家用房間空調器健康技術綜述

張奇，吳俊鴻，彭光前，單聯瑜，王銳鋒

（小米科技（武漢）有限公司，武漢，430010）

隨著我國國民經濟的快速發展與人們生活水平的迅速提高，空調成為主流家電走進千家萬戶。隨著用戶對健康理念的認知加深，對空調的要求不僅僅局限于調節室內溫濕度，而是逐漸聚焦到健康功能。本文重點調研了當前空調產品對微生物污染物、顆粒物污染物、氣體污染物的凈化技術現狀，為空調健康技術的升級迭代提供技術路線和創新思路。

1 空調出風品質與人體健康關系

1.1 室內空氣污染現狀

室內是人類生產、生活、休息的重要場所，其空氣質量直接關系到人們的生活健康，據統計，人的一生大部分時間在室內度過，一個成年人每天大約需要12～16m3的空氣［1］。我國每年由于室內空氣污染而死亡的人數在10萬人次以上，平均每天死亡超過300人，相當于全國每天因車禍死亡的人數［2-3］。因此，室內空氣污染嚴重影響到人們的健康和生活，給我國造成了巨大的生命財產損失。

1.2 空調系統與人體健康的關系

家用空調按照組件分為室內機和室外機，其中室內機主要由過濾器、蒸發器、底殼、風管/風道等部件組成［4］。衛生部抽檢60多個城市的空調系統微生物情況，發現每克積塵中細菌總數10萬個以上的占80 %，每克積塵中細菌總數最高達277萬個，每克積塵中真菌總數10萬個以上的占73 %，每克積塵中真菌總數高達480萬個［5］，而經調查取樣，一般空氣中的微生物為1425個/cm2，可見空調系統微生物污染程度遠遠高于正常呼吸的空氣［6］?？照{自身過濾器可以過濾、吸附來自室內外的部分污染物，起到凈化空氣的作用。但是，空調無法凈化粒徑小的污染物（如PM2.5）和氣體污染物（甲醛、TVOC），以及在內部環境滋生的微生物，該部分污染物會跟著空調氣流進入室內環境，導致室內空氣被嚴重污染。

空調的迅速普及使用，在改善了室內溫度的同時也造成了室內空氣污染。WHO（世界衛生組織）調查表明：人體約有68 %的疾病與室內污染有關［7］。最新研究表明長期室內污染對人的干擾如敏感、反感、煩惱、厭惡等導致植物神經系統紊亂，免疫功能減退，對生理和心理上造成很大影響［8］。另外，污染物得不到有效控制而使人群長期暴露在污染環境中，可引起暴露人群發生各種相關疾?。ㄈ缦?、鼻炎等），嚴重危害人群健康［9］。

隨著人們對室內環境舒適性的重視以及空調器的普及，只能制冷制熱的空調器產品己遠遠不能滿足人們對健康舒適的室內環境的要求，空調器在清潔空氣方面的功能愈來愈受消費者關注。

2 空調微生物凈化技術

現有的過濾技術尚無法完全濾過空氣中的小顆粒物和微生物，在長期使用過程中，小顆粒物會經由濾網和風道，累積在風葉、導風板以及底殼水道上，在冷凝水、灰塵的共同作用，與水接觸最多的蒸發器、底殼水道便成為了微生物繁殖的“溫床”，產生異味、滋生致病細菌，危害人體健康［10］。

【1】空調材料殺菌技術

抗菌功能針對的是空調器中過濾器、蒸發器、貫流風葉、接水盤、風道等零部件所使用的材料。通過在材料加工過程中添加無機、有機等類型的抗微生物成分，由于抗微生物成分溶出遷移可將附著在部件的微生物殺死，具有成本低、實現方法簡單、效率高的優點［11］。但是只能殺滅附著在表面的微生物，當部件表面被污染物覆蓋后，就無法發揮抗微生物效果，具有明顯的局限性［12］。

圖1 空調抗菌防霉過濾網和抗菌貫流風葉

【2】紫外殺菌技術

紫外殺菌是利用適當波長的紫外線能夠破壞微生物機體細胞中的DNA或RNA的分子結構，造成生長性細胞死亡和再生性細胞死亡［13］，達到殺菌消毒的效果，目前常用的是UVC紫外殺菌技術。因為紫外光可裂解塑料的分子鏈，降低塑料力學強度，需避免紫外光直接照射塑料件。此外，紫外光僅可對照射面有殺菌作用，作用范圍有限，殺菌效果局限性較大。最后，紫外光會產生臭氧［14］，危害人體健康，因此要控制紫外光功率和作用時長。

圖2 空調UVC紫外殺菌技術

【3】離子殺菌技術

經過調試，輸出電壓頻率為40 Hz時，采用雙蹤數字示波器測得SPWM1、SPWM2信號半個周期波形如圖10所示。根據圖10測得的波形可知，DSP產生的是對稱的雙極性SPWM波形。

離子發生器將低電壓通過升壓電路升至正高壓及負高壓，并利用正高壓及負高壓電離空氣和水，產生大量的正離子及負離子。

正離子與負離子進行正負電荷中和的瞬間會產生巨大的能量釋放，從而導致其周圍細菌結構的改變或能量的轉換，從而致使細菌死亡，實現殺菌的作用［15］。

離子型殺菌的缺點是需要在空調增加額外模塊；電離的離子濃度與輸出電壓正相關，一般是6-10 Kv，具有一定的安全隱患；離子容易在金屬部件聚集產生靜電，從而影響部分凈化效果［16］。

圖3 空調離子殺菌技術

【4】自清潔除菌

空調自清潔指的是利用蒸發器結霜原理，在化霜時一并將蒸發器上的微生物污染物清潔干凈［17］。該功能節省了用戶拆機清洗蒸發器的操作，同時是直接利用空調硬件，無需增加額外模塊，不會增加成本?，F階段研發出的56 ℃自清潔殺菌技術，通過蒸發器翅片加熱使空調內部空間處于高溫的殺菌狀態，可有效地去除機器內部殘留及吸附的微生物。

但是，該技術在復雜的家居環境，無法保證使用效果；同時，僅針對蒸發器有明顯效果，無法有效殺滅其它結構件的微生物。

3 空調顆粒物凈化技術

PM2.5是空氣中主要的顆粒物污染物，可經過呼吸進入呼吸道，并沉積在支氣管表面，甚至在肺泡里。由于其本身攜帶大量的金屬污染物和有機化合物，這些污染物能夠導致活性氧自由基的產生和細胞因子的釋放，從而引發肺炎［18］。據研究，PM2.5濃度與疾病爆發率正相關，在PM2.5更嚴重的冬季，因呼吸系統疾病引起的住院率的上升幅度明顯高于其它季節［19］。傳統空調技術無法凈化小粒徑的PM2.5污染物，因此PM2.5污染不可忽視。

【1】物理過濾技術

空調目前應用的物理過濾器是為初效過濾器，初效過濾器僅可以過濾毛發、纖維等大體積污染物。高效過濾器（HEPA網）因為孔隙率低、比表面積大，可以過濾小體積的污染物（PM2.5等）。但是高效過濾器的風阻較大，對風機靜壓和噪聲控制要求高，且作為耗材，需要定期更換，否則會成為二次污染源。因此，高效過濾器應用少，需要搭配特定機型使用。

圖4 空調HEPA網

靜電除塵技術原理，是利用高壓電場形成電暈，將污染空氣通過電暈區，使污染空氣中的顆粒物帶上電荷，然后在電場力的作用下，被吸附到極性相反的收集區并沉積，從而達到對空氣中顆粒物進行凈化的作用［20］。

圖5 空調靜電除塵技術原理圖

該凈化技術相比HEPA網技術，其風阻小，可以維持較大的循環風量，提高換熱效率，降低能源消耗；但是，該技術成本高，一般要適配特定高端機型，因此產品售價高。

4 空調氣體污染物凈化技術

氣體污染物，主要分為有機污染物和無機污染物，有機污染物包括以TVOC為主的各種氣體污染物，包括烷類、醛類、酯類和芳烴類等［21］，來源主要有建筑材料、地毯、家具和油漆等；無機污染物則包括一氧化碳、氮氧化物、氨、臭氧、硫化氫、氡等，其來源包括建筑施工、下水道、工業和汽車尾氣等［22］。

【1】活性炭過濾網吸附技術

活性炭過濾網吸附氣體污染物是由于吸附劑和吸附質分子間的作用力引起的［23］，這種吸附的作用力一般可分為兩類：一類是由范德華力引起的分子之間的互相作用力；一類是化學鍵力，包括固體和氣體之間的電子轉移［24］。

通過吸附作用力，以及活性炭的多孔結構，活性炭過濾網可以有效捕捉空氣中的氣體污染物。但是活性炭凈化要關注吸附飽和度問題，一旦吸附量超過閾值，氣體污染物就會自行揮發至室內，成為污染源［25］。

圖7 空調活性炭過濾網

【2】催化類凈化技術

催化技術是通過某種介質（金屬氧化物、過渡金屬、貴金屬等），可以與空氣中的氣態污染物產生某種化學反應，從而將污染物分解［26］。

催化類技術在空調空氣凈化領域具有發展潛力，其凈化條件簡單，通?？梢栽诔爻合路磻?；另外，催化劑自身無損耗，且對TVOC、甲醛等污染物的分解高效［27］。問題點是催化劑存在一定失活概率，失去催化效果；在氣體污染物濃度較低時，其降解效率低［28］，需要配合HEPA網、活性炭等作為吸附性的載體，反相增加空調進風阻力。

目前常見的催化技術是TiO2催化技術分解有機污染，錳系催化劑分解甲醛污染物等。

圖8 空調除甲醛過濾網

【3】新風凈化技術

新風空調組合了新風系統，可以引入室外新鮮的空氣并排出室內污濁空氣，可以在一定程度上稀釋室內氣體污染物，從而降低污染物濃度。但新風空調進風、送風口單一，只有當室內外氣體環境形成壓強差時，新風才能進入室內，一旦室內室外的壓強達到平衡，或者高于室外時，新風進入量就會減少，影響用戶體驗。

5 結論與展望

室內空氣污染物來源廣、種類多，已經嚴重威脅人體健康；空調作為調節室內溫度和空氣的產品，在室內健康扮演了重要角色。本文針對室內常見的三種污染物，微生物污染物、顆粒物污染物、氣體污染物，調研分析了市場上主流的凈化手段。

（1）微生物污染物，空調廠家采用材料殺菌技術、紫外殺菌技術、離子殺菌技術、自清潔除菌技術，這四項技術通過增設或者優化空調硬件，可殺滅部件上黏附的微生物、以及空氣中漂浮的微生物。雖然空調已經成熟應用這幾項抗微生物技術，但由于室內和空調內部微環境復雜，導致微生物滋生方式多樣性，因此未能完全解決微生物污染問題，未來研究重點是改善微環境和協同應用抗微生物技術，從微生物滋生源頭和后處理雙重手段解決微生物污染問題。

（2）顆粒物污染物，空調廠家通過在空調進風口增設HEPA過濾網以及靜電除塵過濾網，實現對顆粒物污染物的過濾和凈化。HEPA過濾網風阻大，對風機靜壓和噪聲控制要求高，還會降低空調風量，影響主性能；靜電除塵過濾網成本高，且需要通電才能工作，增加額外電控硬件，因此這兩項技術應用在特定機型，無普適性，且售價高。未來，開發出可通用在多款機型的顆粒物凈化技術，實現“一對多”的技術突破是研究重點。

（3）氣體污染物，空調廠家通過物理性的活性炭吸附技術，以及化學性的催化凈化技術，實現對顆粒物污染物的凈化。無論是活性炭吸附還是化學催化凈化，都要求氣體污染物與凈化模塊有足夠長的接觸時間，因此凈化模塊孔隙率高，風阻很大。未來的研究重點是開發更高效活性炭和催化劑材料，從而降低模塊阻力。

從世界范圍空調業發展看，健康是大勢所趨，特別是爆發的新冠疫情，更是提升了用戶對健康技術的需求。在此背景下，需要空調生產企業捕捉市場的潛在需求和行業的未來走向；同時也要求空調技術人員勇于創新，開發新的符合用戶需求的健康技術。