基于空气品质的船用空调通风系统空气净化技术

赵自兵，徐 谦，田正军，刘 臣，黄 戈，钱新春

（招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海 200041）

0 引言

客船上的旅客绝大数时间都在室内度过，室内空气品质会直接影响旅客的健康和满意度，而客船是一个比较封闭的室内环境，客船内空气品质需通过空调通风（Heating, Ventilation and Air Conditioning，HVAC）系统来保证。随着新冠疫情的暴发，人们也越来越注重客船的室内空气环境的安全性。

目前，客船空调通风系统的设计存在很大误区，在设计过程中过于追求系统的节能性和乘客舒适度以获得更大的经济利益，但忽视了室内的空气质量。很多客船面临室内空气中灰尘和细菌浓度增加的问题。此外，有机合成材料在客船室内装修上的广泛应用，散发大量挥发性有机化合物。这些污染物导致客船内的空气品质恶化，进而造成乘客和船员出现病态反应。

新冠病毒在“钻石公主”号上的广泛传播，引起各界对客船内空气质量问题的广泛关注。虽然全新风空调通风系统可通过稀释室内空气来提高空气品质，但对于来自室外的空气污染，依旧需要依靠空气净化装置。使用空气净化装置是保证客船内空气品质最直接的方法，利用空气滤器过滤空气中的污染物，利用消杀装置杀死空气中的细菌和病毒。本文对客船内空气污染物的特点和常用的空气净化装置进行介绍，并对空气净化装置在中央空调通风系统中的运用进行分析和讨论。

1 客船内空气污染物

客船内的主要空气污染物见表1，按照来源可分为3种：1）船内各种装修材料散发的污染物，家具和油漆会随着时间和温度的变化不断释放甲醛等有机挥发物，地毯中的毛绒会引起皮肤过敏和哮喘病等疾病，还会吸附灰尘，滋生细菌；2）外部大气环境中的污染物、柴油机废气和厨房的排风；3）船员和旅客通过呼吸道和皮肤等器官排出的多种有毒物质。

表1 客船内的主要空气污染物

按照污染物的性质，可将客船内空气中的污染物划分为化学性、生物性和物理性等3类。化学性污染物主要为总挥发性有机物（Total Volatile Organic Compound，TVOC），物理性污染主要为可吸入颗粒物（Particulate Matter，PM），生物性污染主要为细菌和病毒等有机体。

TVOC是一种重要的室内空气污染物，一般包括芳香烃、脂肪烃、卤代烃、含氧烃、萜烃、醇、醛、酮和酯等。客船上的TVOC主要来自装修材料，其毒性可引起中枢神经系统、呼吸系统和免疫系统等功能异常，甚至会造成脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）损伤，对人体的危害极大。由于TVOC的粒径非常小，故纤维空气滤器无法起到作用。

PM是动力学直径不大于2.5 µm的细颗粒物，其体积很小，活性强，能吸附细菌和病毒等各种有毒有害物质。PM可长时间飘浮在空气中，会直接进入肺泡，严重损害人体健康。客船内的 PM主要来自外部大气环境。

病原微生物是指可以侵犯人体，引起感染甚至传染病的微生物，以细菌和病毒的危害性最大。新冠病毒的直径为0.125 µm，属于超细颗粒，可以与空气中的液体和固体颗粒物组成多相体系混合物（气溶胶）。新冠病毒在干燥的环境中，存活时间为48 h，进入大气2 h后，其活性明显下降。

2 空气净化技术

室内空气净化技术主要有3类：1）除尘技术，主要为纤维过滤式除尘；2）气体净化技术，主要为活性炭过滤法；3）杀菌消毒技术，主要为紫外线消杀。一些空气净化装置具有多种净化功能，如：静电空气过滤器可同时去除空气中的固体颗粒物和病原微生物；光催化净化器可同时去除空气中挥发性有机化合物和病原微生物。

2.1 纤维过滤器

使用纤维过滤器去除空气中的固体颗粒物是保证室内空气质量最直接的方法。空气过滤器通常分为粗效、中效和高效过滤器等3种类型。

高效空气过滤器（High Efficiency Particle Air，HEPA）对于0.3 µm颗粒的过滤效率达到99.97%，不仅能有效地去除烟雾和灰尘，还能安全可靠地滤除空气中的细菌和病毒等有机体，防止病毒的传播。然而，HEPA的迎面风速需控制在1 m/s以内，压降控制在400 Pa，滤器的体积较大，布置比较困难。

2.2 活性炭过滤器

活性炭过滤器被广泛用于净化室内空气。活性炭疏水性好、比表面积高、吸附性能强，可用于吸附空气中的有害气体，如TVOC、SO、NH和HS等。此外，活性炭空气过滤器还可去除空气中的异味。活性炭的吸附能力取决于孔隙结构和表面化学性质，不同表面特性的活性炭对不同的污染物吸附效果差异明显。活性炭具有良好的物理吸附性能，但物理吸附的结合力较弱，容易脱落。为增强活性炭的吸附能力，通过化学氧化、还原和负载等改性方法使活性炭表面的化学性质发生变化，化学吸附能力显著增强。

影响活性炭过滤器吸附效果和使用寿命的主要外部环境因素包括污染物的种类和浓度、气流在过滤材料中的滞留时间、空气的温度和湿度。活性炭吸附剂需要定期更换，更换费用和有害物质的浓度成正比。

2.3 静电过滤器

静电过滤器是在工业静电除尘器的基础上发展起来的室内空气净化设备，现已被大量应用于各种室内场合。空气通过静电过滤器的一级过滤段时，在主极板和接地极之间的环流离子作用下，空气中的微粒荷电、带电微粒在收集段被捕集。静电过滤器阻力小、除尘和灭菌效率高、重复实用性好。

某静电过滤器除菌试验结果显示：在风速为3 m/s、风量为2 000 m/h的情况下，静电过滤器对葡萄球菌的平均灭杀率为99.9%，效果显著。相对于纤维过滤器，静电过滤器更适合捕捉粒径为2.5 µm的微粒，且压力损失很小。

2.4 紫外线灯

美国环境保护署（United States Environmental Protection Agency，USEPA）对HVAC的生物灭活效率和管道内紫外线照明系统给出了技术评价报告。技术评价报告给出了HVAC管道内紫外线设备的生物灭活效率：所有紫外线装置对营养细菌的灭活率均≥99%，对其他微生物的有效性均≥93%。

杀毒效果的好坏取决于紫外线的光照强度和光照时间，波长为254 nm的紫外线光杀毒效果最好。《消毒技术规范》规定：对于风道中单独安装的紫外灯，杀灭一般细菌繁殖体所需照射剂量为 10 000 µWs/cm。

2.5 光催化净化器

目前国内研究最多的是采用纳米 TiO半导体材料为催化剂，其光催化活性高、化学性质稳定、氧化还原性强、抗光阴极腐蚀性强、无毒且成本低。在10～100 µWs/cm紫外线的照射下，TiO固体表面生成空穴和电子。空穴会促进有机物的氧化和分解，最终生成CO和HO。纳米TiO光催化净化器虽对有机污染物有良好的降解作用，但它不能解决室内空气中的细微颗粒物问题，这是由于催化剂微孔容易被颗粒物堵塞，进而造成催化剂失活。

3 空气净化技术在客船空调通风系统中的运用

客船空调通风系统需要处理的空气污染物主要为来自室外的PM，以及来自室内的TVOC和病原微生物。不同空气净化设备可有效处理的污染物情况见表2。客船的空调通风系统分为全空气系统和水-气系统，全空气系统又分为全新风系统和部分新风系统。

表2 不同空气净化设备可有效处理的污染物情况

3.1 带热转轮的全新风系统

带热转轮的全新风系统是客船上应用最普遍的系统，见图1。该系统具备了全新风的优点，空气只在船内循环1次，空气质量高，且热转轮回收能量的效率高，热回收率能达到50%以上。然而，带热转轮的全新风系统存在把少量排风中的污染物带入新风的缺点。

图1 带热转轮的全新风系统

为消除PM，带热转轮的全新风系统在新风管后布置 F7中效过滤器，并在其前方布置清洁后可反复使用的G4粗效过滤器，这样既可延长F7中效滤器的使用时间，也能减少更换成本。在回风净化方面，布置G4粗效过滤器，并用紫外线对空气中的病菌进行消杀。为延长紫外线照射的时间，回风段需额外加长。紫外线可同时照到热转轮和滤器，能有效杀死吸附在其表面的病菌。根据刘子嘉等的试验结果，细菌可在滤器上存活3天，这可能导致空气的二次污染，需要重点关注。在风机和冷热盘管之间也布置少量紫外线灯管，可用于减少表面细菌的滋生。

3.2 部分回风的全空气系统

部分回风的全空气系统在客船上的使用也较为普遍，该系统将房间内的部分空气抽回空调箱和新风汇合，经处理后再送入房间，见图2。部分回风的全空气系统的中央空调箱由于没有热转轮而相对简单，体积较小，容易布置。在外界温度适中时，可关闭回风风闸，进行全新风运作，直接利用外界空气对房间进行冷却。在房间内无旅客的时候，可关闭新风风闸和排风风闸，进行全回风运作，对房间进行净化杀毒。

图2 部分回风的全空气系统

部分回风的全空气系统最大的问题在于回风直接混入新风会带来空气污染。因此，要对其回风进行空气净化，消除室内的TVOC和病菌。采用G4粗效滤器对回风进行过滤，保护抽风机和其他净化装置。在回风进入空调箱前，先用紫外线杀灭病菌，接着用活性炭过滤器吸收TVOC。待回风进入空调箱和新风混合后，利用静电过滤器，进一步净化空气中的固体颗粒和病菌。新风口布置了G4滤器，用以保护后面的静电过滤器。送风机上方布置了紫外线灯管，用于杀灭病菌。

3.3 水-气系统的风机盘管

水-气空调通风系统的最大特点是在房间内布置风机盘管（File Control Unit，FCU），见图3。风机盘管使空气在房间内循环，进而控制房间温度。呼吸用的新风来自中央空调箱，水-气系统通过减少室外新风来减少空调系统的负荷，降低能耗，还可减小中央空调箱的大小和风管的数量。风机盘管面对的空气污染物主要为室内的病菌和TVOC，可在风机盘管内安装紫外线灯管或静电过滤器来杀灭病菌。对消除空气中的TVOC而言，使用光催化净化器是最合适的。

图3 水-气系统的风机盘管

4 结论

新冠疫情对人们的生活和邮轮的运营造成了深远的影响。本文对客船上的空气污染物进行分析，主要包括来自室内的挥发性有机物和病原微生物，以及来自室外的固体颗粒物。对纤维过滤器、活性炭过滤器、静电过滤器、紫外线灯和光催化净化器等5种空气净化设备进行介绍，并分析空气净化技术在客船空调通风系统中的运用。当空调通风系统的工程师在进行系统设计时，面对节能性、舒适性和安全性的选择，需要把安全性放到最重要的位置。