建筑室内生物污染控制技术最新研究进展及展望
王清勤，孟冲
(中国建筑科学研究院，北京，100013)
摘要：“十一五”国家科技支撑计划课题“建筑室内生物污染控制与改善关键技术研究”(2006BAJ02A10)对我国不同功能建筑室内生物污染的相关控制技术进行全面研究，形成一系列的成套控制技术，建立数条关键产品的生产线和多项典型示范工程，其在室内生物污染检测、预测、控制技术及设备研发等方面取得的显著成果，基本代表了国内生物污染的最新研究水平。指出PM2.5及其与生物污染的复合性污染将成为今后的研究热点，建立适应我国国情的相关技术体系将成为建筑室内空气品质控制技术发展的必然趋势。
关键词：建筑室内；生物污染；控制技术；PM2.5；复合污染
中图分类号：TU83；X503 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0030-07
Progress and prospect of controlling technologies of indoor biological contamination
WANG Qing-qin, MENG Chong
(China Academy of Building Research, Beijing 100013, China)
Abstract: The National Key Technologies R&D Program (Research on the key technologies for controlling biological contamination and improving indoor environment quality) has researched the controlling technologies of indoor biological contamination in buildings with different functions. Series of control techniques were developed. Many product lines and demonstration projects were established. Achievements from this research would basically represent the top level in China. The results show that the combination of PM2.5 and the complex pollution will be a hot issue in the future, and establishing the related technical systems which adapt the national conditions will be an inevitable trend.
Key words: indoor; biological contamination; control techniques; PM2.5; complex pollution
建筑室内生物污染是影响室内空气品质的一个重要因素，其种类繁多、分布广泛、来源多样、危害严重，已成为世界各国研究的热点问题之一。有关研究结果表明：68%的疾病都与室内空气污染有关，而生物污染、化学污染与放射污染共同列为室内环境三大污染物质。2003年“非典”和2009年甲型H1N1型流感的肆虐再一次提醒人们，室内生物污染正在悄然威胁着人们的身体健康，已成为21世纪危害人类健康的“隐形杀手”。2006—2010年实施的“十一五”国家科技支撑计划课题“建筑室内生物污染控制与改善关键技术研究”(2006BAJ02A10)从环境安全、系统合理以及可持续发展的角度出发，结合我国国情对建筑室内生物污染的控制及改善技术进行深入、系统地研究，目前已经结题验收，其研究成果基本代表了国内最新研究水平，多项内容填补了学术界和工程界的空白。
1 “建筑室内生物污染控制与改善关键技术研究”成果
本课题组从“全过程动态控制”以及“以人为本”的思路出发，以现场调查检测、理论研究、技术集成和示范应用为基本路线，对我国当前建筑室内生物污染控制及改善技术进行了系统研究。通过对我国不同地域、不同功能建筑生物污染状况的实际调研及建筑室内生物颗粒动力学的理论研究，建立了室内生物性污染暴露风险评价模型和健康效应模型，形成了室内生物污染检测、预防、净化等一系列关键技术。
基于以上技术体系的研究，以不同地域、不同功能建筑的特点为导向，课题组共研发了用于室内生物污染检测、源头控制的设备及绿色健康材料20种；获得国内专利授权15项，完成国内专利申请15项；开发建筑室内生物污染预测软件1项，并获得计算机软件著作权登记证书。在整个课题执行过程中，共公布国家标准和行业标准9项，完成相关技术标准编制11项，并编制4本技术指南；搭建专用于室内生物污染物在空气中动力学特性的实验平台和生物污染控制关键设备性能检测平台4项。为进一步推进建筑室内生物污染控制关键技术的集成应用，课题组在全国范围内建立11项示范工程，并建立相应产品的规模化生产线4条，其中杀菌剂生产线生产车间面积约1 000 m2，年产杀菌剂20 t，目前该杀菌剂已成功应用到KJF4901型空气净化器中，在2009年实现新增销售额800余万元，净利润165.44万元，预计到2012年实现新增销售额1亿元，净利润1 500万元。此外，课题组在国内外专业期刊上发表学术论文131篇，出版发行了国内迄今为止最全面介绍生物污染领域的专著《建筑室内生物污染控制与改善》，为我国改善建筑室内生物污染提供支持和借鉴。在此，本文作者对课题研究中具有代表性的成果加以阐述。
2 建筑室内生物污染检测技术、实验平台、预测及评价方法
2.1 建筑室内生物污染检测方法及装置
本课题组立足技术领域的实际需求，在建筑室内污染检测技术方面形成了的部分创新成果。针对室内环境尘螨含量检测只进行计数检测而不进行变应原含量检测这一技术缺陷，建立了我国检测尘螨变应原含量的ELISA双抗体夹心法；针对原有空气微生物采样技术效率低，速度慢的问题，课题组开发了基于虚拟撞击-液体冲击复合式大流量采样器的空气微生物采样检测技术。
基于检测技术研究，陆续研制了LD-30型空气微生物采样器、便携式水质微生物采样箱和培养箱、大肠群菌及大肠埃希氏菌采样垫等一系列建筑室内微生物采样及检测的产品与装置(见图1和图2)。这些装置的研发，极大地丰富了目前建筑室内生物污染的检测手段，为进一步研究提供了可靠而方便的工具。
图1 LD-30型空气微生物采样器
Fig.1 LD-30 Air microbial sampler
图2 30 m3可控通风生物学实验舱和空调通风系统清洗效果实验平台
Fig.2 30 m3 controlling ventilation biology lab and experimental platform for air-conditioning and ventilation system cleaning effect test
2.2 建筑室内生物污染实验平台
“十一五”研究开展之前，我国尚缺少用于研究室内生物污染在空气中的流动、分布规律及相关去除设备性能检测的大型实验平台，这成为制约领域发展的基础性因素之一。为此，课题组搭建了30 m3可控通风生物学实验舱、空气微生物暴露实验舱、空调通风系统清洗效果实验平台、多功能空气净化消毒装置性能检测系统等有特色的实验平台，为相关理论研究及设备研发提供了优越的基础条件。
2.3 建筑室内生物污染预测及评价方法
针对建筑室内生物污染的先期预测，建立理论模型对整个通风空调系统颗粒物传输这一生物污染的主要载体进行研究，以此为基础分析室内生物污染传播的一系列基本规律，提出一套模拟通风空调系统颗粒污染动态规律的算法，并以此开发了颗粒传播和沉积模拟软件“PROBE-PM”[1-3]。PROBE-PM软件的模拟结果见图3；室内生物安全评价软的输入界面见 图4。
图3 PROBE-PM软件的模拟结果
Fig.3 Simulation result of PROBE-PM
图4 室内生物安全评价软的输入界面
Fig.4 Input interface of software for indoor biological security evaluation
针对建筑室内污染的风险评价，课题组开发了“室内生物安全评价软件”。该软件是一种民用建筑室内生物污染及生物安全综合评价体系，根据13种生物学指标和22个指导限值，将民用建筑室内生物污染和生物安全分为4种水平和由轻至重的10个污染等级。
3 建筑室内生物污染控制成套技术及设备研发
基于对建筑室内生物污染进行“全过程”“多方位”的动态控制理念，形成了一系列针对不同功能建筑的室内生物污染控制成套技术及设备。
3.1 公共建筑室内生物污染控制成套技术及设备
公共建筑体量大，人群高度聚集，是建筑室内生物污染控制的关键区域。公共建筑室内生物污染控制的重点在于通风空调系统。课题组首先提出了切断污染来源的“源头”控制理念，研发了适用于通风空调系统的低阻节能型新(回)风机组、超低阻高中效空气过滤器(见图5)，有效地截断生物污染在通风空调系统内传播的源头，在提高室内空气品质的同时，也兼顾到了节能的需求[4]。
图5 超低阻高中效空气过滤器
Fig.5 Ultra-low resistance high-efficiency air filter
另一方面，针对建筑生物污染传输的重要“过程”——空调风管系统内沉积的生物污染，研发了高度适应我国风管现状的中央空调风管清洗机器人集成系统(见图6)。该集成系统包括检测机器人、清扫机器人、电动软轴清扫器3部分。对于规则的大尺寸风管，由清洗机器人完成清洗任务；而对于不规则的扁管、小风管、支管以及大弯矩的风管，则由相应的电动软轴清扫器完成清洗任务，能较好地满足我国风管形状及尺寸复杂多样的需求。
图6 清扫机器人和电动软轴清扫器
Fig.6 Cleaning robot and electric soft-shaft sweeper
空调水系统是建筑生物污染传输的另一个重要途径，针对这一问题，研发了PES-中央空调在线清洗节能环保系统(见图7)，该系统可以实时在线清除空调水系统内的污垢，同时可以杀灭军团菌及各种微生物膜。
图7 PES-中央空调在线清洗节能环保系统
Fig.7 PES-central air-conditioning online cleaning and energy-saving environmental protection system
3.2 居住建筑室内生物污染控制成套技术及设备
住宅是人们生活环境的重要组成部分，人的一生中有2/3以上的时间是在住宅室内度过的。居住建筑是建筑室内生物污染控制的重点区域。抗菌防霉材料的使用是控制生物污染在居室内滋生的有效途径。课题组对几种建筑室内环境微生物进行了测试与分 析[5]，研究了我国环保功能建筑涂料标准化发展现 状[6]，并基于此研制了具有抗菌防霉功能的涂料、细木工板和矿棉天花板等新产品。这些产品对室内的主要菌种具有较高的杀抑率，并兼具很好的装饰效果。
在居住建筑中，自然通风是重要的生物污染控制控制手段。自然通风装置是针对我国南方地区湿度较大的特点研制的，可以引导室外各方向的自然风进入室内，提高室内通风换气量，排除室内余湿热气，有效控制建筑室内生物污染及其他有害气体污染，并防止墙面霉变。
空气净化器是室内空气品质的有效保障手段。课题组针对住宅的使用特点及生物污染控制的特殊需要，研发了一系列针对室内生物污染物去除的空气净化器(见图8)。KJF4901型空气净化器具备去除生物污染、化学污染和颗粒物污染三重功能，并实现对室内空气质量进行实时监测。大面积低成本建筑室内传染性微粒的灭活装置是基于高性能的纳米二氧化钛光催化空气消毒技术开发的，在自然通风条件下，特别是对呼吸道病毒的传播有明显的阻断作用。
图8 KJF4901型空气净化器
Fig.8 KJF4901 air purifier
3.3 医院建筑室内生物污染控制成套技术及设备
医院建筑是室内生物污染的“重灾区”，同时也是对室内生物污染控制要求相对严格的建筑，是建筑生物污染控制的难点区域。课题组研究了医院新型层流洁净病房技术，针对需要干细胞移植的血液病患者治疗的特殊性，在国内首先采用了理念先进的病房布局和建筑工艺，对于减少病房室内微生物污染，最大限度地保护隔离患者，减少干细胞移植后患者感染，取得了非常明显的效果[7-8]。
作为“源头”控制设备，研发了组合式负压高效排风装置与生物安全原位消毒装置有效防止生物污染的外泄与传播。组合式负压高效排风装置实现了大气零压密封，该装置由过滤段和风机段组成，过滤段是由中效、高效过滤器组成的一体化结构形式，实现高度净化；风机段设有三速变频高静压式风机，实现风机节能。
课题组研发的纳米光催化空气净化消毒器(见图9)利用二氧化钛纳米材料的光催化效应，将初步过滤空气中的细菌、病毒等微生物及有机化学污染物等进行杀灭分解，生成无毒的二氧化碳和水，可保证室内人员在场情况下动态空气净化消毒[9]。
图9 组合式负压高效排风装置
Fig.9 Efficient combined-type negative pressure exhaust
4 建筑室内生物污染控制标准规范研究
针对我国建筑室内生物污染控制相关的标准规范体系及建筑室内生物污染检测技术不完善的现状，制订了一系列的检测标准、产品标准和工程标准，全方位多层次地建立健全我国生物污染控制技术标准体系。已颁布的标准达到了国内先进水平，其中部分标准达到了国际先进水平，对规范我国建筑室内生物污染控制及相关产品的性能和质量，推动我国室内生物污染控制与改善整体局面的发展具有重要意义。
4.1 检测标准
课题组制订了《抗菌涂料(漆膜)抗菌性测定方法和抗菌效果》(GB/T 21866—2008)、《室内空气中细菌总数卫生要求》、《空气净化装置微生物去除效果检测方法——空气微生物暴露舱法》等一系列检测标准。其中，《抗菌涂料(漆膜)抗菌性测定方法和抗菌效果》(GB/T 21866—2008)规定了建筑和木器用抗菌涂料(漆膜)抗细菌性能的测定方法和抗细菌效果，规范了我国建筑材料生物污染检测技术，为有效控制和降低建筑室内生物污染提供了有力的技术保障。
4.2 产品标准
课题组制订了《高效空气过滤器》(GB 13554—2008)、《空气净化器》(GB/T 18801—2008)、《空气吹淋室》(JG/T 296—2010)、《抗菌涂料》(HG/T 3950—2007)、《镀膜抗菌玻璃》(JC/T 1054—2007)、《空气净化器》(Q/HD YDK 064—2008)、《高效空气过滤器性能试验方法——效率和阻力》(GB 6165—2008)、《抗菌防霉木质装饰板》、《风机过滤器机组》、《传递窗》。其中，《高效空气过滤器》(GB 13554—2008)结合了国内过滤器生产水平，对高效及超高效过滤器的性能要求和相关检测方法进行了新的规定，该标准达到了国际水平。
4.3 工程标准
课题组制订了《洁净室施工及验收规范》(GB 50591—2010)、《实验动物设施建筑技术规范》(GB 50447—2008)、《洁净工作台》(JG/T 292—2010)、《食品工业洁净用房建筑技术规范》(GB 50687—2011)、《传染病医院建筑施工及验收规范》(GB 50686—2011)、《手术部位感染预防控制指南》等一系列的工程标准和指南。其中，《实验动物设施建筑技术规范》(GB 50447—2008)提出了动物笼具处气流速度的检测方法，是我国第一部关于实验动物设施建筑技术方面的国家标准。此外，该标准规定的屏障环境设施辅助用房的指标在国外尚没有具体规定。《洁净室施工及验收规范》(GB 50591—2010)吸收了国内外大量的关于洁净室施工验收的丰富实践经验和国际标准化组织(ISO)在这方面的新概念、新技术和新规定，其技术内容达到了国际先进水平。
5 建筑室内生物污染控制示范工程建设
为了使课题研究过程中形成的新技术、新设备、新材料能够得到推广应用，课题组建立了一系列的示范工程对上述产品的应用效果进行测试评估，为关键技术的推广应用奠定基石。
5.1 公共建筑示范工程
应用中央空调清洗集成技术建立了杭州索菲特西湖大酒店空调风系统清扫示范工程。采用课题组研制的中央空调风管清洗机器人集成系统对杭州索菲特西湖大酒店空调送风管道、回风管道、新风管道、送回风口、新风机及风机盘管进行清洗，通过对比清洗前、后空调通风系统的卫生状况，发现该清洗机器人集成系统清洗较彻底，清洗后室内空气质量得到了较大 改善。
采用课题组研发的PES-中央空调智能清洗节能系统(见图10)，建立了PES-中央空调智能清洗节能系统应用示范工程。对安装PES-中央空调智能清洗节能系统之前和安装并运行PES设备20 d之后冷水机组COP及嗜肺军团菌的测试，结果显示：安装该设备之后，冷水机组性能系数提高20.8%，且该PES设备具有较好的杀灭军团菌的功能。
图10 净化器在住宅室内的应用
Fig.10 Application of air purifier in room
5.2 居住建筑示范工程
采用课题组研制的KJF4901型空气净化器在北京市某住宅小区建立了空气净化器在住宅建筑室内应用的示范工程。由住宅室内微生物净化效果的动态测试发现，KJF4901型空气净化器的微生物净化效率为70%~98%，具有较好的动态净化效果。
5.3 医院建筑示范工程
课题组在国内率先提出了垂直层流病房配置卫生间的新理念，并采用低阻节能型新(回)风机组、超低阻高中效空气过滤器及在重要场所设置循环风式紫外线消毒灭菌器等关键技术对ICU护理单元空调系统经过改造，建立了中国人民解放军总医院生物污染综合控制示范工程(见图11)。结果表明：改造后的ICU护理单元即使在动态情况下仍能保持较好的空气洁净度，且空调设备运行效率也得到了显著提高。该示范工程的成功建设为我国今后医院生物污染控制与改善关键技术的推广应用提供了典型模式。
图11 新型洁净病房的附属区域
Fig.11 Affiliated region of new type purified ward
6 研究展望
“十一五”国家科技支撑计划课题“建筑室内生物污染控制与改善关键技术研究”全方位、多角度地对生物污染控制进行了审视和研究。从基础性研究结果来看，建筑室内生物污染传播的最大特点是空气微生物与小粒径的颗粒物相附着，其主要危害来源于空气微生物的毒性，并借助于小粒径颗粒物的扩散性来扩大其危害。继续深入研究建筑室内生物污染控制问题，小粒径颗粒物将是无法回避的考量因素，也是解决当前课题研究中一些悬而未决的问题的关键所在。
小粒径颗粒物本身也将是空气品质领域内的研究热点问题。小粒径颗粒物主要是由PM2.5组成，空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒(记做PM2.5)称为细颗粒物。细颗粒物可以通过上下呼吸道和支气管到达肺部沉积，甚至通过肺泡进入人体血液，加之细颗粒物上富集了重金属、酸性氧化物、有机污染物等，是对人体危害最大的污染物之一。研究发现[10]：PM2.5平均每增加10 μg/m3，总死亡率增加1.5%。WHO估计全球每年死于室内可吸入颗粒物污染的人数高达280万。目前世界上的一些国家不但有PM10的标准，也有针对普通建筑环境的PM2.5的标准。
相对于PM10，我国PM2.5的研究工作进展相对缓慢，至今无系统化工程化的成果指导我国人居环境的改善与提升工作。“十五”与“十一五”期间，分别对PM10与生物污染进行了较为细致的研究，以上研究成果都为PM2.5以及与生物污染的复合性污染的研究工作提供了坚实可靠的理论基础，目前有一脉相承的方法论、扎实的技术支撑、丰富的实验平台和测试工具，以及经验丰富、业务过硬的专业研究人才队伍。结合目前我国国民经济持续发展，在人们对人居环境要求持续提高的背景下，下阶段将PM2.5与生物污染作为关联性整体进行统筹考虑，研究建立适应我国国情的相关技术体系将成为技术发展的必然趋势。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
通信作者： 王清勤(1964-)，男，河北邢台人，博士研究生，研究员，从事建筑环境与节能工作；电话：010-64517697；E-mail: wangqq@cabr.com.cn
