凌继红，张银苹，邢金城，王 颖，范景嵩

(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 富士康（天津)精密工业有限公司，天津 300457）

紫外(UV)消毒是控制病原微生物通过空气传播的重要方法，是医院隔离病房普遍采用的空气消毒方法[1]．文献[2]中曾经提出，将紫外线灯泡安装在空调系统的通风管道中，可以有效地杀灭其中的微生物．研究表明，风管内照法紫外线杀菌(ultraviolet germicidal irradiation，UVGI)系统对室内空气中的微生物有很好的抑制作用[3]．紫外线杀菌包括静态杀菌和动态杀菌，其中紫外线动态杀菌技术受风速、温度、反射材料以及微生物种类等因素的影响．研究[4-5]指出，紫外灯的辐射强度随风速升高而降低，在一定范围内空气温度和速度对紫外线灯有效输出的相反影响可相互抵消．对于风管内照法紫外线杀菌系统，风速对其杀菌效率的影响尤其显著．文献[6]指出紫外线流动空气杀菌的典型设计风速为 2.54,m/s；文献[7]研究结果显示风管内紫外线杀菌系统风速为2.2,m/s 时其对真菌孢子和营养细菌杀灭率分别为75%和87%，当风速为 5.1,m/s 时该装置失效．但是目前为止国内外对风管内照法关于风速影响杀菌效率的研究大部分都是针对灯管垂直于气流方向，而这种紫外线灯布置方式不管是单管还是多管组合，气流与紫外线灯接触时间都很短，并且该种布置方式紫外灯辐射强度在风管内不均匀．对于灯管平行于气流方向的灯管布置，文献[8]指出灯管的布置方式会影响 UVGI 的杀菌效果，如果几根灯管集中布置，紫外线强度场会集中在一个区域，灯管附近紫外线强度高于杀菌需要的强度．而将灯管安装在反射镜上可以重新分配紫外灯强度场，使紫外线强度分布趋于均匀．另一方面由于不同菌种对紫外线的敏感程度不同，空气中存在的菌种繁多，且风管内照法紫外线杀菌装置对大气菌的杀灭效率的相关研究少之又少．鉴于此，笔者研究了灯管平行于气流方向且集中布置的带反射镜紫外线杀菌装置对空气中自然菌的杀灭效率．

1 实验研究

1.1 实验系统

为了研究不同风速以及不同反射材料对风管内照法紫外线杀菌装置杀菌效率的影响规律，搭建了如图1 所示的实验系统，4 根紫外线杀菌灯管集中布置在风管中心位置，灯管安装在阳极铝制抛物面反射镜上，其横向剖面如图 2 所示，紫外线杀菌装置的主要技术参数见表 1．为了消除风速的不均匀性对测试结果的影响，系统中设置了均流装置以实现气流的均匀性．实验测得紫外线杀菌段上游断面的风速不均匀系数为0.1，气流均匀性较好．

图1 紫外线杀菌效率测试系统Fig.1 Test rig for determining UV germicidal efficiency

图2 紫外线杀菌段横向剖面Fig.2 Transverse section of UV germicidal system

1.2 实验工况

实验中共进行了 16 个工况的测试，具体工况见表2．实验测试环境条件：温度为(20±2),℃；相对湿度为50%±5%．

表1 紫外线杀菌装置技术参数Tab.1 Technical parameters of UVGI device

1.3 实验方法

用 75%的酒精对实验仪器及实验系统进行消毒后，开启风机和紫外灯照射 30,min．实验仪器及系统消毒和自净后，利用安德森6 级微生物采样器对紫外线杀菌段上下游空气同时进行采样．微生物采样流量为 28.3,L/min，每个工况测试 3 次，每次采样时间为 30,min．采样结束后将培养基置于 37,℃条件下培养48,h，观察记录菌落数．

上下游的空气含菌量的计算式为

式中：c 为空气含菌量，个/m3；N 为 6 级采样平板上的总菌落数，个；t 为采样时间，min．

UVGI 装置的杀菌效率计算式为

式中：η为 UVGI 装置对空气中细菌的杀灭效率，%；cdown为下游空气含菌量，个/m3；cup为上游空气含菌量，个/m3．

表2 测试工况Tab.2 Test cases

2 实验结果

2.1 风速对杀菌效率的影响

实验测得风管内衬材料为抛光铝板时，UVGI 装置的杀菌效率随风速的变化如图3 所示，内衬不同材料的 UVGI 装置在 2.0～3.0,m/s 风速范围内杀菌效率如图4 所示．

图3 不同风速下UVGI装置的杀菌效率Fig.3 Germicidal efficiencies of UVGI device at different velocities

图4 不同内衬材料UVGI装置杀菌效率的对比Fig.4 Comparison of germicidal efficiencies of UVGI devices with different reflective materials

紫外线照射杀菌效果与微生物接受的紫外线照射剂量成正比，已有研究[9]表明在其他因素不变的条件下，风速降低则微生物受到的辐射剂量因杀菌时间延长而升高，使杀菌效率升高．由图 3 可以看出，在其他因素不变的条件下，随着风速的下降UVGI 装置的杀菌效率逐渐升高，但当风速下降至 3.0,m/s 以下时，杀菌效率随风速降低的变化率减小．从图 4 可以看出，采用 4 种不同反射材料的UVGI 装置，风速为2.0,m/s、2.5,m/s、3.0,m/s 时，系统杀菌效率均无显著变化．该实验结果表明，风管内照法紫外线杀菌装置的适宜风速为2.0～3.0,m/s．

根据文献[10-11]对普通病房、注射室等空气中细菌含量的监测，普通病房等室内空气细菌含量范围为 500～2,500,个/m³．在这类环境中运用风管内照法紫外线杀菌消毒，可将室内细菌含量维持在标准[12]规定的 500,个/m³以下，以控制病房空气中的微生物污染．

2.2 反射材料对紫外线消毒效果的影响

紫外线的杀菌能力与辐射强度成正比关系，在风管内采用高反射率的反射材料，由于反射的叠加作用，能够大幅度提高紫外线的照射强度，提高紫外线杀菌效果．由图 4 可以看出：在其他因素不变的条件下，内衬4 种不同材质的UVGI 装置杀菌效率高低排序为抛光铝板＞铝塑板＞镀锌铁皮＞黑布．实验结果表明，4 种材料中抛光铝板对紫外线的反射率最高，而相同风速条件下以抛光铝板和铝塑板为衬的紫外线杀菌装置消毒效果差别不大，因此可以用造价低廉的铝塑板替代抛光铝板作为紫外线杀菌装置的反射材料．

2.3 微生物粒径与杀菌效果的关系

本实验研究对象为大气中的细菌、真菌、病毒等具有活性的微生物粒子．对紫外线杀菌段上、下游不同粒径的微生物粒子占微生物粒子总数的百分数进行了分析，分析结果如图5 所示．

图5 上下游不同粒径微生物粒子百分数Fig.5 Percentage of microbial particles in different sizes at upstream and downstream sections

由图5 可以看出，粒径小于1.10,μm 的微生物粒子占空气中微生物粒子总数的比例最大，约 30%左右；而粒径＞7.00,µm 的微生物粒子比例最小，仅占总数的 5%左右．为了进一步研究粒径对紫外线杀菌效率的影响，利用统计学软件 SPSS 对风速和粒径对杀菌效率的影响进行了偏相关分析，结果显示风速和粒径大小对杀菌效率的偏相关分析对应的显著性检验水平分别为 0 和 0.001，低于显著性水平 0.05，即二者对杀菌效率的影响均显著．鉴于此，根据实验数据对风速和粒径与杀菌效率的定量关系进行了多元线性回归分析．各变量的描述统计如表 3 所示，分析结果如表4～表6 所示．

表3 数据分析样本Tab.3 Data analysis samples%

表4 模型拟合程度汇总Tab.4 Summary of model fitting degree

由表 4 可知，该模型的复相关系数R和决定相关系数R2分别为 0.754 和0.569．对该模型进一步进行方差分析(见表 5)，得出统计量F值为 25.748，显著性检验水平值为 0，小于显著性水平值 0.05，所以该模型是有统计意义的，即风速及粒径与杀菌效率之间的线性关系是显著的．

表5 方差分析汇总Tab.5 Summary of variance analysis

表6 回归系数Tab.6 Regression coefficients

由表6 数据可以得到该模型的回归方程．在粒径d≥0.65,μm，风速v≥2.0,m/s 建立的回归方程为

由式(3)中粒径与风速的回归系数可以看出风速对紫外线杀菌装置杀菌效率的影响大于粒径的影响．一方面，其他因素不变的条件下杀菌效率随风速的增大逐渐降低，该结论与第 2.1 节风速对杀菌效率影响的分析结果一致．另一方面，在其他因素不变的条件下，杀菌效率随微生物粒子的粒径增大而降低．这是由于空气中浮游的细菌(包括病毒)大多数都粘附在灰尘载体上，很少单独存在；紫外线穿透力很差，空气尘埃还会阻挡和吸收紫外线而降低杀菌率；空气中气溶胶粒子会对紫外线产生散射作用，影响紫外线消毒效果．

3 结 论

(1) 在其他条件不变时，随着风速的下降，UVGI 装置杀菌效率逐渐升高，当风速降到 3.0,m/s以下时，风速变化对杀菌效率的影响不再显著；紫外线灯集中布置时风管内UVGI 装置适宜风速为2.0～3.0,m/s．

(2) 在其他条件不变时，内衬4 种材料的 UVGI装置杀菌效率高低排序为抛光铝板＞铝塑板＞镀锌铁皮＞黑布，以铝塑板为衬和以抛光铝板为衬的UVGI 装置的杀菌效率相差甚微，UVGI 装置的反射材料可以用造价低廉的铝塑板替换抛光铝板．

(3) 在其他因素不变的条件下，杀菌效率随微生物粒子的粒径增大而降低，因此悬浮在空气中的微生物粒子粒径越小，其对紫外线杀菌越敏感．

(4) 在粒径d≥0.65,μm，风速v≥2.0,m/s 时，杀菌效率η(%)随风速及粒径变化的关系式为

(5)UVGI 装置比较适合用于人员流动比较大的场所，如普通病房、注射室等场合的空调系统中．而对空气卫生要求很高的医院手术部、无菌病房等，需要采用 UVGI 装置和过滤器等其他消毒技术手段相结合的形式．

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