家用房间空调器健康技术综述

张奇，吴俊鸿，彭光前，单联瑜，王锐锋

（小米科技（武汉）有限公司，武汉，430010）

随着我国国民经济的快速发展与人们生活水平的迅速提高，空调成为主流家电走进千家万户。随着用户对健康理念的认知加深，对空调的要求不仅仅局限于调节室内温湿度，而是逐渐聚焦到健康功能。本文重点调研了当前空调产品对微生物污染物、颗粒物污染物、气体污染物的净化技术现状，为空调健康技术的升级迭代提供技术路线和创新思路。

1 空调出风品质与人体健康关系

1.1 室内空气污染现状

室内是人类生产、生活、休息的重要场所，其空气质量直接关系到人们的生活健康，据统计，人的一生大部分时间在室内度过，一个成年人每天大约需要12～16m3的空气［1］。我国每年由于室内空气污染而死亡的人数在10万人次以上，平均每天死亡超过300人，相当于全国每天因车祸死亡的人数［2-3］。因此，室内空气污染严重影响到人们的健康和生活，给我国造成了巨大的生命财产损失。

1.2 空调系统与人体健康的关系

家用空调按照组件分为室内机和室外机，其中室内机主要由过滤器、蒸发器、底壳、风管/风道等部件组成［4］。卫生部抽检60多个城市的空调系统微生物情况，发现每克积尘中细菌总数10万个以上的占80 %，每克积尘中细菌总数最高达277万个，每克积尘中真菌总数10万个以上的占73 %，每克积尘中真菌总数高达480万个［5］，而经调查取样，一般空气中的微生物为1425个/cm2，可见空调系统微生物污染程度远远高于正常呼吸的空气［6］。空调自身过滤器可以过滤、吸附来自室内外的部分污染物，起到净化空气的作用。但是，空调无法净化粒径小的污染物（如PM2.5）和气体污染物（甲醛、TVOC），以及在内部环境滋生的微生物，该部分污染物会跟着空调气流进入室内环境，导致室内空气被严重污染。

空调的迅速普及使用，在改善了室内温度的同时也造成了室内空气污染。WHO（世界卫生组织）调查表明：人体约有68 %的疾病与室内污染有关［7］。最新研究表明长期室内污染对人的干扰如敏感、反感、烦恼、厌恶等导致植物神经系统紊乱，免疫功能减退，对生理和心理上造成很大影响［8］。另外，污染物得不到有效控制而使人群长期暴露在污染环境中，可引起暴露人群发生各种相关疾病（如哮喘、鼻炎等），严重危害人群健康［9］。

随着人们对室内环境舒适性的重视以及空调器的普及，只能制冷制热的空调器产品己远远不能满足人们对健康舒适的室内环境的要求，空调器在清洁空气方面的功能愈来愈受消费者关注。

2 空调微生物净化技术

现有的过滤技术尚无法完全滤过空气中的小颗粒物和微生物，在长期使用过程中，小颗粒物会经由滤网和风道，累积在风叶、导风板以及底壳水道上，在冷凝水、灰尘的共同作用，与水接触最多的蒸发器、底壳水道便成为了微生物繁殖的“温床”，产生异味、滋生致病细菌，危害人体健康［10］。

【1】空调材料杀菌技术

抗菌功能针对的是空调器中过滤器、蒸发器、贯流风叶、接水盘、风道等零部件所使用的材料。通过在材料加工过程中添加无机、有机等类型的抗微生物成分，由于抗微生物成分溶出迁移可将附着在部件的微生物杀死，具有成本低、实现方法简单、效率高的优点［11］。但是只能杀灭附着在表面的微生物，当部件表面被污染物覆盖后，就无法发挥抗微生物效果，具有明显的局限性［12］。

图1 空调抗菌防霉过滤网和抗菌贯流风叶

【2】紫外杀菌技术

紫外杀菌是利用适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA或RNA的分子结构，造成生长性细胞死亡和再生性细胞死亡［13］，达到杀菌消毒的效果，目前常用的是UVC紫外杀菌技术。因为紫外光可裂解塑料的分子链，降低塑料力学强度，需避免紫外光直接照射塑料件。此外，紫外光仅可对照射面有杀菌作用，作用范围有限，杀菌效果局限性较大。最后，紫外光会产生臭氧［14］，危害人体健康，因此要控制紫外光功率和作用时长。

图2 空调UVC紫外杀菌技术

【3】离子杀菌技术

经过调试，输出电压频率为40 Hz时，采用双踪数字示波器测得SPWM1、SPWM2信号半个周期波形如图10所示。根据图10测得的波形可知，DSP产生的是对称的双极性SPWM波形。

离子发生器将低电压通过升压电路升至正高压及负高压，并利用正高压及负高压电离空气和水，产生大量的正离子及负离子。

正离子与负离子进行正负电荷中和的瞬间会产生巨大的能量释放，从而导致其周围细菌结构的改变或能量的转换，从而致使细菌死亡，实现杀菌的作用［15］。

离子型杀菌的缺点是需要在空调增加额外模块；电离的离子浓度与输出电压正相关，一般是6-10 Kv，具有一定的安全隐患；离子容易在金属部件聚集产生静电，从而影响部分净化效果［16］。

图3 空调离子杀菌技术

【4】自清洁除菌

空调自清洁指的是利用蒸发器结霜原理，在化霜时一并将蒸发器上的微生物污染物清洁干净［17］。该功能节省了用户拆机清洗蒸发器的操作，同时是直接利用空调硬件，无需增加额外模块，不会增加成本。现阶段研发出的56 ℃自清洁杀菌技术，通过蒸发器翅片加热使空调内部空间处于高温的杀菌状态，可有效地去除机器内部残留及吸附的微生物。

但是，该技术在复杂的家居环境，无法保证使用效果；同时，仅针对蒸发器有明显效果，无法有效杀灭其它结构件的微生物。

3 空调颗粒物净化技术

PM2.5是空气中主要的颗粒物污染物，可经过呼吸进入呼吸道，并沉积在支气管表面，甚至在肺泡里。由于其本身携带大量的金属污染物和有机化合物，这些污染物能够导致活性氧自由基的产生和细胞因子的释放，从而引发肺炎［18］。据研究，PM2.5浓度与疾病爆发率正相关，在PM2.5更严重的冬季，因呼吸系统疾病引起的住院率的上升幅度明显高于其它季节［19］。传统空调技术无法净化小粒径的PM2.5污染物，因此PM2.5污染不可忽视。

【1】物理过滤技术

空调目前应用的物理过滤器是为初效过滤器，初效过滤器仅可以过滤毛发、纤维等大体积污染物。高效过滤器（HEPA网）因为孔隙率低、比表面积大，可以过滤小体积的污染物（PM2.5等）。但是高效过滤器的风阻较大，对风机静压和噪声控制要求高，且作为耗材，需要定期更换，否则会成为二次污染源。因此，高效过滤器应用少，需要搭配特定机型使用。

图4 空调HEPA网

静电除尘技术原理，是利用高压电场形成电晕，将污染空气通过电晕区，使污染空气中的颗粒物带上电荷，然后在电场力的作用下，被吸附到极性相反的收集区并沉积，从而达到对空气中颗粒物进行净化的作用［20］。

图5 空调静电除尘技术原理图

该净化技术相比HEPA网技术，其风阻小，可以维持较大的循环风量，提高换热效率，降低能源消耗；但是，该技术成本高，一般要适配特定高端机型，因此产品售价高。

4 空调气体污染物净化技术

气体污染物，主要分为有机污染物和无机污染物，有机污染物包括以TVOC为主的各种气体污染物，包括烷类、醛类、酯类和芳烃类等［21］，来源主要有建筑材料、地毯、家具和油漆等；无机污染物则包括一氧化碳、氮氧化物、氨、臭氧、硫化氢、氡等，其来源包括建筑施工、下水道、工业和汽车尾气等［22］。

【1】活性炭过滤网吸附技术

活性炭过滤网吸附气体污染物是由于吸附剂和吸附质分子间的作用力引起的［23］，这种吸附的作用力一般可分为两类：一类是由范德华力引起的分子之间的互相作用力；一类是化学键力，包括固体和气体之间的电子转移［24］。

通过吸附作用力，以及活性炭的多孔结构，活性炭过滤网可以有效捕捉空气中的气体污染物。但是活性炭净化要关注吸附饱和度问题，一旦吸附量超过阈值，气体污染物就会自行挥发至室内，成为污染源［25］。

图7 空调活性炭过滤网

【2】催化类净化技术

催化技术是通过某种介质（金属氧化物、过渡金属、贵金属等），可以与空气中的气态污染物产生某种化学反应，从而将污染物分解［26］。

催化类技术在空调空气净化领域具有发展潜力，其净化条件简单，通常可以在常温常压下反应；另外，催化剂自身无损耗，且对TVOC、甲醛等污染物的分解高效［27］。问题点是催化剂存在一定失活概率，失去催化效果；在气体污染物浓度较低时，其降解效率低［28］，需要配合HEPA网、活性炭等作为吸附性的载体，反相增加空调进风阻力。

目前常见的催化技术是TiO2催化技术分解有机污染，锰系催化剂分解甲醛污染物等。

图8 空调除甲醛过滤网

【3】新风净化技术

新风空调组合了新风系统，可以引入室外新鲜的空气并排出室内污浊空气，可以在一定程度上稀释室内气体污染物，从而降低污染物浓度。但新风空调进风、送风口单一，只有当室内外气体环境形成压强差时，新风才能进入室内，一旦室内室外的压强达到平衡，或者高于室外时，新风进入量就会减少，影响用户体验。

5 结论与展望

室内空气污染物来源广、种类多，已经严重威胁人体健康；空调作为调节室内温度和空气的产品，在室内健康扮演了重要角色。本文针对室内常见的三种污染物，微生物污染物、颗粒物污染物、气体污染物，调研分析了市场上主流的净化手段。

（1）微生物污染物，空调厂家采用材料杀菌技术、紫外杀菌技术、离子杀菌技术、自清洁除菌技术，这四项技术通过增设或者优化空调硬件，可杀灭部件上黏附的微生物、以及空气中漂浮的微生物。虽然空调已经成熟应用这几项抗微生物技术，但由于室内和空调内部微环境复杂，导致微生物滋生方式多样性，因此未能完全解决微生物污染问题，未来研究重点是改善微环境和协同应用抗微生物技术，从微生物滋生源头和后处理双重手段解决微生物污染问题。

（2）颗粒物污染物，空调厂家通过在空调进风口增设HEPA过滤网以及静电除尘过滤网，实现对颗粒物污染物的过滤和净化。HEPA过滤网风阻大，对风机静压和噪声控制要求高，还会降低空调风量，影响主性能；静电除尘过滤网成本高，且需要通电才能工作，增加额外电控硬件，因此这两项技术应用在特定机型，无普适性，且售价高。未来，开发出可通用在多款机型的颗粒物净化技术，实现“一对多”的技术突破是研究重点。

（3）气体污染物，空调厂家通过物理性的活性炭吸附技术，以及化学性的催化净化技术，实现对颗粒物污染物的净化。无论是活性炭吸附还是化学催化净化，都要求气体污染物与净化模块有足够长的接触时间，因此净化模块孔隙率高，风阻很大。未来的研究重点是开发更高效活性炭和催化剂材料，从而降低模块阻力。

从世界范围空调业发展看，健康是大势所趋，特别是爆发的新冠疫情，更是提升了用户对健康技术的需求。在此背景下，需要空调生产企业捕捉市场的潜在需求和行业的未来走向；同时也要求空调技术人员勇于创新，开发新的符合用户需求的健康技术。