在新型风洞系统中，对温度和相对湿度对222纳米紫外光空气消毒效果进行定量评估

《Journal of Building Engineering》：Quantitative evaluation of temperature and relative humidity effects on 222 nm UVGI air disinfection in a novel wind tunnel system

空气传播是病原体扩散的重要途径，紫外线（UVGI）消毒技术因其高效性和安全性备受关注。本研究通过新型风道测试系统，对比222nm和254nm UVGI在不同温湿度下的杀菌效率，发现温度影响较小而相对湿度显著降低222nm UVGI效果，其杀灭率常数从35.60 cm2/mJ降至0.00 cm2/mJ。该成果为优化UV空气消毒技术提供了关键数据支持。

　　

何俊洲|梁倩顺|张赛冲|余淼|徐洪涛|曹明瑞|苏玉峰|林超凡|金光亚|刘志坚

摘要

空气传播是病原体扩散的重要途径，因此空气消毒对于预防传染病至关重要。紫外线杀菌照射（UVGI）被广泛认可为一种有效的空气消毒方法，最近的研究表明222纳米的UVGI对人体是安全的，这使其成为一项有前景的技术。然而，温度和相对湿度（RH）对222纳米UVGI效果的影响尚未得到充分研究。本研究使用了一种新型风洞测试系统和多点采样方法，考察了温度和RH对222纳米UVGI性能的影响，并将其与传统的254纳米UVGI进行了比较。结果表明，温度对消毒效果的影响很小，而相对湿度则显著降低了其效果。在23摄氏度时，Serratia marcescens的灭活率常数在30%相对湿度下为35.60 cm²/mJ，在43%相对湿度下为36.81 cm²/mJ；但在55%和68%相对湿度下，这些值分别降至9.03 cm²/mJ和0.00 cm²/mJ。此外，222纳米UVGI在消毒效果上优于254纳米UVGI。在23摄氏度且相对湿度为30%的条件下，254纳米UVGI的灭活率常数为15.00 cm²/mJ，远低于222纳米UVGI的35.60 cm²/mJ。这些发现强调了温度和相对湿度在优化基于紫外线的空气消毒中的重要性。

引言

空气传播是多种细菌和病毒病原体（包括结核病、天花、麻疹、SARS、中东呼吸综合征（MERS）、禽流感和猪流感）通过气溶胶颗粒传播的重要途径[[1], [2], [3]]。常见的消毒方法包括使用化学制剂和过滤系统[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。然而，这些方法各有局限性。例如，化学消毒剂可能会留下有害残留物，长期接触可能对人体健康造成呼吸系统、皮肤系统等方面的问题[[12,13]]；在化学物质泄漏的情况下，还可能对环境造成危害，污染水源、土壤和其他自然资源[[10,14]]。虽然过滤器能有效捕捉细菌，但无法灭活病原体，且过滤器表面可能成为微生物滋生的场所[[11]]。此外，过滤器需要定期更换以保持其效率，从而导致较高的运营成本。因此，仅依赖过滤系统进行长期病原体隔离在经济上不可行。

紫外线杀菌照射（UVGI）是一种高效的灭活方法，已被广泛用于消毒目的[[9],[15],[16],[17]]。与其他消毒方法相比，UVGI具有简单、低成本和高效率的特点[[9]]。当微生物（包括细菌和病毒）暴露在紫外线下时，紫外线会破坏DNA/RNA链中的腺嘌呤-胸腺嘧啶键[[18,19]]，导致相邻腺嘌呤之间形成共价嘧啶二聚体[[20,21]]，从而干扰其复制和其他细胞功能，有效灭活病原体[[21]]。在各种紫外线波长中，254纳米是最常用的[[22,23]]。然而，长期暴露于254纳米紫外线会导致皮肤老化、皮肤癌风险增加、眼睛损伤以及免疫系统抑制等一系列不良影响[[24],[25],[26]]。因此，使用254纳米紫外线时必须保持安全距离。

222纳米波长的紫外线通常被称为“安全紫外线”，因为它无法穿透角质层，对皮肤和眼睛的损伤最小[[26],[27],[28]]，同时仍具有有效的灭活效果。因此，222纳米紫外线为同时实现消毒和人类安全提供了可行的解决方案。例如，在大多数食品加工设施中，不当的着装、操作程序和设备等因素都可能导致人体成为污染源[[29]]。222纳米紫外线的出现为解决这一问题提供了有效方法。

尽管已有许多研究探讨了222纳米紫外线的消毒效果[[19],[30],[31],[32],[33]]，但这些研究主要是在固定的温度和相对湿度条件下进行的。目前缺乏关于222纳米紫外线在不同温度和相对湿度条件下实际空气消毒效果的研究。

因此，本研究系统地比较了不同温度和相对湿度水平对222纳米紫外线消毒效果的影响。风洞作为暖通空调系统的重要组成部分，直接影响室内人员的健康、效率和舒适度[[32],[34],[35],[36]]。因此，风洞系统的清洁度至关重要。本研究设计了一个风洞系统来模拟实际场景并评估其消毒效果。研究结果为紫外线灯在空气消毒中的应用提供了宝贵的见解和数据支持，也为未来优化紫外线消毒技术奠定了基础。

实验系统设计

为了研究在不同温度和相对湿度条件下紫外线对生物气溶胶的灭活效果，使用了一个截面积为600毫米×600毫米的实验风洞测试系统（如图1所示）。室内空气进入风洞测试系统，推动生物气溶胶在风洞内流动，经过紫外线消毒后最终被排出。这一过程可以分为五个阶段。

紫外线辐照度

为了准确测量系统内的辐照度，将辐射区域划分为10厘米的间隔，并将每个横截面进一步划分为多个测量点。使用辐照度计从六个方向（上、下、左、右、前、后）测量每个点的辐照度。每个点的总辐照度是通过将六个方向的辐照度值相加得到的。然后通过对每个横截面的辐照度值进行平均，得到该横截面的总辐照度。

CRediT作者贡献声明

何俊洲：概念构思、资金获取、正式分析、项目管理、方法论设计、监督、研究实施、资源协调。梁倩顺：正式分析、数据整理、可视化处理、软件开发、研究实施、验证、方法论设计。张赛冲：正式分析、数据整理。余淼：正式分析、数据整理。徐洪涛：正式分析、数据整理。曹明瑞：正式分析、数据整理。苏玉峰：正式分析、数据整理。林超凡：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52208107）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2605300）、河北省自然科学基金（项目编号：E2024502012）、河北省教育厅科研项目（项目编号：BJ2025021）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：2024MS146）的支持。