解讀三菱重工團(tuán)隊(duì)面向體育場(chǎng)館與醫(yī)院的大空間臭氧空氣凈化系統(tǒng)研究

關(guān)鍵詞
Air Purifier, Ozone, Suppressing Viral Activity, Large Spaces, 靜電除塵器, 工業(yè)煙氣治理

新冠疫情暴發(fā)后，大空間空氣凈化的技術(shù)路線成為工業(yè)環(huán)保和建筑環(huán)境控制領(lǐng)域共同關(guān)注的焦點(diǎn)。如何在體育場(chǎng)館、醫(yī)院等高風(fēng)險(xiǎn)、超大體積空間中高效去除氣溶膠顆粒，并在無(wú)人時(shí)段快速抑制病毒活性，已經(jīng)超出了傳統(tǒng)民用空氣凈化器的能力邊界。日本三菱重工業(yè)集團(tuán)旗下 Mitsubishi Heavy Industries Power Environmental Solutions 與三菱重工本部研發(fā)團(tuán)隊(duì)，基于工業(yè)靜電除塵器（ESP）技術(shù)，提出了一套面向“多用途大空間”的臭氧空氣凈化系統(tǒng)方案，并在醫(yī)療場(chǎng)景中獲得了應(yīng)用與驗(yàn)證[1]。該研究不僅在空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面具備示范意義，也為工業(yè)煙氣治理企業(yè)切入公共環(huán)境空氣治理提供了新的技術(shù)參考。

本研究的核心思路是：把成熟的工業(yè)ESP放電和臭氧控制經(jīng)驗(yàn)遷移到室內(nèi)空氣凈化場(chǎng)景，通過(guò)“靜電捕集細(xì)顆粒 + 受控臭氧殺（抑）滅病毒”兩條路徑協(xié)同工作，在有人和無(wú)人兩種工況下分別實(shí)現(xiàn)顆粒物控制和表面/空間病毒活性抑制。論文圍繞兩類裝置展開(kāi)——“固定式大風(fēng)量空氣凈化裝置”和“可移動(dòng)高效臭氧供應(yīng)裝置”，前者兼具顆粒物凈化與低濃度臭氧控制，后者則專注在無(wú)人狀態(tài)下為體育館、展館等超大空間提供均勻、可控的高濃度臭氧氣體。

在病毒控制手段的選擇上，研究團(tuán)隊(duì)在紫外線和化學(xué)消毒（酒精等）之外，以臭氧作為核心介質(zhì)，這一選擇背后有幾個(gè)技術(shù)與安全層面的原因。首先，多項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí)臭氧對(duì)包括新冠病毒（SARS-CoV-2）在內(nèi)的多種病毒、細(xì)菌具有顯著的失活作用[2–7]，且適當(dāng)?shù)摹皾舛取習(xí)r間（CT值）”組合可以實(shí)現(xiàn)較高水平的病毒活性抑制。其次，臭氧在環(huán)境中不會(huì)長(zhǎng)期殘留，會(huì)自然分解為氧氣，相比留下二次殘留物的化學(xué)消毒劑，對(duì)室內(nèi)環(huán)境與人員更友好。第三，作為氣態(tài)介質(zhì)，臭氧可以充分?jǐn)U散并覆蓋室內(nèi)的角落、墻面與地面表面，實(shí)現(xiàn)“空間+表面”的廣域作用，這一點(diǎn)對(duì)于大空間場(chǎng)館、醫(yī)院候診區(qū)尤為關(guān)鍵。更重要的是，工業(yè)ESP在捕集細(xì)顆粒時(shí)本身就會(huì)生成臭氧，如果配合專門(mén)的表面放電或輔助放電結(jié)構(gòu)，就可以在同一設(shè)備中實(shí)現(xiàn)“粒子捕集+臭氧供應(yīng)”一體化，大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)維流程。

固定式裝置的設(shè)計(jì)邏輯，是在傳統(tǒng)工業(yè)靜電除塵器技術(shù)基礎(chǔ)上，引入低阻力的駐極體過(guò)濾材料，實(shí)現(xiàn)大風(fēng)量條件下對(duì)0.3–0.5 μm粒徑范圍顆粒物的高效捕集。研究指出，相比直接采用高阻力HEPA過(guò)濾器，這種“ESP預(yù)荷電+低阻駐極體過(guò)濾”的組合，在保證高效捕集含病毒飛沫和細(xì)顆粒的同時(shí)，有效降低了系統(tǒng)壓降，適合應(yīng)用在需要大通風(fēng)量的體育館、候診大廳等空間。裝置內(nèi)部還布置了臭氧分解濾芯，可在有人在場(chǎng)時(shí)將ESP放電產(chǎn)生的臭氧控制在安全范圍（≤0.1 ppm，參考職業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)），只輸出“低臭氧、低顆粒物”的凈化空氣；而在夜間或無(wú)人時(shí)段，系統(tǒng)通過(guò)旁路繞過(guò)濾芯，將高濃度臭氧直接送入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的病毒活性抑制與環(huán)境消毒。

可移動(dòng)式裝置則采用表面放電技術(shù)，相比傳統(tǒng)針極—板極式的電暈放電，其臭氧生成效率更高、結(jié)構(gòu)更緊湊，適合做成帶腳輪的移動(dòng)設(shè)備。該裝置不承擔(dān)常態(tài)顆粒物過(guò)濾任務(wù)，而是作為“臭氧發(fā)生移動(dòng)母站”，在球館、會(huì)展中心、醫(yī)院透析室等無(wú)人時(shí)間段推入現(xiàn)場(chǎng)，利用內(nèi)置臭氧濃度探頭對(duì)場(chǎng)內(nèi)臭氧進(jìn)行閉環(huán)控制，使整體濃度保持在設(shè)定范圍，既保證病毒抑制效果，又為后續(xù)通風(fēng)降解預(yù)留充足時(shí)間。

為了量化ESP及表面放電產(chǎn)生臭氧的抗病毒效果，研究團(tuán)隊(duì)與奈良縣立醫(yī)科大學(xué)合作，針對(duì)附著型新冠病毒開(kāi)展了控制實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)采用平板涂布法，將含有一定滴度（1.10×10^5 PFU/樣品）的SARS-CoV-2病毒溶液接種于培養(yǎng)皿表面，在恒溫恒濕條件下分別暴露于兩種不同放電方式生成的臭氧氣氛中；隨后用噬斑法（plaque assay）測(cè)定剩余病毒的感染滴度，以評(píng)估不同濃度與暴露時(shí)間組合下的病毒活性抑制率。

在模擬固定式ESP工況的電暈放電臭氧實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)臭氧濃度維持在約0.21–0.23 ppm、溫度約28–29℃、相對(duì)濕度約52–53%時(shí)，60分鐘、120分鐘和240分鐘的病毒活性降低率分別達(dá)到約84.1%、91.8%和99.4%。這表明即使是在相對(duì)較低的臭氧濃度下，隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，仍然可以實(shí)現(xiàn)接近兩對(duì)數(shù)以上的病毒滴度下降。在模擬可移動(dòng)表面放電裝置的試驗(yàn)中，當(dāng)臭氧濃度控制在0.21 ppm、相似溫濕度條件下，暴露240分鐘可實(shí)現(xiàn)約97.4%的病毒活性降低；而將臭氧濃度提高到0.70–0.77 ppm時(shí)，僅需90分鐘即可達(dá)到約99.9%的降低率。這一組數(shù)據(jù)為工程應(yīng)用中設(shè)置夜間無(wú)人時(shí)段臭氧“沖擊式運(yùn)行”的CT值提供了定量依據(jù)，也說(shuō)明表面放電裝置更適于在短時(shí)間內(nèi)提升臭氧濃度以獲取高水平抑制效果。

需要強(qiáng)調(diào)的是，研究者在論文中明確指出，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在受控實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)附著于介質(zhì)表面的病毒進(jìn)行的殺（抑）滅評(píng)價(jià)，并不直接等同于實(shí)際空間中對(duì)空氣傳播病毒的整體去除效果。同時(shí)，臭氧雖已被證實(shí)對(duì)多種病毒具有顯著的活性抑制作用，但并不意味著可以單獨(dú)依靠臭氧來(lái)預(yù)防感染，仍需配合通風(fēng)、口罩、社交距離等綜合防控措施。這一態(tài)度也提醒空氣凈化與工業(yè)環(huán)保行業(yè)，從技術(shù)宣傳到產(chǎn)品應(yīng)用，應(yīng)避免對(duì)臭氧消毒效果作過(guò)度或絕對(duì)化表述。

更具工程指導(dǎo)意義的是醫(yī)院場(chǎng)景中的實(shí)裝運(yùn)行數(shù)據(jù)。在某醫(yī)院的PCR檢測(cè)中心，固定式裝置以約25 m3/min（50%額定風(fēng)量）運(yùn)行，對(duì)室內(nèi)0.3–0.5 μm可吸入顆粒物進(jìn)行持續(xù)過(guò)濾監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示，約60分鐘后，室內(nèi)多點(diǎn)測(cè)得的粒子數(shù)濃度平均削減效率超過(guò)80%，驗(yàn)證了“ESP荷電+低阻駐極體過(guò)濾”方案在中微細(xì)顆粒物（病毒載體粒徑區(qū)間）上的有效性。與此同時(shí)，通過(guò)內(nèi)置臭氧傳感器與控制邏輯，在夜間對(duì)室內(nèi)持續(xù)投加臭氧，將空間濃度穩(wěn)定控制在0.2–0.25 ppm區(qū)間，并在停止供臭氧、切入臭氧分解濾芯工作后，約10分鐘內(nèi)即可將空間臭氧濃度拉回安全水平。這種“定時(shí)切換三種運(yùn)行模式”的控制策略——工作時(shí)間以顆粒物凈化為主、夜間以高濃度臭氧抑制病毒活性、達(dá)標(biāo)后自動(dòng)切斷電源并加速降解殘余臭氧——在連續(xù)四個(gè)月的運(yùn)行中保持了良好的穩(wěn)定性與重復(fù)性，為醫(yī)療建筑類項(xiàng)目的大空間空氣凈化運(yùn)維提供了可復(fù)制范本。

在另一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，可移動(dòng)臭氧裝置被部署在醫(yī)院人工透析室，在日間患者不在場(chǎng)的時(shí)段以約50 m3/min的風(fēng)量運(yùn)行，并結(jié)合內(nèi)置濃度探頭閉環(huán)控制，使室內(nèi)多測(cè)點(diǎn)臭氧濃度在一小時(shí)左右穩(wěn)定在0.37–0.5 ppm。隨后通過(guò)停止放電并配合自然通風(fēng)，在約10分鐘內(nèi)將室內(nèi)臭氧濃度降至接近0.1 ppm安全水平。這一案例表明，對(duì)于存在易感人群的高風(fēng)險(xiǎn)功能用房，可移動(dòng)臭氧系統(tǒng)可以作為固定式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的“疊加消毒模塊”，在不改造原有空調(diào)系統(tǒng)的前提下，顯著提升夜間無(wú)人時(shí)段的環(huán)境安全冗余度。

從行業(yè)風(fēng)向的角度看，這項(xiàng)工作有三個(gè)值得關(guān)注的趨勢(shì)信號(hào)。第一，工業(yè)靜電除塵器技術(shù)不再局限于煙氣顆粒物治理，正在向建筑環(huán)境與公共衛(wèi)生場(chǎng)景拓展，“工業(yè)ESP+室內(nèi)空氣凈化”的交叉應(yīng)用將催生一批新型產(chǎn)品形態(tài)。第二，臭氧開(kāi)始從“被動(dòng)副產(chǎn)物”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱煽毓δ芙橘|(zhì)”：在工業(yè)煙氣治理中，人們長(zhǎng)期致力于降低ESP產(chǎn)生的臭氧；而在本研究中，臭氧通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量與CT值控制，成為大空間病毒風(fēng)險(xiǎn)管理的工具，這對(duì)ESP高壓電源設(shè)計(jì)、放電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化、臭氧分解材料開(kāi)發(fā)都提出了新的要求。第三，“多場(chǎng)景、多模式運(yùn)行”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念正在成為主流，即在有人與無(wú)人、診療與關(guān)閉、演出與空?qǐng)龅炔煌瑘?chǎng)景下，通過(guò)時(shí)序與模式的自動(dòng)切換，讓同一套空氣凈化系統(tǒng)在顆粒物控制與微生物風(fēng)險(xiǎn)控制之間靈活切換，實(shí)現(xiàn)能源消耗、衛(wèi)生安全與運(yùn)維復(fù)雜度的綜合平衡。

當(dāng)然，要在更大范圍內(nèi)推廣此類基于臭氧和靜電放電技術(shù)的空氣凈化系統(tǒng)，還需要持續(xù)補(bǔ)足兩個(gè)方面的工作：一是針對(duì)真實(shí)空間中空氣傳播病毒與附著病毒的系統(tǒng)性研究，建立從實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)到工程濃度控制策略的可追溯轉(zhuǎn)換模型；二是在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層面明確臭氧在有人/無(wú)人環(huán)境中的允許濃度、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、安全聯(lián)鎖與遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)規(guī)范，特別是在體育場(chǎng)館和綜合體這類管理主體多元的場(chǎng)景中，如何將臭氧系統(tǒng)納入整體建筑智能管理平臺(tái)（BMS），是未來(lái)工程實(shí)踐需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。整體而言，三菱重工團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究已經(jīng)表明：以ESP為底座，疊加臭氧控制與濃度監(jiān)測(cè)的復(fù)合型空氣凈化系統(tǒng)，是大空間疫情后時(shí)代空氣凈化技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，也為傳統(tǒng)工業(yè)環(huán)保企業(yè)拓展業(yè)務(wù)邊界提供了可行路徑。

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