第22卷第4期2005年12月
广东工业大学学报
Journal o f Guangdong University of Technology
Vol. 22No. 4
December 2005
中央空调系统紫外线消毒设备设计
吴耀杰, 秦 红
(广东工业大学材料与能源学院, 广东广州510640)
摘要:对紫外线在空调系统中的利用现状和途径进行分析. 根据紫外线消毒原理, 设计了一种针对中央空调系统空气消毒的新型管道紫外线消毒机. 该设备紫外线分布均匀, 强度提高, 高于2003年/非典0时期国家公布的5建筑空调通风系统预防/非典0确保安全使用的应急管理措施6规定值, 对空气中多种致病微生物的消毒效果大为提高.
关键词:空调系统; 紫外线杀菌; 微生物污染; 空气消毒
中图分类号:TU843.8; TU831 文献标识码:A 文章编号:1007-7162(2005) 04-0044-04
2003年的SARS 对我国的政治、经济、教育以及人们的日常生活和工作造成了重大影响. 研究发现SARS 主要依靠飞沫传播, 在医院病房、大型商业建筑、公共建筑等高密集人群场所存在以中央空调系统为媒介传播、扩散及引发交叉感染的可能性. 近年来生物武器有关的恐怖事件屡有发生, 如美国建筑内的/炭疽热杆菌0散发事件等, 还有空调系统产生/军团病0的事例. 这些都说明中央空调消毒杀菌的重要性和迫切性.
紫外线是一种优良的杀菌手段, 能杀灭细菌繁殖体、真菌和细菌芽孢等微生物. 在中央空调里应用紫外线消毒具有对原空调系统改变小, 无二次污染, 广谱杀菌, 无刺激性气味等优点. 因此, 本文研究紫外线在空调系统中的利用方法, 对紫外线中央空调系统消毒设备设计进行了讨论.
[1]
1 紫外线消毒技术(UVGI) 应用基础
紫外线是一种电磁波. 紫外线分为A 波、B 波、C 波和真空紫外线, 其中C 波紫外线为杀菌紫外线, 波长范围是200~275nm. 一般认为, 杀菌作用最强的波段是254nm 左右.
紫外线对空气微生物的杀毒机理:主要作用于微生物的核酸, 导致其破坏. 同时对蛋白质、酶及其他生命攸关的物质亦有一定的作用.
根据研究, 紫外线消毒效果与紫外线辐照强度和照射时间等因素有关1) 传统的数学模型
S (t ) =e
2) 新的数学模型
S (t ) =f #e
2
K #I #t
f
[2]
[3]
.
(1)
K #I #t
.
-K #I #t
s
+(1-f ) e
2
.
2
2
(2)
式中:S ) 经过时间t 后的细菌存活率, %; K ) 衰减常数, cm P (L w #s) ; I ) 紫外线辐照强度, L w P cm ; t ) 照射时间, s ; K f ) 快速杀灭率常数, cm P (L w #s) ; K s ) 慢速杀灭率常数, cm P (L w #
收稿日期:2004-09-27
(-) , , 生,
第4期吴耀杰, 等:中央空调系统紫外线消毒设备设计45
s ) ; f ) 快速杀灭阶段的细菌占初始浓度的百分比.
紫外线辐射场内任一点的直接辐射强度可用反比平方公式计算, 但反比平方公式没有说明紫外灯的自身尺寸对辐射强度的影响, 所以要用角系数公式计算. 角系数计算公式和任一点的辐射强度计算公式分别见公式(3) 和公式(4) :
L L
F d 1-2(x , l , r ) =arctan -arctan L -1
I S =
式中:F d 1-2) 辐射角系数;
H =x P r , L =l P r , X =(1+H ) +L , Y =(1-H ) +L ; x ) 测点到灯的垂直距离, c m; l ) 灯段的长度, cm;
r ) 灯的半径, cm;
2
I s ) 任意一点的紫外线强度, L w P cm ; E uv ) 紫外灯输出功率L W; F tot ) 综合辐射角系数.
选用Ster-L-Ray05-1334型紫外消毒灯, 紫外线输出功率19. 3W, 计算紫外灯直接辐射强度. 由公式(3) 、(4) 计算得结果见图1.
在管道中采用反射率很好的材料时能大幅度提高照射强度. 粗略估算可按直接辐射强度的3倍强度计算总的辐射强度.
[3]
2
2
2
2
+arctan H +Y (H +1)
, (3) (4)
E u v
F tot
, 2P rl
图1 紫外灯辐射强度场
2 现有空气除菌消毒设备情况及分析
以往中央空调系统的除菌基本上依靠空气过滤器, 使微生物附着的尘粒从空气中分离, 但致病微生物未有杀灭, 存在二次泄漏的危险. 目前已开始将医学中利用的紫外线和其他类型的除菌消毒方式引入. 就目前已有或正在研制的设备来看有以下几种:1) 循环风紫外线室内消毒机. 该设备消毒速度慢, 适合室内消毒而不适合中央空调系统消毒; 2) 复合净化消毒机, 如上海交通大学研制的中央空调复合净化装置, 造价高, 具体应用受各因素限制; 3) 臭氧空气消毒机. 产生臭氧浓度高, 只能在无人时使用; 4) 空调箱加紫外灯装置:空气滞留时间非常短, 消毒效果不能保证; 5) 过滤器加紫外灯装置:如果用低效过滤材料, 过滤效果低, 如果用高效过滤材料, 则阻力太大, 而且有过滤材料受紫外线照射而老化的问题. 因此我们采用紫外线灯的方法, 研究适合于中央空调的设备设计方法.
[4]
3 空调系统紫外线消毒利用方法分析
1) 影响紫外线消毒效果的因素
3:[2]
长, 紫外线强度越大, 消毒效果越好. 还有其他间接因素, 如安装位置及方式、电压、空气温度和相对湿度、有机物的保护、微生物的数量和紫外线穿透力及反射等.
2) 紫外线强度相关因素及其实现
[5]
¹提高单个紫外灯的输入功率和输出辐射功率; º减少消毒点与紫外灯的距离; »采用多灯系统, 适当地增加灯数量, 优化灯的布置, 使强度分布均匀. ¼采用高反射率的紫外线反射材料; ½提高紫外灯的耐高电压能力, 从而可以提高电压、稳定电压来提高辐射强度.
3) 空气处理时间相关因素实现
¹加大管道截面积, 减小空气流速; º捕住微生物, 从而能在固定地点长时间照射, 如可以采用空气过滤器, 静电吸附方法等; »增加处理时间, 如加长消毒处理的管道长度等.
4) 提高空调系统紫外线消毒效果的其他考虑
¹与其他消毒杀菌方法如空气过滤、光催化、活性炭吸附、微波和化学消毒剂等方法结合; º分级过滤加管道紫外线消毒; »对不同微生物采用不同的处理方法, 如军团菌主要采用紫外线局部消毒, 流感等对紫外线抵抗力小的病毒采用管道紫外线消毒, 芽孢类细菌采用综合消毒, 其他对人没害的微生物不处理等; ¼驻极体静电空气过滤器与紫外线灯定期照射相结合. 但任何实际产品都必须考虑造价的影响. 多种方法结合应效果很好, 但成本直升是不言而喻的.
5) 紫外线条件下空调器材料的选择要求
由于高分子材料在受紫外线照射和氧的双重作用, 发生光氧老化, 出现泛黄、变脆、龟裂、表面失去光泽、机械强度下降等现象, 所以空调器材料的选择注意尽量不采用聚苯乙烯、聚胺脂胶等, 最好能选用金属材料, 特别在紫外线强度比较大时不能使用聚丙烯等高分子材料.
4 管道紫外线消毒系统设计
在分析空调系统紫外线消毒利用方法的基础上, 进行新型紫外线中央空调系统消毒设备设计. 1) 紫外线灯布置方式
为提高消毒效果, 管道截面紫外线辐射强度必须分布均匀. 现有紫外线空气消毒设备多为空气流向与紫外线灯垂直的方式, 由图1知道紫外灯轴线两端之外的范围的辐射强度非常小, 其紫外线强度分布是不均匀的, 消毒效果将受到影响. 因此本设计采用紫外灯串连, 与风向平行的方法布置紫外灯.
2) 管道截面紫外线辐射强度分布设计
病毒抵抗力介于细菌繁殖体与芽孢之间, 根据蜡样杆菌芽孢在杀灭率为99%时所需的照
2[2]2
射剂量为28170L W #s P c m , 取照射剂量K =30000L W #s P c m 来计算, 确定所需管道截面紫外线辐射强度. 在选定的灯管距离下, 计算各点的直接辐射强度, 再得截面的平均直接强度为2809. 4L W P cm . 在有反射情况下得管道平均总辐射强度8428. 2L W P c m .
3) 管道消毒系统设计
根据照射剂量、灯管长度, 空气流动设计管道消毒系统.
单元管道数为7, 管道系统总长为8. 75m, 紫外灯消耗功率1400W, 风速为6m P s. 处理风量为22000m P h.
4) 校核设计的管道消毒系统消毒效果
按传统的数学模型校核, 见表1.
3
2
2
表1 消毒效果校核表
微生物名称毛霉菌孢子流行感冒病毒结核分支杆菌大肠杆菌蜡样杆菌芽孢时间t /s 1. 461. 461. 461. 461. 46辐射强度I /(L W #cm -2)
8428. 28428. 28428. 28428. 28428. 2衰减率常数K 0. 00028. 9670. 0021320. 0007670. 000245细菌存活率S (t ) /%
8. 5590
4. 16E -100. 0084. 923消毒效果/%91. [1**********]. 99295. 077
从表1可以看出:对各种致病菌消毒效果非常好, 满足空气消毒效果要求.
2003年/非典0时期, 国家颁布的5建筑空调通风系统预防/非典0确保安全使用的应急管理措施6中第六条指出:对于无法按全新风运行的全空气空调系统, 建议在空调回风总管内或其他
2
部位安装紫外线灯, 其照射剂量为6000~7000L W #s P cm . 本管道消毒系统的照射剂量为8428. 2L W #s P c m , 故充分满足该规定.
2
5 结论
本文提出的新型紫外线中央空调系统消毒设备, 紫外线辐射强度超出2003年/非典0时期国家公布的5建筑空调通风系统预防/非典0确保安全使用的应急管理措施6规定值, 对空气中多种致病微生物的消毒效果大为提高. 紫外灯采用串联平行风向的排列方式, 紫外线平均强度大且分布均匀; 紫外灯受风压小; 紫外灯数少, 管长适合中央空调系统; 消毒效果好; 造价不高. 综上所述实现了紫外线消毒在中央空调系统中应用的较大创新. 今后需要进一步研究的内容:用实验校核该管道紫外线消毒系统的消毒效果和臭氧的生成量. 经完善后, 将推广应用到中央空调系统中. 参考文献:
[1]张寅平, 赵彬, 成通宝, 等. 空调系统生物污染防治方法概述[J].暖通空调(暖通空调与SARS 特集) , 2003, 33:41-46.
[2]薛广波. 现代消毒学[M]. 北京:人民军医出版社, 2002.
[3]Kowalski W J, Bahnfleth W P. Effective UVGI system design through i mproved modelin g [A].AS HRAE Transactions[C].2001, V106(2) :4-13.
[4]耿彦生, 张印法. 紫外线消毒应用研究进展[J].中华卫生监督与健康杂志, 2003, (4) :81-82. [5]李建兴. 中央空调应用紫外线消毒的相关问题[J]. 洁净与空调, 2004, (1) :23-25.
The Design of New UVC Disinfect Facility for HVAC
W U Yao -jie, QI N Hong
(Faculty of Material &Energy Resources, Guangdong Universi ty of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract :Firstly, this thesis aims to introduce some knowledge about UVGI. Then, with regard to the pr -esent mathe matics of UVGI and the mathematics of intensity field of a UVGI la mp, a ne w type of air conduit system of UVGI is designed. A new form of laying UVGI lamps is employed to improve the uniformity of in -tensity of Ultraviolet in air conduit and strengthen the intensity, thus to be resulted in a satisfactory steri-l ization effect.
Key words :HVAC; UVGI; microbe pollution; air disinfection;
第22卷第4期2005年12月
广东工业大学学报
Journal o f Guangdong University of Technology
Vol. 22No. 4
December 2005
中央空调系统紫外线消毒设备设计
吴耀杰, 秦 红
(广东工业大学材料与能源学院, 广东广州510640)
摘要:对紫外线在空调系统中的利用现状和途径进行分析. 根据紫外线消毒原理, 设计了一种针对中央空调系统空气消毒的新型管道紫外线消毒机. 该设备紫外线分布均匀, 强度提高, 高于2003年/非典0时期国家公布的5建筑空调通风系统预防/非典0确保安全使用的应急管理措施6规定值, 对空气中多种致病微生物的消毒效果大为提高.
关键词:空调系统; 紫外线杀菌; 微生物污染; 空气消毒
中图分类号:TU843.8; TU831 文献标识码:A 文章编号:1007-7162(2005) 04-0044-04
2003年的SARS 对我国的政治、经济、教育以及人们的日常生活和工作造成了重大影响. 研究发现SARS 主要依靠飞沫传播, 在医院病房、大型商业建筑、公共建筑等高密集人群场所存在以中央空调系统为媒介传播、扩散及引发交叉感染的可能性. 近年来生物武器有关的恐怖事件屡有发生, 如美国建筑内的/炭疽热杆菌0散发事件等, 还有空调系统产生/军团病0的事例. 这些都说明中央空调消毒杀菌的重要性和迫切性.
紫外线是一种优良的杀菌手段, 能杀灭细菌繁殖体、真菌和细菌芽孢等微生物. 在中央空调里应用紫外线消毒具有对原空调系统改变小, 无二次污染, 广谱杀菌, 无刺激性气味等优点. 因此, 本文研究紫外线在空调系统中的利用方法, 对紫外线中央空调系统消毒设备设计进行了讨论.
[1]
1 紫外线消毒技术(UVGI) 应用基础
紫外线是一种电磁波. 紫外线分为A 波、B 波、C 波和真空紫外线, 其中C 波紫外线为杀菌紫外线, 波长范围是200~275nm. 一般认为, 杀菌作用最强的波段是254nm 左右.
紫外线对空气微生物的杀毒机理:主要作用于微生物的核酸, 导致其破坏. 同时对蛋白质、酶及其他生命攸关的物质亦有一定的作用.
根据研究, 紫外线消毒效果与紫外线辐照强度和照射时间等因素有关1) 传统的数学模型
S (t ) =e
2) 新的数学模型
S (t ) =f #e
2
K #I #t
f
[2]
[3]
.
(1)
K #I #t
.
-K #I #t
s
+(1-f ) e
2
.
2
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(2)
式中:S ) 经过时间t 后的细菌存活率, %; K ) 衰减常数, cm P (L w #s) ; I ) 紫外线辐照强度, L w P cm ; t ) 照射时间, s ; K f ) 快速杀灭率常数, cm P (L w #s) ; K s ) 慢速杀灭率常数, cm P (L w #
收稿日期:2004-09-27
(-) , , 生,
第4期吴耀杰, 等:中央空调系统紫外线消毒设备设计45
s ) ; f ) 快速杀灭阶段的细菌占初始浓度的百分比.
紫外线辐射场内任一点的直接辐射强度可用反比平方公式计算, 但反比平方公式没有说明紫外灯的自身尺寸对辐射强度的影响, 所以要用角系数公式计算. 角系数计算公式和任一点的辐射强度计算公式分别见公式(3) 和公式(4) :
L L
F d 1-2(x , l , r ) =arctan -arctan L -1
I S =
式中:F d 1-2) 辐射角系数;
H =x P r , L =l P r , X =(1+H ) +L , Y =(1-H ) +L ; x ) 测点到灯的垂直距离, c m; l ) 灯段的长度, cm;
r ) 灯的半径, cm;
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I s ) 任意一点的紫外线强度, L w P cm ; E uv ) 紫外灯输出功率L W; F tot ) 综合辐射角系数.
选用Ster-L-Ray05-1334型紫外消毒灯, 紫外线输出功率19. 3W, 计算紫外灯直接辐射强度. 由公式(3) 、(4) 计算得结果见图1.
在管道中采用反射率很好的材料时能大幅度提高照射强度. 粗略估算可按直接辐射强度的3倍强度计算总的辐射强度.
[3]
2
2
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2
+arctan H +Y (H +1)
, (3) (4)
E u v
F tot
, 2P rl
图1 紫外灯辐射强度场
2 现有空气除菌消毒设备情况及分析
以往中央空调系统的除菌基本上依靠空气过滤器, 使微生物附着的尘粒从空气中分离, 但致病微生物未有杀灭, 存在二次泄漏的危险. 目前已开始将医学中利用的紫外线和其他类型的除菌消毒方式引入. 就目前已有或正在研制的设备来看有以下几种:1) 循环风紫外线室内消毒机. 该设备消毒速度慢, 适合室内消毒而不适合中央空调系统消毒; 2) 复合净化消毒机, 如上海交通大学研制的中央空调复合净化装置, 造价高, 具体应用受各因素限制; 3) 臭氧空气消毒机. 产生臭氧浓度高, 只能在无人时使用; 4) 空调箱加紫外灯装置:空气滞留时间非常短, 消毒效果不能保证; 5) 过滤器加紫外灯装置:如果用低效过滤材料, 过滤效果低, 如果用高效过滤材料, 则阻力太大, 而且有过滤材料受紫外线照射而老化的问题. 因此我们采用紫外线灯的方法, 研究适合于中央空调的设备设计方法.
[4]
3 空调系统紫外线消毒利用方法分析
1) 影响紫外线消毒效果的因素
3:[2]
长, 紫外线强度越大, 消毒效果越好. 还有其他间接因素, 如安装位置及方式、电压、空气温度和相对湿度、有机物的保护、微生物的数量和紫外线穿透力及反射等.
2) 紫外线强度相关因素及其实现
[5]
¹提高单个紫外灯的输入功率和输出辐射功率; º减少消毒点与紫外灯的距离; »采用多灯系统, 适当地增加灯数量, 优化灯的布置, 使强度分布均匀. ¼采用高反射率的紫外线反射材料; ½提高紫外灯的耐高电压能力, 从而可以提高电压、稳定电压来提高辐射强度.
3) 空气处理时间相关因素实现
¹加大管道截面积, 减小空气流速; º捕住微生物, 从而能在固定地点长时间照射, 如可以采用空气过滤器, 静电吸附方法等; »增加处理时间, 如加长消毒处理的管道长度等.
4) 提高空调系统紫外线消毒效果的其他考虑
¹与其他消毒杀菌方法如空气过滤、光催化、活性炭吸附、微波和化学消毒剂等方法结合; º分级过滤加管道紫外线消毒; »对不同微生物采用不同的处理方法, 如军团菌主要采用紫外线局部消毒, 流感等对紫外线抵抗力小的病毒采用管道紫外线消毒, 芽孢类细菌采用综合消毒, 其他对人没害的微生物不处理等; ¼驻极体静电空气过滤器与紫外线灯定期照射相结合. 但任何实际产品都必须考虑造价的影响. 多种方法结合应效果很好, 但成本直升是不言而喻的.
5) 紫外线条件下空调器材料的选择要求
由于高分子材料在受紫外线照射和氧的双重作用, 发生光氧老化, 出现泛黄、变脆、龟裂、表面失去光泽、机械强度下降等现象, 所以空调器材料的选择注意尽量不采用聚苯乙烯、聚胺脂胶等, 最好能选用金属材料, 特别在紫外线强度比较大时不能使用聚丙烯等高分子材料.
4 管道紫外线消毒系统设计
在分析空调系统紫外线消毒利用方法的基础上, 进行新型紫外线中央空调系统消毒设备设计. 1) 紫外线灯布置方式
为提高消毒效果, 管道截面紫外线辐射强度必须分布均匀. 现有紫外线空气消毒设备多为空气流向与紫外线灯垂直的方式, 由图1知道紫外灯轴线两端之外的范围的辐射强度非常小, 其紫外线强度分布是不均匀的, 消毒效果将受到影响. 因此本设计采用紫外灯串连, 与风向平行的方法布置紫外灯.
2) 管道截面紫外线辐射强度分布设计
病毒抵抗力介于细菌繁殖体与芽孢之间, 根据蜡样杆菌芽孢在杀灭率为99%时所需的照
2[2]2
射剂量为28170L W #s P c m , 取照射剂量K =30000L W #s P c m 来计算, 确定所需管道截面紫外线辐射强度. 在选定的灯管距离下, 计算各点的直接辐射强度, 再得截面的平均直接强度为2809. 4L W P cm . 在有反射情况下得管道平均总辐射强度8428. 2L W P c m .
3) 管道消毒系统设计
根据照射剂量、灯管长度, 空气流动设计管道消毒系统.
单元管道数为7, 管道系统总长为8. 75m, 紫外灯消耗功率1400W, 风速为6m P s. 处理风量为22000m P h.
4) 校核设计的管道消毒系统消毒效果
按传统的数学模型校核, 见表1.
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表1 消毒效果校核表
微生物名称毛霉菌孢子流行感冒病毒结核分支杆菌大肠杆菌蜡样杆菌芽孢时间t /s 1. 461. 461. 461. 461. 46辐射强度I /(L W #cm -2)
8428. 28428. 28428. 28428. 28428. 2衰减率常数K 0. 00028. 9670. 0021320. 0007670. 000245细菌存活率S (t ) /%
8. 5590
4. 16E -100. 0084. 923消毒效果/%91. [1**********]. 99295. 077
从表1可以看出:对各种致病菌消毒效果非常好, 满足空气消毒效果要求.
2003年/非典0时期, 国家颁布的5建筑空调通风系统预防/非典0确保安全使用的应急管理措施6中第六条指出:对于无法按全新风运行的全空气空调系统, 建议在空调回风总管内或其他
2
部位安装紫外线灯, 其照射剂量为6000~7000L W #s P cm . 本管道消毒系统的照射剂量为8428. 2L W #s P c m , 故充分满足该规定.
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5 结论
本文提出的新型紫外线中央空调系统消毒设备, 紫外线辐射强度超出2003年/非典0时期国家公布的5建筑空调通风系统预防/非典0确保安全使用的应急管理措施6规定值, 对空气中多种致病微生物的消毒效果大为提高. 紫外灯采用串联平行风向的排列方式, 紫外线平均强度大且分布均匀; 紫外灯受风压小; 紫外灯数少, 管长适合中央空调系统; 消毒效果好; 造价不高. 综上所述实现了紫外线消毒在中央空调系统中应用的较大创新. 今后需要进一步研究的内容:用实验校核该管道紫外线消毒系统的消毒效果和臭氧的生成量. 经完善后, 将推广应用到中央空调系统中. 参考文献:
[1]张寅平, 赵彬, 成通宝, 等. 空调系统生物污染防治方法概述[J].暖通空调(暖通空调与SARS 特集) , 2003, 33:41-46.
[2]薛广波. 现代消毒学[M]. 北京:人民军医出版社, 2002.
[3]Kowalski W J, Bahnfleth W P. Effective UVGI system design through i mproved modelin g [A].AS HRAE Transactions[C].2001, V106(2) :4-13.
[4]耿彦生, 张印法. 紫外线消毒应用研究进展[J].中华卫生监督与健康杂志, 2003, (4) :81-82. [5]李建兴. 中央空调应用紫外线消毒的相关问题[J]. 洁净与空调, 2004, (1) :23-25.
The Design of New UVC Disinfect Facility for HVAC
W U Yao -jie, QI N Hong
(Faculty of Material &Energy Resources, Guangdong Universi ty of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract :Firstly, this thesis aims to introduce some knowledge about UVGI. Then, with regard to the pr -esent mathe matics of UVGI and the mathematics of intensity field of a UVGI la mp, a ne w type of air conduit system of UVGI is designed. A new form of laying UVGI lamps is employed to improve the uniformity of in -tensity of Ultraviolet in air conduit and strengthen the intensity, thus to be resulted in a satisfactory steri-l ization effect.
Key words :HVAC; UVGI; microbe pollution; air disinfection;