境中，常见的包括酵母菌等。在空调环境中，这三种微生物往往是共存的，形成了一个独特的生物链。而且由于其生殖作用，往往是除了成体外，还有大量的芽孢存在，还有其代谢物，这些都是危害人体健康的重要因素，为治理微生物污染增加了难度。在这其中有代表性的高危险性微生物见表1。1.2 室内污染物的来源室内空气中微生物一般是由尘土飞扬将尘土中微生物带到空气中，水滴飞溅将其中微生物带到空气中，人和动物干燥脱落物、呼吸道、口腔内含微生物分泌物通过咳嗽、吐痰、打喷嚏等方式飞到空气中。表1 室内空调环境下的高危险性微生物3名称治病类型传播方式冠状病毒严重急性呼吸综合症近距离飞沫传播、呼吸道传播以及接触传播等炭疽杆状菌炭疽热通过皮肤接触、摄入或吸入感染耶尔森氏鼠疫杆菌瘟疫通过飞沫、气溶胶传播天花病毒天花通过呼吸排出的大小飞沫传播HVAC系统中微生物主要来源于室外、室内以及HVAC系统，下面分别进行讨论。这就决定了空调环境下室内微生物污染主要来自三个方面4。)室外微生物污染源5这部分污染物是由空调系统中的新风系统引入的。由于微生物多附着在微粒上传播，因此由室外所引入微生物的量与环境卫生状况、绿化程度、尘埃颗粒多寡及大小以及空调通风系统的过滤设备性能有关。)室内微生物污染源室内环境本身存在着各种污染源，使用家用分体空调时，室内污染源可能通过回风影响到空调系统内的不同房间或区域。)家用空调机组本身产生的微生物污染源家用的分体空调的室内机组部分，在夏季长期处于湿工况下工作，而且可以维持一个稳定而且适宜的温度、湿度环境，这都为微生物的滋生提供了良好的环境。如果有新风系统的家用空调，室外的新风在通过室内换热器时也会被污染，同时将微生物污染扩散到更大的范围。特别是换热器中的凝结水接水盘清洗不够产生较多的生物污染。2 家用空调的新风引入在家用空调的环境中，加入新风系统，选择合适的新风量，都是减少室内微生物污染的最有效和经济的方法。家用空调的新风引入主要包括直接引入，经过能量回收装置后引入。直接引入时，可以分为自然通风的方式引入和即席通风的方式引入。在自然通风时，主要是通过打开门窗，或者是定期打开门窗进行通风换气，还可以装门开设新风引入的窗口。新风引入时，一般可选择在室内换热器前进行混合，还可以在换热器后部与室内的回风进行混和。考虑到卫生性的要求，大多选择引入的新风和室内的回风在室内机组的换热器的后端进行混合（图a）。经过排风和室外新风的能量交换，再让新风进入室内。新风进入室内可以使其只经过一次显热交换（图b），还可以使新风通过一次显热交换器后再经过室内机组的换热器，最后被送入室内，相应的室内的排风也可以先经过一次显热交换器在进入室外机组换热器，而后排放室外（图d）6。还可以不设置一次显热交换器，使新风直接进入室内机组的换热器，进入室内；室内的排风直接进入室外机组的换热器，而后排到室外（图c）。3 空调新风引入方式对室内微生物污染影响空气中充满了各种各样的微生物，室内的各种物体表面都充满了微生物。而空调的新风主要影响的是家居环境中的空气环境中的微生物分布。大多数致病的微生物不是单独存在于室内的空气中的，而是寄居在悬浮于空气中的尘埃上的，要有效地控制微生物污染，就要有效地控制室内空气的含尘浓度，并了解在不同的粒径范围的不同种类的微生物的分布情况。空调的新风引入方式与室内的可吸入颗粒物浓度的关系。在分析前，我们做一下假设：（1）颗粒对湍流的影响忽略不计，这是因为建筑环境内的颗粒体积分数足够小，因此其沉降速度对湍流的影响也足够小7；（2）不考虑运动过程中颗粒由于碰撞、凝聚引起的粒径变化；（3）气溶胶混合物密度差引起的质量力忽略不计，因为相比温差引起的质量力而言，该力足够小。根据相关实验不同的新风送入方式时，其室内的污染物情况见表28表2 不同新风方式下的污染物水平新风方式室内换气次数空调送风速度空调送风温度送风病毒颗粒浓度h-1m/s置换方式50.11130混合方式51.2615.10穿堂风50.13200病毒颗粒粒径为1(冠状病毒颗粒大小为0.080.12，但由于颗粒的附着作用,通常是以约1的颗粒形态存在)。发生源假设为靠近西墙的人(记为“”)，发生量为0.077/。由于上述3个工况中的穿堂风工况中颗粒发生源靠近出风口(门)，为区分不同的颗粒产生源位置的影响，对于穿堂风工况还附加计算了一个工况,即假设颗粒产生源为靠近东墙的人(记为“”)，发生量仍然为0.077/。在表2中用“穿堂风+”工况表示。对于颗粒产生源在同一位置的3个工况，穿堂风依靠面积较大的房门排风，且尘源距离房门比较近，病毒颗粒可以比较方便地排出室外。因此在这3种工况下，穿堂风房间内的颗粒物浓度最低2。总而言之，当颗粒污染源在房间内比较低的位置时，置换通风容易将污染物携带到高处从而可能对人的健康造成不利影响;混合通风的回流区比较大，如果病毒颗粒产生源恰好在回流区内，将会提高回流区内的颗粒浓度；穿堂风房间内空气流动近似直流，因此对颗粒的及时排出比较有利。而且，当颗粒产生源靠近排风口(下风向)时，室内病毒颗粒浓度可以保持较低的水平。不同粒径的颗粒物的微生物分布特性，有待于进一步研究。4 家居环境的微生物污染的控制4.1 控制微生物污染的主要方法随着对室内空气环境尤其是空调环境中的空气品质的高度重视，以前被用于特殊领域的杀灭微生物的方法及其工艺经过改进后被应用于空调通风系统中。比如说，化学药剂除菌，紫外线杀菌等。常用的主要包括自然通风、过滤吸附、臭氧消毒、臭氧杀菌、紫外线（UVC）消毒技术等。4.2 其他的新方法4.2.1 基于光催化技术的等离子体空气过滤器杀菌空气过滤器有效的结合了静电除尘器和光催化技术，并且加入了等离子体效应，使其不仅拥有很好的除尘性，还有比较好的净化有机污染和杀菌的效果。利用净化器中的静电除尘器的正电极产生的等离子体效应激发光触媒的光催化作用，综合了除尘、杀菌和光催化治理VOC的作用。以普通的办公室作为测试场所，研究这种净化器的杀菌效果。实验结果表明，在沉降菌检测方面该净化器在工作15分钟后有明显的杀菌作用，30分钟后菌落数基本稳定；在浮游菌检测方面也得到了很好的结果证明该净化器有很好的杀菌效果，从而验证了其杀菌的高效性、广普性和快速性14。加入等离子技术的光催化净化器有很好的杀菌效果和实用性，具有快速，高效和广普等优点，适合在家庭、办公室、小型会议室中使用。这项技术是可行的，值得继续深入研究，以便为人类的生活提供更好的生活条件。4.2.2 活性炭纤维吸附过滤除菌活性炭纤维(Activated Carbon Fiber，缩写ACF)是上世纪70年代后在活性炭基础上开发的新型炭材料, 活性炭纤维比表面积大，微孔丰富, 孔径小而均匀，吸附量大，吸附速度快，再生容易，工艺灵活性大(可制成纱、布、毡和纸等制品)，不易粉化和沉降。活性炭纤维不仅吸附量大，且有吸附速度快、脱附速度快、对低浓度吸附有很好的吸附能力、吸附层薄等优点15。由于大气中的微生物一般不以单体存在，通常是附着在颗粒物上，称为带菌粒子。活性炭纤维的特性时期对空气中的悬浮颗粒物有着极强的吸附作用，因而对微生物及细菌也有良好的吸附能力，例如对大肠杆菌的吸附率可达94%99%。4.2.3 正负离子群强力杀菌通过离子发生器高压放电，将水分子分解成正负离子。由于水分子被包裹，形成正负离子群，然后以水分子为载体，在空气中到处浮游的正负离子群遇到细菌、霉菌、病毒等有害物质，就能立即将其包围和隔离。然后，正负离子群中性能最活跃的氢氧根离子与这些有害物质进行剧烈的化学反应，最后将它们彻底分解成水分子等无害物。4.2.4 欧姆杀菌通电杀菌的机理据初步探讨有两方面的原因：一方面由于通电加热致使温度升高而灭菌，另一方面是因为在通电的两电极间的菌体细胞由于受到所加电场的作用导致菌体细胞膜的破坏而灭菌。通电灭菌可将液状食品中的大肠杆菌、酵母菌、芽孢杆菌杀灭。对于一些难以杀死的微生物，可通过高压通电杀菌，即在通电加热装置置于一定压力的惰性气体中，来提高杀菌效果16。通电杀菌的一大优点是它对营养物如维生素等的破坏较小。通电加热器能处理高颗粒密度、高粘度的食品物料，有利用使停留时间分布减至最小。4.2.5 光催化杀菌1014光催化的原理是TiO2在受到阳光或荧光灯的紫外线照射后，内部电子空穴对激励，产生具有强氧化分解能力的活性氢氧（羟）基原子团。在光和氧或水的存在下可降解几乎所有的附着在氧化钛表面的各种有机物如氢化物、氮氧化物、硫化物、氯化物。伴随着纳米技术的发展，解决了TiO2的光催化效率低下的难题，使其在废水处理，建筑涂料，食品保鲜，除臭等领域都得到了极大的应用推广。纳米TiO2光催化剂具以下优点：强氧化分解能力，具有灭菌，自清洁，抗霉，耐温和抗腐蚀功能；环保，不产生二次污染。在空调系统中增加光催化净化段对控制室内的挥发性有机物，细菌等空气污染物将起到一定的作用。需注意的问题是增加消毒段对原空调通风系统造成的影响应在允许范围；二是纳米TiO2光催化剂除尘杀菌效力的持久性或稳定性的验证。4.3 可行性分析家居环境不同于其他环境，控制微生物污染的方法必须安全可靠，不能对人的生体健康造成伤害，而且还要达到预期的控制效果。为了尽量不增加设备，可以考虑将新风引入设备和空气净化装置和空调器合为一体，主要是在对新风和室内的回风进行过滤的同时，对其进行净化杀菌。目前的家用空调器所采用的一些杀菌技术，在工艺的实现上是存在着缺陷，要想达到预期的杀菌效果，必须是被净化的空气与杀菌介质达到一定的接触时间，但家用空调器普遍达不到这一要求。在这里我们首先可以排出的是使用化学药剂，这种方法对人体存在着伤害，而且有残留，并在室内局部聚集。另外就是使用紫外线杀菌，如上所述，室内的回风和室外的新风在机组的内部停留的时间过短，达不到杀菌的目的。可以考虑将活性碳纤维与静电场除尘器相结合，将活性碳纤维置于电场中，一方面活性碳纤维可作为放电极，增加对空气中悬浮尘粒的吸附能力，同时也可以为其进行脱附；另一方面，在活性碳纤维的微孔中电场作用下可对附着于尘粒上的微生物进行杀灭。在典型的一次回风系统中，可在回风管路和新风管路上，两台机组可交替工作，一台工作，另外一台进行脱附。另外是二氧化钛的光催化杀菌，同样是一种适于小型化应用于家用空调机组的。可以在室内机组的换热器的表面喷涂二氧化钛活性涂料，由于气体在换热器停留得时间最长，这样在不影响换热效果的基础上达到了杀菌的目的。5 结论在目前的情况下，更实际也更经济的做法是改进空调系统的运行维护，减少微生物的污染。及时处理机组的过滤器，防止被过滤器拦截下来的带有致病微生物的灰尘再次进入系统和空调房间。如何有效控制室内生物污染将是该领域长期的重要研究课题。室内生物污染的防治是一个多学科交叉的研究方向，涉及暖通空调、生物、环境、材料、化学等学科，其中有大量的科学和技术问题需要深入研究。随着研究的深入,一些新方法将会问世，一些切实有效的防治室内生物污染的方法将会在工程中获得广泛应用，同时一些似是而非的方法将会被摒弃。参考文献1 安光义. 人居环境学. 第一版. 北京：机械工业出版社，1997.3，48-662 周群英，高廷耀. 环境工程微生物学. 北京：高等教育出版社，2000，85-1023 周世宁. 空调室内环境的气传微生物. 环境科学学报，1997, 17(4): 4985014 张寅平，赵彬，成通宝等. 空调系统生物污染防治方法概述. 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