健康空調(diào)來自對微生物的關(guān)注

王寧 魏傳超 吉曹源 李宗強(qiáng)

摘要：室內(nèi)環(huán)境下的溫濕度在給人們帶來舒適的同時，也對微生物的繁殖生存有著重要影響。通過控制溫度和濕度，研究不同條件下細(xì)菌和霉菌的生長狀況來研究室內(nèi)溫濕度對微生物繁殖狀態(tài)的影響規(guī)律并將該規(guī)律運(yùn)用于家用空調(diào)設(shè)計中，通過家用空調(diào)對溫濕度的調(diào)控實現(xiàn)調(diào)控居室環(huán)境下的微生物數(shù)量，以達(dá)到室內(nèi)空氣的健康標(biāo)準(zhǔn)，使家用空調(diào)給予用戶更好的體驗及健康保證。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)溫濕度；微生物繁殖規(guī)律；空調(diào)；健康

Healthy air conditioning comes from concerns about microorganisms——Analysis of the influence of indoor temperature and humidity on microbial reproduction and its application in the design of household air conditioning

Wang Ning1 Wei Chuanchao2 Ji Caoyuan3 Li Zongqiang4（Qingdao Haier Air Conditioner Co.，Ltd.266103）

Abstract：A certain level of temperature and humidity in the indoor environment can not only brings comforts to people， but also has a significant impact on the reproduction and survival of microorganisms. This paper introduces a study of the growth of bacteria and mold by controlling the temperature and humidity. The objective of this research is to analyze the influence of indoor temperature and humidity on the reproductive state of microorganisms and explores its application in the design of household air conditioners. The number of microorganisms can be well managed by controlling the temperature and humidity of household air conditioner. As such， a healthy indoor environment can be achieved and people can obtain a better living experience and health guarantee through air conditioning.

Keywords：Indoor temperature and humidity；microbial reproduction；air conditioning；health

1.引言

溫度是影響微生物生長的重要因素。理論上，微生物繁殖過程中溫度首先影響的是細(xì)胞中酶的活性，進(jìn)而影響到微生物的繁殖。其次，微生物繁殖過程中，營養(yǎng)物質(zhì)與微生物代謝產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)輸送需要細(xì)胞質(zhì)的參與，溫度也會影響這一過程速度。最后，細(xì)胞質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)的溶解度與溫度有關(guān)。

微生物作為生命體，一般適合的溫度范圍是-20℃～100℃。

微生物在生長過程中遵照典型微生物生長曲線（見圖1）。微生物生長可分四個階段，分別為調(diào)整期，對數(shù)期，穩(wěn)定期和衰亡期[1]。

溫度較低時，酶促反應(yīng)速率減慢，微生物繁殖速度較低；而溫度較高的時候，酶促反應(yīng)速率仍然會受到抑制，甚至在極端高溫條件下生物酶會完全失活，導(dǎo)致微生物死亡。只有在合適的溫度區(qū)間，酶的活性才能得到維持。

相對濕度（RH%）對微生物生長繁殖有著重要影響。微生物細(xì)胞含水量一般在70%～90%。濕度較高時，物體表面會形成一薄層水膜，微生物就生存在這層水膜里。在空氣干燥的情況下，微生物就會失水萎縮。通過改變溫度和相對濕度條件下儲藏稻谷中的微生物進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)相對濕度在70%～80%時，微生物活動較不活躍；當(dāng)相對濕度大于80%時微生物活動（繁殖）明顯加強(qiáng)。因此當(dāng)相對濕度大于70%時，溫度適宜且空調(diào)內(nèi)部的積灰能為微生物提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)時，微生物就能夠在灰塵上大量生長和繁殖。

相對濕度的增加會促進(jìn)細(xì)菌繁殖速度增加。當(dāng)相對濕度較高時，微生物活性增大；相對濕度降低時，微生物細(xì)胞活性降低，同時部分微生物產(chǎn)生孢子（或休眠體）來應(yīng)對惡劣環(huán)境。因為微生物受到外界環(huán)境變化影響無法通過細(xì)胞分裂進(jìn)行繁殖，為了繼續(xù)繁衍后只能采取這種方法[2]。

相對濕度影響了微生物的生長停滯期的長短；對不同微生物的影響程度各不不同。

2.試驗手段、方案

通過文獻(xiàn)調(diào)研、查閱相關(guān)資料，結(jié)合目前我國室內(nèi)和家用空調(diào)系統(tǒng)常見細(xì)菌和真菌等微生物污染的分布特點(diǎn)，并大致確定該微生物生長繁殖與溫/濕度的大約對應(yīng)規(guī)律；考慮到家用空調(diào)溫度和濕度的控制范圍，結(jié)合微生物特點(diǎn)以及以往研究實踐經(jīng)驗積累，給出初步的室內(nèi)微生物（真/細(xì)菌）的種類及其分布和空調(diào)系統(tǒng)易受真菌/細(xì)菌污染的種群等，以及該真菌/細(xì)菌在空調(diào)控制溫濕度范圍內(nèi)的大致存活狀況。

2.1 確定試驗菌種

微生物包括細(xì)菌、真菌和病毒等。目前細(xì)菌和真菌的試驗較為容易，病毒的要求比較高，本次暫不列入。

典型的細(xì)菌按革蘭氏染色可分為革蘭氏陰性菌（如大腸桿菌）、革蘭氏陽性菌（如金黃色葡萄球菌）。

典型的真菌包括酵母菌（如白色念珠菌）和霉菌（如黑曲霉、球毛殼、青霉）等。

2.2 室內(nèi)環(huán)境的條件確定

根據(jù)圖2所示空調(diào)所能控制的溫濕度范圍與人體感舒適范圍（綠區(qū)+藍(lán)區(qū)），選擇適當(dāng)?shù)臈l件（見表1）進(jìn)行上述細(xì)菌/真菌的生長繁殖試驗。

溫濕度選擇時，盡量選擇空調(diào)的控溫控濕范圍，結(jié)合人體感覺舒適的狀態(tài)，進(jìn)行設(shè)定條件下微生物的培養(yǎng)試驗，以期探索其生長繁殖規(guī)律。

2.3 濕度的控制

在影響微生物實驗的溫度和相對濕度變量中，溫度通常比較容易控制，而相對濕度則是一個即重要又難以控制的變量。我們選擇飽和鹽溶液控制法，因為其操作簡單，準(zhǔn)確度高，費(fèi)用低。而且，各種飽和鹽溶液對應(yīng)的相對濕度非常穩(wěn)定，一旦濕度變化后，可迅速恢復(fù)，具有良好的重復(fù)性。

在封閉空間中，飽和鹽溶液表面具有恒定的相對濕度。這個恒定的相對濕度又被稱為飽和鹽溶液的濕度固定點(diǎn)。當(dāng)鹽溶液達(dá)到飽和濃度之后，其相對濕度僅與鹽的種類和溫度兩個因素有關(guān)。所以，在固定溫度條件下，選擇特定種類的鹽，即可獲得較為固定的相對濕度狀態(tài)。在試驗溫度區(qū)間范圍內(nèi)（18℃-28℃），飽和鹽的相對濕度變化都在2%以內(nèi)，基本可以忽略試驗溫度對濕度的影響。

2.4 培養(yǎng)時間

一般的，微生物的生長曲線表明，細(xì)菌繁殖的數(shù)量大約在16-24h后達(dá)到高峰，其后逐漸平緩直至衰亡；真菌要慢一些，預(yù)計72h后也可達(dá)到繁殖的數(shù)量高峰，其后曲線逐漸平緩下降。

因此培養(yǎng)時間選用0h、6h、24h、48h、72h、96h和144h（7天）。

2.5 試驗步驟

配制新鮮菌液，在制備后4h內(nèi)使用；將菌液加入棉式子中，每個棉拭子大約104-105CFU。

將制備好的染菌棉拭子分別放在圖3所示的裝置中，按表2的溫度條件分別放置，并定時取樣，活菌計數(shù)。統(tǒng)計并尋找規(guī)律。

3.試驗表格、數(shù)據(jù)及結(jié)果討論

數(shù)據(jù)處理按溫度18℃、20℃、22℃、24℃、26℃、28℃等6個溫度段來統(tǒng)計，并繪制菌生長曲線圖。注意圖中所示數(shù)量均為活菌數(shù)量。

3.1 18℃時細(xì)菌和真菌生長曲線

細(xì)菌結(jié)果分析：由圖4可以看出這兩種菌混合菌總的生長趨勢都符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進(jìn)一步延長都呈消亡狀。

真菌結(jié)果分析：由圖5可以看出，上述4種真菌在18℃下，其生長基本平緩，至7天時只是稍有下降。比起細(xì)菌來說，下降速度較慢，也就是說在高濕情況下，真菌在18℃的生長狀態(tài)要比細(xì)菌好，更容易存活。

3.2 20℃時細(xì)菌和真菌生長曲線

細(xì)菌結(jié)果分析：由圖6可以看出這兩種菌混合菌在20℃下總的生長趨勢符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進(jìn)一步延長都呈消亡趨勢。與18℃相比，其調(diào)整期不明顯，長時間后（7天）數(shù)量的下降幅度不大。

真菌結(jié)果分析：由圖7可以看出，上述4種真菌混合菌在20℃下，其生長基本平緩，至7天時甚至稍有增長。比起細(xì)菌來說，下降速度較慢，也就是說在高濕情況下，與18℃一樣，真菌在20℃的生長狀態(tài)要比20℃下細(xì)菌更容易存活。

3.3 22℃時細(xì)菌和真菌生長曲線

細(xì)菌結(jié)果分析：由圖8可以看出這兩種菌混合菌在22℃下生長趨勢符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進(jìn)一步延長都呈消亡狀。與18℃相比，和20℃類似的調(diào)整期不明顯，長時間后（7天）數(shù)量的有下降趨勢。

真菌結(jié)果分析：由圖9可以看出，上述4種真菌在22℃下，生長基本平緩，至7天時基本變化不大。比起細(xì)菌來說，下降速度較慢，也就是說在高濕情況下，與18℃一樣，真菌在22℃的生長狀態(tài)要比22℃下細(xì)菌更容易存活。

3.4 24℃時細(xì)菌和真菌生長曲線

細(xì)菌結(jié)果分析：由圖10可以看出這兩種菌混合菌在24℃下生長趨勢基本符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進(jìn)一步延長都將呈消亡趨勢。與18℃相比，和20℃、22℃類似的調(diào)整期不明顯，長時間后（7天）數(shù)量的下降幅度不大。

真菌結(jié)果分析：由圖11可以看出，上述4種真菌在24℃下，其生長基本平緩下降，至7天時下降趨勢明顯。

3.5 26℃時細(xì)菌和真菌生長曲線

細(xì)菌結(jié)果分析：由圖12可以看出這兩種菌的混合菌在26℃下總的生長趨勢符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進(jìn)一步延長都明顯呈消亡狀。還可以得出隨著濕度的降低，菌的回收下降；也就是說較低濕度下，細(xì)菌比較容易死亡。

真菌結(jié)果分析：由圖13可以看出，上述4種真菌在26℃下，濕度的影響較為復(fù)雜，但總的來說濕度上升有利于霉菌的存活，濕度下降，霉菌的存活率也隨之下降。

3.6 28℃時細(xì)菌和真菌生長曲線

細(xì)菌結(jié)果分析：由圖14可以看出這兩種菌的混合菌在28℃下總的生長趨勢基本符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進(jìn)一步延長都明顯呈消亡狀。

真菌結(jié)果分析：由圖15可以看出，上述4種真菌在28℃下，繁殖速度還是比較快，隨著時間的延長，低濕下不利于其進(jìn)一步繁殖，所以處于消亡趨勢中。

綜合上述實驗結(jié)果，對于細(xì)菌，如大腸桿菌和金黃色葡萄球菌混合菌，從18℃-28℃，隨著溫度升高，活細(xì)菌繁殖數(shù)量到達(dá)峰值的時間縮短，峰值數(shù)據(jù)更高；這說明該溫度區(qū)間下溫度對細(xì)菌活性呈現(xiàn)正相關(guān)。

濕度對選定細(xì)菌生長的影響較為復(fù)雜，低溫（18℃-24℃）時高濕（80%RH以上）環(huán)境有利于細(xì)菌縮短延遲期，較快進(jìn)入對數(shù)增長期。溫度較高時，濕度對細(xì)菌延遲期的影響不大，細(xì)菌生長曲線初期的斜率趨向一致，只是影響活菌數(shù)峰值以及到達(dá)峰值的時間，濕度越大活菌數(shù)的峰值越高，峰值過后下降的斜率（衰亡速度）差別不大；需要指出的是較高濕度下后期的存活菌數(shù)量要明顯高于較低濕度條件下，這說明濕度大有利于細(xì)菌的存活。

對于真菌來說，低溫時，高濕環(huán)境有利于真菌的生長，比低濕環(huán)境能更快到達(dá)活菌數(shù)量的峰值；高溫時，濕度變化的對真菌活性影響不大，對數(shù)增殖階段真菌的表現(xiàn)趨向一致（斜率幾乎一致），峰值數(shù)據(jù)稍有差異；與細(xì)菌類似，濕度變大，活菌峰值數(shù)量也變高。一段時間（48h）后，實驗真菌的基本數(shù)量相對恒定，會有一定幅度的波動。這表明，室溫條件下，真菌的生長不會終止，也利于其長期存在。

室溫狀態(tài)下，溫度升高，濕度加大，微生物的活動水平也升高，表現(xiàn)為快速生長繁殖，更快的到達(dá)峰值，活菌數(shù)量增加；若存在致病菌，則可能會威脅處在其環(huán)境下生活的人。反之，溫度下降，微生物的活動水平下降（活性下降），表現(xiàn)為生長繁殖變緩，但不會立即死亡。室溫環(huán)境下，細(xì)菌和真菌的表現(xiàn)有差異，細(xì)菌對溫度變化和濕度變化均表現(xiàn)得更敏感；而真菌在室溫環(huán)境下，較低溫度時其活性跟濕度正相關(guān)，隨溫度的升高，濕度的影響逐漸變小；真菌的存活數(shù)量隨時間的延長不斷波動，保持一定數(shù)量，這可能與真菌的繁殖方式（生產(chǎn)孢子）有關(guān)。

4.總結(jié)

家用空調(diào)將來發(fā)展的方向是應(yīng)用智能化和健康管理（家庭空氣品質(zhì)管理），要求一方面能加強(qiáng)智能學(xué)習(xí)、理解用戶意愿、場景感知、更好的人機(jī)互動、更好的融入家庭并參與打造智能家居；另一方面就是重視健康管理，對室內(nèi)機(jī)內(nèi)部和室內(nèi)空氣進(jìn)行健康管理和處理，使空調(diào)更好的為人民服務(wù)。

健康的空調(diào)應(yīng)該同時具備室內(nèi)機(jī)內(nèi)部健康和提供室內(nèi)空氣品質(zhì)管理。

結(jié)合本項目，特提出以下建議：

（1）空調(diào)在制冷時，應(yīng)盡快將室溫降至目標(biāo)溫度，這個過程非常影響室內(nèi)微生物的活性水平，當(dāng)然也包括從室外進(jìn)入到室內(nèi)的微生物（大氣攜帶、人、物品等）。

（2）隨著溫度的降低，濕度必然增大，在溫度保持階段，定期開啟除濕，使?jié)穸缺３衷?0%RH以下。極端天氣下如室外高溫高濕時（桑拿天氣）會影響空調(diào)的除濕效率，這時也是一年中的微生物活性最大時，此時最好輔以其他手段來控制室內(nèi)微生物水平。

（3）綜合人體體感和本項目結(jié)果，考慮到建設(shè)節(jié)約社會、以及可持續(xù)發(fā)展，空調(diào)建議設(shè)定溫度在24℃-26℃，濕度控制在60%RH或以下；這樣一方面微生物活性控制在較低水平，又比較節(jié)能，體感比較舒適。

參考文獻(xiàn)

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