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空调机组智能净化消毒装置的设计
萧刚段，昆赫，谢思仪，荆文彪，惠雨昭 (武汉理工大学光信息与能源工程学院)
摘要：随着新冠肺炎疫情的突然爆发和快速蔓延，全球经济发展和社会稳定受到严重影响。该病毒主要通过空气在人群中大规模传播感染。人们逐渐关注如何使用暖通空调系统，使其在疫情防控中发挥更高效、更积极的作用。为此，我们设计了一种智能空调机组净化消毒装置。该设备集快速病毒检测和高效消毒功能于一体。它采用模块化设计，针对不同级别的流行时期采用不同的操作模式。该设备不仅适用于日常生活，还能满足疫情期间的防控要求，兼顾经济、节能和环境环保。
1.介绍
2020年初，新冠肺炎疫情突然爆发，在全球范围内迅速蔓延，严重影响全球经济发展和社会稳定。由于当前新冠肺炎疫情的变化和疫苗供应的不平衡，世界各地的人们仍然面临严峻的形势。当前，做好疫情防控工作，是遏制疫情蔓延、保护世界人民健康的有效途径。这种病毒主要通过空气在人群中大规模传播。除个人防疫外，公共场所的检测和消毒也很有必要。针对以上问题，我们设计了一种智能空调机组净化消毒装置。该设备集病毒检测和空气净化功能于一体，采用模块化设计，适应不同的流行时期。该设备不仅适用于日常生活，还能满足疫情期间的防控要求，兼顾经济、节能、环保。
2.设计方案
该装置主要由两部分组成：一部分是细菌和病毒检测器，另一部分是净化和消毒装置。
2.1.一个细菌和病毒的检测器
细菌和病毒检测器可以快速检测通风管道中的气流，并将采集到的检测信息传输到主控制器，从而可以控制净化和消毒装置，有效地杀死气流中的病毒和细菌。
如图1所示，细菌和病毒检测器包括外壳1、光脉泽2、微流控芯片5、样品采集元件6和拉曼光谱检测平台7。所述光脉泽包括激光源3和镜像组4。
图1一个细菌和病毒检测器的示意图
2.2.一种净化和消毒装置
净化消毒装置通过主控制器控制不同模块进行过滤杀菌，实现低能耗、高效空气净化效果。
如图2所示，它由A、B、C、D四个模块组成。模块A是由可调挡板4和活性炭过滤器5组成的一级过滤装置；模块B是由4个可折叠UV-C紫外杀菌灯10和可提升HEPA高效过滤器6组成的二级过滤杀菌装置；模块C是三级过滤杀菌装置，由耐高温高效过滤棉7、金属铝网8和绝缘加热线9组成；模块D是四级装置，由4套可折叠UV-C紫外杀菌灯10和可提升二氧化钛光催化过滤器组成。
图2 智能净化和消毒装置示意图
3.工作原理
3.1.设计原则
该装置具有检测和杀灭细菌和病毒的功能。激光检测采用拉曼光数据分析，获取微生物鉴定信息，然后采用病毒和细菌消除法，包括紫外线灭菌、高温灭菌和二氧化钛光催化灭菌。
激光照射细菌和病毒区域，通过表面散射进入检测平台，形成与细菌和病毒特征光谱相应的增强散射光。经瑞利滤波器过滤后，由CCD检测器通过光栅光谱学得到相应的精细光谱分布。机器学习的[3]处理算法模块根据拉曼光谱数据库进行微生物识别，并细化了光谱分布。
UVC紫外线消毒灯的主波段为253.7nm，可破坏生物体的遗传物质DNA，导致病毒丧失生存和复制能力。高温也是一种有效的杀菌和消毒方法，可以弥补紫外线杀菌缺乏长时间延迟的不足。其原则主要基于两个方面。一方面，高温会使由生物体组成的蛋白质发生不可逆的变化，导致酶失活，使生物体的细胞结构发生不可逆的破坏。另一方面，DNA在高温下会分解，导致细菌和病毒的死亡。二氧化钛光催化灭菌有两种不同的机制。其直接反应机制是光生电子和光生空穴直接与细胞壁、细胞膜或细胞组分发生反应。如图3所示，间接反应机理是光生电子或光生空孔与水或水中的溶解氧反应，形成羟基自由基、超氧离子、过氧化氢等强氧化物质。它们与细胞膜和细胞内成分发生连锁反应，导致细胞死亡。
图3 二氧化钛光催化反应示意图
该过程也可以用以下结构方程来表示：
3.2工作模式
激光发生器发出的光束(532nm-785nm)照射到细菌和病毒区域。经过表面散射后进入罗马光谱检测平台，获取微生物识别信息并传输给主控制器。主控制器通过物联网技术，利用拉曼光谱检测平台实现了信息的传输和控制。如果微生物识别信息符合杀灭条件，它将立即启动净化和消毒装置。此外，主控制器可以根据微生物识别信息实现风险水平。风险级别越高，模块的级别就越高，模块的数量也会越多。主控制器与风扇12电连接，绝缘电加热线通过电缆控制它们，以便在不同时期工作。当风扇工作时，高效的滤棉和金属铝网可以有效地拦截空气中的细菌和病毒。当风机停止工作时，绝缘电加热线加热高效滤棉。同时，金属铝网（120℃-150℃）可以在高温下可以杀死附着的细菌和病毒。气流所携带的细菌被净化消毒装置杀死后，气流从鼓风机进入电阻尼器，最后通过出风口进入房间。杀灭室容积大于出风室，可降低管道内的气流阻力。
4.可行性分析
4.1检测及杀灭效率分析
采用拉曼光谱分析的探测器具有简单、快、精度高的特点，在理想条件下检测效率高达100%。紫外线消毒技术的杀菌效率为99%~99.9%，对几种常见的细菌和病毒的杀灭时间通常保持在1s内。传统的使用氯和臭氧的化学消毒方法需要20min~60min才能达到相同的杀菌效果。净化消毒装置安装4套UV-C紫外灯（253.7nm），保证有效杀菌效果。模块D采用光催化灭菌技术，灭菌率高达99.99%。综上所述，该装置能够满足环境空气质量不同时的准确检测和有效消除细菌和病毒的要求。
4.2节能分析
现有的高温空气消毒装置，无论是在风扇通风过程中加热空气还是加热滤芯，所需的功率和能耗相对较大。该装置使用主控制器15控制鼓风机12通风，绝缘电加热线9按时间间隔工作，使在高温下杀死病毒时消耗的功率仅为绝缘加热线9的功率。加热交换的效果可以大大降低无空气对流的能源消耗。不仅如此，多模块的智能控制方法也能达到节能的效果。
当空气流过模块C时，气流立即被加热到杀死病毒的温度。假设通过模块C的管道空气质量流量为0.048kg/s。如果传统的空气加热方法用于消毒和消毒，正常温度为20°C的空气被加热到150°C，当气流在设备中短暂停留时，空气温度需要瞬间加热到目标温度。当假设加热效率为100%时，瞬间加热空气所需的功率可以计算为：
如果沿着每一层铝箔隔板包裹在金属铝网8上，总共需要40根220mm的绝缘加热线。每20根导线串联起来，形成2根长度为4.4m的绝缘电加热线。片并联连接，其端部电连接到主控制器15，负载电压为220V。如果绝缘加热线的电阻为120Omega;/m，则绝缘加热线的总电阻可计算为R=264Omega;。绝缘加热线的加热功率可计算为：
如果风扇设置为每小时通风50分钟，而高温终止10分钟，则每小时的实际平均功率仅为上述功率的六分之一。一般来说，根据耐高温高效空气滤芯的实际尺寸，可以进一步优化，获得绝缘加热线的电阻、长度、串并联方式的最佳节能方案。
4.3环境保护分析
本装置采用UV-C紫外灯进行消毒，避免了化学消毒剂消毒造成的环境污染，遵循环保的理念。此外，光合氧化技术由于反应条件温和，能耗低，可以有效减少二次环境污染。同时，可以利用阳光作为反应光源，可以有效降解几乎所有的有机污染物，最终产生无机小分子，且对反应没有明显的选择性。[2]在微生物处理方面，它不仅可以杀死微生物，还可以清除微生物死亡过程中释放的毒素，在环境保护[4][8]领域具有广阔的应用前景。
4.4经济分析
随着生活环境的恶化，环境污染已成为人们普遍关注的问题和亟待解决的问题。空气中的微生物污染可导致大面积传染病的爆发，对人类健康造成严重危害。因此，一种高效、低能耗的智能净化消毒设备具有广阔的市场前景。传统的有机污染物理化、生化处理方法存在反应不完全、运行成本高、处理过程中存在二次污染等问题。该装置提出了一个解决方案。一方面，模块D采用二氧化钛光催化杀菌技术，在有机污染控制方面具有很大的成本优势。另一方面，紫外线紫外线灭菌灯不仅可以正常更换灯，而且无需维护即可降低运行成本，性价比高。
5.创意点
该净化和消毒装置由四个模块组成。每个模块的滤波器都被设计为一种提升模式，提高了单模态的针对性和效率，延长了设备的整体寿命。同时，便于过滤器的清洗和更换，既高效、方便。利用物联网技术，智能净化和消毒设备可以实现反馈和控制功能。主控制器将设备中的所有设备作为终端，可以有效地识别检测器传输的信息，并及时反馈数据信息。判断环境危害等级，并自动启动模块，对空气进行消毒和净化[6]。此外，它还可以手动设置。当环境未达到高风险时，仍可使用多个模块进行重杀，以达到预防的作用，或关闭转换模式，以适应任何紧急情况。
6.总结
该装置实现了对细菌和病毒的检测和消毒功能的集成。细菌和病毒检测器通过拉曼光谱分析获得微生物识别信息，快速、简单、准确。该净化消毒装置通过紫外线杀菌、高温杀菌、二氧化钛光合杀菌和高效过滤，可有效过滤和杀灭管道气流中的细菌和病毒。
该仪器可广泛应用于医院、工厂、车站等公共场所，具有广阔的推广前景。
参考文献
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周伟明，侯慧琴。关于医院和平与疫情结合的暖通空调设计的探讨。中国医院建筑与设备，2021,22（1）：54-55。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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