不同原理空气消毒净化器效果与分析

□ 伍诚麟 WU Cheng-lin 田金 TIAN Jin 许锋 XU Feng

随着经济不断发展，环境问题已成为全球研究的热点问题[1]。在中国，“雾霾已成为人民群众健康的重要危险因素之一”[2]。雾霾中的PM2.5（particulate matter 2.5，PM2.5）是严重危害人体健康的物质之一[3]。PM2.5是指颗粒物直径小于等于2.5um的粒子，粒子周围会有细菌及病毒附着，由于体积较小，因此可直接被人体吸入肺部，进而引起多种疾病[4]。有研究显示，长期处于高浓度PM2.5的环境中，会引发心血管及呼吸系统疾病[5-7]。

在新冠疫情全球肆虐的大环境下，医疗卫生机构对空气环境的消毒、净化要求日益提高。与紫外线消毒相比，空气消毒净化器可对空气实现持续消毒，而不对人体产生危害[8]。除此之外，空气中的PM2.5浓度是影响人体健康的重要危险因素，研究显示空气消毒净化器可有效降低空气中PM2.5的浓度，提高室内空气质量[9]，因此被广泛应用于医院等人员密集，空气质量较恶劣的地方。Qian等人[10]的研究显示长时间自然通风可产生较高的换气率，从而可促进空气流通，有效降低医院交叉感染，给患者提供良好的空气环境。但医院楼宇建设较为复杂，对于部分密闭房间，只有通过空气消毒净化器才能实现空气的净化与消毒。目前常用的空气消毒净化器在净化原理上主要分为两种[11]。一种是依靠静电吸附装置对空气中的颗粒进行吸附，其原理是利用机器内部高压静电发生器产生4KV-8KV的直流高压，使经过的带灰尘及微生物的空气发生电离，产生的阳离子与灰尘及细菌微生物接触，随后带正电的颗粒在电场的作用下向负极运动，其最高可吸附0.01μm的颗粒物，进而达到除尘的作用[12]。另一种则靠纤维吸附技术对空气中的颗粒进行拦截，从而达到净化空气的作用[13]。针对材质种类繁多的过滤网，张辉等人[14]比较了不同材质的滤网对净化效果的影响，其研究显示由HEPA材料制成的过滤网对PM2.5的净化效果要明显优于其他5种材料（静电棉、防雾霾纳米纱窗、初效过滤棉、不锈钢筛网、耐高温玻璃纤维）。

性能指标参数是比较不同空气消毒净化器的依据。国家标准 GB/T 18801-2015指出洁净空气量（clean air delivery rate，CADR）和净化能效是空气消毒净化器重要性能指标参数[15]。因此，在医院这种人流密集场所，需要对不同净化原理的空气消毒净化器的净化效果进行深入比较。基于此，本文将从洁净空气量、有效净化效率、去除率、净化能效四个层面比较同一品牌型号的空气消毒净化器采用不同净化原理对PM2.5的净化效果，从而为医院采购空气消毒净化器以及设备使用的日常管理提供参考和建议。

试验材料与方法

1.试验平台。试验平台选取容积为10.1m（长1.63m×宽2.18m×高2.85m）的密闭房间进行。空气消毒净化器位置固定于房屋内侧，进风口朝向污染源。

2.试验器材。红塔山经典100香烟作为颗粒物污染来源，空气消毒净化器1台，静电吸附装置3套并进行编号，HEPA复合过滤器3块并进行编号，PM2.5激光检测仪（SOTO-KJ1)，输入功率检测仪，风速仪。

3.空气消毒净化器结构。静电吸附型空气消毒净化器由前置过滤网、静电吸附电场、活性炭过滤器、紫外线灯管、光触媒、负离子发生器、风机、出风窗等组成，输入最大功率为63W。为确保试验其它装置及参数一致，同一台消毒净化器采用HEPA复合过滤器替换静电吸附装置。

4.试验方法

4.1处理风量及实际输入功率检测。每台空气消毒净化器在试验开始前，均先检测处理风量数值。将空气消毒净化器接入电源，关闭紫外线、负离子等占用功率的功能，风量依次调中、高两个风机档位。用风速仪依次在出风口处随机选取三个位置测量其线速度。处理风量Q=v*S 其中v为线速度的平均值，S为出风口面积。在测量同时，用输入功率检测仪依次测量中、高两个风机档位的实际输入功率值P。

4.2自然衰减的检测。(1)试验开始前用空气检测仪检测室内PM2.5浓度，浓度低于20μg/m以下则开始试验。(2)香烟分别放置房间的中间位置，点燃5～6根香烟，使PM2.5浓度达到1200～1400μg/m3。(3)记录t0时刻的浓度值，随后每间隔2分钟记录一次浓度值。连续记录20分钟。

4.3总衰减的检测。重复步骤4.2 ⑴—⑵。⑶记录t0时刻的浓度值，开启空气消毒净化器风机中档位，记录实测输入功率，随后每间隔2分钟记录一次浓度值，连续记录20分钟。(4)开启空气消毒净化器风机高档位再重复步骤4.2(1)—(2)。

4.4 相关参数的计算

从式(1)(2)(3)中可以算出相关系数R2，自然衰减系数Kn，总衰减系数Ke

5.数据处理。试验结果用平均值±标准差表示。利用spss26.0进行独立样本t检验，其中p＜0.05表示有统计学差异。

结果

1.两种空气消毒净化器部分参数对比。各试验机详细参数见表1。静电吸附式空气消毒净化器与HEPA高效过滤器空气消毒净化器在不同风机档位下处理风量以及输入功率对比结果如图1、图2所示。静电吸附装置高档位和中档位的处理风量及输入功率均显著高于同档位HEPA高效过滤器（p＜0.01)。静电吸附装置高档位处理风量：Q=445.5±7.8m3/h，高档位输入功率为P=41.2±0.7W。静电吸附装置中档位处理风量：Q=336±6.9m3/h，中档位输入功率为P=21.8±0.2W。HEPA高效过滤器高档位处理风量：Q=372±6.9 m3/h，高档位输入功率P=31.6±0.7W。HEPA高效过滤器中档位处理风量：Q=267±6.9m3/h，中档位输入功率为P=15.5±0.1W。

图1 两种空气消毒净化器处理风量比较（＊＊＊p＜0.01)

图2 两种空气消毒净化器输入功率比较（＊＊＊p＜0.01)

表1 试验机静电吸附装置与HEPA高效过滤器输入功率与风速参数

2.两种空气消毒净化器CADR值比较。静电吸附式空气消毒净化器与HEPA高效过滤器空气消毒净化器在风机中档位与高档位的CADR值对比结果如图3所示。静电吸附装置的高档位与中档位CADR值均显著高于同档位的HEPA过滤器。静电吸附装置高档位CADR=210.3±0.6m3/h，静电吸附装置中档位CADR=188.4±1.4m3/h。HEPA高效过滤器高档位CADR=170±15.5m3/h，HEPA高效过滤器中档位CADR= 117.5±6.5m3/h。

图3 两种空气消毒净化器CADR值比较（＊p＜0.05，＊＊＊p＜0.01)

3.两种空气消毒净化器有效净化率比较。静电吸附式空气消毒净化器与HEPA高效过滤器空气消毒净化器在风机中档位与高档位的有效净化率对比结果如图4所示。静电吸附装置的高档位与中档位的有效净化率均要高于HEPA，静电吸附装置中档位的有效净化率显著高于静电吸附装置高档位以及HEPA的中、高档位。静电吸附装置风机高档位有效净化率α=47.2±1%，静电吸附装置风机中档位有效净化率α=56.2±1.2%。HEPA高效过滤器风机高档位有效净化率α=45.7±3.4%，HEPA高效过滤器风机中档位有效净化率α=44±1.7%。

图4 两种空气消毒净化器有效净化率比较（＊＊＊p＜0.01)

4. 两种空气消毒净化器净化能效比较。静电吸附式空气消毒净化器与HEPA高效过滤器空气消毒净化器在风机中档位与高档位的净化能效对比结果如图5所示。静电吸附装置与HEPA在中档位的净化能效均显著高于其同类别的高档位净化能效。除此之外，静电吸附装置中档位净化能效显著高于HEPA中、高档位。静电吸附装置高档位净化能效η=5.1±0.09m3/W.h，静电吸附装置中档位净化能效η=8.66±0.08m3/W.h。HEPA高效过滤器高档位净化能效η=5.37±0.38m3/W.h，HEPA高效过滤器中档位净化能效η=7.56±0.37m3/W.h。

图5 两种空气消毒净化器净化能效比较（＊p＜0.05，＊＊＊p＜0.01)

5.两种空气消毒净化器去除率比较。静电吸附式空气消毒净化器与HEPA高效过滤器空气消毒净化器在风机中档位与高档位的去除率对比结果如图6所示。静电吸附装置中档位的去除率显著高于HEPA中档位。静电吸附装置高档位去除率β=99.9%，静电吸附装置中档位去除率β=99.7±0.1%。HEPA高效过滤器高档位去除率β=99.5±0.3%，HEPA高效过滤器中档位去除率β=97.8±0.5%。

图6 两种空气消毒净化器去除率比较（＊p＜0.05)

讨论

根据上述从洁净空气量(CADR)、有效净化率、净化能效、去除率四个指标比较不同净化原理的空气消毒净化器对PM2.5的净化效果，可以发现静电吸附式空气消毒净化器在风机中、高档位的处理风量以及输入功率都显著高于HEPA高效过滤器空气消毒净化器。不仅如此，两种不同净化原理的空气消毒净化器CADR值均随着处理风量的增加而增加，净化能效随处理风量的增加而减小。静电吸附式空气消毒净化器风机中档位在CADR、有效净化率、净化能效、去除率等方面均显著高于HEPA高效过滤器式空气消毒净化器风机中档位。静电吸附式空气消毒净化器风机高档位在CADR方面高于HEPA高效过滤器式空气消毒净化器风机高档位。除此之外，静电吸附式空气消毒净化器的风机中档位在有效净化率、净化能效显著高于静电吸附式空气消毒净化器的风机高档位。

与物理吸附拦截方式相比，静电吸附原理空气消毒净化器利用高压发生器需要对静电吸附装置产生直流高压[12]。因此，静电吸附式空气消毒净化器的输入功率要显著高于HEPA高效过滤空气消毒净化器。静电吸附装置与HEPA过滤器结构有所区别。静电吸附装置由正、负极组成，极板中间中空[16]。与HEPA多层致密孔径结构相比，在相同的风机功率下其处理风量更大。研究显示在同一条件下CADR值随处理风量的增加而增大[14]。PM2.5去除率也会随CADR增加而增大[17]。对于静电吸附式空气消毒净化器而言，较高的处理风量会使其在风机中、高档位所产生的CADR值显著高于对应的HEPA高效过滤器空气消毒净化器，与此同时去除率也会随CADR值的增加而提升。结果显示静电吸附式空气消毒净化器的有效净化率随着处理风量的增加而减少，这可能跟处理风量与静电吸附装置接触时间有关。较低的风速可以使处理风量经过静电吸附装置用时更久，使其与带电离子接触更充分，有效净化率更高。净化能效是反应环保程度的重要参数[18]，试验结果净化能效均随处理风量的增加而减小，该结果与张辉等人[14]的结果一致。CADR值针对不同污染源数值不同，本试验采用香烟作为污染源，对其它污染物的净化效果需进一步试验并讨论。

综上，静电吸附式空气消毒净化器在不同的风机功率下CADR值、有效净化率、去除率均高于对应的HEPA高效过滤式空气消毒净化器。除此之外，对于静电吸附式空气消毒净化器而言，尽管风机中档位CADR值小于高档位，但其较高的有效净化效率和净化能效有助于节省能源以及环保。研究显示HEPA高效过滤器随着使用时间的延长而增加进风阻力，导致处理风量下降，当纤维吸附饱和后无法继续吸附，因此需要定期更换，否则容易引起二次污染[19]。但是，静电吸附式空气消毒净化器在环境灰尘较大时使用，大颗粒物易使正负极板发生短路而产生异响。另外，静电吸附装置定期清洗后必须晒干使用，否则容易引起高压板发生短路。除此之外，静电吸附式空气消毒净化器长时间使用会产生臭氧危害人体健康[20]。医学工程部门作为空气消毒净化器的采购、管理、维护部门，应对不同类型的空气消毒净化器进行全面比较，找到适合医院使用的空气消毒净化器，并为临床使用、维修保养提供参考建议和技术支持。