醫(yī)療級智能空氣凈化器的設計及應用

史利克，王悅，徐亮，賈媛，姚東升，勵秀武，劉燕

1.河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院 感染控制處，河北 石家莊 050000；2.河北中康韋爾環(huán)境科技有限公司，河北 保定071000

醫(yī)療級智能空氣凈化器的設計及應用

史利克1，王悅1，徐亮2，賈媛1，姚東升2，勵秀武1，劉燕1

1.河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院 感染控制處，河北 石家莊 050000；2.河北中康韋爾環(huán)境科技有限公司，河北 保定071000

本文介紹了醫(yī)療級智能空氣凈化器的設計及研制過程。該凈化器采用過濾、活性炭吸附、等離子聯(lián)合凈化的模式研制，其高效過濾網(wǎng)和活性炭過濾層可過濾微塵顆粒，吸附甲醛、甲苯等有害氣體；其等離子殺菌凈化器可釋放凈化因子，主動沉降PM10、PM2.5顆粒物，凈化甲醛、甲苯等有害氣體，殺滅病原微生物；其智能控制系統(tǒng)可根據(jù)空氣質(zhì)量的變化，自動調(diào)節(jié)風機運行風量，可有效節(jié)約能耗，適用于醫(yī)療環(huán)境室內(nèi)空氣的凈化與消毒。實際應用效果表明，該凈化器可有效凈化室內(nèi)空氣，達到了設計目的。

空氣凈化器；活性炭過濾層；等離子殺菌凈化器；智能控制系統(tǒng)

0 引言

室內(nèi)空氣質(zhì)量與人體健康密切相關(guān)[1-2]。室內(nèi)空氣污染物包括直徑＜10 μm（PM10）的顆粒物、甲醛、二氧化碳（CO2）,一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、苯、甲苯、細菌氣溶膠和機載真菌等[3]。目前，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法分為源控制、通風和空氣凈化等。空氣凈化產(chǎn)品市場已具相當規(guī)模，已出現(xiàn)了紫外線、光觸媒、過濾吸附、高溫加熱等不同類型的空氣凈化產(chǎn)品,但這些產(chǎn)品有的具有刺激性、損傷性，有的凈化效率低，很難滿足持續(xù)性凈化和消毒的要求[4-5]。醫(yī)院空氣環(huán)境中存在的致病微生物尤為集中，如何改善醫(yī)院的空氣質(zhì)量，尤其是醫(yī)院的特殊場所如手術(shù)室、重癥監(jiān)護室等部門的空氣質(zhì)量，對于控制院內(nèi)感染尤為重要[6]。本課題組和相關(guān)單位合作，研發(fā)了一款醫(yī)療級智能空氣凈化器，報道如下。

1 設計思路

1.1 設計要求

《醫(yī)院候診室衛(wèi)生標準 GB9671-1996》、《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準 GB/T18883-2002》、醫(yī)院空氣凈化管理規(guī)范WS/ T368-2012》都對室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、有害氣體濃度等作出了相關(guān)規(guī)定[7-9]，制定了醫(yī)院手術(shù)部、ICU、治療室、病房等部門空氣中的細菌菌落總數(shù)標準。根據(jù)上述國家標準，本課題所研發(fā)的空氣凈化器不僅要能殺滅或去除微生物，還要能夠凈化顆粒物、有害氣體等。

1.2 設計原理

在有人員活動狀態(tài)下進行空氣凈化除菌，必須選擇對人無害的方法。空氣過濾是目前較為成熟的空氣凈化技術(shù)，對人無毒無害，可用于人機共存環(huán)境下的空氣凈化。本課題設計的空氣過濾器由雙層高效過濾網(wǎng)和活性炭過濾層組成，所用濾材對0.3 μm顆粒物的過濾效率可達99.5%，其活性炭過濾層可以有效吸附空氣中的氨、甲醛、揮發(fā)性有機化合物、苯、甲苯等有毒、有害化學氣體。

本課題設計的空氣凈化器采用先進的等離子殺菌凈化器[10]，能做到人機共存，其凈化原理是利用寬廣譜紫外線與多種稀有金屬催化劑的相互作用，從而產(chǎn)生包括過氧化氫、羥基離子、超氧離子、純態(tài)負離子等在內(nèi)的PHI凈化因子。凈化因子中的羥基離子能夠滲透進微生物的細胞內(nèi)部，破壞蛋白質(zhì)和脫氧核糖核酸（DNA）等微生物賴以維持生命及繁殖的大分子有機化合物，從而使微生物失去生命活性，導致微生物死亡或不能繁殖。對于PM10、PM2.5等物理態(tài)顆粒物，PHI凈化因子中的O2-和O3-等超氧負離子通過電荷吸附的作用，可以聚集這些細小的微塵，形成不可吸入的大顆粒物，從而大大減少空氣中的懸浮性顆粒物的含量。揮發(fā)性有害氣體多是由C、H、O結(jié)合而成的、以鏈式或者環(huán)式等形態(tài)為主要結(jié)構(gòu)的有機化合物。PHI凈化因子可切斷其C-H化學鍵，破壞甲醛、苯等有害物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，將其分解成無毒的CO2和H2O。此外，PHI凈化因子還可通過分子擴散及空氣流通主動捕捉室內(nèi)空氣中的病菌污染物，對室內(nèi)空氣進行全面凈化處理。

1.3 基本結(jié)構(gòu)及功能

該空氣凈化器主要由殼體、進風口、預過濾網(wǎng)、風機、雙效空氣過濾器、等離子殺菌凈化器、出風口、顯示控制屏、主控制板等結(jié)構(gòu)組成（圖1）。其中，預過濾網(wǎng)安裝于進風口，用于過濾毛發(fā)等較大顆粒物，以保護風機和延長復合過濾器壽命；風機的作用是將室內(nèi)空氣送入空氣凈化器，隨后加大風壓后將空氣送至雙效過濾器，以促進室內(nèi)空氣的流通與交換；雙效空氣過濾器和等離子殺菌凈化器是核心凈化部位，起凈化殺菌作用；顯示控制屏可顯示室內(nèi)各污染物的實時數(shù)據(jù)、風機運行狀態(tài)、凈化器工作控制狀態(tài)等。

圖1 醫(yī)療級智能空氣凈化器結(jié)構(gòu)示意圖

該空氣凈化器的主控制板為凈化器電路控制系統(tǒng)，其電機驅(qū)動采用光耦隔離、雙向晶閘管方式，可有效防止強電對主控板的沖擊損傷；采用串口顯示屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，通信方式采用工業(yè)modbus協(xié)議；CPU采用cortex M3架構(gòu)，可有效降低功耗。

該凈化器的軟件部分主要由驅(qū)動程序、啟動程序以及數(shù)據(jù)采集程序組成。驅(qū)動程序位于傳感器端，不同的傳感器根據(jù)不同的接口類型定義了相應的驅(qū)動程序，這些程序為數(shù)據(jù)采集程序提供了讀、寫接口，對數(shù)據(jù)采集程序端來說是透明的。驅(qū)動程序等內(nèi)容在板卡加電以后可通過自啟動程序進行加載。數(shù)據(jù)采集程序包括I2C型（甲醛傳感器）、GPIO型（TVOC傳感器）、串口（Serial）型（PM2.5、PM10、CO2），自動控制系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)空氣環(huán)境的變化自動調(diào)控凈化器的運行狀態(tài)。

2 技術(shù)特點

2.1 智能控制

該凈化器的控制系統(tǒng)可根據(jù)空氣質(zhì)量的變化，自動調(diào)節(jié)風機的運行風量，并可根據(jù)需要設定運行時間，以節(jié)省電力能源。該控制系統(tǒng)的自動模式可根據(jù)檢測裝置的檢測數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)風速，快速凈化室內(nèi)空氣質(zhì)量；手動模式則可根據(jù)需要選擇高、中、低擋恒速運行。

2.2 過濾器更換報警

該凈化器可根據(jù)過濾器的過濾效率及使用情況提示更換信息，以免過度使用影響凈化效果。

3 應用效果

在本院病理科常規(guī)技術(shù)室對該凈化器的使用效果進行了30 d的測定。測定結(jié)果顯示，在使用該凈化器前（僅使用通風櫥通風時），室內(nèi)甲醛濃度的平均值為（1.28± 0.57） mg/m3；在使用該凈化器后，室內(nèi)甲醛濃度的平均值為（0.06±0.02） mg/m3，凈化后室內(nèi)甲醛濃度符合室內(nèi)空氣質(zhì)量標準，表明該凈化器具有較好的凈化效果。

4 結(jié)語

室內(nèi)空氣質(zhì)量對于醫(yī)療機構(gòu)的患者和工作人員的健康至關(guān)重要[11]。在有人狀態(tài)下,可采用高效顆粒空氣過濾凈化除菌、高壓靜電吸附除菌、等離子體技術(shù)、動態(tài)空氣消毒機、納米光催化材料空氣凈化、人工負離子空氣凈化和流潔凈除菌等方法對室內(nèi)空氣進行凈化[12]。不過，傳統(tǒng)的被動式空氣凈化技術(shù)主要是將室內(nèi)空氣吸入機器內(nèi)，通過濾網(wǎng)過濾有害物質(zhì)，無法徹底清除有害氣體。而PHI凈化因子經(jīng)主動釋放后，可在空氣中有效清除有害物質(zhì)，殺滅病原體，完成全面的凈化作用。本課題研發(fā)的醫(yī)療級智能空氣凈化器結(jié)合了過濾和PHI凈化技術(shù)的優(yōu)點，在有人環(huán)境中可安全、有效地凈化室內(nèi)空氣中的顆粒物、有害氣體和微生物，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。與現(xiàn)有的空氣消毒凈化器相比，醫(yī)療級智能空氣凈化器可根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量的變化自動調(diào)控凈化器的運行狀態(tài)，能夠在保證凈化效果的同時更多地節(jié)省成本，具有一定的實用價值。

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Design and Application of Intelligent Air Purifier of Medical Level

SHI Li-ke1, WANG Yue1, XU Liang2, JIA Yuan1, YAO Dong-sheng2, LI Xiu-wu1, LIU Yan1
1.Department of Infection Control, the Second Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang Hebei 050000, China; 2.Hebei Encanwell Environment Science and Technology Co., Ltd, Baoding Hebei 071000, China

This paper introduced the design principle and development process of the intelligent air purifier of medical level. The air purifier adopts the modes of filtration, activated carbon adsorption, and plasma-combined purification. The highly-efficient filter screen and activated the carbon filter layer can filter dust particles, adsorb formaldehyde, toluene and other harmful gases. The antiseptic plasma purifier can release purification factor and can cause active sedimentation of pm10 and pm2.5 particles, purify the harmful gas such as formaldehyde and toluene, and kill pathogenic microorganisms. Intelligent control system can adjust air volume of the running fan automatically according to the change of air quality and thus can effectively save the energy consumption. It is suitable for purification and disinfection of indoor air in the medical environment.

air purifier; activated carbon air filter; plasma air sterilization purifier; intelligent control system

R197.39

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.03.033

1674-1633(2016)03-0123-02

2015-07-17

2015-12-23

劉燕，主治醫(yī)師。

作者郵箱：shilike15911@sina.com