中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置研究成果简介

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  中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置研究是上海交通大学组织开展多学科交叉中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置科研项目，一项旨在研制一种新型多重空气净化消毒系统，使之能够通过巧妙的结构设计复合集成高压静电、紫外线、镀银过滤和纳米光催化技术，并建设一个对中央空调系统杀菌、除病毒处理装置的检测平台和检验的方法，填补国内对工程应用的杀菌装置没有统一标准和检测方法的空白的研究计划。在时间短、任务紧迫的情况下，为解决大众对中央空调可能成为非典型肺炎（SARS）病毒传播工具的困惑惊惶，尤其防止医院含有病原微生物的被污染空气通过空调系统扩大对人群、医护人员的感染，研制一套杀菌效率高、无二次污染、装置阻力小、安装维护简便、易于操作的适合于楼宇空调应用的高新技术空气清洁装置具有特殊的重要意义和研究价值。将这项技术应用于建筑楼宇的中央空调系统中，在传染病肆虐时期对医院人员的健康提供有效保障，并对于稳定社会稳定有重大意义，SARS的流行给传统中央空调的设计提出了质疑，引亮了红灯，使空调行业受到重创，但是也给中央空调实现健康升级提供了机遇，给对原有中央空调系统进行改造带来了巨大商机，空气净化装置在SARS期间和期后如雨后春笋般的成长足以说明这一点。另外，这项技术对于今后提高公共场所室内空气品质，增进人们身心健康和提高员工工作效率都具有长远意义，使得空调更加以人为本、服务于人，是目前极具有发展潜力和商业化前景的一个绿色室内环保领域。然而，要使得新型复合净化装置真正走向实用化和产品化，还必须对其结构布置、净化效率、以及对空气净化装置的生物检测方法上和实际应用效果上开展全面而深入的研究和探讨。本项目通过一些应用基础研究，以新型复合空气洁净装置的高效灭菌为研究目标，在模拟中央空调室内微环境的测试平台上做了大量实验工作，在应用噬菌体模拟空气中传播病毒以实测净化装置的灭菌效果上取得了国际先进水平性的突破。其涉及设计空气调节工程、空气动力学、电磁场高压静电技术、纳米光催化技术、室内微生物学、材料科学等科学技术领域。

    　　与以往净化装置相比较，中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置具有实质性特点和显著进步，设计结构科学合理，集多种杀菌、灭毒的最新技术于一体，优势互补，达到了快速、彻底、有效杀毒杀菌的目的，系统阻力小，工作可靠、无二次污染、安装维护简便、使用方便、形式灵活，可根据需要设计，适用多种场合等优点。

    　　经过紧张充实的努力和探索，在上海市科委专项基金项目的资助下，取得了下列系列进展：
    一 中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置的成功研制
    　　本课题研制的装置主要由针型负高压电极、载银导电吸附层、正压平流吸附层和紫外灯组成，针型负高压电极的电晕放电，形成负离子流，将空气中灰尘、细菌、病毒离子荷电，并在电场力作用下向阳极板方向运动，并随之电荷中和，既可以除尘，又具有杀灭病毒作用；为了增强吸附作用，特采用后端附加的正压平流吸附电场，将气流中遗留的荷电微粒进一步吸附；载银导电吸附层的应用既增加了吸附作用，同时又具有杀毒作用；C波段紫外线灭菌灯（紫外线波长254nm）杀菌灭毒效果好，其对吸附层的大功率长时间的均匀照射，保证了对吸附的各种病毒病菌的杀灭作用。这种复合技术的多重杀菌灭毒装置，能够接近100%杀灭很多普通中央空调所不能杀灭的室内空气中病毒病菌，基于这种杀菌原理可以灵活的设计改造成具体产品形式，安装于大型和户式中小型空调设备或系统的风管内。该装置已在中国专利局注册申请专利保护，装置在空调系统的应用文章已被制冷空调新技术进展收录，于2003年11月出版，供本领域的专家、工程界人士研讨参考。
    二 模拟中央空调室内微环境的测试平台
    　　本研究建立了模拟空调室内微环境的测试平台，可进行温、湿度控制，满足中央空调对室内空气微环境调节控制的要求，能够在此平台上检测各种室内空气净化装置效果。平台为全封闭空气循环系统，布置了测试箱、加湿器、加热器、换热器和试验段等，被检测装置在试验段可方便的拆卸更换，进行各种物理化学测试和生物学病毒检测，其动态和静态测试效果对工程应用都具备高可信度的参考价值。该测试平台已申请了中国发明专利保护，基于平台的检测实验论文已被中国科学界最高期刊《科学通报》录用。

    三 中央空调系统灭菌除病毒装置的生物学检测方法
    　　本研究利用从环境中提取的抗逆性超过SARS病毒的JD-II-3噬菌体病毒来模拟代替真正的冠状病毒，由超声雾化器以1～5微米直径液滴的形式均匀分散到空气中形成比较稳定的病毒气溶胶，经过大量试验摸索建立了用明胶-素琼脂双层平板通过气流冲击法回收测定空气中噬菌体浓度的方法，整套方法考查了原液浓度、雾化速度、风速、采样时间、噬菌斑测定条件等一系列条件和参数的影响关系。建立的这一整套用噬菌体病毒雾化、散布、采集和回收培养来模拟空气中病毒气溶胶的方法是国际上首次在接近实际工程应用的测试条件下对空气净化装置的去除病毒效果进行系统的测定方法，对于提高空气净化产品的质量，规范市场管理和保证公众健康都具有重要意义。
    四 实验检测和实际工程应用效果良好
    　　在实验平台上检测中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置具有非常明显的净化空气的优势，能够短时间内达到99.4％的净化效率，根据1999
    ASHRAE Applications Handbooks
    (SI)推断对空气中包括滤过性病毒、细菌气溶胶和真菌孢子等的微生物颗粒的过滤杀灭效率至少可以达到99.999％以上；一次通过净化装置去除后的噬菌体量已经达到测定方法的最低限，比用空管测出的噬菌体数量降低2-~4个数量级，表明散布到空气中的多数噬菌体已经被有效去除；试验还发现高压静电场或紫外光照射不会产生二次污染，如臭氧。在上海交通大学后勤大楼实地检测结果表明中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置对微尘的平均净化全效率为86.2％；上海市疾病预防研究院对后勤大楼安装有净化装置的房间测试，在2小时内使一个220m3的会议室内空气中微生物由90
    cfu/m3下降到30cfu/m3。可见本装置应用于办公楼宇、公共场所、医院病房等的中央空调回风管道中，对防止病毒的传播，是去除空气悬浮气溶胶的实际可行的有效方法，必将对室内人员的健康有益，对降低人群交叉感染起到一定的作用。

    研究背景
    　　今年爆发的全球非典疫情使得人们对建筑的安全性进行了深层反思，通风换气一度被认为是最有效的防范非典措施。而空调系统则成为了众人质疑的病毒传播途径。国家卫生部、建设部、科技部联合制定了《建筑空调通风系统预防非典、确保安全使用的应急管理措施》，措施对中央空调通风系统的使用进行了严格规定，同时通知要求中央空调使用前必须进行清洗和消毒处理。
    　　本课题就是在这样的背景下开展的，主要针对中央空调系统中的空气清洁灭菌问题，建立了模拟空调室内微环境的测试平台，研制能够接近100%杀灭气流中病毒病菌的装置。该测试平台可进行温湿度控制，达到中央空调对室内空气微环境调节控制的要求。在全封闭的系统中通过布置各类空气净化装置，可以筛选、检测各类装置对空气的除尘、除病毒的效率。并且结合该平台，利用从环境中的抗逆性超过SARS病毒的JD-II-3噬菌体病毒来模拟代替真正的冠状病毒，由超声雾化器以1～5微米直径液滴的形式均匀分散到空气中形成比较稳定的病毒气溶胶，经过大量试验摸索建立了用明胶双层平板通过气流冲击法回收测定空气中噬菌体浓度的方法，整套方法考查了原液浓度、雾化速度、风速、采样时间、噬菌斑测定条件等一系列条件和参数的影响关系。这是国际上首次在接近实际工程应用的测试条件下对空气净化装置的去除病毒效果进行系统的测定。
    　　通过测试平台试验筛选，设计研制了新型复合多重除病菌装置，主要由活性炭纤维网、镀银过滤段、高压静电场和紫外灯组成，可安装于大型和户式中小型空调设备或系统的风管内，与以往净化装置相比，具有实质性特点和显著进步，设计结构科学合理，集多种杀菌、灭毒的最新技术于一体，优势互补，达到了快速、彻底、有效杀毒杀菌的目的，系统阻风力小，工作可靠、使用方便。装置的除尘杀菌原理可简单如下说明，针型负高压电极电晕放电，形成负离子流，将空气中灰尘、细菌、病毒离子荷电，在电场力作用下向阳极板方向运动，并随之电荷中和，既可以除尘，又具有杀灭病毒作用。为了增强吸附作用，特采用后端附加的高压均匀电场，将气流中遗留的荷电粒子进一步吸附；载银导电吸附层的应用既增加了吸附作用，同时又具有杀毒作用。另外，附加电场中C波段紫外线灭菌灯（紫外线波长254nm）杀菌灭毒效果好，其对吸附层的大功率长时间的均匀照射，保证了对吸附的各种病毒病菌的杀灭作用。
    　　在模拟中央空调环境的试验平台上，对高压静电复合净化装置和纳米光催化复合净化装置进行了试验检测。结果显示，装置的阻力损失低，满足相当于中效过滤器的阻力限值，适合在工程中应用到中央空调系统。高压静电复合装置有非常明显的净化空气的优势，能够短时间内达到99.4％的净化效率，根据1999
    ASHRAE Applications Handbooks
    (SI)推断对空气中微生物颗粒的过滤杀灭效率至少可以达到99.999％以上；试验还发现静电场或紫外光照射对系统内臭氧含量的影响微小。对装置的去病毒效果进行了反复多次测定，发现该装置对空气中病毒溶胶具有显著的去除和杀灭作用，一次通过净化装置去除后的噬菌体量已经达到测定方法的最低限，比用空管测出的噬菌体数量降低2~4个数量级，表明散布到空气中的多数噬菌体已经被有效去除。
    　　在上海交通大学后勤大楼和上海市第六人民医院的病房内的中央空调回风口分别安装高压静电、紫外灯和ACF复合净化装置和纳米光催化、紫外灯净化除菌装置。实地检测结果显示高压静电复合装置对微尘的平均净化全效率为86.2％，根据1999
    ASHRAE Applications Handbooks
    (SI)推断至少可以去除96％以上的包括滤过性病毒、细菌气溶胶和真菌孢子等的微生物颗粒。对房间空气中微生物颗粒进行采集培养发现，1.5小时内沉降菌可以降低50％左右，悬浮菌可以减少1～2个数量级。上海市疾病预防控制中心对上海交通大学后勤大楼安装有净化装置的房间微生物应用撞击法采样，测试净化装置在2小时内使一个220m3的会议室内空气中微生物由90
    cfu/m3下降到30cfu/m3，报告认为本装置可应用于办公楼宇、公共场所、医院病房等的中央空调回风管道中，防止病毒的传播，是去除空气悬浮气溶胶的实际可行的有效方法，必将对室内人员的健康有益，对降低人群交叉感染起到一定的作用。
    　　课题组还对光催化技术的杀菌效果进行了研究，采用半透明的硅胶作为TiO2光催化剂载体，充分利用紫外光照射，设计了不锈钢网格框架固定催化材料，这种负载型纳米光催化材料在净化装置里面的固定方法工艺简单，不用任何黏结剂，没有老化脱落问题的产生，同时保持了纳米光催化剂原有的活性，对光的利用几乎也没有产生影响。其杀菌原理认为是光激发TiO2首先破坏细胞壁和细胞膜，然后和细胞内的组成成分发生生化反应，导致功能单元失活而致细胞死亡。试验检测以光催化氧化为核心技术开发的纳米光催化复合净化装置对噬菌体病毒半小时可杀灭50％左右，效果较好。可见纳米光催化复合净化装置对室内空气中的某些气态污染物和微生物也具有一定的分解和杀灭效率。
    　　综上所述，高压静电复合净化装置对室内空气中含有的微尘和细菌、病毒等微生物气溶胶具有高效持久的去除和杀灭效果，能够防止因中央空调系统为媒介造成类似非典型肺炎(SARS)病毒的传播、扩散及引发的交叉感染。该装置的结构设计合理，适合于在中央空调的回风管道应用，在实际办公楼宇和医院病房的使用中也起到了较好的效果，用户反应良好，能够有效提高室内空气品质，解决了在流行病毒猖狂的时期人们不敢轻易使用中央空调的困惑，对于目前改善室内空气品质和今后有可能的预防流行性传染性病毒必将起到重要作用，具有较高的推广应用价值。
    推广应用前景与措施
    　　中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置研究的成果使应用高科技复合技术抗击非人为流行性传染病的一个最直接有效的工具，已在办公楼宇和医院病房使用数月，用户反应良好，期待能够进行产业化发展，进一步降低成本，以便为公众创造绿色清洁健康的室内空气环境。本研究课题在短短4个月内，完成了实验台设计调试和各种装置的测试优化，表现了极佳的凝聚力和合作创新力，其研究人员的高水平、深厚理论背景都为课题的顺利开展奠定了坚实的基础，共申请了六项中国发明专利，已录用了2篇高质量论文。
    开展并已显示诱人前景的工作包括：
    一 高压静电复合杀菌灭病毒装置的工程化发展
    　　空气净化领域在非典过后已成为各空调厂家大做文章的新卖点，改善以往只注重系统冷热效果的缺陷，从对系统的健康上多加关注，而对原有中央空调系统进行改造，增加送风/回风净化装置，改善室内空气内循环的安全性则是一种直接快速有效的措施。在中小型家电业方面，开发独立高效的净化器也是本装置的一个应用方面。本研究装置对室内空气的除微尘、杀菌灭毒都具有高效，若进一步结合纳米光催化技术，对室内的有机气态污染物分解，则达到了全方位的彻底净化清洁效果。
    二 检测实验台有利于建设成公共平台
    　　在研制的模拟中央空调室内微环境实验平台上，结合用噬菌体做指示病毒测定空气中病毒气溶胶含量和活性的独特方法，有望建设成公共的空气净化装置效果检测平台，能够灵敏、快速、可靠的检测各种净化装置的物理化学性能和生物安全性、有效性，以期及时、客观的评价各种净化装置的实际效果，有深远的意义。该测试系统和病毒活性检测方法已经申请中国发明专利保护，期望能够促进我国工程应用中空气生物学检测研究的发展，填补空白。

    　　目前，上述装置的实用化已经在上海交通大学后勤大楼的办公房间（2套）和上海市第六人民医院的病房（5套）得以应用，取得了可喜的实际效应，对装置的深入理论研究和结构优化研究也在进行之中。

    　　本课题组积极与空调生产厂家磋商，致力于装置的产业化、批量生产，推向市场；并寻求公共卫生健康中心、以及上海市疾病预防控制中心对检测平台的支持，致力于全面建设好这个公共平台，以充分拓展和发挥已形成的众多研究优势和这些独特的知识产权的成效，为室内环保建设做出贡献。
    主要技术文件目录及来源
    1. 中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置项目研制报告
    2. 中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置项目测试报告
    　　（1） 上海CDC测试报告
    　　（2） 上海交通大学分析测试中心测试报告
    　　（3） 上海交通大学生命科学学院噬菌体模拟空气传播病毒研究测试报告
    3. 用户使用报告
    　　（1） 上海市第六人民医院使用中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置报告
    　　（2） 上海交通大学达通后勤大楼使用中央空调系统中空气清洁灭病毒病菌装置报告
    4. 专利申请
    　　（1） 中央空调空气多重净化消毒系统测试平台，申请号：03129399.9
    发明人：王如竹、晋新桥、谷波、陈亚珠、徐学敏、赵立平、陈杰、徐宇虹、胡钧、毛军发、林志新、胡文彬、上官文峰、郑晓红
    　　（2） 中央空调出风、回风自动消毒装置，申请号：03129397.2发明人：陈亚珠、白景峰、黄延磊、胡文彬、毛军发、潘刚、张素
    　　（3）
    测定空气净化装置去除病毒效果的方法，申请号：03129400.6发明人：赵立平、徐学敏、徐宇虹、胡钧、王如竹、晋新桥、谷波、陈亚珠、陈杰、毛军发、林志新、胡文彬、上官文峰、郑晓红
    　　（4） 可移动式智能型局部空调回风及杀菌装置，申请号：03129398.0 发明人：王如竹、李玉国、黄新华、郑晓红、吴静怡
    　　（5）
    测定空气净化装置去除病毒效果的方法，申请号：03129400.6发明人：赵立平、徐学敏、徐宇虹、胡钧、王如竹、晋新桥、谷波、陈亚珠、陈杰、毛军发、林志新、胡文彬、上官文峰、郑晓红
    　　（6） 光催化空气净化器，申请号：03129401.4发明人：上官文峰
    　　（7） 中央空调出风、回风自动消毒装置，申请号：03129397.2发明人：陈亚珠、白景峰、黄延磊、胡文彬、毛军发、潘刚、张素
    　　（8） 具有杀菌消毒功能的载银泡沫金属的制备方法，申请号：03129402.2发明人：胡文彬、常程康、刘磊、刘河洲、丁文江
    5. 发表文章
    　　（1） X.H.Zheng, R.Z.Wang, L.P.Zhao, Lisa X., et al. Experimental
    Investigation of Hybrid Air Purifying Technology in Central
    Air-conditioning System, Chinese Science Bulletin, in press；
    　　（2） 郑晓红，王如竹，赵立平，徐学敏，陈亚珠等，中央空调复合净化除病毒技术实验研究，科学通报，(已录用)；
    　　（3）
    郑晓红，王如竹，晋欣桥，谷波，徐学敏，赵立平，陈亚珠等，高压静电除尘灭菌技术在中央空调系统的应用，2003全国制冷空调新技术研讨会，(已录用)；制冷空调新技术进展（2003），上海交通大学出版社，2003年11月。

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