Вентиляція та кондиціюнування з дезінфекцією повітря

С. Шовкопляс

Останні події на планеті, які викликані вірусною пандемією, загострили увагу до знезараження повітря, що постачаються системами вентиляції та кондиціонування повітря. Що пропонують технології HVAC для розв'язання проблеми безпечної та безперервної дезінфекції повітря в приміщеннях, де постійно перебувають люди?

Проблема знезараження повітря від вірусів не вирішується навіть фільтрацією найвищого ступеню. Віруси (або як їх ще називають мікробіологи та вірусологи – «органічні кристали») мають дуже малий розмір, значно менший від бактерій або грибкових спор. Наприклад, коронавірус SARS-CoV-2, що викликає гостру смертельно-небезпечну респіраторну інфекцію COVID-19, має орієнтовні розміри 90-120 нм, що співмірні з довжиною світлової хвилі. За цих умов ніякі засоби фільтрації не зможуть затримати чи знищити вірус з одночасним забезпеченням достатнього ступеня подачі повітря. Крім того, деякі методи дезінфекції, що спрацьовують для винищення бактерій та грибків, не діють на віруси.

Знезараження повітря світлом

Проте універсальним знезаражувальним засобом є і залишається ультрафіолетове (УФ) випромінювання у певному діапазоні. Таблиця 1 показує дані довжини хвилі та енергетичного впливу різних діапазонів УФ. Обробка УФ-випромінюванням використовується досить давно як для знезараження води (див. статтю «Ультрафиолетовое обеззараживание воды»), так і для дезінфекції повітря.

Таблиця 1. Параметри УФ опромінення в різних діапазонах

Серед різновидів УФ світла є так званий короткохвильовий ультрафіолет (або УФ С), якого в земних природних умовах немає. Космічний та сонячний ультрафіолет діапазону «С» повністю затримується атмосферою та озоновим шаром на відміну від УФ А та більшої частини спектру УФ В. Тобто бактерії, грибки та віруси не виробили стійкості до УФ С. Рис. 1 демонструє, що серед хвиль класу УФ С та УФ В існує найбільш ефективний для знезараження діапазон (виділено кольором), що найбільш згубно впливає на мікроорганізми та віруси, в ньому ступінь знезараження перевищує 90%. Найбільша енергія фотона властива випроміненню УФ С та «екстремальному» (EUV, XUV ) і «вакуумному» (VUV) випроміненню, що буває у відкритому космосі.

Рис. 1. Найбільш ефективний знезаражувальний діапазон УФ-випромінення

Дезінфекційна бактерицидна, герміцидна та антивірусна дія УФ-випромінення з довжиною хвилі 225-315 нм базується на деструктивно-модифікуючому фотохімічному пошкодженню органічних молекул, в тому числі ДНК кліткового ядра мікроорганізму чи РНК-ланок вірусу та молекул його ліпідних оболонок і рецепторів. За умов певної експозиції (енергія + час) пошкодження досягають такого ступеню, що призводять до уповільнення або до унеможливлення здатності до розмноження у мікроорганізмів та до критичного пошкодження структури вірусів (інактивація). Дослідження виявили найбільш ефективний, дезінфікуючий УФ-діапазон що має УФ-хвилі з довжиною 250-270 нм.

Знезаражувальна дія опромінення залежить від т. з. дози (експозиції), яка являє собою співвідношення енергії дезінфікуючого світла із опроміненою площею (поверхнева доза, Дж/м²) чи опроміненим об’ємом (об’ємна доза, Дж/м³).

Ефективність знезараження (результативність дезінфекції, ступінь дезінфекції) оцінюється у відсотках як кількість загиблих мікроорганізмів (чи інактивованих вірусів) від їх кількості до початку опромінення. Для УФ-ламп ефективність найбільшою мірою залежить від отриманого опромінення DUV (Дж/м²; Дж/м³), що було експоновано, помноженого на час: DUV = I·t, де I – середня інтенсивність або доза опромінення поверхні чи об’єму, t – час впливу. Ця доволі проста формула справедлива для постійного потоку за один прохід перед випромінювачем. За повторного пропускання повітря перед випромінювачем результативність дезінфекції збільшується вдвічі.

Найпростіші засоби УФ-дезінфекції повітря

Найбільш відомий технічний засіб для УФ-дезінфекції – освітлення приміщень на певний час за допомогою т. з. «синьої» або «кварцової» УФ-лампи, тобто «випромінювачем відкритого типу».

Проте на час експозиції відкритим джерелом УФ-світла у приміщенні небезпечно знаходитися людям чи тваринам (та навіть рослинам). Процедура статичного опромінення (т. з . «кварцювання») є доволі неефективною. Помітний знезаражуючий ефект виникає приблизно через добу постійного прямого опромінення. Проте завжди є затінені зони, де знезараження майже не відбувається, хіба що внаслідок відбивання УФ світла (тобто менш інтенсивного опромінення) від добре освітлених поверхонь зі значною рефлективною здатністю.

Більш ефективними є «випромінювачі закритого типу», або рециркулятори. Конструктивно вони мають вигляд закритого кожуха, всередині якого встановлені УФ-лампи та примусово вентильований канал, що пропускає повітря повз лампу та освітлену нею поверхню. Це доволі простий пристрій, див. рис. 2. Рециркулятори виготовляються багатьма виробниками, вони мають різну продуктивність та додаткове оснащення. Даний прилад може працювати в приміщенні, де є люди, якщо його конструкція передбачає внутрішнє відбивання УФ-променів повністю (тобто, якщо УФ-радіація не потрапляє за межі приладу).

Рис. 2. Дезінфекційний рециркулятор (з відкритою кришкою корпусу)

Ефективність знезараження рециркулятором в цілому є доволі високою, тому що за добу він перепускає через себе та опромінює весь об’єм повітря у приміщенні десятки разів.

Деякі моделі можуть бути оснащеними фільтрами. Їх наявність має певний сенс лише у затриманні часток пилу з бактеріями чи вірусами, що попали на ці частки пилу, та в певному підвищенні комфортності для людей, тому що потік повітря не викидає пил в процесі рециркуляції.

Окрім того, що фільтр зменшує продуктивність самої рециркуляції, фільтрування практично не впливає на якість знезараження. Українські вчені з НТЦ ПУЕТ (м. Полтава) при розробці технічного рішення запропонованого ними рециркулятора повітря із УФ-знезараженням, встановили, що найбільший внесок в загальну дезінфекцію вносить саме УФ-обробка. При ефективності субмікронного дезінфекційного фільтрування 70% і ефективності УФ-опромінення 90% сумарна бактерицидна та антивірусна ефективність рециркулятора складатиме 97%.

Треба мати на увазі, що робота знезаражувальних ламп може супроводжуватися продукуванням озону. Наявність у повітрі озону у високих концентраціях шкідливо для здоров’я, проте сам озон також є знезаражувальним агентом.

Канальні пристрої для знезаражування повітря у приміщенні

Природнім технічним розвитком рециркуляторів стало розміщення приладів для УФ-дезінфекції у вентиляційних каналах як в припливних, так і у витяжних вентиляційних системах. Витяжні системи вентиляції знезаражують повітря, що викидається з біолабораторій, медичних закладів тощо. Для дезінфекції повітря у самих приміщеннях використовуються УФ-блоки, що вбудовані в канал припливного повітря, див. рис. 3 та 4. Дзеркальна (або з дуже високою рефлективною здатністю) поверхня (див. рис. 4) підвищує дозу експозиції.

Існує декілька варіантів дії канальних УФ-блоків. Головні відмінності полягають у використанні прямого опромінення та освітлення із відбиттям.

На рис. 5 показаний принцип дії канального УФ-блоку із рефлективним опроміненням. Освітлюється зворотна сторона (за напрямком потоку) первинного фільтрувального елементу з грубими вічками. Проміння відбивається рефлекторами у напрямку зустрічного потоку повітря і частково проникає всередину фільтрувальних поверхонь та знезаражує їх. Зазвичай УФ-лампи встановлюються від освітлюваної поверхні не далі 1 м. УФ-блок працює безперервно весь час, коли подається повітря. Рефлектори концентрують світловий потік УФ-освітлювачів, підвищуючи їхню експозицію.

Рис. 5. Ультрафіолетовий-блок із рефлективним освітленням

Проте існують і альтернативні конструкції, які мають технічні обґрунтування, що блоки без рефлекторів-концентраторів анітрохи не менш продуктивні, аніж без них. На рис. 6 показано систему УФ-знезараження без рефлекторів. УФ освітлення діє як в напрямку проти потоку, так і в напрямку за ним. В таких системах покращення загальної рефлективної здатності стінок вподовж всього повітряного тракту за джерелом УФ-світла допомагає багаторазово віддзеркалювати УФ-енергію, чим підвищується загальна дезінфекційна ефективність установки.

Рис. 6. УФ-блок без рефлекторів

Знезараження повітря канальними УФ-установками є доволі економічним методом – використана потужність на УФ-освітлення знаходиться в межах від 0,1 до 0,2 Вт/м³ за годину. Вони зручні в експлуатації (обслуговування полягає в заміні УФ-ламп, що типово мають ресурс 1,5 роки). УФ-блоки мають високу придатність до використання в якості вбудованих компонентів у вже наявні системи – як правило їх розміри подібні до габаритів звичайних вентиляційних секцій, а втрати тиску в них як правило не перевищують 20 Па. Вони не впливають на продуктивність вентиляційної системи впродовж всього терміну експлуатації вентиляційної системи.

Ступінь знезараження, що забезпечується канальними блоками, залежить від швидкості повітря та протяжності блоку, де ще діє ефективне освітлення. Проте модельний ряд канальних УФ-блоків включає установки з подачею повітря від сотень до кількох десятків тисяч м³/год.

УФ-кондиціонери для знезараження повітря

Не всюди існують системи з централізованим повітрообміном. Дуже багато приміщень (офіси, житло) мають кімнатні спліт-кондиціонери та повітрообмін завдяки періодичному провітрюванню.

Проте розробка малогабаритних УФ-ламп з високою енергетикою у найбільш придатному для дезінфекції діапазоні УФ-хвиль дозволила створити комплекти для оснащення звичайних кондиціонерів функцією УФ-знезараження. Окремі комплекти для УФ-модернізації доволі дорогі, для деяких моделей кондиціонерів їх вартість співставна з ціною самого кондиціонера. В деяких моделях застосовуються інші технічні рішення для УФ-стерилізації. Наприклад, існують моделі із покриттям пластин та змійовика, випаровувача внутрішнього блоку кондиціонера покриттям напівпровідниковим матеріалом із фото-каталітичними властивостями (наприклад, на базі двоокису титану). При опроміненні деталей з такими поверхнями УФ-лампою незначної потужності (тобто із невеликою вартістю, малим енергоспоживанням та компактними габаритами) відбувається посилене окислення органіки (мікроорганізмів та вірусів) на самих поверхнях та у повітрі, що огинає такі поверхні, див. рис. 7.

Рис. 7. Фото-каталітичний фільтр

Інше технічне рішення полягає в тому, що внутрішня сторона теплообмінника внутрішнього блоку освітлюється двома випромінювачами, що генерують УФ світло в двох найбільш «жорстких» дезінфікуючих діапазонах хвиль – 250-260 нм (УФ С) та 100-220 нм (FUV).

З огляду на те, що використання «медичного» освітлювача із значною потужністю опромінення – це досить дорого, то ефективність використання в кондиціонерах УФ-компонентів меншої потужності базується на тому, що кондиціонери пропускають через себе весь об’єм повітря в приміщенні кілька разів за годину (кратний повітрообмін). Якщо в цей час немає притоку зараженого повітря, то навіть незначна, але багато разів повторювана, УФ-експозиція досягає своєї дезінфікуючої мети. Проте не завадило би застерегти від «бюджетних» пропозицій кондиціонерів із УФ-світлодіодами. Хоча випромінюваний ними спектр дуже близький до діапазону хвиль, що мають найбільшу знезаражувальну дію, але вони випромінюють небагато енергії, якої недостатньо для ефективної дезінфекції за прийнятну величину повітрообміну без провітрювання.

Спліт-кондиціонери (рис. 8), що одразу були запроектовані так, щоб користуватись функцію УФ-знезараження повітря, в цілому мають досить прийнятну ціну. Завжди можна підібрати таку оснащену модель, яка буде дешевше, аніж спліт-кондиціонер, що був потім доукомплектований УФ-блоком.

Рис. 8. Внутрішній блок спліт-кондиціонеру із вбудованим УФ-знезаражувачем (умовний переріз)

УФ-знезараження повітря в нинішніх умовах отримує неабияку актуальність. Технічні рішення для цього існують в найрізноманітніших варіантах – від окремого кімнатного пристрою, до спліт-кондиціонера чи блоку, що вбудовується в систему централізованої вентиляції. Вони охоплюють нормований повітрообмін від окремої кімнати до приміщень з об’ємом в тисячі м³, що притаманний торгівельному чи офісному центру.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 6 631