《ENERGY AND BUILDINGS》：Energetic comparison of the inactivation of airborne corona viruses using UVC radiation or a conventional HEPA filter in an air purification unit
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为应对室内空气传播病原体风险，研究人员在分散式空气净化装置中，系统比较了紫外线C（UVC）辐射与高效颗粒空气（HEPA）过滤两种技术灭活空气传播冠状病毒（FCoV）的能耗表现。结果表明，在实验条件下，使用低效率LED（4.5%）的UVC灭活所需电能最高可达HEPA过滤的94倍，但通过优化UVC源效率及反应室几何结构可显著缩小能耗差距。该研究为评估和设计兼顾净化性能与能源需求的空气净化系统提供了重要框架。
在COVID-19大流行的阴影下，如何安全、高效地净化室内空气，降低病毒气溶胶传播风险，成为了全球关注的焦点。单纯引入室外新风虽好，却受制于高昂的能耗与暖通空调系统的能力限制。于是，能够实现空气内循环净化的分散式空气净化设备成为了许多室内场所的“救命稻草”。在这些设备中，高效颗粒空气（HEPA）过滤和紫外线C（UVC）辐射是两种主流的病毒去除或灭活技术。前者像一张致密的网，物理捕获病毒颗粒；后者则像一道无形的“光剑”，用特定波长的紫外线破坏病毒的遗传物质。两者在净化效果上似乎难分伯仲，但一个现实而尖锐的问题随之浮现：在追求“净”的同时，我们付出了多少“能”的代价？这两种技术，究竟谁更“省电”？这个问题此前并未得到系统性的解答。为此，由Gerrid Brockmann、Kevin Harry Lausch、Janina Rei?ner等人组成的研究团队，开展了一项深入的能量对比研究，其成果发表在《ENERGY AND BUILDINGS》期刊上。
为了精确回答上述问题，研究人员采用了多学科交叉的研究方法。首先，他们基于一台商用分散式空气净化设备（OurAir TK 850）搭建了实验测试台，将其原有滤芯替换为一个特制的UVC反应室，该室内安装有9排共189颗波长为275 nm的UVC-LED。研究核心在于对比三种配置：仅UVC反应室、加装H14级HEPA滤网、加装E11级EPA滤网。关键技术方法包括：1) 实验测量：使用电能记录仪和流量计精确测量不同配置、不同风量下的设备电功率需求和体积流量；在湍流洁净室中，通过气溶胶发生器和光学粒子计数器，测量设备在有/无HEPA滤网时的颗粒物沉积率。2) 病毒灭活实验：在7 m3的气溶胶舱中，使用猫冠状病毒（FCoV）作为模式病毒，对比评估UVC辐射与HEPA/E11过滤在两种模拟场景（V1：污染源已离开；V2：污染源持续存在）下，运行10分钟和20分钟后的病毒对数减少值。3) 计算流体动力学（CFD）模拟：利用STAR-CCM+软件建立UVC反应室的三维模型，采用拉格朗日多相流和离散坐标法（DOM）辐射模型，模拟气流轨迹与颗粒物所受的照射剂量分布，计算归一化照射剂量。4) 解析建模：建立理想混合房间的污染物浓度衰减模型，用于从理论上分析过滤效率和换气次数对净化效果的影响，并与实验结果对比。
1. 压力损失与功率需求
研究人员测量了不同体积流量下，三种配置（H14滤网、E11滤网、仅UVC室）的电气功率需求。结果形成一条清晰的层级关系曲线：所有配置的功率需求均随流量增加而近似三次方增长，符合流体动力学原理。其中，过滤精度更高的H14滤网导致的压力损失最大，其带来的额外功率需求也最高，E11滤网次之，而仅UVC反应室（无额外过滤）的流阻最小。这为后续单独分析UVC灭活与过滤的能耗差异奠定了基础。
2. 沉积率
颗粒物沉积率测试证实了HEPA滤网的高效性。配备H14滤网时，对于粒径≥0.3 μm、≥0.5 μm、≥1.0 μm和≥3.0 μm的颗粒，平均沉积率均超过99.98%。而不加滤网仅靠设备自身时，对小颗粒的沉积作用微乎其微，对大颗粒（≥3 μm）观察到的轻微正沉积率可能源于风扇内部的机械磨损产生颗粒。
3. 照射剂量分析
通过CFD粒子追踪，研究人员获得了流经UVC室的每条流线所受的照射剂量D。他们将剂量归一化，得到表示颗粒暴露于光源直射下停留时间的归一化照射剂量τ。分析显示，在参考风量（100 m3/h）下，归一化照射剂量的分布呈现一定的分散性。研究比较了原始UVC室（1d0）和经过几何优化的延长光室（1d1）配置。延长光室通过增加颗粒在辐射区的停留时间，有效提高了中位归一化照射剂量。
4. 气溶胶舱中的病毒灭活率
先前已发表的病毒实验数据被用于本次能量分析。结果显示，在V1设置（污染源已离开）下运行20分钟，无论是UVC辐射还是H14过滤，均能降低FCoV浓度超过99%（约2-2.9个对数级）。在V2设置（污染源持续存在）下运行10分钟，降低效果约为63-73%。统计分析表明，UVC与过滤之间、H14与E11滤网之间的灭活效果均无显著性差异。这表明在实验条件下，UVC辐射达到了与高效过滤相当的生物灭活效能。
5. 功率需求对比（核心发现）
这是本研究最关键的量化比较。研究人员绘制了为实现病毒灭活/分离所需的电气功率随体积流量变化的曲线。对于过滤，功率是克服HEPA滤网额外压损所需的风扇功率（“HEPA”曲线）。对于UVC，功率是为使通过反应室的颗粒获得中位剂量为42 J/m2所需LED消耗的电能（264.6 W）。在参考操作点（流量200 m3/h），UVC灭活所需的能量比HEPA过滤高出惊人的94倍。2.">
然而，这一巨大的能量差距并非不可逾越。参数化评估揭示了两大关键影响因素：UVC源的效率和反应室的几何设计。本研究中使用的UVC-LED效率较低，仅为4.5%。分析表明，如果采用优化后的反应室几何结构（1d1），并将UVC源效率提升至20-30%，UVC灭活的能耗可以大幅降低，接近甚至达到与过滤相当的水平。2 for different light source efficiencies ranging from 0.1 to 0.4 and a mechanical filter with pressure losses of 100 Pa and 200 Pa.">
研究结论与讨论
本研究通过实验、模拟与建模相结合的系统性分析，得出了明确结论：在所使用的特定分散式空气净化装置及当前技术条件下（低效率UVC-LED），基于UVC辐射灭活空气传播冠状病毒所需的电能，显著高于基于HEPA过滤去除病毒所需的电能。在案例中，UVC照射10分钟消耗44 Wh，而过滤仅需0.47 Wh，前者是后者的94倍。这一巨大差异主要归因于所用UVC-LED的电光转换效率低下。
然而，讨论部分深刻指出，这一能量对比关系具有高度的参数敏感性和技术依赖性，并非定论。首先，UVC技术的能耗存在巨大的优化潜力。 最关键的杠杆是UVC源本身的效率。研究显示，随着UVC-LED技术的进步，若其效率能从当前的4.5%提升至30%，同时结合优化的反应室几何设计（1d1），那么UVC灭活的功率需求可降至仅比过滤（以平均压损150 Pa计）高约2%的水平，基本实现能耗持平。其次，所需的照射剂量本身是一个不确定变量。 文献综述表明，对不同病毒实现不同对数级灭活（如1-log或3-log减少）所需的UVC剂量范围很宽（从几到几百J/m2），并受病毒类型、环境温湿度、气溶胶状态等多种因素影响。本研究为达到与过滤相当效果所采用的剂量（约40 J/m2单次通过剂量，估计累计剂量约192 J/m2）是有效的，但可能并非最低必需剂量。针对特定目标病毒定制化降低剂量，可直接减少UVC的能耗。最后，两种技术的特性不同。 HEPA过滤能即时物理移除颗粒，且效率不随流量大幅变化；而UVC灭活是一个累积效应过程，依赖于空气的多次循环，在持续有污染源的情况下快速降低浓度可能较慢。此外，过滤器的压损会随使用增加，平均运行压损需纳入能耗考量。
因此，这项研究的重要意义在于它超越了简单的“有效与否”的比较，首次为UVC和HEPA这两种重要室内空气净化技术提供了一个定量的能量效率评估框架。它清晰地揭示：在当前的商业化技术节点上，HEPA过滤在能效方面占有明显优势；但UVC技术，特别是基于LED的方案，正处于快速发展的轨道上，通过提升光源效率和优化系统设计，有望在未来成为能量意义上具有竞争力的选择。该研究提醒系统设计者和决策者，在选择空气净化技术路线时，必须将消毒性能与能源需求一同纳入权衡考量，以推动构建更高效、更可持续的健康室内环境。
