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国内空气洁净技术的应用与发展

浏览:394责任编辑:admin发布日期:2010-11-10 14:20

一、        空气洁净技术的应用
(一)空气洁净是建筑微环境的一个新功能
1. 什么是空气洁净?
空气洁净和一般的干净有天壤之别。一个建筑环境再怎样华丽,再怎样“窗明几净”、“一尘不染”,其空气的干净程度通常仅是“够级别”的空气洁净的1/10万~1/100万。
空气洁净的程度用空气洁净度级别衡量,而空气洁净度级别则用每m3(或每L)空气含有的0.5μm或≥0.1μm的微粒数量来表示。1999年以前,各国基本采用美联邦标准209、209A-E,此后ISO制订了公制的国际统一标准。
表一,是普通空气的含尘量状况与极干净的室外环境、洁净度环境的比较,可见40km的高空还赶不上生产大规模集成电路车间的洁净(见表1)。
 
表1空气干净程度的比较

   
0.5μm的微粒数/(粒/L
发生光化学烟雾
106
美国工业大气
3.5×105
我国一般工业大气
(2-3)×105
我国一般农业大气
<105
大洋上
2500
同温层:
 
10km
20
40km
7
生产大规模集成电路的洁净室
<3.5(ISO5级)
股关节置换洁净手术室
<3.5
生产被动式激光夜视仪器洁净室
<0.35(ISO4级)
生产超大规模集成电路的洁净室
<0.035(ISO3级)

最近我们测定了包括全部中国大陆地区132个地方的大气尘计数浓度(见图1和图2)。
1    132个地区大气尘浓度分布
 
 
 
2    132个地区大气尘浓度平均值分布
 
 
从以上两图可见平均值分布斜线的斜率和三十年前的没有什么变化,也和当初美国工业大气没有差别,指数仍是-2.15,,这再次说明大气尘全球分布的规律基本上是一致的。
但是大气尘浓度的绝对值比过去约降低40%。
空气洁净技术就是通过阻隔式超细(亚微米量级)玻璃纤维过滤器把绝大部分微粒(固相的、液相的或固液两相的)阻留下来,保证过滤后的空气所含控制粒径以上的微粒数量在标准以内。
微粒中的有生命微粒——细菌,虽然很小,但由于它都只能附着在比其自身大得多的其他微粒上传播,因而具有较大的沉降“等价直径”。等价直径是1983年我在书中提出的一个比较概念。细菌的沉降等价直径从3~5μm到10μm不等。病毒和细菌相比甚至不能单独进行物质代谢,不能在无生命的培养基上生长,而必须寄生在某种活细胞内才能繁殖。因此它在空气中也是有载体的,可以认为它是以群体形式存在的。实验证明,它的等价直径从1~3μm不等,均视场合而定,都比上述0.5μm大得多,所以高效过滤器对空气中的细菌和病毒的过滤效率比对0.5μm微粒的过滤效率大得多。
表二,是2005年我们做的隔离病房中高效过滤器滤菌效率(见表2)。
 
表2 过滤细菌效率
过滤器类型
采样方式
采样时间
/min
送风口送风浓度
/(cfu/皿)或(cfu/m3)
回风口发菌量/(cfu/h)
回风口发菌浓度/(cfu/m3)
过滤效率/%
平均过滤效率/%
B
安德逊
采样器
1
41(41×1000/28.3=1448)
9.79×1011
2.58×109
99.999944
99.999989
99.999949
99.99997
3
91(91×1000/28.3×3=1072)
99.999958
5
200(200×1000/28.3×5=1414)
99.999945
B
安德逊
采样器
1
5.17(5.17×1000/28.3=182)
4.14×1011
1.8×109
99.99999
99.999991
99.999991
99.99997
3
4.5(4.5×1000/28.3×3=53)
99.999992
离心式
采样器
1
4.7(4.7×1000/28.3=166)
4.29×1011
1.9×109
99.999991
99.99999
3
17(17×1000/28.3×3=200.3)
99.999989
C
安德逊
采样器
3
4.8(4.8×1000/28.3×3=56.5)
4.29×1011
1.9×109
99.999997
99.999997
99.999997
99.999997
离心式
采样器
3
8(8×1000/28.3×3=94.2)
99.999995
99.999996
离心式
采样器
3
11.3(11.3×1000/28.3×5=80.1)
4.29×1011
1.9×109
99.999996
过滤器出厂时对≥0.5μm大气尘效率分别是99.999%和99.99994%,而实验时对接近1μm大小的细菌芽孢的效率则分别达到99.99997%和99.999997%,高出滤尘效率10倍甚至百倍。
    表三,是国外发表的过滤病毒的效率(见表3)。
 
表3过滤病毒效率
过滤器
风量
/(m3/h)
阻力
/Pa
穿透率/%
对噬菌体T1
(0.1µm)
对病毒
(0.3µm)
对口蹄疫病毒
(0.1~0.012µm)
对DOP微粒
(0.3µm)
高效过滤器A
B
C
D
42.5
42.5
42.5
/
264
175
135
/
0.0039
0.00085
0.00085
0.003
 
 
 
0.0036
 
 
 
0.001
0.011
0.02
0.006
0.01
 
   2.  空气洁净技术应用主要通过洁净室来实现
(1)工业洁净室——以无生命微粒的控制为对象。主要控制无生命微粒对工作对象的污染,其内部一般保持正压。它适用于精密工业(精密轴承等)、电子工业(集成电路等)、宇航工业(高可靠性)、化学工业(高纯度)、原子能工业(高纯度、高精度、防污染)和胶片工业(高级航空胶片)等部门。
(2)生物洁净室——以有生命微粒的控制为对象,又可分为:
①一般生物洁净室,主要控制有生命微粒对工作对象的污染。同时其内部材料要能经受各种灭菌剂侵蚀,内部一般保持正压。实质上这是一种结构和材料允许作灭菌处理的工业洁净室,可用于食品工业(防止变质、生霉)、制药工业(高纯度、无菌制剂)、医疗设施(手术室、病房、各种制剂室、调剂室)、动物实验设施(无菌动物饲育)和研究实验设施(理化、洁净实验室)等部门。
②生物学安全洁净室(实验室),主要控制工作对象的有生命微粒对人和外界的污染,内部保持负压,用于研究实验设施(细菌学生物洁净实验室)和生物工程(重组基因、疫苗制备)。
    根据上述分类可以清楚地看出,工业洁净室和生物洁净室都要应用清除空气中微粒的原理,因此本质上它们是一样的。略微不同的是,对于附着于表面上的微粒,工业洁净室一般用擦净的办法就可以大大减少表面上的微粒数量,而生物洁净室因为是针对有生命微粒,而一般的擦洗可能给有生命微粒带来水分和营养,反而能促进其繁殖,增长其数量。因此,对生物洁净室来说,必须用表面消毒的办法(用消毒液擦拭)来取代一般的擦拭。
虽然工业洁净室对洁净度的要求高于生物洁净室,但由于生物洁净室要控制有生命的微粒,而且关系到生命的安全,加之其工艺的复杂性,实现起来的难度更大、更复杂,这是应该充分认识到的。
 
(二)我国应用空气洁净技术的发展
 
1. 空气净化成套设备体系
从70年代初就已建立起空气净化成套设备体系以来,今天的体系更广了,应用面更大了。除去可生产各种空气过滤器和小流量(2.83L)、大流量(28.3L)的粒子计数器以外,可以生产以下这些设备:
(1)    过滤器风口:保温送风口、零压密封送风口、阻漏式送风口、阻漏式洁净送风天花、定风向可调风量回风口、零泄漏回(排)风口;
(2)    风机过滤器机组:风机过滤单元(FFU)、水平送风净化单元、洁净屏、自净器、层流罩、净化空调器、超低阻节能型高效率净化新风机组;
(3)    净化工作台;
(4)    生物安全柜;
(5)    净化小室:装配式净化小室、移动式净化小室、洁净卫生间;
(6)    人物流设备:空气吹淋室、洁净干手器、传递窗、防飞虫吹淋装置;
(7)    辅助设备:余压阀、净化保管柜、充电式洁净小车、洁净吸尘器;
(8)    专用设备:在线自动扫描检漏装置。
在以上这些设备中,有一部分完全是我们自己研发的,是国外没有的。
 
2.      洁净室建设
在洁净室建设上获得了蓬勃的发展,自从精密机械、精细化工和特种冶金、半导体和航天等第一轮高潮以后,最近十年,特别是生物洁净室的需求可谓遍地开花。药厂都经过GMP改造,还将掀起新的高潮,医院洁净用房建设扩大到几乎所有方面,10余年前10间白血病房已属亚洲第一,现在20间都不稀罕。生物安全、实验动物、食品及餐饮业、化妆品等等,都在搞洁净室。
3.      标准规范的制订
在空气洁净技术的应用上非常重视标准规范的制订。应用于设备的,一般叫标准,应用于工程的则叫规范。不完全统计(见表4)。
 
表4 我国关于空气洁净技术的标准、规范

序号
编号
名称
1
1978
空气洁净技术措施
2
GB50073-2001
洁净厂房设计规范
3
2000
医院洁净手术部建设标准
4
GB50333-2002
医院洁净手术部建筑技术规范
5
GB19489-2004
实验室-生物安全通用要求
6
GB50346-2004
生物安全实验室建筑技术规范
7
2007
电子工业洁净厂房设计规范
8
GB 50457-2008 
医药工业洁净厂房设计规范
9
JGJ71-90
洁净室施工及验收规范
10
1998
GMP(人药)
11
2002
GMP(兽药)
12
2006
综合医院建筑设计规范
13
2006
传染病医院建筑设计规范
14
GB50447-2008
实验动物设施建筑技术规范
 
尚有部队的规范
 
15
DB11/408-2007
医院洁净手术部污染控制规范
16
GB/T6165-1985
高效空气过滤器性能检验方法
17
GB/T6166-1985
高效滤料性能检验方法
18
GB/T6167.1-1985
尘埃粒子计数器性能试验方法(转换灵敏度)
19
GB/T6167.2-1985
尘埃粒子计数器性能试验方法(粒子数浓度)
20
2007
粒子计数器
21
GB/T13554-1992
高效空气过滤器
22
GB/T14295-1993
空气过滤器
23
GB/T18801-2002
空气净化器
24
GB/T19569-2004
洁净手术室用空气调节机组
25
JG/T19-1999
层流洁净工作台检验标准
26
JG/T22-1999
一般通风用空气过滤器性能试验方法
27
JG170-2005
生物安全柜
28
正制订
空气净化吹淋室
29
正制订
风机过滤器机组(FFU)
30
正制订
传递窗
31
正制订
空气净化器去除有害气体效率的评价体系

32 正制订                 洁净工作台
33   正制订                食品工业洁净用房建筑技术规范
34   待批                   洁净室施工及验收规范
 
 
 
二、        空气洁净技术的发展
(一)发展的趋势
首先要明确科学技术在未来的发展会是什么样子?诺贝尔奖得主杨振宁教授指出未来三四十年科技将被以下三个“火车头”所带动,这就是①芯片的广泛应用,②医学与药物的高速发展,③生物工程。
由于上述三大方面都需要的微环境正是空气洁净技术中的工业洁净室和生物洁净室,所以未来的空气洁净技术也将在这三个方向的应用上得到重点发展。
1.      半导体
20世纪50年代末,当时苏联要求的最高洁净度为含尘量0.00036mg/m3,相当于0.5μm 1~10万级(209E标准,下同);
20世纪六七十年代,中小规模集成电路, 0.5μm 100级;
20世纪70年代末,大规模集成电路, 0.5μm 10级;
20世纪80年代末,超大规模集成电路, 0.5μm 1~0.1级(或0.1μm 10级);
20世纪90年代末,超大规模集成电路, 0.5μm 0.1级或0.1μm 10~1级;      
本世纪初,超大规模集成电路, 0.1μm 1~0.1级;
本世纪第一个十年,超大规模集成电路, 0.1μm 0.1级;
图3是用我给出的分式计算出的集成电路成品率与洁净度级别的关系。
图 3 成品率与洁净度的关系
 
毋庸置疑,电子产业方面对洁净室的要求仍然占有主导地位,对洁净度级别的要求仍然最高。2007年3月包括中国在内的8国投票通过了ISO14644-9表面洁净度标准提案(见表5)。
 
表5表面洁净度分级国际标准

表面洁净
度等级
                                      制 粒 径                         个/m2
0.05μm
0.1μm
0.5μm
1μm
5μm
10μm
50μm
100μm
500μm
1级
200)
100
20
10)
 
 
 
 
 
2级
2 000)
1 000
200
100
20)
10)
 
 
 
3级
20 000)
10 000
2 000
1 000
200)
100)
 
 
 
4级
200 000)
100 000
20 000
10 000
2 000
1 000
200)
100)
 
5级
 
1 000 000
200 000
100 000
20 000
10 000
2 000
1 000
200)
6级
 
10 000 000)
2 000 000
1 000 000
200 000
100 000
20 000
10 000
2 000
7级
 
 
 
10 000 000
2 000 000
1 000 000
200 000
100 000
20 000
8级
 
 
 
 
 
10 000 000
2 000 000
100 000
200 000

 
今天对于洁净室来说已经有了像微粒、分子态污染物和表面洁净度三个控制标准。当然,洁净度不能无限制地提高下去,洁净室内的尘粒不能无止境地降低下去,在有更高的要求时,应采取局部隔离技术,这一点无需我在此多说了。
 
2.      医药
非典以后我们应反思的最重要一点就是过去在医院建筑上,建设者和设计者大多只看到“建筑”,而忽视“空气”,医护人员只重视接触感染而轻视气溶胶传播的呼吸道感染,而后者更具暴发性、大面积和低感染剂量的特点,因而更具危险性。例如吃进1亿个兔热杆菌才感染,若吸入10~50个就发热;吸入腺病毒的半数感染剂量仅是组织培养的半数感染剂量的一半。对于Q热立克次氏体,只要在呼吸道内沉着1个,就可以让人感染。过去有一种看法,认为非常厉害的绿脓杆菌是不太可能通过空气传播的,但是在烧伤病房顶棚灰尘中以及有人多次在该病房空气中检出绿脓杆菌的事实,令人对空气传播的危险性,“刮目相看”了。现在SARS病毒的气溶胶传播特性又兼有血液的接触传播特性,加上其未知性,使人们真正看清了空气洁净技术在医院建筑中的重要性,可以说,没有空气洁净技术装备的医院建筑,将是落后的建筑。
所以,现代医院建筑应用空气洁净技术的规划,应包括这些方面:
手术室系统——关于洁净手术部的建设;
病房系统——关于洁净病房如白血病人病房、烧伤病房、哮喘病房、早产儿保育室等等;
护理单元系统——如重病护理单元,脏器移植护理单元、心血管病护理单元等;
治疗操作系统——如介入治疗室、白血病人治疗室、传染病人尸体解剖室等;
实验室系统——如特殊化验室、生命科学实验室等,而且需要更重要的生物安全系统;
仪器室系统——如精密的新型的仪器室等;
隔离室系统——如疑似传染病人隔离室、观察室等;
配药系统——如特殊的配药中心等;
洁净辅助用房系统——如无菌敷料室、一次性物品室、中心供应站等;
非洁净辅助用房系统——如污染处理室、污物通道等,这里要实行污染控制,防止传染外界;
准洁净用房系统——如候诊厅、治疗室、检查室、某些科的诊断室等使用普通空调的用房。
关于制药领域,由于强制推行GMP制度,空气洁净技术在这一领域的发展是不言而喻的,这里先不谈。
3. 生物领域
生物是怎样衍生繁殖的?这个亘古以来的宇宙之谜,被沃森与克里克在1953年发表的一篇文章揭开,于是人类进入了人造生命时代,出现了生物工程。
基因工程和细胞的培育是生物工程的顶尖部分,但今天最新成果表明,基因不是主要的,主要的是DNA上面的某些符号决定着遗传;干细胞也不是主要的,已从皮肤细胞中培育出万能的细胞。也许有一天,器官商店会应运而生,这可能不是科幻小说。但不管怎样,这一切都离不开空气洁净技术,有的离不开生物安全实验室。
人类为了自身的健康,为了获得预防用的疫苗,就要和细菌、病毒打交道,特别是对人类和家畜(最后还是关系到人)威胁严重的病原体,以及凡是哪个国家不常见或没有的病原体(包括媒介昆虫),都必须采用安全设施去研究,应用生物安全洁净室(实验室)去检疫,在这里把住国门。
生物工程和生物安全技术,除了有为全民服务的特点外,突出之点还在于,它明显涉及国家的安全和国家地位。
所以,从某种意义上说,生物工程在新世纪对人类的直接影响,将超过芯片,而它的发展也绝对离不开污染控制和空气净化,这正是空气洁净技术的全部功能。
 
(二)真正的发展是要走上不重复国外、不重复自己的道路。
作为小学生,我们开始向国外学习了空气洁净技术,但是在学习中间、学习后的发展上面,我们不仅照原样学了,也注意了如何去延伸,如何更发展一步。例如:层流风速问题,两侧下回风问题。但是仅有这一点是不够的,不能实现真正的发展和超越。在全过程中,都要时刻想到如何不重复国外,甚至也不重复自己。也就是说,不应走仅仅模仿别人的发展道路,而应走一条创新的发展道路。
下面从几个例子谈一下自己的感受。
1. 认为层流(单向流,以下仍用这一习惯称呼)和乱流是量变到质变的关系,从而得到了统一的表达式。
最初外国文献教我们,层流就是过滤器满布送风,送风速度达到0.45m/s,洁净度就能达到100级。乱流就是分散布置的送风口,它们之间截然分开,看不出关系,例如,就没有针对层流的计算公式。但我们如果敢于从这两种流应该有联系,这才是事物的本质方面去想一想,局面就不同了。我们提出了如图4所示的洁净室内微粒呈三区不均匀分布的模型,提出了主流区的概念。
 

 
图4
 
最后导出了统一层流和乱流的表达式:
Nv是不均匀分布的室内平均含尘浓度,N是均匀分布的平均含尘浓度,称为不均匀分布系数,它和过滤器满布比的大小,风口气流紊乱程度,涡流区大小,房间体积大小等因素有关,只要满布比达到一定程度,涡流区小到一定程度,出口气流很少引射作用,室内含尘浓度就一定能达到100级或更高级别的层流水平,乱流和层流就是这样逐渐过渡的。这样,把层流和乱流统一起来的愿望,实现了。
2. 改变过滤器必须放在末端的做法,提出了阻漏层理论
高效过滤器放在送风末端,这是空气净化系统区别于一般空调系统的重要标志,也是当时的一个创造,似乎是天经地义的,不可能再有新的变化。但是,一些重要的百级洁净室发生漏泄,并造成无可挽回后果的严酷事实告诉我们,这正是过滤器放在末端,作为最后一道关的弊端,应了“有利就有弊”的俗话。要改变这种现实,光有勇气是不够的,更要有科学的论据,从而诞生了阻漏层理论。它告诉我们,可以把过滤器移开末端,但末端必须要有一定阻力和效率的阻漏层,把过滤、堵漏、均流三个功能从高效过滤器身上“解耦”,化局部的漏为全局的不漏。在此理论指导下,我们研制出洁净手术室专用的阻漏式洁净送风天花。
图5 是手术室安的这种送风天花,图6是常规送风天花的做法。表6是这两种方式的对比。

 
 


 

图5 阻漏式洁净送风天花                         图6 常规送风天花
表6两种送风天花对比

比较
阻漏式
常规(尼龙网)
常规(孔板)
原理
阻漏层理论
传统的过滤器送风口概念
特性
过滤、均流和堵漏三功能“解耦”
过滤、均流和堵漏三功能集于一体
气流
单向流,截面风速均匀性好,气流密集、平行,抗干扰性好
气流均匀性差,气流易扩散,抗干扰性差
漏泄可能
高效过滤器数量
少且满足≯80%额定风量
平面布置时多,两侧布置时少,不易满足≯80%额定风量
乱流度
较低
次之
反积灰可能
可以
平面布置过滤器时可以,侧面布置过滤器时不可以
安装
容易,现场组装
难,部分现场制作,误差大
外观
模式、规格统一,中间盲区很小
随意性较大,因工人水平而异,中间盲区一般很大
检、堵漏
无需
必须
入室维护
寿命
半永久
较长
要经常清洁,可能锈蚀

 
这种只有250~350mm厚,由4大块组成的送风天花彻底告别了安装好满布过滤器必须检漏,一旦有漏要堵漏的历史。做到了免检漏。
    有人要问,油槽密封不行吗。不,实践表明,它有时会把油压出,有时漏油,则更胜于漏气,而且复杂、造价高都不便推广。它的洁净气流满布比大约80%,远小于阻漏式送风天花的95%。
3.    密封是空气洁净技术常遇到的,而机械密封不可能做到“万无一漏”,大禹治水的疏导思想启发了动态气流密封负压高效排风装置的研制。
9.11和SARS之后,各国大搞生物安全时,我们和国外都遭遇了同样的挑战,这一实践赋予我们去创新的机会。产生致病微生物的房间的排风或循环回风的过滤器,如果有泄漏,将是灾难性的。过滤器可以实现检漏,不漏才安装,但安装边框靠机械拧紧去密封,是难保万一的。既然总有拧不紧的情况,光堵不行,为什么不换一个角度,从漏的疏导上想一想呢?这就是大禹治水的思想。由于水和气一样都会从高压流向低压,于是发明了动态气流密封的负压高效排风装置,使得如果有漏,只能是干净空气压向室内,不会出现污染气流漏向室外。这一装置如图7所示,已成功应用于多家P3实验室和传染病负压隔离病房。
7 WLP无泄漏负压排风装置
这一装置还具有比国外的袋进袋出方式简单得多的安全拆卸办法。袋进袋出还有可能煽起微粒,而我们的方法则悄无声息。这里不详细介绍了。
在这一基础上,我们又设想了许多问题问自己:如果过滤器有了漏点怎么测?如果想要在线检漏怎么办?国外有把检漏机构放在设备内的,或者打开箱门戴手套检漏,或者临时改成正压检漏,或者是测总效率。这些显然都不好。如果要想把检漏机构放在外面而进行“隔墙检漏”行不行?经过一年的努力,一种完全不用打开装置而可在线手动或者自动扫描检漏而不是定点检漏更不是只测总效率的装置诞生了。
这并不意味着我们聪明,而只是我们不愿意去重复国外的装置,是实际需求和机会,不像过去那样总是先摆在外国面前,所以他们就比我们先走一步甚至几步。这一次是同时摆在双方面前,我们去努力,就可以成功。
4.                                       冲破了高负压的框框,产生了动态隔离理论。
过去搞洁净的人知道压差对于洁净室来说是多么重要,正压洁净室理所当然的是正压越大越好,负压洁净室、负压隔离病房,理所当然的是负压越大越安全,这才出现国外对负压隔离病房要求的负压由-0.25Pa一直攀升到-25Pa。似乎负压大了就安全了。高负压对密封、能耗都带来了要求。
   负压越高,对密封要求越严,密封越严,需要的排风量越小,关起门来呈现出高负压,一旦开了门,负压马上消失,那点排风量完全无法阻挡门煽动、人走动和内外冷热对流所引起的室内外空气交换,即无法阻挡污染的外泄。
在此认识基础上产生了动态隔离理论,区别于过去只认密封和高负压的静态隔离理论。
关于气流组织这里先不谈,理论和实验定量证明只要有一间不大的送风缓冲室,就起到四五十倍的隔离作用,而负压即使达到30Pa,才比零压时提高隔离效果1倍多一点。如果在清洁区入口再加一道缓冲,总隔离效果可提高两三千倍,这是多大的负压也比不了的(见图8)。
 
 


 

 
 
         (a)                  (b)                    (c)
(a)机房内的菌落数
(b)缓冲室内的菌落数
(c)缓冲室外的菌落数
图8是有缓冲室时对开关门瞬间细菌的隔离效果照片
 
动态隔离理论和措施已应用于隔离病房的建设,它同时提出只要普通门不要密封门,可以用自循环风而不必全新风。过去所谓高负压、密封门、全新风的框框被冲破了,为隔离病房的建设指明了一条正确的道路,这方面的成果已被相关规范吸收。
5. 改革空调箱内部件百年来的组合次序,有效防止微生物二次污染。
空调技术人员都熟悉空调器内各部件的组合顺序吧?先是新风入口、新风过滤、新回风混合段及其过滤、加热器、表冷器、加湿段、挡水板、风机、中效过滤器。也就是说表冷器处于风机负压段,表冷器所在那一段的箱体下部为集水盘,有排水口,通过水封将凝结水排走。这是百年经典组合,难道还有什么问题吗?
    国内外的一些测定表明,空调是微生物的滋生地。金属的空调箱本身不产菌,但由于表冷器翅片为了导热的需要,做得不是平整光滑的,容易积尘积菌,就是随冷凝水流到集水盘中的,由于处于负压段,往往排水不尽,常在盘底形成淤泥一样的沉积,这些地方的细菌有营养、有水份,当夜晚停机后箱内温度升到300C以上,正是细菌繁殖的最佳条件,1个20min分裂一次的细菌,8个小时后就变成6750万个,还有它产生的气体、排泄物以及死了的尸体,统统在早上开机后吹出来,这就是微生物的二次污染。于是在1999年我们就提出像手术部这样的生物洁净室,必须采用我们于1994年就提出的新风经粗效、中效和亚高效三级过滤的主张,因为研究结果表明净化系统的尘埃浓度90%以上来源于新风,切断新风的尘、菌来源,就大大减少了空调箱内积菌、积尘的危险。又提出湿度优先控制理念,并于2000年开发出了新组合的空调箱,即把表冷器、加湿器都置于风机的正压段,这样冷凝水就总是处于正压压出状态,使盘内无存水,再采用亲水型平翅片,使沾上的尘马上随水流下排走。这样的空调箱很快被香港、德国的公司“借鉴”。这一做法也写入了手术室专用空调器标准。我们这一理念实用之后约三年,即2002年,由德国医院卫生院协会、瑞士医院卫生协会和澳大利亚卫生学、微生物学及预防医学会暖通空调工作组发表了解释修订的《医院卫生准则》的文件,也原则提出潮湿的被污染的粗效过滤器、表冷器和加湿设备等有滋生微生物的严重缺陷,作了与我们已实施的标准相似的规定。
6. SARS之后,国内大量的测定证明,公共场所集中空调系统内污染严重,不清扫则不能消除隐患(见图9、图10)。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

图9                                       图 10
 
 
 
 于是,主管部门发了一系列文件,要求空调管道清扫、消毒。
    但是清扫以后又怎么办?我们应先问一下这些污染是从哪里来的,再来回答。
    早在1997年我们也提出空调系统的微粒浓度80%来自于回风,和净化系统是不同的(见表7)。
 
表7 风管内回风尘浓占全部尘浓比例

新风比
大气尘浓度mg/m3
回风尘浓mg/m3
0.10
0.15
0.20
0.25
0.1
0.2
0.82
0.87
0.90
0.92
0.3
0.75
0.82
0.86
0.88
0.4
0.69
0.77
0.82
0.85
0.5
0.64
0.73
0.78
0.82

 
所以,对管道的清扫、消毒只是治标的办法,清扫、消毒后怎么办?与其把入侵之敌杀得横尸遍野,不如据敌于国门之外;与其扬汤止沸,不如釜底抽薪。不让或少让尘菌从新风口、回风口进入系统则是治本之道。
新风口我们已有了前面讲的三级过滤理念和超低阻高效率净化新风机组,但对于回风口一直想不出好办法。因为要能同时阻止尘菌进入而阻力又小的措施,一时很难找到。纵观各主要国家有关医院的标准,仍把空气过滤作为清除空气中尘菌的唯一手段,即过滤仍是主流。
但什么样的过滤器能担负起如此重任呢?这种过滤器还必须能非常简单地装卸。粗效过滤器阻力虽小,而效率很低;高效过滤器效率极高,阻力却很大。其实,就是粗效过滤器,其阻力也达到30~50Pa,是既有系统所带不动的。这也是这个问题几十年来在国内外都未获得解决的原因,也使我们感到无奈。
SARS事件后,我们通过科研攻关,一种看似平常,却能实现效率阻力完美统一的过滤器诞生了,这就是现在广受欢迎的超低阻高中效过滤器。性能指标如下:
(1)    超低阻     
 表8 超低阻高中效过滤器性能一
过滤器型号(500×400×60)
不同风量下的阻力(Pa)
290m3/h
440m3/h
570m3/h
700m3/h
CJL—Ⅰ
8
12
16
19
CJL—Ⅱ
14
21
29
38
表9 超低阻高中效过滤器性能二

过滤器型号
不同风量下的阻力(Pa)
(500×400×100)
290m3/h
440m3/h
570m3/h
700m3/h
CJL—Ⅰ
3
6
10
13
CJL—Ⅱ
8
11
15
19

 
(2)    高效率 (500×400×60
     表10 超低阻高中效过滤器性能三

过滤器型号
额定风量
过滤效率η
m3/h
≥0.3μm
≥0.5μm
≥0.7μm
≥1.0μm
≥2.0μm
≥5.0μm
CJL—Ⅰ
400
61.8
61.6
79.2
86.3
94.2
96.4
CJL—Ⅱ
400
74.8
79.4
87.4
89.8
93.8
95.8

 
 表11 超低阻高中效过滤器性能四

过滤器型号
额定风量
不同采样时刻滤菌效率
m3/h
第0.5min
第8min
第13min
第19.5min
第21min
第25min
平均
CJL—Ⅰ
400
97.96%
99.07%
99.30%
98.50%
99.00%
99.29%
98.85%
CJL—Ⅱ
400
99.34%
99.34%
99.39%
99.47%
99.26%
99.43%
99.37%

 
从表中可以看出,这种过滤器的超低阻特性,使得现有空调系统,包括低静压风机盘管都可以带得动;它的一次通过滤菌效率比已知的紫外照射或纳米、光催化等概念性手段要高出很多;它的滤尘效率更是这些手法无法比拟的。同时,使用此种过滤器的成本是很低的。
当原有空调系统清扫干净后,或在新系统投入使用前,安装这种过滤器,可以8年不用清扫,对于公共场所减少空调系统的二次污染和感染传播,是一项行之有效的治本措施。
三、案例
(一)案例1
某三甲医院肿瘤中心病房(新建建筑),空调系统形式为风机盘管加新风,其风机盘管余压为30Pa。为提高住院病房室内空气质量(尤其是控制室内尘粒浓度、微生物细菌数等),保护住院病人及随同家属身心健康,院方要求在不影响室内空间布局的情况下,采取空气净化措施改善室内空气环境。我们对院方选定的16间病房的风机盘管回风口,加装了Ⅰ型超低阻高中效过滤器。随后,进行了空气质量检测,检测结果(见表12)。
 
表12 在病房中安装超低阻高中效过滤器效果

房间名
空调方式
安装过滤器
盘管风量(m³/h)
含尘浓度(粒/L)
点平均最大值
室平均统计值
低速
中速
高速
≥0.5μm
≥5.0μm
≥0.5μm
≥5.0μm
12-16
风机盘管
789
1107
1385
26315.8
8.5
26526.6
10.0
12-20
风机盘管
745
1097
1345
4823.0
0.5
5456.2
0.8
12-19卧室
风机盘管
427
624
766
9571.7
0.8
9743.1
2.7
12-19会客厅
风机盘管
不便测
11998.7
2.4
13986.0
4.9

 
从上表可见:
1.      安了超低阻高中效过滤器后,对风量几乎无影响,足以说明其阻力之低;
2.      安了超低阻高中效过滤器后,室内含尘浓度低于30万级水平,达到14万级水平;
3.      即使一个大间客厅未安过滤器,仅在小间卧室安了,也使客厅的尘浓比未安过滤器的房间降低了一半以上;
4.      如果安装Ⅱ型过滤器,风量将略有降低,而效果会更好。
 
(二)案例2
自1997年7月开始,由香港同胞捐赠的“健康快车”已开过21个省、市、自治区,在铁路沿线的55个贫困地区停靠,为6万多名白内障患者免费实施复明手术。这项工程本身是福利性工程,所以手术过程中要尽可能避免一切医疗事故的发生,同时要保证医护人员的健康安全。由于“健康快车”驶往的地区既有风沙较大的地区,又有污染较严重的地区,为了尽可能降低手术感染,对空调净化系统就提出了很高要求。以前,为了提高列车车内空气洁净度,往往采用效率较高的过滤器,由于阻力过大,而列车专用空调机组压头有限,导致车厢内冷热不均、手术室偏热等一系列问题。
受卫生部委托,我们对“健康快车”空调系统进行了改造,将Ⅰ型超低阻高中效过滤器用于车厢内各送风末端。改造后,车厢内温湿度均匀,含尘浓度较低,即使在新疆喀什这一风沙较大的地区,车内洁净度也达到12万级,接近国标Ⅲ级洁净手术室水平。检测数据如下:

表13 手术室送风及新风风速、风量测定
项目
手术室1
手术室2
总新风
风口平均风速(m/s)
0.43
0.40
1.10
风量(m³/h)
1870
1742
733
设计风量(m³/h)
1490
1490
900

 
 
 
 

 
 

 14 手术室1洁净度测试
含尘浓度(粒/L)
室外含尘浓度   (粒/L)
30万级含尘浓度(粒/L)
点平均最大值
室平均统计值
0.5µm
5.0µm
0.5µm
5.0µm
0.5µm
5.0µm
0.5µm
5.0µm
3988.2
7.7
4379.5
8.3
33459.8
63.6
10500.0
90.0

 
2005年的ISO16814关于人居环境的标准,也对送风提出了要安装F7(即高中效),最好是F9(亚高效)过滤器,但是还未意识到回风过滤对于公共场所降低感染的特殊意义。
 
 
纵观以前的50年,从高效过滤器、工作台、层流室、洁净度级别、粒子计数器,到半导体生产的微环境装置、生物安全柜等等,都是国外的发明创造,但通过创新,我们也终于有了许多新理念、新理论、新办法和新设备。我认为,发展的动力,创新的灵感均来源于实践,来源于社会的迫切需要。我们不应满足于对外国的简单重复、模仿和延伸,应该追求哪怕是一点一滴的理念的创新、方法的创新

 

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