中央空调管道中应用紫外线消毒的研究

徐梦萱，郝 魁

（天津粮滨投资有限公司，天津 300042）

1 引言

紫外线消毒有着悠久的历史，早在上个世纪20年代就已取得了广泛的应用，从1936年开始在手术室中应用紫外线消毒技术，1937年首次在学校中应用该技术减少风麻疹的传播，并取得了令人满意的成功。紫外线杀菌属于纯物理消毒方法，具有简单便捷、广谱高效、无二次污染、便于管理和实现自动化等优点。杀菌紫外线特指波长范围在200~275 nm的C波段紫外线。目前，国外在对于结核病的防治中大量采用该项技术，但是国外的大量研究成果以及参考文献中很少有关于中央空调风道中应用紫外线消毒技术的内容。

从历史上看，在空调风道中采用紫外线消毒的确在20世纪六七十年代就提出并应用，由于效果有限，近20多年来已很少采用。2003年SARS疫情暴发后期，有人建议对于无法按全新风运行的全空气空调系统中应对SARS疫情可在空调回风总管内或其他部位安装紫外线灯，其照射强度时间为6 000~7 000μW.s/cm2，也可采用其他可靠的消毒或过滤装置，如高效过滤器或静电除菌装置等。图1给出了通常紫外线灯在风道中的布置示意图，对于风道中紫外线消毒能否取得理想的效果，在后面内容中将进行详细分析。

2 紫外线强度的计算

紫外线的消毒主要与紫外线的辐射强度I、照射时间t以及所杀灭微生物的特定死亡常数有关。紫外线杀菌机理是通过紫外线的照射，破坏或改变微生物的DNA脱氧核糖核酸结构，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，从而达到杀菌的目的。不同种类的微生物对紫外线的敏感度不同，真菌孢子抵抗力最强，次之为芽孢，再次为革兰氏阳性菌。革兰氏阴性杆菌最易被紫外线杀死。紫外线消毒的数学表达式如下所示：

式中：S：暴露在紫外线下的细菌数量。

k：标准死亡率常数，cm2/μW·s。

I：紫外线辐射强度，μW/cm2。

t：照射时间，s。

可以看出，紫外线的辐射强度是影响其消毒效率的关键因素之一。文章正是对紫外线辐射强度计算模型进行分析研究，以便确定较为准确的强度计算公式，方便以后的科学研究。

关于紫外线强度的计算模型，国内主要采用的方法是在距照射源50 cm以外，照射强度大约与距离平方成反比；在距照射源50 cm以内，照射强度与距离成反比。根据上述计算原则，我们通过模拟计算和实际测量来考量20 W的紫外线照射在不同距离下产生的照射强度，其实验结果见图2。

图2 传统计算结果与测试结果的比较

从图2中，可以明显看出，虽然传统的计算公式能够计算出不同距离下的紫外线强度，但是如果数据的拟合程度不高，传统的计算公式显然不能够完全满足精确计算要求。文章将引用辐射角系数法计算辐射强度。

式中：l：灯的横断面长度，cm；

x：任意点到灯的距离，cm；

r：灯的半径，cm；

Fd1-2（x，l，r）：灯的辐射角系数，无量纲。

应用上述角系数公式，可以得出紫外线灯辐射强度的计算公式，见公式7。同时，利用辐射角系数公式，计算出距灯不同距离下的紫外线辐射强度，见图3。

式中：EUV：紫外线灯的输出功率，μW；

I：不同位置下的辐射强度，μW/cm2。

图3 20 W灯的角系数计算值与实验测试值的对比

从图3的对比结果可以看出，应用辐射角系数法计算出的辐射强度要比运用传统的计算方法得出的结果更准确一些。

3 风道中紫外线灯试验研究

前面已经分析了紫外线强度的计算公式。如果将紫外线灯布置在空调风道内对流动空气进行消毒的话，情况则复杂得多，要考虑多方面的因素：①紫外线照射源单源照射强度；②多紫外线照射源的叠加强度；③风道壁对紫外线的反射作用。涉及紫外线反射计算的方法是相当复杂的，在工程应用中极为不便，由此我们通过对不同材质风道内表面不同情况的实验对比，对紫外线强度在风道中的分布进行进一步研究。实验所用不锈钢风道为6.0 m×6.0 m，风道内设置3处15 W紫外线照射源，系统示意图见图1。为了通过试验检测风道内壁对紫外线反射的影响，分别进行风道内壁敷设抛光的铝铂、敷设黑布以及不加反射物质3种工况。系统中采用3处15 W紫外线照射源，在距灯500 mm、800 mm处设置测量隔栅，通过测量隔栅来确定测试点的位置，然后用紫外线辐射照度计测量辐射强度。

多紫外线照射源的辐射强度是通过辐射角系数公式分别计算3处紫外线照射源对空间某点的辐射强度，然后采用数学叠加的方法计算该点的总强度，计算结果见表1。表中的测量结果是在敷设黑布、忽略反射因素下的紫外线强度值，不难看出计算结果与测量结果比较吻合。

在测量中还发现风道内壁的材质不同，对于紫外线强度的影响比较大，具体情况见图4。图中的测点1~5即为图1中各个测点。

表1 测量值与计算值对比表 μW/cm2

图4 不同材质敷设内壁的风道的强度对比图

从图4不难看出，使用不同材料对风道内壁进行敷设对紫外线强度分布的影响比较大。试验测量结果表明，使用铝铂敷设风道内壁时要比使用黑布敷设风道内壁的紫外线强度平均提高20%~30%左右。由于计算紫外线反射强度十分复杂，从工程角度来看，按照20%左右来估算铝铂衬里的反射强度是合适的。

4 中央空调风道内紫外线强度及杀菌效果的分析

前面已经对紫外线杀菌强度的计算方法以及其准确性进行了分析，确定了合理的计算方法，同时根据试验研究结果得到了安装铝箔衬里能够增加20%辐射强度的结论。现对风道中布置紫外线灯对流动空气进行灭菌的效果进行分析。这里按照卫生部消毒技术规范所规定的最低照射剂量7 000μW.s/cm2为依据，计算在1 m见方的风道断面中，风速为8 m/s的条件下，满足上述照射剂量的紫外线灯布置的需求量。

首先根据灯管的长度以及布置美观的要求，假定每500 mm的距离安装一组3根紫外线照射源，计算模型见图5，这里管道长度为7 m，灯管数量为45根。在计算中我们逐一计算了每排照射源对断面AD产生的辐射强度，通过叠加所有强度得到该断面的最终强度。按同样的方法我们也逐一计算了每排照射源对管道边缘断面上产生的辐射强度，同样通过叠加得到管道边缘断面的最终强度，再取两个断面辐射强度的平均值作为该段风道辐射强度的平均值。不难看出，即便按照如此大密度的排布方式，中心断面的平均辐射强度约为6 000μW/cm2，边缘断面的平均辐射强度约为2 000μW/cm2，在这7 m长的风道中的紫外线平均辐射强度仅约为4 000μW/cm2。同时，考虑到安装铝箔衬里提高管道反射，增加20%的辐射强度，则管道内的总辐射强度为5 400 μW/cm2。

图5 1×1 m风道安装紫外线灯示意图（AD断面为中间断面）

依据上述紫外线照射源布置方案测算，要达到7 000μW.s/cm2的辐照剂量，被处理空气至少要在风道内滞留约1.3 s。若按通常情况下风道设计风速8 m/s计算，满足上述的辐照剂量所需的风道长度应为10 m，应布设30 W紫外线照射源数量约为66只的紫外线灯。

5 结论

紫外线作为一种普遍使用、历史悠久的消毒手段，对中央空调系统的杀菌能够起到十分重要的作用。文章通过辐射角系数计算方法来计算紫外线灯所产生的辐射强度，获得了十分准确的计算数据，同时分析了不同反射材料对紫外线灯强度的影响，得到了添加铝箔衬里的风道能够提高紫外线强度20%的结论，为风道内合理计算安装灯管的数量作出了贡献。

同时，本文依据杀菌最低辐照剂量，计算了在风道中需要安装的杀菌紫外线灯管的数量，结论为：在10 m长的风道内安装66只紫外线灯（共约2 000 W），就可以达到7 000μW.s/cm2的辐照剂量，起到对快速流动的气体（8 m/s）进行杀菌处理的作用。