紫外線發光二極管用於通風管道中空氣消毒的研究

摘要

鑑於當前世界各地的冠狀病毒 (COVID-19) 疫情，我們可能不得不面對與冠狀病毒的長期抗爭。故有必要準備並使用其他一些技術，以改善建築物中的空氣品質，尤其是在診所和醫院中。在本文內，我們開發了紫外線 (UVC) 發光二極管 (LED) 模組，可以安裝在空調系統的通風管道中以用於空氣消毒。 LED模組設計以LED面板為基本單元，因此很容易按比例放大以適應不同尺寸的風管。透過實驗和模擬來研究其消毒性能。研究結果顯示，在107立方米的會議室中，使用一個LED模組可分別在60分鐘和90分鐘內消滅超過76%和85%的病原體。 兩個LED模組消毒效果是一個LED模組的兩倍以上。 除了實驗中使用的病原體外，還對基於文獻的 LED 模組消滅 SARS-CoV-2 病毒的消毒性能進行了許多數值化的研究。 結果顯示，在同一會議室使用兩個 LED 模組, 超過 99.70% 的病原體接受紫外線劑量大於 4.47 J/m2時，將導致在一小時內 SARS-CoV-2 病毒的消滅率接近 89.10%。

引言

COVID-19的持續大流行已經造成了一場大規模的全球危機，造成數百萬人死亡。COVID-19 的空氣傳播已被廣泛認為是主要傳播途徑之一。在大流行期間，它得到了許多流行病學證據的支持。 由於沉降率低，這種空氣傳播物會持續存在於空氣中，並對與感染者同處一室健康的人構成威脅。與空氣傳播相關的緩解措施將具有挑戰性。因此COVID-19持續的大流行和未來可能發生新病毒的大流行, 需要實施新的控制系統來改善室內空氣品質。

室內空氣品質可以透過將新鮮的室外空氣引入室內環境來改善。 然而，這對於大多數系統來說會消耗大量能源。 許多室內場所採用空氣過濾器、空氣淨化器和電離器等其他方法作為減輕 COVID-19 傳播的附加措施。美國環境保護署 (EPA) 發布了有關改善室內空氣品質 (IAQ) 最佳實踐的新指南，以對抗新冠肺炎。 總體而言，報告中提出了實用的建議方法，例如優化室外新鮮空氣的進氣和過濾。 其中也建議使用紫​​外線殺菌照射 (UVGI) 系統對建築物中的空氣進行消毒。

UVGI 是一種有效的空氣消毒方法，可防止傳染病傳播。UVGI 用於空氣消毒的歷史可以追溯到 19 世紀。 自 COVID-19 爆發以來，廣泛的研究顯示，紫外線 (UVC) 照射對消滅 SARS-CoV-2 非常有效。 UVC可以穿透微生物的細胞壁，被蛋白質和核苷酸吸收，從而破壞微生物的DNA或RNA結構。 這使微生物失去活性而無法繁殖。上層空間UVGI 和管道內 UVGI 是 UVGI 空氣消毒的兩個主要應用方式。上層空間 UVGI 是將紫外線能量照射到居住者頭部上方的空間, 這通常需要合格的 HVAC 專業人員來確保系統安裝正確。並且需要採取特殊預防措施，以避免因為照射能量造成可能的暫時性眼睛或皮膚損傷。因此，這種技術還沒有得到很好的發展。 與上層空間 UVGI 相比，管道式 UVGI 避免了將紫外線能量直接照射到居住者身上。 它的目的在於對通過 HVAC 系統的空氣進行消毒，通常安裝在封閉的管道空間中。 除了空氣消毒外，管道內 UVGI 還可用於對 HVAC 系統內的表面進行消毒。 因此，它被強烈推薦應用於醫院的空氣消毒。但對於UVC 發光二極管 (LED) 性能了解仍十分有限，例如 LED 輸出特性、微生物紫外線劑量反應和能量消耗等。

對於管道內 UVGI 空氣消毒的功效而言，最重要的是產生紫外線輻射的裝置。通常有兩種主要類型的紫外線燈，即汞基的紫外線燈和 UVC LED 燈。 目前，汞基紫外線燈因其高功率輸出和低成本而被廣泛用於消毒。然而，基於汞的紫外線燈通常設備較大型且為固定裝置。與 UVC LED 燈相比，它們體積更大更重。 UVC 產生的臭氧也是汞基紫外線燈的另一個重大問題之一。隨著 COVID-19 大流行的持續，對使用 UVC LED 的消毒設備的需求不斷增長。 與汞基紫外燈相比，UVC LED 最突出的優勢是尺寸的小型化。雖然還有許多未解決的問題，例如UVC LED的退化和UVC LED的性能因光功率降低而下降，但近年來其提高了功效和耐用性, 使其成為一種更有前途的空氣消毒方法。

用於空氣消毒的 UVC LED 已得到廣泛研究。發現無論病毒、細菌和真菌氣膠分類如何，UVC LED 都可以有效地消滅微生物。UVC LED 可用於替代汞基紫外線燈進行空氣消毒。 Nunayon 等人提出了一種用於室內生物氣膠消毒的新型上層空間UVC LED旋轉照射系統。他們的測試結果顯示，UVC LED 系統可以顯著消滅和降低生物氣膠的濃度。Lai 和 Nunayon 設計了一個 UVC LED 系統來消毒廁所沖水產生的病原體。結果顯示LED 可有效消滅廁所環境中常見的三種不同微生物，即E. coli, S. typhimurium, and S. epidermidis等。 Nunayon 等人利用 UVC 和離子極性的聯合作用研究了通風管道流動中的空氣消毒。結果顯示，這種方法可能是將室內環境中的傳播風險降至最低的潛在方式。儘管做出了上述所有努力，但UVC LED用於通風管道空氣消毒的研究仍處於早期階段。在 HVAC 系統中使用的 UVC LED 的設計及其空氣消毒性能方面的研究十分有限。 本研究將試圖填補這一空白。

(By Hongying Li, Phys. Fluids, April 5th 2023)

Dr. J 評論:

COVID-19 的大流行使得建築物的清淨空氣受到更多的重視, 預防病毒空氣傳播的首選方法為通風改善及過濾, 其次為使用輔助的消毒技術, 而UVGI 技術乃目前國際上公開承認有效且推薦使用的輔助消毒技術, 可以在通風改善或過濾效果不佳時採用, 以實踐「台北市的室內空氣品質認證場所」的金銀級標章與本會的「安淨標章」, 然而新興的消毒技術仍不斷被開發出來而急待推廣, 使用安全且潔淨 (Clean & Safe) 的技術仍是消費者必須要選擇的重點, 新興消毒技術仍有待更多研究的投入, 以了解設計參數及應用成效, 才能因應「台灣室內空氣好安淨」的挑戰。

(Image: Signify)