基于空氣品質的船用空調通風系統空氣凈化技術

趙自兵，徐 謙，田正軍，劉 臣，黃 戈，錢新春

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200041）

0 引言

客船上的旅客絕大數時間都在室內度過，室內空氣品質會直接影響旅客的健康和滿意度，而客船是一個比較封閉的室內環境，客船內空氣品質需通過空調通風（Heating, Ventilation and Air Conditioning，HVAC）系統來保證。隨著新冠疫情的暴發，人們也越來越注重客船的室內空氣環境的安全性。

目前，客船空調通風系統的設計存在很大誤區，在設計過程中過于追求系統的節能性和乘客舒適度以獲得更大的經濟利益，但忽視了室內的空氣質量。很多客船面臨室內空氣中灰塵和細菌濃度增加的問題。此外，有機合成材料在客船室內裝修上的廣泛應用，散發大量揮發性有機化合物。這些污染物導致客船內的空氣品質惡化，進而造成乘客和船員出現病態反應。

新冠病毒在“鉆石公主”號上的廣泛傳播，引起各界對客船內空氣質量問題的廣泛關注。雖然全新風空調通風系統可通過稀釋室內空氣來提高空氣品質，但對于來自室外的空氣污染，依舊需要依靠空氣凈化裝置。使用空氣凈化裝置是保證客船內空氣品質最直接的方法，利用空氣濾器過濾空氣中的污染物，利用消殺裝置殺死空氣中的細菌和病毒。本文對客船內空氣污染物的特點和常用的空氣凈化裝置進行介紹，并對空氣凈化裝置在中央空調通風系統中的運用進行分析和討論。

1 客船內空氣污染物

客船內的主要空氣污染物見表1，按照來源可分為3種：1）船內各種裝修材料散發的污染物，家具和油漆會隨著時間和溫度的變化不斷釋放甲醛等有機揮發物，地毯中的毛絨會引起皮膚過敏和哮喘病等疾病，還會吸附灰塵，滋生細菌；2）外部大氣環境中的污染物、柴油機廢氣和廚房的排風；3）船員和旅客通過呼吸道和皮膚等器官排出的多種有毒物質。

表1 客船內的主要空氣污染物

按照污染物的性質，可將客船內空氣中的污染物劃分為化學性、生物性和物理性等3類。化學性污染物主要為總揮發性有機物（Total Volatile Organic Compound，TVOC），物理性污染主要為可吸入顆粒物（Particulate Matter，PM），生物性污染主要為細菌和病毒等有機體。

TVOC是一種重要的室內空氣污染物，一般包括芳香烴、脂肪烴、鹵代烴、含氧烴、萜烴、醇、醛、酮和酯等。客船上的TVOC主要來自裝修材料，其毒性可引起中樞神經系統、呼吸系統和免疫系統等功能異常，甚至會造成脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）損傷，對人體的危害極大。由于TVOC的粒徑非常小，故纖維空氣濾器無法起到作用。

PM是動力學直徑不大于2.5 μm的細顆粒物，其體積很小，活性強，能吸附細菌和病毒等各種有毒有害物質。PM可長時間飄浮在空氣中，會直接進入肺泡，嚴重損害人體健康。客船內的 PM主要來自外部大氣環境。

病原微生物是指可以侵犯人體，引起感染甚至傳染病的微生物，以細菌和病毒的危害性最大。新冠病毒的直徑為0.125 μm，屬于超細顆粒，可以與空氣中的液體和固體顆粒物組成多相體系混合物（氣溶膠）。新冠病毒在干燥的環境中，存活時間為48 h，進入大氣2 h后，其活性明顯下降。

2 空氣凈化技術

室內空氣凈化技術主要有3類：1）除塵技術，主要為纖維過濾式除塵；2）氣體凈化技術，主要為活性炭過濾法；3）殺菌消毒技術，主要為紫外線消殺。一些空氣凈化裝置具有多種凈化功能，如：靜電空氣過濾器可同時去除空氣中的固體顆粒物和病原微生物；光催化凈化器可同時去除空氣中揮發性有機化合物和病原微生物。

2.1 纖維過濾器

使用纖維過濾器去除空氣中的固體顆粒物是保證室內空氣質量最直接的方法。空氣過濾器通常分為粗效、中效和高效過濾器等3種類型。

高效空氣過濾器（High Efficiency Particle Air，HEPA）對于0.3 μm顆粒的過濾效率達到99.97%，不僅能有效地去除煙霧和灰塵，還能安全可靠地濾除空氣中的細菌和病毒等有機體，防止病毒的傳播。然而，HEPA的迎面風速需控制在1 m/s以內，壓降控制在400 Pa，濾器的體積較大，布置比較困難。

2.2 活性炭過濾器

活性炭過濾器被廣泛用于凈化室內空氣。活性炭疏水性好、比表面積高、吸附性能強，可用于吸附空氣中的有害氣體，如TVOC、SO、NH和HS等。此外，活性炭空氣過濾器還可去除空氣中的異味。活性炭的吸附能力取決于孔隙結構和表面化學性質，不同表面特性的活性炭對不同的污染物吸附效果差異明顯。活性炭具有良好的物理吸附性能，但物理吸附的結合力較弱，容易脫落。為增強活性炭的吸附能力，通過化學氧化、還原和負載等改性方法使活性炭表面的化學性質發生變化，化學吸附能力顯著增強。

影響活性炭過濾器吸附效果和使用壽命的主要外部環境因素包括污染物的種類和濃度、氣流在過濾材料中的滯留時間、空氣的溫度和濕度。活性炭吸附劑需要定期更換，更換費用和有害物質的濃度成正比。

2.3 靜電過濾器

靜電過濾器是在工業靜電除塵器的基礎上發展起來的室內空氣凈化設備，現已被大量應用于各種室內場合。空氣通過靜電過濾器的一級過濾段時，在主極板和接地極之間的環流離子作用下，空氣中的微粒荷電、帶電微粒在收集段被捕集。靜電過濾器阻力小、除塵和滅菌效率高、重復實用性好。

某靜電過濾器除菌試驗結果顯示：在風速為3 m/s、風量為2 000 m/h的情況下，靜電過濾器對葡萄球菌的平均滅殺率為99.9%，效果顯著。相對于纖維過濾器，靜電過濾器更適合捕捉粒徑為2.5 μm的微粒，且壓力損失很小。

2.4 紫外線燈

美國環境保護署（United States Environmental Protection Agency，USEPA）對HVAC的生物滅活效率和管道內紫外線照明系統給出了技術評價報告。技術評價報告給出了HVAC管道內紫外線設備的生物滅活效率：所有紫外線裝置對營養細菌的滅活率均≥99%，對其他微生物的有效性均≥93%。

殺毒效果的好壞取決于紫外線的光照強度和光照時間，波長為254 nm的紫外線光殺毒效果最好。《消毒技術規范》規定：對于風道中單獨安裝的紫外燈，殺滅一般細菌繁殖體所需照射劑量為 10 000 μWs/cm。

2.5 光催化凈化器

目前國內研究最多的是采用納米 TiO半導體材料為催化劑，其光催化活性高、化學性質穩定、氧化還原性強、抗光陰極腐蝕性強、無毒且成本低。在10～100 μWs/cm紫外線的照射下，TiO固體表面生成空穴和電子。空穴會促進有機物的氧化和分解，最終生成CO和HO。納米TiO光催化凈化器雖對有機污染物有良好的降解作用，但它不能解決室內空氣中的細微顆粒物問題，這是由于催化劑微孔容易被顆粒物堵塞，進而造成催化劑失活。

3 空氣凈化技術在客船空調通風系統中的運用

客船空調通風系統需要處理的空氣污染物主要為來自室外的PM，以及來自室內的TVOC和病原微生物。不同空氣凈化設備可有效處理的污染物情況見表2。客船的空調通風系統分為全空氣系統和水-氣系統，全空氣系統又分為全新風系統和部分新風系統。

表2 不同空氣凈化設備可有效處理的污染物情況

3.1 帶熱轉輪的全新風系統

帶熱轉輪的全新風系統是客船上應用最普遍的系統，見圖1。該系統具備了全新風的優點，空氣只在船內循環1次，空氣質量高，且熱轉輪回收能量的效率高，熱回收率能達到50%以上。然而，帶熱轉輪的全新風系統存在把少量排風中的污染物帶入新風的缺點。

圖1 帶熱轉輪的全新風系統

為消除PM，帶熱轉輪的全新風系統在新風管后布置 F7中效過濾器，并在其前方布置清潔后可反復使用的G4粗效過濾器，這樣既可延長F7中效濾器的使用時間，也能減少更換成本。在回風凈化方面，布置G4粗效過濾器，并用紫外線對空氣中的病菌進行消殺。為延長紫外線照射的時間，回風段需額外加長。紫外線可同時照到熱轉輪和濾器，能有效殺死吸附在其表面的病菌。根據劉子嘉等的試驗結果，細菌可在濾器上存活3天，這可能導致空氣的二次污染，需要重點關注。在風機和冷熱盤管之間也布置少量紫外線燈管，可用于減少表面細菌的滋生。

3.2 部分回風的全空氣系統

部分回風的全空氣系統在客船上的使用也較為普遍，該系統將房間內的部分空氣抽回空調箱和新風匯合，經處理后再送入房間，見圖2。部分回風的全空氣系統的中央空調箱由于沒有熱轉輪而相對簡單，體積較小，容易布置。在外界溫度適中時，可關閉回風風閘，進行全新風運作，直接利用外界空氣對房間進行冷卻。在房間內無旅客的時候，可關閉新風風閘和排風風閘，進行全回風運作，對房間進行凈化殺毒。

圖2 部分回風的全空氣系統

部分回風的全空氣系統最大的問題在于回風直接混入新風會帶來空氣污染。因此，要對其回風進行空氣凈化，消除室內的TVOC和病菌。采用G4粗效濾器對回風進行過濾，保護抽風機和其他凈化裝置。在回風進入空調箱前，先用紫外線殺滅病菌，接著用活性炭過濾器吸收TVOC。待回風進入空調箱和新風混合后，利用靜電過濾器，進一步凈化空氣中的固體顆粒和病菌。新風口布置了G4濾器，用以保護后面的靜電過濾器。送風機上方布置了紫外線燈管，用于殺滅病菌。

3.3 水-氣系統的風機盤管

水-氣空調通風系統的最大特點是在房間內布置風機盤管（File Control Unit，FCU），見圖3。風機盤管使空氣在房間內循環，進而控制房間溫度。呼吸用的新風來自中央空調箱，水-氣系統通過減少室外新風來減少空調系統的負荷，降低能耗，還可減小中央空調箱的大小和風管的數量。風機盤管面對的空氣污染物主要為室內的病菌和TVOC，可在風機盤管內安裝紫外線燈管或靜電過濾器來殺滅病菌。對消除空氣中的TVOC而言，使用光催化凈化器是最合適的。

圖3 水-氣系統的風機盤管

4 結論

新冠疫情對人們的生活和郵輪的運營造成了深遠的影響。本文對客船上的空氣污染物進行分析，主要包括來自室內的揮發性有機物和病原微生物，以及來自室外的固體顆粒物。對纖維過濾器、活性炭過濾器、靜電過濾器、紫外線燈和光催化凈化器等5種空氣凈化設備進行介紹，并分析空氣凈化技術在客船空調通風系統中的運用。當空調通風系統的工程師在進行系統設計時，面對節能性、舒適性和安全性的選擇，需要把安全性放到最重要的位置。