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新冠疫情影响下的钛风机盘管净化新技术介绍
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新冠疫情影响下的钛风机盘管净化新技术介绍

发布时间 :2022-01-12 22:08:05 浏览次数 :

前言

2020年暴发的新冠肺炎疫情席卷全球,到2021年仍然在蔓延,没有消失的迹象。世界卫生组织声称:与所有其他疫苗一样,COVID-19疫苗也不会100%有效,新冠肺炎很可能会持续传播很长时间,新冠病毒将长期与人类共存[1]。面对疫情,世界卫生组织和国家卫生健康委多次呼吁所有人均应戴口罩、勤洗手、不聚集,并保持社交距离。

与此同时,通风空调系统作为抗击疫情的重要措施之一,越来越受到重视,其中空气过滤器是研究重点。在我国,风机盘管机组应用广泛,尤其是在医院、旅馆和办公建筑中更是如此。因此新冠肺炎疫情暴发后,风机盘管机组的净化问题被重新提出,不但有新建医院的风机盘管系统,更多的是既有医院、旅馆和办公建筑风机盘管机组的改造,均需解决空气净化问题。为此,科研院校和企业开始研发新的风机盘管机组用空气净化装置。

1、标准和约束条件

作为舒适性空调系统末端装置的风机盘管机组,GB/T 19232—2019《风机盘管机组》第5.5条表1给出的风机盘管过滤器的定义为:尼龙网或铝合金网。但是第5.2条要求“具有特殊功能(如抑菌、杀菌、净化等)的机组,其实现特殊功能的构件应满足国家有关规定和相关标准的要求”[2]。

GB 51039--2014<<综合医院建筑设计规范》第7.1.11条规定:集中空调系统和风机盘管系统的回风El必须设初阻力小于50 Pa、微生物一次通过率不大于10%和颗粒物一次计重通过率不大于5%的过滤设备[3]。 

GB/T 51153--2015<<绿色医院建筑评价标准》 第8.2.8条规定:集中空调系统和风机盘管机组回 风口,采用低阻力、高效率的净化过滤设备。本条价总分值为6分,并应按表8.2.8的规则评分。 集中空调系统回风口采用低阻力、高效率的净化过滤设备为3分,风机盘管机组回风口采用低阻力、 高效率的净化过滤设备为3分[4]。 风机盘管机组过滤器除了需要满足上述国家标准的规定外,还需要考虑风机盘管机组的机外余压和风机盘管机组送、回风El尺寸。根据GB/T 19232--2019<<风机盘管机组》,风机盘管机组分为高、低静压风机盘管机组。低静压风机盘管机组是指在额定风量或名义风量时,出口静压为0 Pa或12 Pa的机组,其中带风口和过滤器的机组出口静压为0 Pa,不带风口和过滤器的机组出口静压为12 Pa。高静压风机盘管机组是指在额定风量或名义风量时,出口静压不小于30Pa的机组,包括30、50、120 Pa 3种机组[2]。

风机盘管机组的送、回风口尺寸没有统一的标准,由设备厂家自行设定,表1给出了医院常用的几种风机盘管机组的主要性能参数。

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2、现状

近20年,我国风机盘管机组的净化技术经过了3次大的变革,第一次是2003年SARS疫情后,第二次是2012年国内多个城市公布每El雾霾指数后,第三次则是新冠肺炎疫情暴发后。

2003年SARS疫情暴发时通风空调系统一度被认为是可能传播&慷S的主要途径之一,有关科研院校对医院的空调净化系统进行了反思,发现风机盘管机组的冷凝水盘是真菌、霉菌和细菌繁衍的重要部件,于是独立新风系统(DOAS,国内亦称为温湿度独立控制系统)和干盘管应运而生。由于要达到普通风机盘管机组的冷量,在相同的条件下,必须提高风机盘管机组的规格。

为避免风机盘管机组因尺寸过大而无法安装,出现了多排管(4排、6排甚至8排)的干盘管,由于受空气阻力、能耗和噪声等诸多问题的限制,干盘管很快就偃旗息鼓了。这段时间对风机盘管净化问题的研究主要集中在冷凝水盘消毒技术方面。

2013年,为应对细颗粒物(PM2.5)导致的严重雾霾,国内有学者开始研发风机盘管过滤器。樊越胜等人基于室外PM2.5浓度“不保证10 d”研究了一种风机盘管过滤器,结果表明,余压为50"--80Pa的机组回风过滤器选用粗效、中效(G3、G4)过滤器,余压为30~50 Pa的机组回风过滤器选用粗效(G2、G3)过滤器[5]。周刘轲等人研究发现,风机盘管回风口加装驻极体过滤器后处理风量相较于未加装时的处理风量均有所衰减,但加装过滤器后对PM2.5的瞬时净化效率可达68%以上[6]。上述研究的过滤器过滤效率只能达到粗、中效过滤器水平。最近几年以PM2.5净化为目标的风机盘管过滤器的研发工作一直在推进。

新冠肺炎疫情传播之广,影响之深,远远超过了SARS疫情,为了抗击疫情,风机盘管的净化问题再度受到国内外空调净化界的关注。

《负压隔离病房建设简明技术指南》对医院病房所采用的风机盘管提出了具体建议:“用于防控区(污染区)房间的风机盘管,在其送、回风口均应设高中效过滤器,用于普通房间的风机盘管机组,在其回风口应设高中效过滤器。”并推荐了一种高中效过滤器,其主要性能见表2、3[7]。

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文献[8]介绍了一种风机盘管过滤器,在0.8m/s风速时,粒径0.5“m粒子的过滤效率为90%,阻力为21 Pa;风速1.2、1.4 m/s时阻力分别为33、39 Pa。

3、问题分析

从上面的介绍可以看出,目前国内风机盘管过滤器还存在一些问题,研发过程中应解决以下问题:1)阻力问题。由于风机盘管机组可用机外余压有限,所以研发风机盘管过滤器的首要任务就是将空气过滤器的初阻力和终阻力控制在风机盘管可用机外余压范围内。由于过滤器的阻力与风速有关,如果只考虑阻力而忽略了风速,过滤器的实际阻力将明显超标。文献[7]指出“用于防控区(污染区)房间的风机盘管,在其送、回风口均应设高中效过滤器。”图1显示了根据表2所示超低阻高中效过滤器实验结果模拟的该过滤器在不同风速下的阻力。

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若将表2过滤器用于表1所示风机盘管中,如按图1所示不同风速下的过滤器阻力进行计算,送、回风口过滤器总的初阻力最大为86 Pa,最小为58Pa,如果考虑终阻力为初阻力的2倍,过滤器的总阻力将更大,这种空气过滤器无法用于防控区(污染区)房间的风机盘管。如果只用在普通房间风机盘管的回风口,回风口过滤器的初阻力最大为37 Pa,最小为25 Pa,当同时考虑终阻力时,回风口的面积需要扩大,因此不宜直接安装在风机盘管回风口,只能安装在吊顶上。文献E8]作者认为,集中空调系统和风机盘管机组的回风口风速一般小于1.5 m/s,多数在0.8 m/s,所以其所研发的风机盘管过滤器的试验风速定为0.8 m/s。但由表1可知,风机盘管回风口风速均超过了0.8 m/s,使用这种过滤器不但阻力会增加,效率也会下降。

2)过滤效率问题。新冠肺炎疫情暴发后,风机盘管过滤器的开发者考虑到病毒的直径只有0.06"--0.14tzm,因此需净化的颗粒物不宜以PM2.5作为目标。根据ASHRAE 2020年4月公布的“感染性气溶胶立场文件”,要求医疗建筑采用高效过滤器(HEPA);而对非医疗建筑,则应改善集中空调和其他HVAC过滤级别,达到MERV-13(相当于我国的高中效过滤器)或更高水平[9]。

国内亦以高中效过滤器作为风机盘管过滤器的过滤级别。文献ET]介绍的过滤器对粒径0.5 tLm颗粒物的过滤效率为79.4%(未注明风速);文献E8]介绍的过滤器在风速0.8 m/s时,对粒径0.5“m颗粒物的过滤效率为90%。这些过滤器的过滤效率还有待提高。

3)尺寸问题。风机盘管回风VI过滤器有2种安装方式,一种是安装在带回风箱的风机盘管的回风口上,如图2所示。目前开发的风机盘管过滤器为实现低阻力,均以风速低于1 m/s为设计值,而风机盘管回风口的风速均超过1 m/s,因此直接安装在回风口会出现阻力过大、风量下降的问题。

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第二种是安装在吊顶上,过滤器通过短管与风机盘管相连接。这种安装方式存在2个问题:一是要有足够大的面积安装过滤器和回风口,例如解放军总医院700 m3/h风量风机盘管回风过滤器尺寸达到400 mmX 500 mIn[1叩;二是安装面积受限,会导致风速过高。

除了过滤器的面积外,过滤器的厚度过大也常常使得过滤器无法安装,目前市场上流行的一种侧回风净化回风口,静压箱高度竟达到430 mIn,在很多场合由于吊顶内高度受限而无法使用。开发可用于不同安装方式的风机盘管过滤器是当务之急。

4)净化技术或设备。

①纤维滤料。主要有玻纤滤料和合成(9a学)滤料,其中合成滤料又有非织造布(无纺布)、纤维纸、驻极体静电滤料和纳米纤维滤料。玻纤滤料一直是国内空气净化器的主要过滤材料,其主要缺点是当效率达到高中效之上时,阻力过大,不适用于风机盘管。非织造布要实现在风机盘管回风口风速下达到高中效过滤效率将十分困难,一般只用于中效过滤器。纤维纸只适合用于低风速工况。驻极体静电滤料(采用熔喷工艺的滤料)由于阻力低、效率高,一度成为国内空调净化界研发的重点。新冠疫情暴发后,由于驻极体静电滤料在口罩中大量使用,这种滤料成为空气净化的重要过滤材料。G剐T14295--2019<<空气过滤器》规定:“对于滤料荷电的空气过滤器,应标称消静电处理后的效率’’[11|,而消静电后这种过滤器的过滤效率会急剧下降,同时静电效应在高湿环境中会随时间而逐渐衰减,所以难以用于风机盘管过滤。由于工艺水平的突飞猛进,纳米纤维滤材近年来异军突起,不但实现了高效率、低阻力,而且解决了过滤材料在高效过滤颗粒物的同时具备灭活病毒、抑菌和分解有害气体功能的难题。关于纳米纤维的应用,后文将详细说明。

②静电式过滤。按照国家标准,静电式空气过滤器的定义为:采用高压静电场使颗粒物荷电之后,再被集尘板捕集,实现去除空气中颗粒物含量的空气过滤器[11|。按照目前国际上通用的分类方法[12],静电式过滤分为2种:一种是高压静电过滤(electrostatic precipitation,静电沉淀),即高压静电除尘器(electrostatic precipitator);另一种是离子发生器(ionizers,ion generators)。这2种产品的原理基本相同,不同的是电晕放电方式和电压。

其特点是:对各种粒径的颗粒物均有较高的净化效率,阻力小,但是可能产生火花、声响、臭氧和氮氧化物,由于集尘后效率下降,集尘板上的灰尘如何清理是一大难题。

静电过滤还有一项技术,即强电介质场(IFD,intense field dielectric)技术,是指对以电介质材料为载体的强电场进行空气净化的技术,是英国某公司的一项发明专利。据称“世界上最先进的空气净化技术”,但涉及这项技术的文献从2010年到2021年只有4篇,其中3篇论文是由中国学者撰写的。目前国际上除英国公司之外,在空气净化器中采用过这项专利的在美国只有霍尼韦尔公司和特灵公司,在日本只有松下公司。在中国,IFD技术独家授权生产的是山东雪圣环境工程有限公司。

2000年就申请了专利的这项净化技术为何迄今为止研究者甚少,也未得到大规模的推广应用,其原因不清。文献[13]完成的一项现场试验可能从一个侧面说明问题:“IFD过滤器的长期性能可能无法令人满意,运行半个月(每天8 h)后,过滤效率下降到80%---85%,运行一个月后,效率进一步下降到60%-~65%”。另外根据实测,风速增大,IFD过滤器的效率会明显降低,耗电量会明显增加[13-14],所以采用这项技术的空气过滤器能否用于风机盘管值得商榷。

负离子过滤器也属于静电过滤,与前述高压静电过滤器不同,带电颗粒物会随送风气流附着在房间物体表面,导致污染,同时可能形成二次扬尘。

对于采用高压电电离产生的负离子对人体的影响目前尚有不同的观点。

GB 50333--2013{医院洁净手术部建筑技术规范》第8.3.5条规定:非阻隔式空气净化装置不得作为末级净化设施,末级净化设施不得产生有害气体和物质,不得产生电磁干扰,不得有促使微生物变异的作用[15]。第8.3.5条条文说明指出:原规范本条为“静电空气净化装置不得作为净化空调系统的净化设施”。实践中发生过断电、断丝使其后空气含尘浓度大增的事情。日本空气清净协会的《空气净化手册》也明确说明了这一点。德国标准DIN1946—4在“高效过滤”一章中指出:“不允许使用静电除尘过滤器”“在机组运行时不能有任何有害健康的物质释放到机组内,即使是使用抗菌过滤器或含有特殊材料的过滤器”。国内学者杨明华的实验表明,开机4 h,手术室内静电净化器除菌效率才达到66.7嘣7|。同济大学研究指出,对大气自然菌的1h除菌率为79.9%,也只相当于中效过滤器一次通过的效率[7|。根据这些年的实践,为确保安全,认为将静电装置扩大为非阻隔式装置是必要的。这方面还遵循一个原则,就是把尘菌拒之于“门”外,细菌即使杀死了,如仍在室内漂浮也存在后患,所以阻隔式是必要的。同时,末级净化设施不应产生超标的有害气体(如臭氧、氮氧化物等),不应产生电磁辐射,不应有促使微生物变异和增加抗药性的可能。这是本次修订根据有些微生物专家的实验结果而特别说明的m]。这里所指的非阻隔式空气净化装置不但包括高压静电过滤器,也应包括负离子过滤器和低温等离子净化器。

③低温等离子净化器。低温等离子体净化是利用高压放电技术对气体进行电离,加速电子产生大量活性离子和自由基[1 2|,可以令很多需要很高活化能的化学反应发生,使采用常规方法难以去除的有害气体分子得以转化或分解,达到净化目的。

在空气净化技术中虽然低温等离子净化器对颗粒物有一定的净化作用,对细菌也有杀灭功能,但是其主要功能还是对有害气体的分解,所以这项技术属于有害气体净化技术[1 2|。低温等离子体空气净化技术目前最大的问题是,如果要达到空气净化的各项指标,所产生的臭氧和其他有害气体很可能导致严重的二次污染,所以目前国内外采用这项技术时往往把电压降到几千伏,臭氧含量虽然可以达标,但净化效果却大打折扣,只能与其他多项净化技术组合应用。文献[-12-]指出该技术缺少在室内实际应用的信息,也缺少可依据的标准。作为一种非阻隔式空气净化装置不宜用于医院场合,目前国内主要用于工业有害气体净化。

④紫外线照射。紫外线照射是一项传统的消毒手段,应用广泛。国内有公司曾经尝试在风机盘管中采用紫外线灯作为杀菌设备。紫外线灯安装在盘管和风机之间,使用时杀菌效率为82%E16]。在风机盘管中采用紫外线照射作为空气净化措施存在的主要问题是:对颗粒物无净化效果;紫外线灯寿命较短,一般低于1000 hl安装维护不方便;对不同菌种杀菌效率差异明显;可能产生臭氧和氮氧化物,导致二次污染。所以紫外线照射也不适合作为风机盘管机组的净化手段。

4、新型风机盘管过滤器研发

针对风机盘管机组净化技术存在的问题,笔者所在团队与国内从事净化材料研究的高等院校合作,从2020年5月开始进行了风机盘管过滤器用滤材研发工作,目标是:1)高效率;2)低阻力;3)抗病毒;4)抑菌;5)除甲醛;6)除异味。由于风机盘管机组的自身特点,不宜采用多种净化技术叠加,考虑到净化技术的发展趋势,以阻隔式纤维滤材作为研发的重点,在重点考虑滤材对颗粒物的过滤效率和空气阻力的同时,充分考虑上述其他净化功能。

近年来,国内外在纳米纤维膜研究方面取得了重大突破,尽管有多篇文献,但产业化的研究成果极少。纳米纤维膜有几种不同的加工工艺,其中静电纺丝工艺采用不同原材料生产纳米纤维膜,被认为最有前景。需要说明的是,静电纺丝工艺与熔喷纺丝工艺是2种不同的工艺,静电纺丝工艺制造的纳米纤维膜不带静电,所以测试空气过滤器效率时无需作消静电处理。目前国内生产的静电纺丝纳米纤维膜可以替代玻纤滤料用于高效过滤器和超高效过滤器,虽然其阻力明显低于玻纤,但若用于风机盘管,阻力仍然过大。因此本研究通过对静电纺丝工艺的改进,同时考虑到空气过滤器的阻力由材料阻力和结构阻力构成,所以对不同滤材的摺高和摺间距进行了大量优化试验,生产出一种适用于风机盘管的亚高效过滤器滤料。表4给出了国家空气净化产品及气体检测仪器质量监督检验中心(江苏)对采用这种滤料的亚高效空气过滤器性能的测试结果。该过滤器宜安装在吊顶上,当面风速为

0.9 m/s时,阻力为15 Pa,适用于静压30 Pa的风机盘管;当面风速为1.33 m/s时,阻力为25 Pa,适用于静压50 Pa的风机盘管。试验样机过滤器的过滤效率(E)达到亚高效过滤器的效率范围(o.5肚m时的过滤效率95%≤E<99.9%)。

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图3给出了这种亚高效过滤器不同容尘量对应的空气阻力和过滤效率。试验样机的风量为1 228m3/h,迎风面风速为1 m/s,初阻力为17Pa,过滤效率为99.1%(0.5灶m),终阻力为35 Pa。

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由于过滤器直接安装在风机盘管回风口,过滤器的面风速将增大,不同设备厂家的回风口尺寸不同,所以本研究调整了静电纺丝纳米纤维膜的工艺,滤材过滤效率下降的同时阻力也减小,如表5所示。经过调整后,如表1所示最低回风口风速为1.20m/s、最高为1.85 m/s时,对应的阻力分别为15 Pa和29 Pa,其他风速下的阻力可用式(1)计算,此时过滤器的效率虽然有所降低,但是仍然在亚高效过滤器的效率范围内。

工程设计时,风机盘管机组通常是以中速挡为选型规格,考虑到噪声的影响,使用者习惯将风机盘管低速挡运行,因此,采用上述空气过滤器时,阻力会明显下降,效率将相应提高。根据试验,这种空气过滤器可以采用手持式家用(车用)吸尘器进行清洁,十分方便。

高效过滤器不但可以阻隔空气中的颗粒物,而且可以高效率除去空气中的悬浮菌[1 7|。最新的一项研究报告表明:在传染病房间,高中效过滤器(MERV_13)可以将房间病毒浓度降低一个数量级。随着过滤器级别的提高,房间病毒浓度达到理想值的时间将缩短,不过空气过滤器不会100%过滤掉颗粒物,部分病毒还会返回房间[1 8|,阻隔在滤料上的病毒可能产生二次污染和滞后污染E19]。由于现有的滤材产品只能阻隔部分病毒和细菌,所以为了尽可能地灭活病毒、杀灭细菌,国际上采用紫外线照射技术消毒。为了避免使用紫外线灯,本研究对上述超低阻力的亚高效滤材进行了抗病毒和抗菌处理,将聚合物接枝5,5一二甲基海因和三甲胺(PSDT),使其具有卤胺和季铵盐位点,通过静电纺丝工艺形成PSDT纳米纤维膜,将固有的卤胺和季铵盐基团共价整合到纳米纤维中,实现了高效和稳定地灭活病毒,具有杀灭细菌的功能。2021年2月8日经广东省微生物检测中心检测,这种滤

料对冠状病毒的灭活率达到99.93%,对金黄色葡萄球菌抑菌率达到>99.999%。

一般医院非传染区和其他公共建筑的房间内存在甲醛危害,风机盘管过滤器能否去除甲醛等有害气体也是受到关注的一个课题。目前纳米二氧化硅加紫外线灯组成的纳米光催化技术是去除甲醛和其他有机物最主要的技术,其缺点是纳米二氧化硅必须在紫外线照射下才能起作用,如前所述,这项技术也不适合用于风机盘管净化。Sekine通过实验发现,在室温下一些金属氧化物可以将甲醛氧化生成C02和H:O,其中MnO:是最有前途的价廉氧化物E2州,此后MnO。和纳米MnO。逐渐成为催化降解有机物的重要化合物。试验发现在一种聚合物表面层引入另一种聚合物层可以产生出色的过滤效果,因此过滤介质中材料的复合受到了广泛关注。为开发可去除甲醛和异味的过滤材料,本研究将静电纺丝聚合物和静电纺丝无光纳米锰锌纤维膜复合,滤材可以在无光的条件下高效地将甲醛分解成C02和H。O,去除甲醛效率达99.6%,去除异味效率达99.7%。

5、结论

1)现有的国家标准对风机盘管机组的净化要求仅限于非疫情期间风机盘管机组的常规应用,建议国家标准应充分考虑全球大流行疾病的发生,增加相应的净化条款。

2)由于风机盘管机组的余压和外形尺寸受限,所以风机盘管过滤器必须充分考虑这些限制条件。

3)目前作为商品的风机盘管过滤器存在的主要问题是:阻力偏大,颗粒物过滤效率偏低,外形尺寸不适用,缺少灭活病毒和杀灭细菌的功能。

4)在现有的空气净化技术中,非阻隔式(高压静电过滤、强电介质场过滤、负离子净化、低温等离子净化)和紫外线照射均不适合作为风机盘管的净化技术使用。

5)本文研发的风机盘管亚高效过滤器效率高、阻力低。对亚高效滤材接枝PSDT,通过静电纺丝工艺形成PSDT纳米纤维膜,可实现灭活99.93%冠状病毒的净化效率、大于99.999%的抑菌率;另一方面,通过复合工艺,将静电纺丝聚合物和静电纺丝无光纳米锰锌纤维膜复合,去除甲醛效率达99.6%、去除异味效率达99.7%,使得风机盘管空气过滤器的净化功能大幅度提高。多联机系统的室内机空气净化问题与风机盘管相似,本文研发的风机盘管新型过滤器也可以用于多联机系统的室内机。

6)风机盘管机组的净化尚需要通过实验和实践继续深入研发,风机盘管系统除了风机盘管机组外,与其配套的新风机组的空气净化亦是一个大课题,尤其是当新风机组作为一种净化设备独立使用时,更是值得深入研究。

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