我国北方天气较为干燥。 新疆大型医疗机构基于为患者提供新鲜空气同时兼顾节能目的,在通风空调系统形式上一般选择具备加湿除尘功能的干工况蒸发制冷空调系统。 以新疆乌鲁木齐市某三甲医院的急救综合病房楼使用的干工况蒸发制冷空调为例(图1),通风空调采用开放式蒸发制冷式空调机组,病房内采用“干式风机盘管 + 新风系统”,每层设置一个新风机房,共 22 台蒸发制冷式新风机组。 该类机组具有运行费用低、耗能小、日常维护量小等优点,节能环保,适用于干旱地区。 该类机组工作原理为利用干燥的空气通过机组与水直接交换(图 2),必须是开放式,机组内部直接与外界接触,因干旱地区空气中含有的沙尘较多,该类机组虽安装了具有一定除尘功能的设施,但过滤效果并不明显,细小的颗粒仍可通过,带有降温功能的设备表面一般都会产生尘泥层,且不易清理(图 3、图 4),特别是一些安装时间较长、数量较多的开式蒸发制冷设备,此现象更为明显。 又因其具备很高的节能性,且与整体建筑匹配,所以无法完全将其拆除重装。 肺仿生过滤的机理研究 在临床实践过程中,人体肺部过滤机理启发我们思考,为解决上述问题提供一个新思路。 人体呼吸系统具有对吸入空气内不同粒径固体颗粒物进行自我防御、选择性过滤机能,即将进入呼吸系统的固体颗粒物按二级防御体系识别过滤,如图 5 所示。 一级过滤通过鼻腔、气管褶皱及绒毛纤维实现粗效过滤。 二级过滤为肺泡过滤,粗效过滤后进入肺泡的大量气体中仍夹带着固体颗粒物,在与肺泡表面接触时被肺泡内巨噬细胞“吞噬裹挟”。 这之中的有机固体颗粒物被吸收、分解吞噬并通过肾脏排出。 而其中的无机固体颗粒物被巨噬细胞裹挟后通过肺部纤毛缓慢送返至气管,集聚成痰液,通过气管震颤排出,如图 6 所示。 人体的呼吸过滤机制很好诠释了空气过滤的目的和意义。 仿生肺过滤装置的设计 1 仿生鼻腔通道的粗效过滤设计 过滤装置增大过滤膜通风面积,而且将过滤膜由原来的固定式变成卷动式,只需摇动转轴就能更换新的过滤膜,同时采用软密封结构使过滤膜与支撑架、侧壁密封,增加过滤罩密封性,提升通过气体的洁净度。 过滤膜单位面积、单位时间内积灰量减少,有效延长过滤膜更换周期,过滤膜更换耗时少,降低员工操作难度与劳动强度。 实际调查结果是每一个半月更换一次(图 7)。 1 仿生人体肺和肺泡结构的中效过滤 新的肺仿生过滤系统(图 8)采用拓扑学原理,以人体肺和肺泡结构为仿生基础,以拓扑空间固体形态几何尺寸、肺泡排列方式、肺泡堆积密度、肺泡表面黏膜厚度等边界条件为基本参数,以丝状螺旋无序分布的空间柔性变形体为基本形态,依然承担中效过滤及蒸发制冷的功能,且具备自清洗功能。 仿生肺内部是仿照人体肺泡设计的大小不一的孔洞,当未过滤的尘埃附着在仿生肺内部时,仿生肺具有自清洗功能,加湿系统不易结垢堵塞。 从表 2 可以看出,仿生人体肺和肺泡结构的中效过滤器体积、风阻较小,过滤蒸发的效率更高。 因具备自清洗功能,能够克服已有过滤设施易结垢堵塞的缺陷。 通过实践测试,空气过滤设备对颗粒物净化指标,具体如下: 2.00m³/(W・h)≤ η 颗粒物 < 5.00 m³ /(W・h)( η 颗粒物 : 净化器对颗粒物的净化能效)。 TVOC 浓度(出风口 20cm 处)≤0.15 ㎎ / m³ , PM10 浓度(出风口 20cm 处)≤0.07 ㎎ / m³ , 此次改造设计成功实现了仿生的粗、中效分级过滤,已在天津、泰国实现技术推广 , 但该装置基本上依靠经验仿制,其机理不明确,对气体中固体颗粒物粒径、气体流速与仿生肺结构的碰撞规律、捕捉固体颗粒物概率之间关联性等理论尚未研究,指导工程设计缺乏基础理论支撑,无法进行集成设计与推广应用。 随着我国工业化进程的加快 , 无论是工业还是民用都对室内空气质量的要求越来越高 , 空气过滤器的应用范围将越来越广泛 , 高性能、低成本、长寿命的空气过滤技术是今后发展的趋势。 仿生肺过滤技术在完善机理研究后,能够实现集成设计,必将有广阔的运用前景。 节选自本刊2019年10期