自2019年12月新冠病毒爆发以来,迅速蔓延成为全国乃至全世界的重大疫情。目前我国疫情得到迅速、有效控制,但国外疫情却持续恶化,感染人数仍线性增长,疫情也将趋向长期化、复杂化。随着盛夏将至,中央空调不得不用,给新冠病毒传播的控制带来了新的不确定性因素。

中央空调增强新冠病毒传播风险

       美国MSN网站报道,科学家从一所医院的漂浮尘埃中发现新冠病毒的痕迹。新研究显示,这种病毒可能通过空调系统甚至通风管道在建筑内部传播。

       《美国医学会》杂志报道,来自新加坡国立传染病研究中心的科学家们对三名新冠肺炎患者所居住房间的拭子分析,结果显示这种疾病的传染性或许比人们之前认为的更强,尽管这些患者只表现出“温和的”症状,还是有证据显示医院排风装置排出的空气中存在病毒,表明携带病毒的小液滴可能被气流带走,并累积在通风管道等设备上。

       《新发传染病》杂志报道,今年1月,大年三十中午,在广州的一家餐馆内发生了一起新冠病毒“人传人”事件,涉及3个家庭共计10人。研究结果表明,空调的气流方向与带有新冠病毒的飞沫传播方向一致,能扩大飞沫传播的范围,也有人指出,可能坐在出风口下的顾客被空调带出的病毒感染。

       据报道,今年2月,钻石公主号邮轮上4天检测出61例新冠,美国约翰·霍普金斯大学健康安全中心高级学者阿梅什·阿达利亚表示,这种通过呼吸道传播的病毒很难进行防控。在邮轮这样的中央空调封闭空间内,不需要一个“超级传播者”,病毒就可以加速其传播。

       5月18日下午,北京市新型冠状病毒感染的肺炎疫情防控工作举行第108场新闻发布会,介绍到33例发热患者经临床诊断以细菌性呼吸道感染为主,与近期使用中央空调有关,初步确定为共同暴露因素导致的集体性发热,病原体初步判断为A组乙型溶血性链球菌。北京市委宣传部副部长徐和建表示,当前天气转热,建议广大市民使用空调时要保持空气流通和自然通风,做好定期清洗清洁。公共场所要确保各房间保持独立通风,要采用全新风运行,严格按要求使用已装有空气净化消毒装置的集中空调通风系统,避免因空调使用导致的疫情传播的风险。

中央空调传播病毒的机制和常用的处理策略

       为保障室内温度环境,中央空调系统配备每小时8次左右的室内空气循环能力,7-8分钟可以将室内空气循环一遍,快速的空气流动其实并不利于空气中病毒、细菌及颗粒物的自然沉降,从中央空调冲出的带毒空气更是有可能加速病毒在空气中的传播速度及传播距离。多个房间互通空气清新的空调系统,若一个房间里有病菌,则可能传至所有互通空气的房间。

       一般室内中央空调系统只有初效滤网,不具备过滤pm级颗粒物的能力,更不能过滤通过气溶胶传播的细菌、病毒、及细微颗粒物。空调的管道及回风口等成为了藏污纳垢的地方,并极容易滋生细菌及病毒,致使中央空调成为室内重要的传播源和传播渠道。

       目前对室内空气中微生物污染的主要预防技术有物理过滤、化学消毒、紫外线消毒、静电吸附等。然而,这些技术都有其缺点和不足:

       物理过滤方法主要是采用在通风管道中安置的HEPA滤网(类似囗罩)等方法,净化效果较好,常常能物理滤除90%以上的微生物,但是HEPA滤网性能衰减太快,需要频繁更换,更换滤网时也存在感染病毒风险。

       化学消毒方法包括使用杀菌溶剂(如酒精、84消毒液等)、杀菌气体(如臭氧等)对空调管道等消毒,有较好的效果,但也存在无法克服的问题:只能在空调不运行时间隙消毒,而且大量使用杀菌溶剂存在化学物质残留、易燃易爆的风险。无论是杀菌溶剂还是杀菌气体,往往都存在异味,对环境不友好,难以应用于中央空调人在环境实时消毒的情境。

       紫外线消毒方法也是杀菌消毒常用方法,但是其有效消杀的前提是足够时间、足够剂量的辐照量。也不适合空调运行时使用,因为在空调系统中,空气被快速循环流出,实际上紫外线辐射空气的时间短,实际消毒杀菌的作用极为有限。

       能够满足人在环境实时消毒的空调空气消毒杀菌方法不多。目前市面上出现了很多基于静电除尘方法的空调净化器,其原理是利用针尖高压电晕在小范围(针尖周边1mm以内)激发等离子体,等离子体中的大量长寿命、带负电荷的负离子飘入周边空气并与携带病毒细菌的气溶胶结合后,在下游被静电场定向偏转并加速吸附。基于静电吸附的净化装置脱胎于工业除尘和管道除尘,其本质是将带毒颗粒吸附而非真正的及时杀死,只有不到10%的空气经过等离子体区有可能消灭其中的病毒,而90%以上的病毒只能被吸附在集尘板表面,因而存在停转再起动时带毒颗粒脱落进入空气的情况;此外静电除尘装置随着使用时间的增长,集尘板堆积“灰尘”,净化效率会大大下降,需要清洗,清洗时有传染风险,水中也受污染。

脱胎于工业除尘的静电吸附除尘技术

       近年来,有不少基于静电吸附原理的空气净化器打出了“等离子体杀毒”的旗号,声称净化器采用了等离子体技术。那么,什么是等离子体技术?为什么大家纷纷打出等离子体的旗号呢?基于静电除尘的空气净化装置中是否真的使用了这项技术呢?

等离子体消杀:杀灭空调空气中病毒的硬核技术

       等离子体是气、液、固三态以外,物质存在的第四态——事实上,宇宙中99.9%的成分都是等离子体。是被电离的气体分子、电子、离子组成的一个粒子混合体。等离子体技术本身流淌着“高端”的应用血统,前期主要应用于芯片刻蚀、航空点火、航天推进、医学美容等领域。近年来,其在生物医学领域的重要性逐渐显现,被认识是一种相对理想的空气杀菌消毒技术。其杀菌消毒机理主要包括四个方面(如下图所示):(1)电场撕裂效应:等离子体装置能持续不断的产生甚高浓度的正负离子,这些正负离子在电场作用下,在微生物表面产生的剪切力大于其细胞膜表面张力,在这个能量释放的过程中,微生物的壁膜受到严重破坏,导致微生物死亡。(2)高速粒子击穿效应:当平均电场强度超过一定强度时,被加速的高速粒子会将微生物表面击穿从而起到破坏微生物的作用。(3)紫外光辐射作用:在等离子体产生过程中可放出大量紫外光。这种高能紫外光子被DNA等核酸吸收而起到杀菌消毒作用。(4)高能粒子和活性自由基的作用:氧化性气体等离子体中,含有大量原子氧、自由基等活性物质,它们易与细菌体内蛋白质、核酸、脂质层发生反应引发变性,致细菌/病毒死亡。

等离子体消毒杀菌原理图

       等离子体消毒杀菌效果显著,在医院手术室、食品卫生间等已有应用,但由于臭氧含量太高、设备体积重量大等原因,不适合在空调中人在环境实时空气消毒灭菌中应用,而发展中央空调等离子体消毒灭菌装置还存在较大的技术难度:(1)要想依靠等离子体实现空调流动空气中病菌消杀,必须确保被污染的空气充分与等离子体接触,这就要求在空气流道中产生一道均匀/大面积的等离子体“墙”,从而确保流过的气体穿“墙”而过使病菌能够被一次性消杀。目前,市场上见到的空气净化/消杀装置依然是基于静电除尘原理,必须使用细小的电极在局部形成狭小的强电场,其空气净化装置仅能在不到10%的范围内产生等离子体,离覆盖空气流道相距甚远;(2)产生的等离子体强度需要足够大以保证电场足够强,同时也要确保等离子体发生装置不会被强电压击穿损坏,这就要求等离子体发生装置中必须使用交变或脉冲电压,而电源体积、重量、功耗和放电的电磁干扰等都有限制。目前市面上销售的空气净化器所采用的静电技术使用的是直流电压;(3)强大的等离子体产生的同时,往往会产生较多的臭氧,有效的控制等离子体中的臭氧含量,需要高超的调制手段。基于静电除尘技术的净化器,往往将等离子体强度控制到最低以限制臭氧产生。

       事实上,截止目前,已经出现室内空气等离子体消毒杀菌设备,但尚未发现投入商用的真正意义上的空调“空气等离子体消毒杀菌”装置。

       可见,基于静电除尘技术的空气净化和基于等离子消杀技术的空气消毒在原理和效果上是完全不同的。那么,怎样鉴别汗牛充栋的“等离子体净化装置”究竟是静电吸附款还是真正的等离子体消杀装置呢?其实从前面的描述中,我们可以总结几条简单的规律:如果购买的空气净化器中(1)采用了高压直流电源,并且(2)设备中使用了大量金属针尖(或金属细丝)作为电极,那么大概率这只是一台披着“等离子体消毒杀菌技术”外衣的静电除尘装置了。

硬核的空调等离子体消杀技术何时能够实用?

       在新冠疫情背景下,真正基于等离子体技术的空调消毒杀菌装置研究得到了极大的促进。我国的科学家和工程师们正在紧锣密鼓的研发和检测。据悉,包括清华大学、华中科技大学、西安交通大学、空军工程大学等在内的多家单位均已启动了空调空气等离子体消毒杀菌装置的研发。

       比如清华大学,在前不久的一次学术技术交流会上,报告了正在研制面向中央空调的消毒杀菌机,初步实验结果表明细菌和病毒一次性通过等离子体装置样机的消杀率为75%,还有待提高,且电磁干扰和臭氧量较大。业内专家指出,西安交通大学和空军工程大学等单位技术团队根据各自专长开发了各具特色的样机,已有好的效果,但未见公开报道。

       相信在科学家和工程师们的努力下,消费者们很快就能够用上基于等离子体消杀技术的新一代空调卫士,再次放心的开启中央空调复工复产复学复游,愉快的度过夏天直至冬天了。