医疗级智能空气净化器的设计及应用
史利克1，王悦1，徐亮2，贾媛1，姚东升2，励秀武1，刘燕1
1.河北医科大学第二医院 感染控制处，河北 石家庄 050000；2.河北中康韦尔环境科技有限公司，河北 保定071000
[摘 要]本文介绍了医疗级智能空气净化器的设计及研制过程。该净化器采用过滤、活性炭吸附、等离子联合净化的模式研制，其高效过滤网和活性炭过滤层可过滤微尘颗粒，吸附甲醛、甲苯等有害气体；其等离子杀菌净化器可释放净化因子，主动沉降PM10、PM2.5颗粒物，净化甲醛、甲苯等有害气体，杀灭病原微生物；其智能控制系统可根据空气质量的变化，自动调节风机运行风量，可有效节约能耗，适用于医疗环境室内空气的净化与消毒。实际应用效果表明，该净化器可有效净化室内空气，达到了设计目的。
[关键词]空气净化器；活性炭过滤层；等离子杀菌净化器；智能控制系统
0 引言
室内空气质量与人体健康密切相关[1-2]。室内空气污染物包括直径＜10 µm（PM10）的颗粒物、甲醛、二氧化碳（CO2）,一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、苯、甲苯、细菌气溶胶和机载真菌等[3]。目前，改善室内空气质量的方法分为源控制、通风和空气净化等。空气净化产品市场已具相当规模，已出现了紫外线、光触媒、过滤吸附、高温加热等不同类型的空气净化产品,但这些产品有的具有刺激性、损伤性，有的净化效率低，很难满足持续性净化和消毒的要求[4-5]。医院空气环境中存在的致病微生物尤为集中，如何改善医院的空气质量，尤其是医院的特殊场所如手术室、重症监护室等部门的空气质量，对于控制院内感染尤为重要[6]。本课题组和相关单位合作，研发了一款医疗级智能空气净化器，报道如下。
1 设计思路
1.1 设计要求
《医院候诊室卫生标准 GB9671-1996》、《室内空气质量标准 GB/T18883-2002》、医院空气净化管理规范WS/ T368-2012》都对室内环境的温度、湿度、有害气体浓度等作出了相关规定[7-9]，制定了医院手术部、ICU、治疗室、病房等部门空气中的细菌菌落总数标准。根据上述国家标准，本课题所研发的空气净化器不仅要能杀灭或去除微生物，还要能够净化颗粒物、有害气体等。
1.2 设计原理
在有人员活动状态下进行空气净化除菌，必须选择对人无害的方法。空气过滤是目前较为成熟的空气净化技术，对人无毒无害，可用于人机共存环境下的空气净化。本课题设计的空气过滤器由双层高效过滤网和活性炭过滤层组成，所用滤材对0.3 µm颗粒物的过滤效率可达99.5%，其活性炭过滤层可以有效吸附空气中的氨、甲醛、挥发性有机化合物、苯、甲苯等有毒、有害化学气体。
本课题设计的空气净化器采用先进的等离子杀菌净化器[10]，能做到人机共存，其净化原理是利用宽广谱紫外线与多种稀有金属催化剂的相互作用，从而产生包括过氧化氢、羟基离子、超氧离子、纯态负离子等在内的PHI净化因子。净化因子中的羟基离子能够渗透进微生物的细胞内部，破坏蛋白质和脱氧核糖核酸（DNA）等微生物赖以维持生命及繁殖的大分子有机化合物，从而使微生物失去生命活性，导致微生物死亡或不能繁殖。对于PM10、PM2.5等物理态颗粒物，PHI净化因子中的O2-和O3-等超氧负离子通过电荷吸附的作用，可以聚集这些细小的微尘，形成不可吸入的大颗粒物，从而大大减少空气中的悬浮性颗粒物的含量。挥发性有害气体多是由C、H、O结合而成的、以链式或者环式等形态为主要结构的有机化合物。PHI净化因子可切断其C-H化学键，破坏甲醛、苯等有害物质的分子结构，将其分解成无毒的CO2和H2O。此外，PHI净化因子还可通过分子扩散及空气流通主动捕捉室内空气中的病菌污染物，对室内空气进行全面净化处理。
1.3 基本结构及功能
该空气净化器主要由壳体、进风口、预过滤网、风机、双效空气过滤器、等离子杀菌净化器、出风口、显示控制屏、主控制板等结构组成（图1）。其中，预过滤网安装于进风口，用于过滤毛发等较大颗粒物，以保护风机和延长复合过滤器寿命；风机的作用是将室内空气送入空气净化器，随后加大风压后将空气送至双效过滤器，以促进室内空气的流通与交换；双效空气过滤器和等离子杀菌净化器是核心净化部位，起净化杀菌作用；显示控制屏可显示室内各污染物的实时数据、风机运行状态、净化器工作控制状态等。
图1 医疗级智能空气净化器结构示意图
该空气净化器的主控制板为净化器电路控制系统，其电机驱动采用光耦隔离、双向晶闸管方式，可有效防止强电对主控板的冲击损伤；采用串口显示屏显示相关数据，通信方式采用工业modbus协议；CPU采用cortex M3架构，可有效降低功耗。
该净化器的软件部分主要由驱动程序、启动程序以及数据采集程序组成。驱动程序位于传感器端，不同的传感器根据不同的接口类型定义了相应的驱动程序，这些程序为数据采集程序提供了读、写接口，对数据采集程序端来说是透明的。驱动程序等内容在板卡加电以后可通过自启动程序进行加载。数据采集程序包括I2C型（甲醛传感器）、GPIO型（TVOC传感器）、串口（Serial）型（PM2.5、PM10、CO2），自动控制系统可根据室内空气环境的变化自动调控净化器的运行状态。
2 技术特点
2.1 智能控制
该净化器的控制系统可根据空气质量的变化，自动调节风机的运行风量，并可根据需要设定运行时间，以节省电力能源。该控制系统的自动模式可根据检测装置的检测数据自动调节风速，快速净化室内空气质量；手动模式则可根据需要选择高、中、低挡恒速运行。
2.2 过滤器更换报警
该净化器可根据过滤器的过滤效率及使用情况提示更换信息，以免过度使用影响净化效果。
3 应用效果
在本院病理科常规技术室对该净化器的使用效果进行了30 d的测定。测定结果显示，在使用该净化器前（仅使用通风橱通风时），室内甲醛浓度的平均值为（1.28± 0.57） mg/m3；在使用该净化器后，室内甲醛浓度的平均值为（0.06±0.02） mg/m3，净化后室内甲醛浓度符合室内空气质量标准，表明该净化器具有较好的净化效果。
4 结语
室内空气质量对于医疗机构的患者和工作人员的健康至关重要[11]。在有人状态下,可采用高效颗粒空气过滤净化除菌、高压静电吸附除菌、等离子体技术、动态空气消毒机、纳米光催化材料空气净化、人工负离子空气净化和流洁净除菌等方法对室内空气进行净化[12]。不过，传统的被动式空气净化技术主要是将室内空气吸入机器内，通过滤网过滤有害物质，无法彻底清除有害气体。而PHI净化因子经主动释放后，可在空气中有效清除有害物质，杀灭病原体，完成全面的净化作用。本课题研发的医疗级智能空气净化器结合了过滤和PHI净化技术的优点，在有人环境中可安全、有效地净化室内空气中的颗粒物、有害气体和微生物，提高室内空气质量。与现有的空气消毒净化器相比，医疗级智能空气净化器可根据室内空气质量的变化自动调控净化器的运行状态，能够在保证净化效果的同时更多地节省成本，具有一定的实用价值。
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Design and Application of Intelligent Air Purifier of Medical Level
SHI Li-ke1, WANG Yue1, XU Liang2, JIA Yuan1, YAO Dong-sheng2, LI Xiu-wu1, LIU Yan1
1.Department of Infection Control, the Second Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang Hebei 050000, China; 2.Hebei Encanwell Environment Science and Technology Co., Ltd, Baoding Hebei 071000, China
Abstract：This paper introduced the design principle and development process of the intelligent air purifier of medical level. The air purifier adopts the modes of filtration, activated carbon adsorption, and plasma-combined purification. The highly-efficient filter screen and activated the carbon filter layer can filter dust particles, adsorb formaldehyde, toluene and other harmful gases. The antiseptic plasma purifier can release purification factor and can cause active sedimentation of pm10 and pm2.5 particles, purify the harmful gas such as formaldehyde and toluene, and kill pathogenic microorganisms. Intelligent control system can adjust air volume of the running fan automatically according to the change of air quality and thus can effectively save the energy consumption. It is suitable for purification and disinfection of indoor air in the medical environment.
Key words：air purifier; activated carbon air filter; plasma air sterilization purifier; intelligent control system
[中图分类号]R197.39
[文献标志码]B
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.03.033
[文章编号]1674-1633(2016)03-0123-02
收稿日期：2015-07-17
修回日期：2015-12-23
通讯作者：刘燕，主治医师。