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作者:ChristianBremer先生

工程硕士,Condair GmbH董事总经理


卫生加湿系统的规划指南

前言:

卫生对于加湿的意义十分重要。VDI6022等现行法规对加湿的设计、规划、制造和系统运行提出了很多要求。一方面,加湿对于建筑物的空气调节必不可少,而另一方面,微生物在其中的作用举足轻重。

规划指南应当在阐明卫生加湿设备要求的同时,并列出关键性的规划准则。

 

1、石器时代与现代的空气调节

回溯早期建筑,我们就会发现人类在很早的时候就已经开始利用空调系统。在学会建造棚屋和房舍之前,人类蜗居在洞穴中遮风避雨。这类居所并不是非常舒适。但只要在洞穴入口点起篝火,洞穴内的居民就可以避免遭受野兽伤害,并且还可以勉强用来驱寒。这就是人类最早的室内空气采暖系统和空气幕门。尽管当时像德国炉具条例之类的法规尚未问世,但仍然需要确保燃烧空气能够充分流动以及生活区最起码的烟气排放。

当然,那个时候新鲜空气显然足够充分,因此不需要进行额外的送风。而对于工作环境空气当时也没有什么约束性要求。没有什么26°规定,没有反歧视法,但有没有霸凌行为不得而知。

劳动者的精神压力-当时应该都是自由职业者-通常主要来自于野兽或敌人。温度、湿度和亮度这些物理参数只与天气本身有关。这些参数关系是否适当取决于特定劳动地点的选择,这些主要由劳动者自己决定。含有高浓度二氧化碳的污浊空气或无法忍受的噪声污染要么根本不存在,要么人们无所谓。

然而,对于人们长期居住其中的现代建筑,其特点主要在于具有厚厚的外墙,以及与室外空气全然不同的室内空气。室内气温全年保持稳定,仅存在很小范围的波动。新鲜空气由建筑物的通风和空调系统或其他设施提供,并能够根据室外空气条件和室内要求随时生产。

 

 

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过于干燥的室内空气往往会造成呼吸道疾病,比如咳嗽、感冒、支气管炎和鼻窦炎症。


 

2、加湿需求

2.1 得当的空气湿度所提供的舒适与健康保障

在寒冷的采暖季节,室内湿度可能会降到30%RH以下。长时间生活在这种干燥的室内空气氛围,人们往往会受到干燥问题困扰。

这主要是因为干燥的呼吸道粘膜无法迅速将灰尘、污垢和病原体拦截在呼吸道之外。在这种地方停留的时间越长,患呼吸道疾病的风险就越高。后果一般就是咳嗽、感冒、支气管炎和鼻窦炎症。

在急性疾病发病之前,过于干燥的室内空气往往就已经产生很多次生体验,比如室内气氛不适,活力下降,感觉疲惫,眼睛感觉刺激或者喉咙沙哑等等。

尽管人们对于气温非常敏感,但由于某些次生现象,过低的湿度会首先引起人们的注意。

感觉舒适和健康的最佳空气温度为21-22°C,相对湿度为40-60%之间。但是也要注意,室内温度体验会受到个人偏好影响,并没有明显的界限。感觉舒适的空气湿度往往与室内空气灰尘含量存在关联。这种粉尘含量可能会受到设施选择的影响,但在普通居住区显然不会达到洁净室的空气质量。因此,采暖期的充分加湿会改善室内空气质量,有利于人类健康。

 


 

2.2 舒适空调的空气湿度要求

就舒适区的最低空气湿度要求而言,理论假设与实际体验之间存在很大差异。但是很容易发现,一旦人们有了个人的舒适体验,这些都仅仅是表面上的问题。空气温度和相对湿度的关系显而易见。

非住宅建筑的通风DINEN13779

“在常规室内空气温度20-26°C范围内,如果相对湿度在30-70%之间,就几乎不会存在不舒适的问题。”

一方面,这证明了温度和相对湿度之间的关系;另一方面,相同的舒适体验值都在规定值范围内。

 

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2.3 相对湿度的最低值——40%

德国建筑气候研究所将舒适区的相对湿度下限设定为40%。根据各种经验以及来自科学和职业医学的综合数据,该值在卫生,舒适性和生产率方面非常契合。

Scofield/Sterling图

Scofield/Sterling图展示了在不同室内湿度水平下,可以保障舒适度及健康的正确相对湿度。有害微生物的滋生或是特殊病症的发生风险,都会在40-60%这一相对湿度范围内被降到最低,因此这是最理想的状态值。

 

3、加湿方法

加湿可通过汽化、雾化和蒸发这三种物理方法实现。具体哪种方法效果最佳取决于相应的应用。但无论如何,从卫生角度看,这三种方法对加湿设备的选择存在不同的要求。

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蒸汽形式的等温加湿


3.1 蒸汽类

首先,蒸汽加湿因其存在高温过程而具备最高卫生安全性。但是,如果蒸汽分配器安排不当或加湿范围测量不准确,可能也会出现问题。如果当前的加湿范围过小,那么最好选择多个蒸汽分配系统。由于系统空气在均匀蒸汽分配过程中混合更迅速,因此会大幅度缩小加湿范围。

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雾化形式的等焓加湿


3.2 雾化类

从卫生角度来看,纯雾化加湿器存在的问题最大。所需的加湿范围可能变化很大。最重要的是湿度增加之后,雾化加湿水的空气温度、气流速度、气流剖面和气溶胶大小。水气溶胶的漂浮性、相关不良沉积的可能性及其缓慢蒸发让加湿范围的可靠计算变得异常困难。

生物膜的形成导致受微生物污染的加湿水无法完成吸入空气的加湿雾化。不要让水气溶胶进入加湿系统下游的空气管路,否则其可能会在那里沉积,并形成具有卫生危害性的潮湿表面。

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蒸发形式的等焓加湿


3.3 蒸发(湿膜)类

蒸发(湿膜)加湿器的加湿范围由设计决定。但是,必须确保膜体上形成的生物膜不会导致系统中的空气受到微生物污染。

 

 


 
卫生准则之一——

4、加湿段长

4.1 测量加湿段

加湿段由雾化区以及后续的扩展区和混合区组成。雾化区是加湿系统的下游段——从蒸汽的释放到通过系统空气将其完全吸收;随后为扩展区和混合区。所引入的潮湿空气在此与气流均匀混合。加湿段长取决于沿气流方向的后续组件构成。准确确定加湿段长对于防止风道内发生冷凝现象有着非常重要的作用。了解该距离对于正确的湿度控制也具有重要意义,这是因为控制传感器只能安装在具有均衡湿度值的位置。

4.2 蒸汽加湿的加湿段长

自动计算得出的蒸汽加湿段长无法达到足够的精度。在狭窄空间中可设有多个蒸汽分配系统。由于通过大量注入蒸汽,系统空气的混合能够更快,这样加湿段长就能显著缩短。与此同时,蒸汽的均布要求还应与VDI6022中的表1相吻合。

4.3 等焓加湿的加湿段长

诸如双次汽化加湿器或各种湿膜类加湿器的等焓加湿系统,其加湿段长是由设计确定的。确定高压和超声雾化类加湿器的加湿范围要困难得多。最重要的一些变量包括湿度增加量、空气温度、风速、气流剖面,以及尤其重要的雾粒大小。正是雾粒的不良沉积或蒸发缓慢让加湿段长的确定变得非常困难,几乎无法获得可以让我们进行有效评估的可靠信息。只有当等焓加湿系统没有雾粒排出时,才能进行可靠的加湿段长计算。


 
卫生准则之二——

5、防止生物膜

5.1 生物膜的危害

加湿器供水的微生物质量应与饮用水相仿。因此,最多允许100CFU/ml。即使这种情况下,少量微生物也会沉积在水管、蒸发体或加湿器的潮湿区域,并且在一段时间之后形成大量的生物膜。生物膜经过几天到几个月的积累就可以达到其静止期,此时将会难以被人发现。

从此时起,生物膜不断释放细菌,随后加湿水或系统空气受到不受控制的污染。

5.2 加湿过程的哪个阶段会出现生物膜?

几乎在所有被水润湿的表面都可以沉积和繁殖具有卫生危害性的生物膜。风险较高的是:
- 与加湿器相连的供水管
- 加湿系统内部的水管
- 湿膜膜体
- 挡水板
- 储水箱
- 加湿桶

5.3 加湿过程如何避免出现生物膜?

采取适当措施就可遏制或避免生物膜的形成。采取个别的措施并不能达到目的,只有结合所有卫生相关措施才能够确保最终成功。以下方面特别重要:
- 卫生的加湿用水
- 定期的清洗、消毒
- 水管中没有积洼处
- 有效抑菌措施
 

藻类:

藻类是水中植物相关的单细胞或多细胞生物。加湿器特别容易受到绿藻和褐藻的侵袭。这些侵袭可能会造成人体的防御反应(发烧)或过敏。

真菌:

真菌通常会形成可见的菌落,或称为菌花,即使在光滑表面上也可以广泛传播。

它们主要在潮湿区域或系统出气处沉积,通常几周之后开始释放孢子。如果孢子进入人类的呼吸道,它们也会在那里形成菌落并引起霉菌感染。

细菌/病毒:

细菌会产生难闻的气味,并且造成系统中的粘液积聚。军团菌等杆状细菌可引起致命的感染或传播致病细菌,攻击人体免疫系统。

病毒也会在空气中传播,沉淀在宿主细胞内或宿主细胞上,并通过后者细胞中的自身基因组破坏外来生物。

卫生准则之三——
6、含水气溶胶

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6.1 含水气溶胶的健康危害

空调内的气溶胶通常会造成麻烦,因为它们常常会带来健康危害,所以不能让其进入通风管系统:
- 带水气溶胶可沉积在空气管道中,并形成具有卫生性危害的潮湿表面;
- 在加湿用水受到微生物污染的情况下,细菌最终会在吸入空气中与气溶胶相结合;
-由于水气溶胶的尺寸很小,很难或者有时根本无法分离。由于其通常具有漂浮性,能够通过通风管道进行远距离运输,并且不会完全蒸发,最终可能进入吸入的空气中。

6.2 水气溶胶与生物膜的结合

根据其大小不同,吸入的水气溶胶可以进入不同深度的呼吸道。被微生物污染的加湿水可以让有害细菌深入呼吸道内部。因此,当存在生物膜积聚时,水气溶胶必须被作为非常敏感的物质对待。

含水气溶胶在呼吸道中的可渗透深度:
- 呼吸段(测量范围0.5-18.5μm):鼻喉部位10-5μm 、气管5-3μm;
- 胸部(通过喉部进入支气管的气溶胶):支气管3-2μm、细支气管2-1μm;
- 肺部(渗入肺泡的气溶胶):肺泡1-0.1μm。

6.3 有关含水气溶胶潜在危害的临床知识 

因吸入雾化加湿器受污染含水气溶胶引起的外源性过敏性肺泡炎(EAA)多个病例已在临床研究中得到证实。外源性过敏性肺泡炎(EAA)主要由有机粉尘、霉菌、酵母和细菌引起,症状表现为咳嗽和呼吸短促的发烧。其可能会对体弱者造成生命危险。

6.4 含水气溶胶在VDI6022表1中的处理

加湿器的设计和操作必须符合VDI6022表1要求,以确保含水气溶胶不会最终进入风道系统。

6.5 含水气溶胶分离的可能性

通常水雾分离器在将小尺寸含水气溶胶与气流分离时,表现无能为力。由于质量轻,其很容易适应气流方向的变化,因此无法通过离心力的作用分离。但无论如何,生物膜可以在所有分离器装置内部产生,因此始终存在潜在的危险。

典型的水雾分离器图
雾滴直径低于极限雾滴尺寸的含水气溶胶无法分离。它们能够穿过分离器并渗透到系统空气或吸入空气中。无论如何,第6.2节所述的呼吸道有害含水气溶胶都会因为尺寸过小而不会受到阻挡。


卫生准则之四——
7、湿度控制

7.1 卫生加湿的控制概念

从卫生角度来看,加湿系统的适当控制非常重要。必须避免在正在运行的系统无法达到露点,而且空气管道系统不应存在冷凝物沉积。但不管怎样,空气加湿总归是水变化为蒸汽的物质状态变化。不当的控制概念也会导致这种物质状态变化发生逆转。h,x图展示了各种加湿方法的不同热力学过程。鉴于这些过程存在差别,我们一开始就可以确定不存在加湿器控制的通用解决方案。

7.2 蒸汽加湿器的控制

蒸汽加湿是一个近似等温的过程。加湿过程中仅有极其细微的空气温度升高。为此,在湿度控制中通常只会考虑系统或室内空气的湿度值。

7.3 等焓加湿器的控制

在雾化和蒸发的等焓加湿方法中,加湿空气要进行相当程度的冷却。因此,在这些情况下,湿度控制只能与空气温度控制一起进行。
 

控制策略推荐表

 

室内/排气湿度控制
带连续输入空气限制的空间/排气湿度控制
带连续输出设置的进气湿度控制
露点湿度控制
进风等焓湿度控制
排风等焓湿度控制

等温




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等焓-连续可调

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等焓-不连续可调

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卫生准则之五——
8、卫生性证据

可靠的卫生证据应当涵盖所有卫生相关问题,其中包括长期的微生物稳定性、预防性卫生措施以及以卫生为导向的维护概念。


8.1 长期的微生物测量、卫生证书和类型试验

评估加湿系统的卫生证据有很多种,加湿系统通常应当能够实现技术和卫生角度的多年无故障运行。

作为入口物质,吸入的空气还应满足食品卫生要求。除遵守技术标准和相关法律法规外,个人卫生要求也起着重要作用。根据经验,其对吸入空气的要求特别高。

仅通过特定指导确认设备和部件技术和结构合规性的型式试验并不构成卫生方面的证据。卫生安全的一个重要前提是,所有与微生物和卫生相关的要求均已得到充分的考虑和评估。

其中还应包括遏制病菌生长的预防措施,以及基于现有知识的维护和维修活动。因此,只有在涵盖并满足所有必备卫生属性时,才有可能对加湿系统的卫生质量进行评估:
- 遵守技术准则
- 减少微生物的有效卫生措施
- 定期清洁和消毒


9、五项卫生准则

为了确保卫生加湿,必须避免加湿器中出现细菌积聚以及细菌进入系统空气或吸入空气。

无论使用何种加湿方法,均必须始终满足上述5个卫生标准。

在决定采用特殊加湿设备时,建议对拟定的设备技术和卫生措施进行认真审查。最后,可参考可靠的卫生证据评估加湿系统的卫生操作。


10、参考文献

[1] DINEN13779-非住宅建筑的通风
[2] “饮用水条例”
[3] VDI6022表1-通风和空调系统和设备的卫生要求
[4] Recknagel-Sprenger-Schramek:暖通+空调手册07/08
[5] 德国建筑气候研究所:有关室内空气湿度的问题和解答,FGK状态报告8
[6] 德国建筑气候研究所:40%为相对湿度的下限值,FGK报告407
[7] 巴伐利亚州环境和消费者保护部:采用雾化设备的加湿器引起肺部疾病的疑似性,新闻稿第445号
[8] BG职业安全与健康研究所,气候和空气质量中心,第0195号信息
[9] Keune, A.:声明与隐秘之间的健康空气,CCI Print 07/2003
[10] Hüster, R.:卫生和设备领域的现代加湿,VDI报告1921(2006)
[11] Grandjean, E.:湿度中的生物学观点,苏黎世联邦理工学院
[12] Baron,  P.:空气颗粒物(气溶胶)的产生与行为,气溶胶101(国家职业安全与卫生研究所,美国)
[13] Steiner, R.:等焓加湿的理论与实践,TAB10/2006
[14] Steiner, R.:加湿——等焓或者使用蒸汽,TAB03/2007
[15] Bremer, C.:加湿的规划指南标准:关于控制,沃特美尔(气候德国)公司,12/2007(第3版)

 

 

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