前言

2020年暴發的新冠肺炎疫情席卷全球，到2021年仍然在蔓延，沒有消失的跡象。世界衛生組織聲稱：與所有其他疫苗一樣，COVID-19疫苗也不會100％有效，新冠肺炎很可能會持續傳播很長時間，新冠病毒將長期與人類共存[1]。面對疫情，世界衛生組織和國家衛生健康委多次呼吁所有人均應戴口罩、勤洗手、不聚集，并保持社交距離。

與此同時，通風空調系統作為抗擊疫情的重要措施之一，越來越受到重視，其中空氣過濾器是研究重點。在我國，風機盤管機組應用廣泛，尤其是在醫院、旅館和辦公建筑中更是如此。因此新冠肺炎疫情暴發后，風機盤管機組的凈化問題被重新提出，不但有新建醫院的風機盤管系統，更多的是既有醫院、旅館和辦公建筑風機盤管機組的改造，均需解決空氣凈化問題。為此，科研院校和企業開始研發新的風機盤管機組用空氣凈化裝置。

1、標準和約束條件

作為舒適性空調系統末端裝置的風機盤管機組，GB／T 19232—2019《風機盤管機組》第5．5條表1給出的風機盤管過濾器的定義為：尼龍網或鋁合金網。但是第5．2條要求“具有特殊功能(如抑菌、殺菌、凈化等)的機組，其實現特殊功能的構件應滿足國家有關規定和相關標準的要求”[2]。

GB 51039--2014<<綜合醫院建筑設計規范》第7．1．11條規定：集中空調系統和風機盤管系統的回風El必須設初阻力小于50 Pa、微生物一次通過率不大于10％和顆粒物一次計重通過率不大于5％的過濾設備[3]。 

GB／T 51153--2015<<綠色醫院建筑評價標準》 第8．2．8條規定：集中空調系統和風機盤管機組回 風口，采用低阻力、高效率的凈化過濾設備。本條價總分值為6分，并應按表8．2．8的規則評分。 集中空調系統回風口采用低阻力、高效率的凈化過濾設備為3分，風機盤管機組回風口采用低阻力、 高效率的凈化過濾設備為3分[4]。 風機盤管機組過濾器除了需要滿足上述國家標準的規定外，還需要考慮風機盤管機組的機外余壓和風機盤管機組送、回風El尺寸。根據GB／T 19232--2019<<風機盤管機組》，風機盤管機組分為高、低靜壓風機盤管機組。低靜壓風機盤管機組是指在額定風量或名義風量時，出口靜壓為0 Pa或12 Pa的機組，其中帶風口和過濾器的機組出口靜壓為0 Pa，不帶風口和過濾器的機組出口靜壓為12 Pa。高靜壓風機盤管機組是指在額定風量或名義風量時，出口靜壓不小于30Pa的機組，包括30、50、120 Pa 3種機組[2]。

風機盤管機組的送、回風口尺寸沒有統一的標準，由設備廠家自行設定，表1給出了醫院常用的幾種風機盤管機組的主要性能參數。

2、現狀

近20年，我國風機盤管機組的凈化技術經過了3次大的變革，第一次是2003年SARS疫情后，第二次是2012年國內多個城市公布每El霧霾指數后，第三次則是新冠肺炎疫情暴發后。

2003年SARS疫情暴發時通風空調系統一度被認為是可能傳播&慷S的主要途徑之一，有關科研院校對醫院的空調凈化系統進行了反思，發現風機盤管機組的冷凝水盤是真菌、霉菌和細菌繁衍的重要部件，于是獨立新風系統(DOAS，國內亦稱為溫濕度獨立控制系統)和干盤管應運而生。由于要達到普通風機盤管機組的冷量，在相同的條件下，必須提高風機盤管機組的規格。

為避免風機盤管機組因尺寸過大而無法安裝，出現了多排管(4排、6排甚至8排)的干盤管，由于受空氣阻力、能耗和噪聲等諸多問題的限制，干盤管很快就偃旗息鼓了。這段時間對風機盤管凈化問題的研究主要集中在冷凝水盤消毒技術方面。

2013年，為應對細顆粒物(PM2．5)導致的嚴重霧霾，國內有學者開始研發風機盤管過濾器。樊越勝等人基于室外PM2．5濃度“不保證10 d”研究了一種風機盤管過濾器，結果表明，余壓為50"--80Pa的機組回風過濾器選用粗效、中效(G3、G4)過濾器，余壓為30～50 Pa的機組回風過濾器選用粗效(G2、G3)過濾器[5]。周劉軻等人研究發現，風機盤管回風口加裝駐極體過濾器后處理風量相較于未加裝時的處理風量均有所衰減，但加裝過濾器后對PM2．5的瞬時凈化效率可達68％以上[6]。上述研究的過濾器過濾效率只能達到粗、中效過濾器水平。最近幾年以PM2．5凈化為目標的風機盤管過濾器的研發工作一直在推進。

新冠肺炎疫情傳播之廣，影響之深，遠遠超過了SARS疫情，為了抗擊疫情，風機盤管的凈化問題再度受到國內外空調凈化界的關注。

《負壓隔離病房建設簡明技術指南》對醫院病房所采用的風機盤管提出了具體建議：“用于防控區(污染區)房間的風機盤管，在其送、回風口均應設高中效過濾器，用于普通房間的風機盤管機組，在其回風口應設高中效過濾器。”并推薦了一種高中效過濾器，其主要性能見表2、3[7]。

文獻[8]介紹了一種風機盤管過濾器，在0．8m／s風速時，粒徑0．5“m粒子的過濾效率為90％，阻力為21 Pa；風速1．2、1．4 m／s時阻力分別為33、39 Pa。

3、問題分析

從上面的介紹可以看出，目前國內風機盤管過濾器還存在一些問題，研發過程中應解決以下問題：1)阻力問題。由于風機盤管機組可用機外余壓有限，所以研發風機盤管過濾器的首要任務就是將空氣過濾器的初阻力和終阻力控制在風機盤管可用機外余壓范圍內。由于過濾器的阻力與風速有關，如果只考慮阻力而忽略了風速，過濾器的實際阻力將明顯超標。文獻[7]指出“用于防控區(污染區)房間的風機盤管，在其送、回風口均應設高中效過濾器。”圖1顯示了根據表2所示超低阻高中效過濾器實驗結果模擬的該過濾器在不同風速下的阻力。

若將表2過濾器用于表1所示風機盤管中，如按圖1所示不同風速下的過濾器阻力進行計算，送、回風口過濾器總的初阻力最大為86 Pa，最小為58Pa，如果考慮終阻力為初阻力的2倍，過濾器的總阻力將更大，這種空氣過濾器無法用于防控區(污染區)房間的風機盤管。如果只用在普通房間風機盤管的回風口，回風口過濾器的初阻力最大為37 Pa，最小為25 Pa，當同時考慮終阻力時，回風口的面積需要擴大，因此不宜直接安裝在風機盤管回風口，只能安裝在吊頂上。文獻E8]作者認為，集中空調系統和風機盤管機組的回風口風速一般小于1．5 m／s，多數在0．8 m／s，所以其所研發的風機盤管過濾器的試驗風速定為0．8 m／s。但由表1可知，風機盤管回風口風速均超過了0．8 m／s，使用這種過濾器不但阻力會增加，效率也會下降。

2)過濾效率問題。新冠肺炎疫情暴發后，風機盤管過濾器的開發者考慮到病毒的直徑只有0．06"--0．14tzm，因此需凈化的顆粒物不宜以PM2．5作為目標。根據ASHRAE 2020年4月公布的“感染性氣溶膠立場文件”，要求醫療建筑采用高效過濾器(HEPA)；而對非醫療建筑，則應改善集中空調和其他HVAC過濾級別，達到MERV-13(相當于我國的高中效過濾器)或更高水平[9]。

國內亦以高中效過濾器作為風機盤管過濾器的過濾級別。文獻ET]介紹的過濾器對粒徑0．5 tLm顆粒物的過濾效率為79．4％(未注明風速)；文獻E8]介紹的過濾器在風速0．8 m／s時，對粒徑0．5“m顆粒物的過濾效率為90％。這些過濾器的過濾效率還有待提高。

3)尺寸問題。風機盤管回風VI過濾器有2種安裝方式，一種是安裝在帶回風箱的風機盤管的回風口上，如圖2所示。目前開發的風機盤管過濾器為實現低阻力，均以風速低于1 m／s為設計值，而風機盤管回風口的風速均超過1 m／s，因此直接安裝在回風口會出現阻力過大、風量下降的問題。

第二種是安裝在吊頂上，過濾器通過短管與風機盤管相連接。這種安裝方式存在2個問題：一是要有足夠大的面積安裝過濾器和回風口，例如解放軍總醫院700 m3／h風量風機盤管回風過濾器尺寸達到400 mmX 500 mIn[1叩；二是安裝面積受限，會導致風速過高。

除了過濾器的面積外，過濾器的厚度過大也常常使得過濾器無法安裝，目前市場上流行的一種側回風凈化回風口，靜壓箱高度竟達到430 mIn，在很多場合由于吊頂內高度受限而無法使用。開發可用于不同安裝方式的風機盤管過濾器是當務之急。

4)凈化技術或設備。

①纖維濾料。主要有玻纖濾料和合成(9a學)濾料，其中合成濾料又有非織造布(無紡布)、纖維紙、駐極體靜電濾料和納米纖維濾料。玻纖濾料一直是國內空氣凈化器的主要過濾材料，其主要缺點是當效率達到高中效之上時，阻力過大，不適用于風機盤管。非織造布要實現在風機盤管回風口風速下達到高中效過濾效率將十分困難，一般只用于中效過濾器。纖維紙只適合用于低風速工況。駐極體靜電濾料(采用熔噴工藝的濾料)由于阻力低、效率高，一度成為國內空調凈化界研發的重點。新冠疫情暴發后，由于駐極體靜電濾料在口罩中大量使用，這種濾料成為空氣凈化的重要過濾材料。G剮T14295--2019<<空氣過濾器》規定：“對于濾料荷電的空氣過濾器，應標稱消靜電處理后的效率’’[11|，而消靜電后這種過濾器的過濾效率會急劇下降，同時靜電效應在高濕環境中會隨時間而逐漸衰減，所以難以用于風機盤管過濾。由于工藝水平的突飛猛進，納米纖維濾材近年來異軍突起，不但實現了高效率、低阻力，而且解決了過濾材料在高效過濾顆粒物的同時具備滅活病毒、抑菌和分解有害氣體功能的難題。關于納米纖維的應用，后文將詳細說明。

②靜電式過濾。按照國家標準，靜電式空氣過濾器的定義為：采用高壓靜電場使顆粒物荷電之后，再被集塵板捕集，實現去除空氣中顆粒物含量的空氣過濾器[11|。按照目前國際上通用的分類方法[12]，靜電式過濾分為2種：一種是高壓靜電過濾(electrostatic precipitation，靜電沉淀)，即高壓靜電除塵器(electrostatic precipitator)；另一種是離子發生器(ionizers，ion generators)。這2種產品的原理基本相同，不同的是電暈放電方式和電壓。

其特點是：對各種粒徑的顆粒物均有較高的凈化效率，阻力小，但是可能產生火花、聲響、臭氧和氮氧化物，由于集塵后效率下降，集塵板上的灰塵如何清理是一大難題。

靜電過濾還有一項技術，即強電介質場(IFD，intense field dielectric)技術，是指對以電介質材料為載體的強電場進行空氣凈化的技術，是英國某公司的一項發明專利。據稱“世界上最先進的空氣凈化技術”，但涉及這項技術的文獻從2010年到2021年只有4篇，其中3篇論文是由中國學者撰寫的。目前國際上除英國公司之外，在空氣凈化器中采用過這項專利的在美國只有霍尼韋爾公司和特靈公司，在日本只有松下公司。在中國，IFD技術獨家授權生產的是山東雪圣環境工程有限公司。

2000年就申請了專利的這項凈化技術為何迄今為止研究者甚少，也未得到大規模的推廣應用，其原因不清。文獻[13]完成的一項現場試驗可能從一個側面說明問題：“IFD過濾器的長期性能可能無法令人滿意，運行半個月(每天8 h)后，過濾效率下降到80％---85％，運行一個月后，效率進一步下降到60％-～65％”。另外根據實測，風速增大，IFD過濾器的效率會明顯降低，耗電量會明顯增加[13-14]，所以采用這項技術的空氣過濾器能否用于風機盤管值得商榷。

負離子過濾器也屬于靜電過濾，與前述高壓靜電過濾器不同，帶電顆粒物會隨送風氣流附著在房間物體表面，導致污染，同時可能形成二次揚塵。

對于采用高壓電電離產生的負離子對人體的影響目前尚有不同的觀點。

GB 50333--2013{醫院潔凈手術部建筑技術規范》第8．3．5條規定：非阻隔式空氣凈化裝置不得作為末級凈化設施，末級凈化設施不得產生有害氣體和物質，不得產生電磁干擾，不得有促使微生物變異的作用[15]。第8．3．5條條文說明指出：原規范本條為“靜電空氣凈化裝置不得作為凈化空調系統的凈化設施”。實踐中發生過斷電、斷絲使其后空氣含塵濃度大增的事情。日本空氣清凈協會的《空氣凈化手冊》也明確說明了這一點。德國標準DIN1946—4在“高效過濾”一章中指出：“不允許使用靜電除塵過濾器”“在機組運行時不能有任何有害健康的物質釋放到機組內，即使是使用抗菌過濾器或含有特殊材料的過濾器”。國內學者楊明華的實驗表明，開機4 h，手術室內靜電凈化器除菌效率才達到66．7嘣7|。同濟大學研究指出，對大氣自然菌的1h除菌率為79．9％，也只相當于中效過濾器一次通過的效率[7|。根據這些年的實踐，為確保安全，認為將靜電裝置擴大為非阻隔式裝置是必要的。這方面還遵循一個原則，就是把塵菌拒之于“門”外，細菌即使殺死了，如仍在室內漂浮也存在后患，所以阻隔式是必要的。同時，末級凈化設施不應產生超標的有害氣體(如臭氧、氮氧化物等)，不應產生電磁輻射，不應有促使微生物變異和增加抗藥性的可能。這是本次修訂根據有些微生物專家的實驗結果而特別說明的m]。這里所指的非阻隔式空氣凈化裝置不但包括高壓靜電過濾器，也應包括負離子過濾器和低溫等離子凈化器。

③低溫等離子凈化器。低溫等離子體凈化是利用高壓放電技術對氣體進行電離，加速電子產生大量活性離子和自由基[1 2|，可以令很多需要很高活化能的化學反應發生，使采用常規方法難以去除的有害氣體分子得以轉化或分解，達到凈化目的。

在空氣凈化技術中雖然低溫等離子凈化器對顆粒物有一定的凈化作用，對細菌也有殺滅功能，但是其主要功能還是對有害氣體的分解，所以這項技術屬于有害氣體凈化技術[1 2|。低溫等離子體空氣凈化技術目前最大的問題是，如果要達到空氣凈化的各項指標，所產生的臭氧和其他有害氣體很可能導致嚴重的二次污染，所以目前國內外采用這項技術時往往把電壓降到幾千伏，臭氧含量雖然可以達標，但凈化效果卻大打折扣，只能與其他多項凈化技術組合應用。文獻[-12-]指出該技術缺少在室內實際應用的信息，也缺少可依據的標準。作為一種非阻隔式空氣凈化裝置不宜用于醫院場合，目前國內主要用于工業有害氣體凈化。

④紫外線照射。紫外線照射是一項傳統的消毒手段，應用廣泛。國內有公司曾經嘗試在風機盤管中采用紫外線燈作為殺菌設備。紫外線燈安裝在盤管和風機之間，使用時殺菌效率為82％E16]。在風機盤管中采用紫外線照射作為空氣凈化措施存在的主要問題是：對顆粒物無凈化效果；紫外線燈壽命較短，一般低于1000 hl安裝維護不方便；對不同菌種殺菌效率差異明顯；可能產生臭氧和氮氧化物，導致二次污染。所以紫外線照射也不適合作為風機盤管機組的凈化手段。

4、新型風機盤管過濾器研發

針對風機盤管機組凈化技術存在的問題，筆者所在團隊與國內從事凈化材料研究的高等院校合作，從2020年5月開始進行了風機盤管過濾器用濾材研發工作，目標是：1)高效率；2)低阻力；3)抗病毒；4)抑菌；5)除甲醛；6)除異味。由于風機盤管機組的自身特點，不宜采用多種凈化技術疊加，考慮到凈化技術的發展趨勢，以阻隔式纖維濾材作為研發的重點，在重點考慮濾材對顆粒物的過濾效率和空氣阻力的同時，充分考慮上述其他凈化功能。

近年來，國內外在納米纖維膜研究方面取得了重大突破，盡管有多篇文獻，但產業化的研究成果極少。納米纖維膜有幾種不同的加工工藝，其中靜電紡絲工藝采用不同原材料生產納米纖維膜，被認為最有前景。需要說明的是，靜電紡絲工藝與熔噴紡絲工藝是2種不同的工藝，靜電紡絲工藝制造的納米纖維膜不帶靜電，所以測試空氣過濾器效率時無需作消靜電處理。目前國內生產的靜電紡絲納米纖維膜可以替代玻纖濾料用于高效過濾器和超高效過濾器，雖然其阻力明顯低于玻纖，但若用于風機盤管，阻力仍然過大。因此本研究通過對靜電紡絲工藝的改進，同時考慮到空氣過濾器的阻力由材料阻力和結構阻力構成，所以對不同濾材的摺高和摺間距進行了大量優化試驗，生產出一種適用于風機盤管的亞高效過濾器濾料。表4給出了國家空氣凈化產品及氣體檢測儀器質量監督檢驗中心(江蘇)對采用這種濾料的亞高效空氣過濾器性能的測試結果。該過濾器宜安裝在吊頂上，當面風速為

0．9 m／s時，阻力為15 Pa，適用于靜壓30 Pa的風機盤管；當面風速為1．33 m／s時，阻力為25 Pa，適用于靜壓50 Pa的風機盤管。試驗樣機過濾器的過濾效率(E)達到亞高效過濾器的效率范圍(o．5肚m時的過濾效率95％≤E<99．9％)。

圖3給出了這種亞高效過濾器不同容塵量對應的空氣阻力和過濾效率。試驗樣機的風量為1 228m3／h，迎風面風速為1 m／s，初阻力為17Pa，過濾效率為99．1％(0．5灶m)，終阻力為35 Pa。

由于過濾器直接安裝在風機盤管回風口，過濾器的面風速將增大，不同設備廠家的回風口尺寸不同，所以本研究調整了靜電紡絲納米纖維膜的工藝，濾材過濾效率下降的同時阻力也減小，如表5所示。經過調整后，如表1所示最低回風口風速為1．20m／s、最高為1．85 m／s時，對應的阻力分別為15 Pa和29 Pa，其他風速下的阻力可用式(1)計算，此時過濾器的效率雖然有所降低，但是仍然在亞高效過濾器的效率范圍內。

工程設計時，風機盤管機組通常是以中速擋為選型規格，考慮到噪聲的影響，使用者習慣將風機盤管低速擋運行，因此，采用上述空氣過濾器時，阻力會明顯下降，效率將相應提高。根據試驗，這種空氣過濾器可以采用手持式家用(車用)吸塵器進行清潔，十分方便。

高效過濾器不但可以阻隔空氣中的顆粒物，而且可以高效率除去空氣中的懸浮菌[1 7|。最新的一項研究報告表明：在傳染病房間，高中效過濾器(MERV_13)可以將房間病毒濃度降低一個數量級。隨著過濾器級別的提高，房間病毒濃度達到理想值的時間將縮短，不過空氣過濾器不會100％過濾掉顆粒物，部分病毒還會返回房間[1 8|，阻隔在濾料上的病毒可能產生二次污染和滯后污染E19]。由于現有的濾材產品只能阻隔部分病毒和細菌，所以為了盡可能地滅活病毒、殺滅細菌，國際上采用紫外線照射技術消毒。為了避免使用紫外線燈，本研究對上述超低阻力的亞高效濾材進行了抗病毒和抗菌處理，將聚合物接枝5，5一二甲基海因和三甲胺(PSDT)，使其具有鹵胺和季銨鹽位點，通過靜電紡絲工藝形成PSDT納米纖維膜，將固有的鹵胺和季銨鹽基團共價整合到納米纖維中，實現了高效和穩定地滅活病毒，具有殺滅細菌的功能。2021年2月8日經廣東省微生物檢測中心檢測，這種濾

料對冠狀病毒的滅活率達到99．93％，對金黃色葡萄球菌抑菌率達到>99．999％。

一般醫院非傳染區和其他公共建筑的房間內存在甲醛危害，風機盤管過濾器能否去除甲醛等有害氣體也是受到關注的一個課題。目前納米二氧化硅加紫外線燈組成的納米光催化技術是去除甲醛和其他有機物最主要的技術，其缺點是納米二氧化硅必須在紫外線照射下才能起作用，如前所述，這項技術也不適合用于風機盤管凈化。Sekine通過實驗發現，在室溫下一些金屬氧化物可以將甲醛氧化生成C02和H：O，其中MnO：是最有前途的價廉氧化物E2州，此后MnO。和納米MnO。逐漸成為催化降解有機物的重要化合物。試驗發現在一種聚合物表面層引入另一種聚合物層可以產生出色的過濾效果，因此過濾介質中材料的復合受到了廣泛關注。為開發可去除甲醛和異味的過濾材料，本研究將靜電紡絲聚合物和靜電紡絲無光納米錳鋅纖維膜復合，濾材可以在無光的條件下高效地將甲醛分解成C02和H。O，去除甲醛效率達99．6％，去除異味效率達99．7％。

5、結論

1)現有的國家標準對風機盤管機組的凈化要求僅限于非疫情期間風機盤管機組的常規應用，建議國家標準應充分考慮全球大流行疾病的發生，增加相應的凈化條款。

2)由于風機盤管機組的余壓和外形尺寸受限，所以風機盤管過濾器必須充分考慮這些限制條件。

3)目前作為商品的風機盤管過濾器存在的主要問題是：阻力偏大，顆粒物過濾效率偏低，外形尺寸不適用，缺少滅活病毒和殺滅細菌的功能。

4)在現有的空氣凈化技術中，非阻隔式(高壓靜電過濾、強電介質場過濾、負離子凈化、低溫等離子凈化)和紫外線照射均不適合作為風機盤管的凈化技術使用。

5)本文研發的風機盤管亞高效過濾器效率高、阻力低。對亞高效濾材接枝PSDT，通過靜電紡絲工藝形成PSDT納米纖維膜，可實現滅活99．93％冠狀病毒的凈化效率、大于99．999％的抑菌率；另一方面，通過復合工藝，將靜電紡絲聚合物和靜電紡絲無光納米錳鋅纖維膜復合，去除甲醛效率達99．6％、去除異味效率達99．7％，使得風機盤管空氣過濾器的凈化功能大幅度提高。多聯機系統的室內機空氣凈化問題與風機盤管相似，本文研發的風機盤管新型過濾器也可以用于多聯機系統的室內機。

6)風機盤管機組的凈化尚需要通過實驗和實踐繼續深入研發，風機盤管系統除了風機盤管機組外，與其配套的新風機組的空氣凈化亦是一個大課題，尤其是當新風機組作為一種凈化設備獨立使用時，更是值得深入研究。

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