公衛防疫武器-UVGI殺菌系統簡介

 

洪明瑞
明志科技大學 環安衛系助理教授
24347 新北市泰山區貴子里工專路84號
Tel: 02-29089899-4657, Fax: 02-29041914, E-mail: mingjui@mail.mcut.edu.tw
李中光
萬能科技大學 環境工程系教授
32051 桃園縣中壢市水尾里萬能路1號
Tel: 03-4342379-64, Fax: 03-4622232, E-mail: anthony@mail.vnu.edu.tw

  

ㄧ、前言
  自1976年美國賓州費城市發生「退伍軍人症」或稱「軍團病」(Legionnaires disease, LD),造成 34人死亡(其後二十餘年來,全球約有三十幾個國家先後爆發過50幾起的退伍軍人症的大流行)以來,人類即經常面對各種公衛問題的困擾與威脅。諸如:1993年WHO全球健康緊急事件(結核病傳染);1993年英國瘋牛病高峰期(牛海綿狀腦病);1996年日本O-157事件(大腸桿菌);1999年比利時二惡英事件(畜禽類產品及乳制品污染)等幾件大家所熟知的重大公衛事件。進入二十世紀後,人類的公衛問題似乎更加地層出不窮,且越來有越嚴重的趨勢。2001年美國紐約繼蓋達組織(al-Qaeda)「911 恐怖攻擊事件」後,隨後發生「美國白宮郵件炭疽菌 (Anthrax) 攻擊事件」以及陸續發動的「生化武器攻擊」;2002年∼2003年期間「嚴重急性呼吸道症候群」(Severe acute respiratory syndrome, SARS)所引發的病毒傳染與全世界性的恐慌以及東亞地區爆發禽流感(Bird flu或Avian influenza)大流行;2009年墨西哥爆發H1N1疫潮;2010年死灰復燃並俟機而動的H3N2流感病毒;以及2011無所不在的「建築物綜合症或病態大樓症候群」(Sick building syndrome, SBS)與日趨嚴重的「室內化學物質過敏症」(Sickhouse 或 Multiple chemical sensitivity, MCS)以及健康隱形殺手的「建築物關聯症」(Building-related illness, BRI)等更接踵而至[1]。
  綜觀近年來人類所遭遇較為重大且嚴重的公衛事件,主要大都為細菌(Bacterial)或病毒(Virus)的傳染問題,此因長期以來人類對於各種藥物的濫用、全球暖化與氣候環境的變異,加以細菌與病毒本身的抗藥性、適環性、組織修復、光再活化現象(Photoreactivation)以及基因變異(Genetic variation)等複雜因素,促使細菌或病毒的種類越來越多且有越來越強悍、越來越難以對付的現象。因此,醫學界與公衛領域近年來已陸續提出警示,強悍病毒(世紀病毒、超級病毒、殺不死的病毒等)的陸續出現與肆虐,已是人類二十一世紀無可迴避的生存危機與環境永續發展的重大挑戰(如圖1)。面對細菌與病毒看不到、摸不著且無所不在、無聲無息的潛在威脅,人類在日常生活中所接觸的各種器具、物品以及所活動的各種室內空間,該如何建立一套主動且有效的防疫機制,實為現今公衛問題上最為迫切且棘手的課題。

          
                       圖1 人類近年來的重大公衛問題

  因應上述各種公衛問題引發的潛在生存危機以及我國「室內空氣品質管理法」於101年11月23日正式實施的迫切性,健康建築(Health building, HB)、建築預防醫學(Building of preventive medicine)、建築治療醫學(Building therapeutics)、免疫建築(Immune building, IB)的居住概念逐漸興起[2]。因此,建築醫生(Building doctors)、病態建築診斷技術(Sick building diagnostics)、防疫產品以及各種室內空氣品質淨化技術等勢將成為未來炙手可熱的新興產業(如圖2)。其中,具備高劑量(≧40,000W·s/cm2)的紫外光殺菌照射法(Ultraviolet germicidal irradiation, UVGI)技術,因具有殺菌速率快、滅菌率高、持續力強以及無衍生二次污染等特性,已逐漸在醫療院所、食品衛生以及辦公大樓空調系統淨化等領域廣受推崇與使用。有鑑於此,本文針對紫外光波長的特性與分類、紫外光之殺菌原理、紫外光殺菌劑量之計算、紫外光殺菌照射等級與微生物致死率、影響紫外光殺菌照射成效的因素、使用紫外光殺菌應注意的事項以及其應用方式等進行系統性的介紹,期能作為相關產業評估採用UVGI技術的參考。

           

                    圖2 人類居住環境滿足公衛需求的發展趨勢

二、紫外光殺菌照射法簡介

1. 紫外光光波長特性與分類
  紫外線係一種電磁輻射(Electromagnetic divergence),波長介於可見光與X光之間,依波長大小可區分為UV-A(黑斑效應紫外線,波長320~400nm或315~400nm)、UV-B(紅斑效應紫外線,波長275~320nm或280~315nm)、UV-C(滅菌紫外線,波長200~275nm或200~280nm)以及UC-D(真空紫外線VUV,波長100~200nm或10~200nm)等四個範圍[3,4],如表1所示[4]。其中,短波的UV-C被視為「滅菌紫外線」,係因其殺菌效果最佳,尤其在250~270nm之波段時最強。而紫外線波長的範圍約與分子結構(Molecular structure)的大小相當,如圖3所示,比原生動物(Protozoan)來的小[5],而該波長範圍則與微生物,如:細菌(1~10m)、真菌菌絲(1~10m)、SARS病毒(80nm)、病毒(20~200nm)的大小最為接近[6],因此較容易為微生物所吸收進而影響或改變其基因。

                        表1 紫外線波段之類型[4]
          

 

          
                    圖3  光譜圖與近似物質大小之比擬[5]

2. 紫外光之殺菌原理
  UVC的波長短,光量子能量大(95~125kcal/mole),故生物效應顯著,對微生物的破壞力相當強。當空氣中微生物遇到該波段的紫外線,UVC會穿透微生物的細胞膜與細胞核,細胞中的核酸(Nucleic Acid)、(Pyrimidine)、(Purine)與蛋白質(Protein)將強烈吸收該波段能量而產生化學變化,迫使其間的分子鍵被打開、斷裂,進而失去複製能力與活性。其中,蛋白質對紫外線的吸收高峰在280nm處,去氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid, DNA)與核糖核酸(Ribonucleic acid, RNA)則在250~260nm波段,此即圖4中UVC對於微生物的照射功率以253.7nm的效率最佳,以及市場上常用低壓汞燈輸出253.7nm(俗稱254nm)紫外燈做為滅菌之主因。圖5進一步以大腸桿菌(E. coli)的殺菌效率為例,以260nm~265nm的波段對於大腸桿菌的滅菌最具功效[4]。
  UVC之光波能量會刺激氣體,使成為高能量之氣化狀態,這些高能量的等離子能夠摧毀諸多的有機污染物質。此一摧毀的機制主要涉及分子氧的光解作用,意即構成高度氧化的成分,例如原子氧和臭氧,隨之同污染物進行交互作用,並將其中的大部份轉化成二氧化碳、水及鹽等無害物質。至於,UVC殺死微生物主要係針對DNA的反應,引起DNA鍵上兩個鄰近的胸腺嘧啶分子形成胸腺嘧啶 二聚體(Thymine dimers)「T=T」,迫使微生物不能複製而死亡[4,7-9],如圖6及圖7所示。另外,UVC在核酸內所引起的光水合反應(Light hydration)以及核酸與蛋白質相互作用時的光架橋等反應,也存在某種程度的影響。核酸為承擔生命遺傳現象與所有重要生命機能的生命本質,一旦發生變化或是損傷,當然不利生命的延續。

     

圖4 各種UV波段之照射強度(功率)[4]

圖5  高低壓紫外光不同波長對於大腸桿菌的殺菌效率[4]


(a)相鄰核酸吸收紫外線後形成胸腺二聚體


(b)紫外光造成微生物形成二聚化的光動力學情形

圖6  紫外光對於微生物DNA或RNA的破壞機制[4]

  
圖7  UVC以光線穿透並破壞DNA而進行滅菌作用[7]

3.紫外光殺菌劑量之計算
 紫外線之殺菌效率取決於兩大因素,其一為所採用的燈具能否精準地輸出253.7nm的波長,另一則為對於微生物的照射(輻射)劑量。其中,照射劑量 ID(W-sec/cm2)的大小則為燈具照射強度 II(W/cm2)與照射時間 t(sec)的乘積,如下:
                 (1)
式中,Euv為燈管的紫外線輸出功率(W);r為燈管的半徑(cm);l為燈管的長度(cm);Ftot則為總輻射角係數(平面A1到平面A2的角係數,如圖8所示),另定義如下[8,10-13]:
   (2)
式中,H=x/r;L=l/r;X=(1+H)2+L2 ;Y=(1-H)2+L2;x則為任意點到燈的距離(cm)。

  
圖8  微元面對柱形面之角係數示意圖[8,11]

  研究上發現,微生物在UVC照射後之存活率(Survival rate)S(t),有呈指數遞減方式的趨勢,可以下列數學式表達其衰減情形:
  (3)
  式中,k為標準衰減率常數(Standard decay-rate constant, cm2/W-sec),由微生物對紫外線照射殺菌的敏感性來決定,其對每一種微生物均不同。事實上,大部分的微生物在UVC照射下的存活率為兩階段的鈍化曲線(Inactivation curves),每一階段均有一常數,如圖9所示[7,14]。整體曲線由兩部分所構成,第一階段為快速衰減曲線,以易損害為主;第二階段為則緩慢衰減曲線,以抵抗性為主,數學式如下:

  
圖9 微生物兩階段存活率曲線[7,14]

         (4)
式中,kf為迅速衰減常數(cm2/W-sec);ks為緩慢衰減常數(cm2/W-sec);F則為迅速衰減在開始時的總數量中所占的比例。

4.紫外光殺菌照射等級與微生物致死率
  依據消毒殺菌的標準,每一種的微生物都有一定特定的UVC殺菌死亡標準劑量,其照射劑量ID(W-sec/cm2)是根據照射強度II(W/cm2)與照射時間t(sec)的乘積。表2及表3為UVGI等級標準與典型的致死率及消滅有機微生物對UVGI劑量的要求,其中k為標準衰減率常數(Standard decay-rate constant, cm2/W-sec),由微生物對紫外線照射殺菌的敏感性來決定,其對每一種微生物均不同[15]。

表2 UVGI等級標準值與典型的致死率[15]

UVGI等級
標 準 值

UV-C劑量
W-sec/cm2

炭疽菌
致死率

流感病毒
致 死 率

天花病毒
致 死 率

結核菌
致死率

1

1

0

0

0

0

2

10

0

1

2

2

3

20

0

2

3

4

4

30

0

3

4

6

5

50

1

6

7

10

6

75

1

9

11

15

7

100

2

11

14

19

8

150

2

16

20

27

9

250

4

26

32

41

10

500

8

45

53

66

11

100

15

69

78

88

12

1,500

22

83

90

96

13

2,000

28

91

95

99

14

3,000

39

97

99

100

15

4,000

49

99

100

100

16

5,000

57

100

100

100

17

6,000

63

100

100

100

18

8,000

74

100

100

100

19

10,000

81

100

100

100

20

20,000

96

100

100

100

k衰亡常數(cm2/W-sec)

1.67×10-4

1.187×10-3

1.1528×10-3

2.132×10-3

表3 消滅有機微生物對UVGI劑量(W-sec/cm2)的要求

細菌 Bacteria

孢子類型 Mold Spore

Agrobacterium tumefaciens農桿菌(細菌性腫瘤病菌)

8,500

Aspergillus flavus(yellowish green)黃麴毒素

99,000

Bacillus anthracis炭疽桿菌

8,700

Aspergillus glaucus(bluish green)青黴菌

88,000

Bacillus mrgaterium(vegetative)細小芽孢桿菌(植物生長狀)

2,500

Aspergillus niger(black)黑黴

330,000

Bacillus mrgaterium(spore) 細小芽孢桿菌(孢子狀)

52,000

Mucor ramosissimus(white gray)分岐白黴菌

35,200

Bacillus subtillis(vegetative)枯草菌(植物生長狀)

11,000

Penicillum digitatum(olive)綠黴

88,000

Bacillus subtillis(spore)枯草菌(孢子狀)

58,000

Penicillum expensum(olive)黴菌

22,000

Clostridium tetani破傷風桿菌

22,000

Penicillum roqueforti(green)黴菌

26,400

Corynebacterium diptheriae白侯桿菌

6,500

Rhizopus nigricans(black)黑根黴

220,000

Echerichia coli大腸埃希氏桿菌

7,000

-

-

Legionella bozimanii退伍軍人桿菌屬

3,500

-

-

Legionella dumoffii退伍軍人桿菌屬

5,500

-

-

Legionella gormanii退伍軍人桿菌屬

4,900

藻類Algae

Legionella micdadel退伍軍人桿菌屬

3,100

Chlorella vulgaris (algae)綠球藻

22,000

Legionella longbeachae退伍軍人桿菌屬

2,900

-

-

Legionella pneumophila退伍軍人桿菌屬嗜肺性

3,800

-

-

Legionella interrogans(infectious jaundice)退伍軍人桿菌屬黃疸感染性

6,000

-

-

Mycobacterium tuberculosis肺結核分支桿菌

10,000

原生動物Protozoa

Neisseria catarrhaiis奈瑟氏雙球菌屬鼻黏膜炎性

8,500

Nematode eggs線蟲卵

92,000

Proteus vulgaris變形桿菌屬

6,600

Paramecium草履蟲

200,000

Pseudomonas aeruginosa(laboratory strain)綠膿桿菌

3,900

-

-

Pseudomonas aeruginosa (environmental strain) 綠膿桿菌

10,500

-

-

Rhodospirilum rubrum紅螺旋菌

6,200

-

-

Salmonella enteritidis沙門氏桿菌腸炎菌株

7,600

病毒Virus

Salmonella paratyphi (Enteric fever)沙門氏桿菌副傷寒菌株

6,100

Bacteriophage(E.coli)噬菌體

6,600

Salmonella typhimurium沙門氏桿菌血清型

15,200

Hepatitis virus肝炎病毒

8,000

Salmonella typhosa(Typhoid fever)沙門氏桿菌傷寒菌株

6,000

Influenza virus流感病毒

6,600

Sarcina lutea藤黃八疊球菌

26,400

Poliovirus小兒麻痺病毒

21,000

Serratia marcescens黏質沙雷氏菌

6,200

Rotavirus輪狀病毒

24,000

Shigella dysenteriae(Dysentery)痢疾桿菌A群

4,200

Tobacco mosaic virus菸草嵌紋病毒

440,000

表3 消滅有機微生物對UVGI劑量(W-sec/cm2)的要求(續)

細菌 Bacteria

病毒Virus

Shigella flexneri (Dysentery) 痢疾桿菌B群

3,400

Virus of Infectious Hepatitis 傳染性肝炎病毒

8,000

Shigella sonnei 痢疾桿菌D群

7,000

-

-

Staphylococcus epidermidis 表皮葡萄球菌

5,800

-

-

Staphylococcus aureus 金黃葡萄球菌

7,000

酵母菌Yeast

Streptococcus faecalis 不溶血性鏈球菌

10,000

Baker's yeast 麵包酵母菌

8,800

Streptococcus hemolyticus 溶血性鏈球菌

5,500

Brewer's yeast 啤酒酵母

6,600

Streptococcus lactis 乳酸鏈球菌

8,800

Common yeast cake 一般麵酵母菌

13,200

Streptococcus viridans 草綠色鏈球菌

3,800

Saccharomyces ellipsoideus 葡萄酒酵母

13,200

Vibrio cholerae 霍亂孤菌

6,500

Saccharomyces sp. 酵母菌群

17,600

5.影響紫外光殺菌照射成效的因素
  影響紫外線消毒殺菌的因素大致上可分為空氣中的溫度、流速、濕度、紫外燈的位置、微生物的種類以及照射劑量等,以上因素均會造成紫外光殺菌的成效。
5.1溫度
  紫外燈在環境溫度20℃的靜止空氣中具有最大的輻射輸出,當空氣中的溫度較高或較低時,都會影響燈管表面與空氣的換熱,進而影響燈管內部的溫度場,使輻射輸出減小。研究資料顯示,5℃ 時的紫外燈有效輸出約為 66%,而 40 ℃時的紫外燈有效輸出約為 88%。此外,紫外燈的輻射輸出會隨使用時間的增加而減弱,而空氣溫度也影響輻射輸出衰減的速率[4,13,16]。
5.2空氣流速
  對於風管內照 (In-duct UVGI) 紫外燈的型式,空氣流速增加會強化紫外燈的冷卻效果,降低燈管內部溫度,進而減少輻射輸出。對於上層空間照射法 (Upper-air UVGI),空氣中流速增加時,會加強室內的空氣混合比,將空氣中下部的微生物以及微粒帶入上部空間進行消毒,進而提高殺菌效率;反之,當空氣中的流速太高時,則會因流速太快而縮短對微生物的照射時間,因而使殺菌效率降低。因此,空氣中的流速不可過快或過慢,且須要有適當的混合比,才能夠發揮出最有效率的滅菌效果。
  室內空氣流速可利用換氣率的方式來表示,其與殺菌數量之關係如圖10所示[16]。至於,圖11則進一步顯示紫外線的輻射強度為周圍空氣溫度與速度的函數[16]。

 
圖10 不同換氣次數下的殺菌數[16]      圖11 不同溫度與風速下的輻射強度[16]

5.3空氣相對濕度
  由於水分子能夠吸收部分的紫外線,故相對濕度較大時會減低紫外線的穿透率力,降低消毒效果。研究資料顯示,對於風管內照 (In-duct UVGI) 的型式,當空氣溫度為24℃,流速為 0.472m/s,相對濕度在35-85%範圍內,紫外線輻射強度與空氣相對濕量成反比[17];而當相對濕度為70%、80%、90%時,為達到同樣的滅菌效果,燈管的輻射強度必須分別增加50%、80%以及90%[18]。換言之,在相對濕度較高的場合,應適度增加紫外線的功率或佈置數量以確保殺菌效果。此外,李星儀(2011)[19]的研究指出,相對濕度 < 60%時可獲得較佳的紫外線輻射強度。對於一般室內空調系統,室內環境常設定20-26 ℃的溫度以及40-60% 的相對濕度,此範圍對於紫外線輻射強度輸出的影響較為微小。
5.4反射輻射的影響
  根據Kowalski et al. (2000)[7]的研究指出,UVC輻射在空間中傳遞的過程,於一定的範圍內將有多次反射的能力,圖12所示即為直射輻射與多次反射輻射的比較。圖中顯示,總反射的效果,其所貢獻的總輻射強度高於主射輻射的強度,顯見強化箱體內部材質表面反射的重要性與滅菌效益。
  李建興等人(2006)[16]的研究亦指出,對於空調風管的內照法,內襯材料的反射特性將影響著空間輻射場的分布情形。一般而言,為增加UVC 燈的輻射強度,空調風管內應儘量選用對紫外線反射率高的內襯材料或塗料(如:鋁板、光面錫箔紙、拋光鋁板等)。


圖12 UVC燈直射輻射與反射輻射之比較[7]

5.5燈管佈置型態的影響
  根據 Kowalski et al.(2000)[20]的數值模擬研究,在同一空氣與UVC燈管性能之條件下,燈管與氣流垂直的橫向流 (Cross flow)以及燈管與氣流平行的軸向流 (Axial flow) 配置型態(如圖13所示),其滅菌效率並不相同;原則上,橫向流的配置形態為徑向輻射,故而有較佳的滅菌效果 (如圖14所示)。此亦可由宗杰等人 (2006)[13]在醫院中的實場研究獲得證實,如表4[13]所示。


圖13 UVC燈管橫向流(左)與軸向流(右)示意圖[20]


圖14 UVC燈管橫向流(左)與軸向流(右)之滅菌效率[20]

表4  實場應用紫外燈佈置型式的滅菌效率[13]

佈置型式

紫外燈數量

滅菌效率(%)

B.subtilis

A.versicol

垂直氣流方向

6

99

56

3

76

20

平行氣流方向

6

67

40

3

30

17

備註:B .s ub tilis為枯草芽胞桿菌;A.versicolor為曲霉菌。

5.6其他因素
  微生物的種類亦是影響殺菌的因素之一,因不同的微生物對於紫外線的抵抗而有所不同,如在相同的輻射劑量照射下,可能部分微生物會死亡,亦有部分可能因照射劑量不夠而存活;因此,選用紫外燈進行殺菌時,燈照射的輻射劑量是非常重要的關鍵因素[4,13],如前述表3[13]所示。
  隨者紫外燈的點燈次數以及長時間的使用情況下,均有可能會使紫外燈的壽命減少,因而造成紫外燈的殺菌效果降低;因此,必須定期更換紫外燈管,以確保良好的殺菌效率。至於,紫外燈長期使用一段時間後,因燈管表面可能沾染污垢,而使紫外線的照射強度減弱,因此亦必須檢查燈管表面是否沾染污垢,並且定期進行燈管表面的清潔維護,才不會影響到紫外燈的照射強度[4,16]。

6.使用紫外光殺菌應注意的事項
  毫無疑問的,UV波長(包括UVC)對人類和其他生物體係有害的,對於人體而言,皮膚曝照在消毒殺菌的UV波長下,可能導致曬傷,在某些情況下可能會導致皮膚癌。眼睛曝照在UV輻射下,可能會導致角膜疼痛、角膜曬傷或角膜炎等傷害,造成臨時性或永久性的視覺損傷,甚至嚴重到造成失明(UV能損傷眼睛的視網膜)。因此,絕大部分UVGI系統的燈具,須被隔離或是限制照射在密閉空間中,譬如:一個密閉的儲水箱或密閉的空氣循環系統,通常是使用連控方式,自動關閉UVC燈,當系統被人打開時,自動關閉UV燈,來強制降低對於人體曝照的潛在危險與風險,使用時必須小心謹慎。
  有關人體手紫外線殺菌照射後之安全性探討,國內外之關研究與臨床經驗並不多見,然根據國內奇美醫院胸腔內科之學術探討中則曾提出[21]:
1. UVGI是利用254 nm波長之UVC。
2. 能量雖高但穿透力小,穿透皮膚的量約<5%。
3. UVC無法穿透角膜,故無法到達水晶體,不會造成白內障(Cataract)之傷害。然UVB波長較長,能量較低,但穿透力較強,若長時間曝露陽光,較有可能造成皮膚癌(Skin cancer)與白內障,並會造成全身免疫力(Immunity)的下降,進而活化人體免疫缺損病毒或稱艾滋病病毒(Human immunodeficiency virus, HIV)。
4. 直接曝露於強力的UVC後,可能進一步引起皮膚發紅與眼睛之光角結膜炎(Photokeratoconjunctivitis)等症狀。
5. 對於眼睛傷害之程度取決於「凝視時間」(Stare time)。
  紫外線輻射的分佈必須嚴格控制以限制人體的暴露,過度暴露於紫外線輻射在254nm可引起暫時性發紅類似於人體皮膚曬傷和炎症結膜眼。根據美國政府工業衛生會議(The American Conference of Governmental Industrial Hygienists, ACGIH)的建議,以每天正常的8小時工作,在254nm的輻射量應小於或等於0.2W/cm2,如圖15所示。此要求可藉由控制的箱體、燈罩或向上開口百業等設計,使紫外線的直接輻射僅限於空間的上半部,同時使用UVC吸收材質來達成(如圖16所示)[22]。至於,Martin Jr. et al.(2008)[23]則建議,不管安裝於天花板或牆壁上的UVGI系統,自地板面算起,至少應有7英呎(2.1公尺)的安全曝露高度,如圖17所示。


15 人體在空間中的UV-C安全曝露高度與劑量示意圖[22]


圖16  以壁掛照射方式控制人體安全曝露於UVC燈照射示意圖[22]


圖17  UVC燈下方人體安全曝露高度示意圖[23]

三、UVGI的應用場合
1. UVGI與其他清潔技術之差異性
  建築物內部空間之清潔管理與維護作業,大多定期地利用藥劑,如:俗稱漂白水的次氯酸鈉 (Sodium hypochlorite)、各種清潔用品或空氣清淨設備等進行室內空氣的消毒與淨化;然其不但費時耗力、維護成本高且往往衍生二次污染以及抗藥性(Drug resistance)等問題,無法真正達到治本的目的。
  UVGI 具有成本低廉、安裝方便、操作簡單、淨化效率高、無二次污染以及應用廣泛等特性(如表5[21]之說明),在醫療消毒、流感抑制、空間淨化、免疫建築(Immune building)、食品衛生、養殖產能、農業發展、工業製程、環境保護以及公共衛生等相關領域之殺菌、淨化與污染防治等功效,已普受國際間之推崇,而國內在幼教、診所、醫院、餐飲、食品廠以及企業辦公大樓等亦被廣泛地應用,逐漸成為新一代室內空氣品質淨化的利器。

表5  UVC與氯及臭氧等一般消毒法之比較[21]

2. UVGI的應用領域與消毒對象
  UVGI的應用領域與消毒對象極為廣泛,舉凡:醫療消毒、流感抑制、免疫建築、食品衛生、農業養殖、工業科技、環工淨化以及家電產品等各行業,都已普遍利用UVC燈進行殺菌與淨化的用途。今礙於篇幅,僅針對免疫建築的應用方式,簡要說明如下。


圖18 UVGI的應用領域與消毒對象

  UVC燈具對於室內空氣品質的淨化方式,往往需視場址內部的通風條件、空調型態(如:中央空調AHU、中央空調FCU、窗型冷氣、分離式冷氣等)、天花板結構、室內裝修條件以及建築空間與隔局大小等之情況而定,同時尚須配合使用場所或使用者作息型態的不同而有不同的需求,方能因地制宜地設計有效且安全的UVGI淨化系統。就近年來國內、外有關公眾建築物、辦公大樓、餐廳、旅館、醫院、食品廠以及一般住宅等之應用情形,主要有四種常見的佈設型態,分別簡要說明如下:
2.1上層空間UVGI消毒系統
  一般而言,機械式通風(Mechanical ventilation)的空調系統,主要係由空氣處理裝置(Air handling unit)與風管(Duct)兩大部分所組成;空氣處理裝置負責對空氣進行冷、熱處理,而處理過的空氣則藉由風管送往各個室內空間,如圖19[24]所示。由於風管內壁濕度較大,空氣中的粒狀污染物(Particulate pollutants)很容易黏附在其表面,日積月累即形成厚厚的塵垢,加以風管內部陰暗且具有適宜的溫度、相對濕度,又有塵垢提供養份,因而就成了滋生細菌與霉菌等微生物的溫床,往往成為室內空間主要的生物性氣膠污染來源。因此,如能於空調系統中適當的安裝UVC燈具進行及時且長期的殺菌作用,對於降低室內的生物性氣膠(Bioaerosol)並改善室內空氣品質,往往能發揮相當具體的功效,如圖20[15]所示。

   
圖19  AHU與FCU中央空調系統[23]     圖20 空調設置UVC燈具示意圖[15]

  將室內的上部空間(天花板以上以及空調系統、管線等)視為一密閉的消毒櫃,消毒機制如圖21[25]所示。其作法係將UVC燈裝設並隱閉於輕鋼架天花板內之回風口、出風口、集風箱以及空調箱等處所,如圖22所示,其目的除避免直接照射下方之人員外,主要係將容易藏污納垢的空氣處理裝置(空調箱、集風箱、冷卻盤管等)、風管以及天花板內部等進行直接且充分的淨化作用。此時,空氣循環過程中之氣狀污染物(VOCs, HCHO等)以及各種微生物(細菌、病菌、霉菌等)等氣流,均能於室內上部空間進行充分的停留、長期照射以及即時的殺菌作用。上層空間UVGI消毒系統的燈具可全天候24小時開啟,或設定所需淨化時間採自動關滅的方式運作。


圖21 UVGI上層空間消毒機制意圖[25]

(a)空調箱冷卻盤管照射

(b)空調箱濾網照射

(c)空調箱風機照射

(d)集風箱冷卻盤管照射

(e)集風箱外部照射

(f)天花板內部照射

(g)風管內部照射

(h)風管出風口照射

(i)風管回風口照射

圖22 上層空間UVGI消毒系統的應用

2.2直接照射法
  直接將UVC燈吊掛並曝露於天花板下方,或夾設於欲照射物品之表面附近,如圖23所示,即可對室內下部空間的空氣或物品表面的微生物進行殺菌作用;由於UVC燈係直接曝露在外,故須待室內無人的狀態或作業場所下班的時段方能開啟。UVGI在直接照射法的應用上,一般常利用下班或夜間時段進行室內空氣品質的淨化,或彈性地應用於所欲淨化的物品表面(如:棉被、枕頭、衣襪、食品、器皿等)或密閉空間(如:壁櫥、衣櫃、衛浴間、儲藏室等)進行即時且直接的淨化作用。直接照射法的目的若係應用於室內空氣品質之淨化時,通常須配合一定的流場條件(自然流通或強制循環氣流),藉以加速將空間四周中的生物氣膠與髒空氣引入UVGI的有效範圍內以進行充分的照射,方能有效提昇並加速直接照射法的淨化效能。

 

(a)會議室直接照射

(b)空廚直接照射

(c)一般廚房直接照射

(d)倉儲貨物直接照射

(e)辦公室直接照射

(f)臥房床褥直接照射

P1000610

P1010646

(g)衛浴設備直接照射

(h)養雞場地板直接照射

(i)家蚊除蟲直接照射

P1010483

(j)冷卻水塔直接照射

(k)牆壁壁癌直接照射

(l)污水坑直接照射

圖23  UVGI直接照射法的應用

2.3間接照射法
  將UVC經燈罩隔離並美化後,如同桌上或床頭裝飾燈的方式使用,或利用可調整角度之百葉燈罩,如同壁燈般設置於牆面2.4∼2.7m左右的高度或直接懸吊於天花板下方,即可避免下方人員受到UVC的直接照射,並對空間的上部空氣進行連續性的照射,如圖2.7所示。一般而言,UVC在間接照射法的應用上,該燈具可全天候開啟或設定所需淨化時間採自動關滅的方式運作,然為加速淨化的效率,同樣亦須配合強制循環風扇的設計,將周圍或下方污染的空氣強制引入燈箱內進行淨化後再由上往下輸送以供應給室內人員乾淨的空氣;另外,為強化UVGI的照度或殺菌劑量,UVC燈罩或百葉之內部表面的設計,往往須結合亮面及高反射之材質,藉由主劑量以及二、三次反射劑量的加乘與放大效果,在短時間內提供高劑量以達成充分滅菌的功效。

(a)無強制空氣循環之間接照射

(b)具強制空氣循環之間接照射

圖24  UVC燈間接照射法空氣循環示意圖

  UVGI間接照射法之應用已在歐美等國家逐漸受到重視,並有被廣泛使用於公眾場合的趨勢(如:醫院、辦公大樓、旅館、餐廳、食品廠、拖托兒所等),如圖25所示。主因乃在於「上層空間UVGI消毒系統」雖可充分對於生物性氣膠的固定來原(Stationary sources)進行全天候且即時性的殺菌作用,但對於室內移動性(Mobile sources)的生物性氣膠(如:人體表面、人體衣物、人體呼吸、寵物、食物等)而言,則須透過空調循環的過程方能進行處理,在淨化時效性上有延遲的問題。至於,「直接照射法」卻不能於人體及寵物於室內活動時照射,亦無法對移動性的生物性氣膠進行即時性的殺菌作用。換言之,對於室內移動性生物性氣膠的即時滅菌而言,必須UVC燈能就近照射並隨時開啟方能確實達成功效,而此則有賴於「間接照射法」的採用。

(a)居家間接照射

(b)餐廳間接照射

(c)生產廠間接照射

(d)室內走廊間接照射

(e)辦公室間接照射

(f)托兒所間接照射

(g)飯店間接照射

(h)醫院間接照射

(i)病房間接照射

圖25  UVGI間接照射法的應用

  至於,UVGI間接照射法的燈具設計型式,主要有桌(地)面放置型、壁面側掛型、天花板懸吊型等樣式,如圖26及圖27所示,其氣流輸送方式說明如下:
(1)桌(地)面放置型UVC燈組
  氣流主要係由下(或側邊)往上輸送,意即髒空氣由下方(或側邊)風扇強制吸入箱體內進行淨化後,再由上方開口送出。
(2)壁面側掛型UVC燈組
  氣流輸送有兩種方式,其一為水平氣流,即髒空氣由左、右兩側或下方強制引入箱體進行殺菌作用,隨後之空氣則由百葉向水平方向吹出;其二為垂直氣流,如同桌(地)面放置型,髒空氣亦由下方風扇強制吸入箱體內進行淨化,乾淨的空氣再由上方開口垂直往上送出。
(3)天花板懸吊型UVC燈組
  氣流運動方式,主要亦有兩種方式,其一為水平進水平出氣流,髒空氣由燈具一側的水平方向進入箱體內進行淨化,再由另一側或多側的水平方向送出;其二為垂直進水平出氣流,此時髒空氣由燈具下方垂直進入箱體內進行淨化,再由一側或多側的水平方向送出。
  無論何種燈具型式的間接照射法,若室內空間氣流本身並不流通或無空調系統,則燈箱內部必須輔以強制性循環風扇,否則在停頓的空間中進行空氣品質的淨化,其時效性恐有延遲以及下方污染物不易被充分照射等問題存有。

(a)桌(地)面放置型燈組一

(b)桌(地)面放置型燈組二

(c)桌(地)面放置型燈組三

(d)天花板懸吊型燈組(一)

(e)天花板懸吊型燈組(二)

(f)天花板懸吊型燈組(三)

(g)天花板懸吊型燈組(四)

(h)壁面側掛型燈組(一)

(i)壁面側掛型燈組(二)

(j)壁面側掛型燈組(三)

(k)壁面側掛型燈組(四)

圖2.9 UVGI間接照射法的燈具型式(一)


圖2.10 UVGI間接照射法的燈具型式(二)

2.4UVGI全效混合照射法
  不管「上層空間UVGI消毒系統」、「直接照射法」或「間接照射法」,均有其適用場合、使用時機與優缺點;因此,面對不同的空間類型與使用型態,往往須視場址現況與規模而同時採用兩種以上的照射方法相互搭配,方能滿足淨化需求以及落菌數的管制標準,稱之為「UVGI全效混合照射法」。一般而言,對於大型並具有中央空調系統(Central air conditioning system)的建築物而言,如:醫院、旅館、戲院、集會場所、圖書館、展覽館、辦公大樓、航空站、車站、科技廠房、食品廠等,可規劃於中央空調系統中裝設「上層空間UVGI消毒系統」;於各種器材、食品、原物料等儲存區或倉庫設置「直接照射法」;並於集會場所、等候區、觀眾席、掛號區、教室等人數眾多的空間安裝「間接照射法」,形成一道全面性的「UVGI全效混合照射法」,將可對室內空間中可能潛藏的各種生物性氣膠來源,進行全面且即時的滅菌作用,有效降低病毒的傳播與感染。
  「UVGI全效混合照射法」的積極目的與效益,即在於促進並提昇建築物自我防疫(Self-immunization)的能力,將原本的「建築病態大樓(Sick building construction)」變成為「免疫建築(Immune building)」。尤其在流感期間,將可啟動以進行全天候與主動性的防疫,進而改善人員的病假、曠職、產能低落、心理恐慌等難以計量的損失。

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