实现“人机共存”的上层空间紫外辐照系统的应用及研究进展

季耀洲，何张卫，叶新建，罗美林，曹承福，袁文涵，朱凤一，俞容文，宋承华，吴荣谦，李虞锋,3

1.国科温州研究院，浙江 温州 325001；2.西安交通大学第一附属医院 a.陕西省再生医学与外科工程研究中心；b.精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710061；3.陕西省信息光子重点实验室，陕西 西安 710049

引言

肺结核是由结核分枝杆菌引起的传染病，主要通过空气飞沫传播。感染结核分枝杆菌的人可能在无症状或轻微症状时将细菌释放到空气中，而他人在吸入空气中的结核分枝杆菌时可能被感染。肺结核每年导致数百万人感染或死亡。因此对空气传播类传染病的控制和防止蔓延变得尤为重要。针对此类传染病，建议采取一些预防措施，如保持社交距离、良好的卫生习惯和避免前往拥挤的地方。然而，通过空气传播的病原体可能会在空气中存活较长时间，存在传播的风险。有实验发现紫外线可以有效灭活微生物，如甲型流感、李斯特菌、大肠杆菌及严重急性呼吸综合征冠状病毒-2（Severe Acute Respiratory Syndrome Associated Coronavirus，SARSCoV-2）[1-3]等。

但过度暴露于254 nm 紫外线辐射会导致人体皮肤变红以及眼睛结膜发炎，这成为紫外线普及应用的障碍，因此，在使用紫外线杀菌消毒时往往需要人员回避。通常使用专门设计的设备和防护措施来执行紫外线消毒任务，以确保操作者和周围人员的安全。但如果设计和安装得当，精确地将紫外线照射到上层空间或消毒区，紫外线设备的使用并不需要室内人员回避，保证处于较低空间或非消毒区的人员不会暴露在紫外线下，实现“人机共存”，上层空间紫外辐照技术作为一种有效的防控措施变得越来越重要。世界卫生组织最新结核病感染预防和控制指南指出：建议使用上层空间紫外线杀菌（Upper-Room Ultraviolet Germicidal Irradiation，UVGI）系统，以减少结核分枝杆菌向卫生工作者、卫生保健机构就诊者或高传播风险场所内的其他人的传播[4]。本文旨在综述上层空间紫外辐照系统的发展现状，包括紫外光源种类、紫外线杀菌原理、应用概述、技术原理、国内外的研究现状等，为应对传染病和提高室内空气质量方面的应用提供理论和实践支持。

1 紫外光源与紫外消杀原理

目前，可以产生紫外线的光源一共有5 种，分别是低压汞灯、中高压汞灯、脉冲氙灯、紫外LED 和准分子灯。以上5 种光源的工作原理各不相同，因此在效率、光谱和光源体积方面也存在较大差异。其中，低压汞灯的系统辐射效率可达30%，是目前室内消毒的主力光源[5]。中高压汞灯波长范围广泛，但其中具有消毒功能的C 波段紫外线（Ultraviolet C，UVC）较少[6]。而紫外LED 体积小、寿命长、绿色环保的优势促进了其应用于系统的设计创新[7]。有报告称准分子灯所发射的222 nm 附近的窄带光谱对人的皮肤和眼睛会造成极小伤害[8]，但由于此种光源成本较高，并且该波段紫外线在空气中的传播效率极低[9-10]，因此低压汞灯与紫外LED 逐渐成为新一代紫外杀菌辐照系统所青睐的光源。

根据紫外LED 标准化体系分析报告规定，紫外光根据波长通常分为315～400 nm（A 波段紫外线）、280～315 nm（B 波段紫外线）和200～280 nm（UVC）。波长短、能量高的UVC 能够穿透微生物的细胞壁和细胞膜，进入细胞内部，短时间内破坏微生物机体（细菌、病毒等病原体）细胞中分子结构，损害其遗传物质，使细胞无法再生（图1），因此广泛应用于水、空气、物体表面的杀菌消毒。

图1 UVC杀菌的原理

UVC 光已被证实可广泛应用于灭活所有经过测试的微生物和病毒，其中包括引起结核病、流感和SARSCoV-1 的微生物和病毒[11-12]。SARS-CoV-1 滴度为1×106TCID50/mL 的病毒母液在1446 mJ/cm2UVC 照射剂量下几乎可以完全灭活，完全灭活SARS-CoV-2 所需的发射剂量为1048 mJ/cm2[13]。灭活1×106TCID50/mL H1N1 流感病毒的病毒载量也需要类似的1000 mJ/cm2剂量[14-15]。

2 上层空间紫外辐照系统的技术原理

鉴于上层空间紫外辐照系统在预防气溶胶传播疾病方面的高效性，以及其在结核病方面的广泛应用，美国疾病预防控制中心和世界卫生组织等机构已认可其用于疾病的环境控制，并发布了其安装、使用和维护的技术指南[4]。

通过在天花板上安装紫外线上层空间固定消杀装置，将紫外光线直接投射到空气中。在使用装置时，将房间分为上层空间（或消毒区，即人的头顶与天花板之间的空间）和下层空间（或呼吸区，即人们生活、工作、学习的地方）。利用空气上下流动原理杀灭空气中的微生物[16]。人们呼出的气体中的气溶胶比房间内的空气温度更高，因此会上升并集中在天花板上，当气溶胶上升至天花板并逐渐分布到整个房间内时，可以在上层空间灭活气溶胶，短时间内对其进行消毒并达到较高的消毒率，避免了气溶胶冷却并下降时对居住该空间的人产生传染的风险。含有感冒或流感患者传染性病原体的空气飞沫可以在室内空气中停留6 min 或更长时间，而上层空间紫外线装置可以在几秒钟内消灭这些微生物，并且每天24 h 运行以进行持续净化。随着空气再循环，后续每次通过“多次给药”使得空气中病原体浓度进一步降低。病原体不断在房间里漂浮，最终会飘到上层空间进行消毒，然后回到下层空间，被吸入时不会传染给其他人。该技术在实际测试中被证明避免气溶胶引起的传染（流感、麻疹、结核病）的最低有效性为80%。同时，UVGI 设备操作时几乎没有噪音，设备的使用与人员相适应，可连续、无噪音、自动地对室内环境中的空气进行消毒，直至达到期望期望灭菌水平，无须将人员带出房间或改变设施内的正常活动，可以在任何人员聚集的室内环境中使用，实现真正的“人机共存”[17]。

3 上层空间紫外辐照系统的应用概述

相对于机械通风或空气净化器，上层空间紫外辐照技术有明显优势，其操作成本更低，且不使用化学消毒剂，减少了对环境的负面影响。机械通风或净化器需要捕获/吸入气溶胶才能使其失活，因此清除房间内的传染性气溶胶需要更长时间，同时，这些方法会产生更大气流，带来更多的噪音和更高的能源成本。上层空间紫外辐照技术对于防控空气传播疾病、提高室内空气质量、保护公众健康以及环境保护都具有重要的意义。

Escombe 等[18]使用上层空间UVC 作为一种有效、低成本的干预措施，以预防高风险临床环境中的结核病传播。Mphaphlele 等[19]研究结果表明上层空间杀菌紫外线空气消毒与空气混合对于减少医院结核病传播非常有效，并报道了针对性的辐照剂量指南。有研究证明UVGI 系统可在不考虑其他传染病预防措施的情况下有效预防至少80%经空气传播的疾病（如结核病,麻疹）进行传播[19]。在秘鲁和南非的结核病病区进行的关于紫外线杀菌有效性研究发现当地结核传播风险降低了70%～80%[18-20]。以下为具体应用案例：1997—2004年，哈佛大学医学院和公共卫生学院与其他医院合作，在美国6 个城市的14 个收容所进行了UVGI 照射实验。共收集到3611 名工作人员和流浪汉的测试数据，有223 份眼睛或皮肤出现症状的报告。其中，紫外照射组的受试者中有95 份症状报告；安慰剂对照组的受试者中有92 份症状报告。在紫外照射组和安慰剂组之间，症状报告的数量没有统计学上的显著差异。表明在不明显增加紫外线意外暴露的情况下，可以放心使用上层空间紫外辐照系统[21]。

有研究探讨上层空间紫外辐照灯具在学校教室的空气照射对飞沫传播的影响，结果表明上层空间紫外消杀对麻疹、腮腺炎和水痘等传染病有着很强的阻断传播的作用[22-23]。印证了上层空间紫外辐照灯具在学校教室的空气照射对飞沫传播的阻断作用。

2020年， AeroMed 公司在剑桥友谊学校内所有教室安装和调试了近60 盏254 nm 的上层空间紫外灯具，并在后面的几周全部投入了使用[24]。罗马尼亚Forte Partners 等公司在其办公室和会议室安装了6 个吊顶式紫外灯具；德国汉堡EDEKA Clausen 超市安装了31 台带有屏蔽和光学装置的UVC 上层空气消毒灯具，防止人员暴露于UVC 辐射下[25]。这些应用案例都表明，紫外线杀菌在预防病原体的传播方面也展示不同程度的辐照效力。除了紫外线的杀菌作用，上层空间辐照系统还需要与室内空气流动原理相结合实现室内细菌病毒全方位辐照，以最终达到室内空气净化效果。

4 国内外研究现状

4.1 汞灯紫外光源的设备方案

在许多常规建筑的空间中，人头顶与天花板之间的距离为1 m 以上。为了确保紫外线不泄漏到下层空间，正确设置紫外线灯非常重要。上层空间紫外辐照系统可以按安装方式以及设计结构进行分类：壁挂式与吊顶式，百叶窗式和开放式（无百叶窗）。AeroMed®公司的壁挂式UVGI 设备LEXUS™如图2所示。设备安装在距离地面约2.1 m 的高处。它是基于Riley 等[26]提出的一种用于天花板较低的房间的固定装置设计，其中包括约15 cm 深的百叶窗。在百叶窗背后配备一根或多根水银灯管（亦称汞灯）。水银灯管位于焦点处，而后面的抛物面反射器反射并聚焦灯管发出的紫外线。抛物面反射器可确保一小半的辐射以平行或准直光形式发射，使从设备出口发射的光线限制在与设备几乎同一水平面的窄带内[27-28]（图3）。

图2 AeroMed®公司的产品LEXUS™ 拆解图[28]

图3 AeroMed®公司的产品LEXUS™ 光束整形原理图[27]

图4 为另一种类似的设备Hygiene LIND-24 EVO的紫外线辐射强度在辐照射程和宽度上的分布[28]。紫外线强度在接近设备端时达到最大值，距离设备1 m时约为200 μW/cm2。随着距离增加到5 m，强度降至约10 μW/cm2（空气对紫外线吸收率随波长减小而增强），确保杀菌区域的最小强度为10 μW/cm2。该设备在竖直方向上呈现出高度集中和约束的紫外线辐射分布。设备能够在较窄空间内保持高强度的紫外线辐射，这对于有效完成消毒和杀菌任务至关重要。而距离地面约1.8 m 的位置，强度迅速降低至约0.2 μW/cm2。在这个高度以下，可以近似认为紫外线无泄漏，是安全的工作和生活区域。在水平方向上，紫外线辐照强度以设备中心为原点呈现朗伯（Lambertian ）分布。

图4 上层空间紫外线设备Hygiene LIND-24 EVO

由于水银灯管有一定体积（直径1 cm 以上），有大量光线实际上是无法平行射出百叶窗的。因此，为了防止机壳内的紫外线经过百叶窗之间多次反射后进入下层空间而造成人员暴露，平行百叶窗涂有减反材料来吸收不平行的一部分光线，造成了不少紫外线能量的损失和浪费。另外，吸光的百叶窗并不能完全避免进入下层空间的紫外线，因此这种设备安装时通常向上微翘，以小角度向上引导紫外线，如Riley 等[30]建议的3°～5°。

由于只有10%～20%的电能转换成了紫外线并在设备表面输出。当百叶窗被拆除时，上层空间的辐照度水平可能增加2～4 倍[31]。与百叶窗不同的是，开放式灯的反射表面并不在灯管背后，其目的是防止光线泄漏到下层空间，同时向上反射尽可能多的光线。UVC 通过UVGI 设备上部的“槽”发射，上挡板被移动以发射更多或更少的紫外光线[32-33]（图5）。而非屏蔽灯（完全没有遮挡或者反射的灯管）只能在无人居住的区域使用，通过智慧物联网搭配人在传感器进行智能控制，确保有人在房间时,设备保持关闭状态，没有人时设备才可以工作。尽管不少设备都通过这种方式增加了辐照强度，但实际上大大降低了设备的利用率。在很多场景中，往往是有人在不通风的房间内，反而更需要紫外线设备处于工作状态。

图5 ladimir公司的开放式上下层交替紫外线辐照设备侧视示意图[33]

目前上层空间UVGI 照射的标准“经验法则”是每18.6 m2的面积使用一盏30 W 或两盏15 W 灯。在拥挤的情况下，Riley 等[30]建议每7 人使用一盏30 W 的灯。从有效性的角度来看，最好将光线暴露在尽可能多的空气中，这意味着设备与光线照射到的任何表面（如墙壁）之间保持最远的距离。

4.2 固态紫外光源的设备方案

UVGI 系统的主要挑战是光束整形。与汞灯管加反射器和百叶窗的方案相比，UVC-LED 可以提供易于控制的光源，轻松优化和调整所需的亮度。LED 允许使用辅助光学器件，能更好地防止光线泄漏到较低的空间。汞灯寿命在几千到一万五千个小时左右不等，而UVCLED 的使用寿命更长。其越来越便宜的价格进一步增加了其优势。Luminii 公司的产品Purifii AER W 将LED （波长260～280 nm）上搭配多个凸石英透镜，再与定制的PVD 铝反射器光学耦合。借助这种折射加反射的系统，Purifii AER W 能够精确控制光线路径，提供约10°的高强度窄光束（图6）。集中杀菌区域使系统既安全又高效，并且造型简约美观[33]。

图6 Luminii公司的产品Purifii AER W光线示意图

LEDiL 公司采用LED 和独特的二次光学透镜，使光更有效地聚焦。实现了14°左右的窄光束并成功地聚焦到房间的上部。使用具有兼容透镜的不同UVC-LED可以轻松扩展灯具功率输出，以适应不同用途。但在应用上层空间紫外辐照系统过程中对射出的紫外线剂量是有限制的。建议每天8 h 轮班暴露于280 nm 处的紫外线剂量不大于0.34 μW/cm2，而LEDiL 公司在试验中在眼睛水平处测得最大辐照强度为0.3 μW/cm2[34]。

在选择上层空间紫外线装置时，需要根据房间尺寸、天花板高度和布局来确定最佳方案[35]。这种场景可以选择从平行到垂直向上的区域都发射紫外光线的产品[36]。开放式LED 系统比上述窄辐射角度LED 系统应用场景更多，对于天花板较高的空间类型尤其有效。开放式系统的照射面积更大。尽管单位面积的辐照强度有所降低，但随着辐照时间的延长，最终将满足完全消杀的辐照剂量。图7 展示的九宽科技的产品B-JHV3W3 就是采用了该技术路线。

图7 九宽科技的产品B-JHV3W3（a）辐照射程和（b）辐照区水平宽度示意图

5 总结与展望

近年来，随着空气式传播疾病的频发，上层空间紫外线辐照系统在空气消杀方面表现出了一定的潜能。本文通过介绍上层空间紫外辐照系统的情况，从紫外线消杀的原理到紫外光源的挑选作为介绍系统的切入点，从该系统的技术原理到实际的应用案例进行分析，并对比了国内外上层空间紫外辐照系统实现“人机共存”的几种技术方案，为应对传染病和提高室内空气质量方面的应用提供理论和实践支持。该系统旨在房间居住者的头部上方产生高水平的紫外线辐照度来消灭上层空气中的有害微生物，并最大限度地减少房间下层空间的紫外线暴露，以实现真正的“人机共存”。实现上层空间紫外辐照系统的产业化转化，需要足够的实验结果数据和多方面的模拟验证，而开展多类场所实地测试是促进转化最重要的方式之一。因此，在人员聚集的场所安装该系统开展实地研究也是未来的应用方向。此外除了单独进行上层空间紫外消杀，系统还可能在未来彻底融入百姓家电行列当中。它与物联网结合可实现远程监控、自动化调整、数据分析、能源管理和预测性维护，提高杀菌效率、节省能源，同时整合到建筑管理系统中以协调优化建筑卫生和能源效率。综上，上层空间紫外辐照技术在未来将持续发展并得到广泛应用。