许桂敏：高压放电等离子体技术在建筑物空气净化中的应用研究 | 峰会演讲

2021年11月25日下午，由陕西省土木建筑学会建筑电气专业委员会、陕西省建筑电气技术情报网以及千家智客联合举办的2021年第二十二届中国国际建筑智能化峰会西安站，在西安万丽酒店隆重举办。本届峰会以“智慧互联，重构‘AI+云’时代”为主题，众多国内外知名建筑智能化品牌企业及行业专家带来了精彩纷呈的技术干货分享。

会上，长安大学许桂敏博士带来了《高压放电等离子体技术在建筑物空气净化中的应用研究》的主题分享。

长安大学 许桂敏 博士

随着人们健康意识日益增强，为了满足各种场所、时间、用户的空间消毒需求，消毒的形式和方案涌现出更多的创新。

由于我们人员长时间停留在建筑物内，所以有必要对长时间的建筑物内空气进行高效安全的消毒净化。但是由于气候和室外空气质量的影响而受到限制，且据现有的紫外线、自然通风、化学通风等消毒方法存在消毒效率不高，应用局限性大等问题，因此急需探索新的空气消毒净化技术。

许桂敏博士为大家分享另一种新型消毒技术——等离子体消毒方式。等离子体消毒方式，作为一种属于物理定义，除固体，液体，气体之外的物质第四态，属于电离的气体，其广泛存在自然界当中。其在高电压下，驱动气体放电，消毒能力强，对人体无害，且消毒过程中人员不需要离场，成本低，可操作性强。故此，等离子体消毒方式的应用探索备受瞩目。

完整演讲视频，可移步千家智客视频号观看↓↓↓

以下是许桂敏博士的全部演讲内容，千家智客作了不改变原意的整理与编辑（如有出入，请以视频为准）：

许桂敏：非常感谢，我今天分享的内容跟会议的主题稍微有些偏差，但是内容跟每天接触的空气相关，全当是抛砖引玉，希望在会后的交流中能够碰撞出新的火花。

我分享的主题是《高压放电等离子体技术在建筑物空气净化中的应用研究》。

    第一、研究背景。

    第二、高压放电产生等离子体技术研究。

    第三、等离子体用于建筑物空气净化研究。

    第四、新型等离子体空气消毒机研发与应用。

第一、研究背景。

新冠从2019年12月至今迅速蔓延，已经成为全世界最严重的疫情，目前我国疫情得到有效控制，但是国外群体免疫还在持续的恶化，根据美国约翰斯·霍普金斯大学的数据，截止到北京时间11月24日，全球新冠肺炎的确诊病例超过2.5亿例，死亡510万例。从疫情发生以来，各行各业科技工作者群策群力，都在想各种办法来打疫情的狙击战，包括电气与智能化专业的责任也责无旁贷。

研究表明，新冠病毒比SARS更具传染性，因此采取必要措施杀灭病毒，阻断传播突进是抗疫的关键任务。新冠病毒主要通过空气传播，像飞沫传播，还有气溶胶；病毒可以在空气中存活数小时。其次接触传播，病毒可以在物体的表面存活数天，以及在粪便尿液中传播。所以针对空气，物表和废液，我们都做了研究。但今天鉴于时间关系，主要讲空气消毒。

因为我们人员长时间主要是停留在建筑物内，有必要针对长时间停留的建筑物内空气进行高效、安全的消毒净化。而现有的常用的空气消毒主要包括紫外线、自然通风、化学消毒等三种方式。自然通风，简便、易行，但由于气候和室外空气质量的影响而受到限制。紫外线消毒，消毒效果弱，且耗时较长，存在死角，且消毒的过程中需要人员离场。化学消毒，消毒效果强，但有异味，需要人员离场。所以，根据现有的消毒方法，存在消毒效率不高，且应用局限性大等问题，因此急需探索新的空气消毒净化技术。

而等离子体消毒，现在大家应该也有所接触了，包括市面上的一些产品，都有提到等离子体。它消毒能力强，可达到灭菌水平；一定条件下对人体无害；且消毒过程中人员不需要离场；成本低、可操作性强。因此，等离子体消毒被认为是最可行的新型消毒技术之一。

那么，什么是等离子体？等离子体是一个物理定义，在有电器和物理里面是除固体、液体、气体之外的物质的第四态，属于电离的的气体，自然界当中广泛存在。比如闪电通道就是把气体通过电离，是一种热的物体，像荧光灯，它里面也是一种等离子体。等离子体因为是把气体电离，所以富含紫外线、电场、等离子、电子以及各种各样的活性自由基等，在高电压下，驱动气体放电，是产生人造等离子体的便捷的方法。

第二、利用高压放电产生等离子体技术研究。

首先说一下，整体的研究思路：等离子体净化空气的技术原理，将含有病毒的空气，以及各种PM2.5等比较脏的气体，经过等离子体装置得到一个净化，最终得到清洁空气。我们研发一套小型的低温等离子体空气消毒试验机（如图1），在小面积的封闭空间内探究等离子体产生的参数对空气细菌杀灭率的影响，探究等离子体是怎么杀灭空气里面的细菌，最后参考小型装置的研发经验和试验数据，开发适用于比较大的空间，如办公室、病房、餐厅、会议室等大面积建筑空间的大型等离子体空气消毒机。

（图1）

我们利用高电压技术里面的极不均匀电场，易于放电的原理，选用的是多针板的平板结构的等离子体放电电极，选取了市场上成本比较低，体积比较小，模块化的高压直流电源。我们通过仿真实验，来考察不同的针和不同的针的根数和板的放电特性，仿真和实验是基本吻合的，在电场最强的地方，可以放电，是比较明亮的。紫色的（如图2），就是我们得到的等离子体，它是把空气电离了。

（如图2）

我们研究了不同电压下等离子体电离的放电功率（如图3、图4），可以发现随着电压的升高，功率是逐渐增加的，因为随着电压的升高，放电电流增加，我们根据功率的定义，它的功率是越来越升高的。

（图3）

（图4）

在这个基础上，我们开发了第一代等离子体空气消毒机（如图5），它的尺寸较小，长宽高25×25×10cm，质量是3.5kg，输入电压，整体的外面的输入电压是插到我们的插座上，发电功率是50瓦，是多针的电极。

（图5）

    第三、等离子体用于建筑物空气净化研究。

设计完这个，我们依据《消毒指数规范》（2002年版）进行实验和检测。它的规范要求大概0.5立方米和1立方米，我们设置了1.05立方米（如图6），对里面的空气细菌进行消杀。

 （图6）

这个是对里面的空气的自然菌，空间里面本身存在一些自然的微生物和细菌，图7上面的白点采集的就是细菌菌落数。我们可以发现，随着时间的延长，最后什么都没有，从而达到了有效的抗菌水平。

（图7）

此外，除了自然菌，我们还要做大肠杆菌、金黄色葡萄珠菌的实验，如图8。

（图8）

 这两种细菌，均随着处理时间的增加到最后什么都没有了，从而达到了有效的抗菌水平。

第四、新型等离子体空气消毒机研发与应用

在了解完整体的研究思路及设计方向后，接下来我们看一下它的机理。主要是等离子体、特电例子，还有自然基的软化造成细菌的破坏，最后导致它的死亡。

基于前面的研究，我们开发了基于电晕放电催化技术的净化空气机（如图9），采用了对称的倒T型结构设计，待处理空气从两侧底部的防尘网进入，经过等离子体协同催化反应单元消毒清洗后，由风机送入导风槽和消音网，最终从顶部出风口流出。

（图9）

同时也开发了一套人机交互系统，加入温湿度监控，在50立方米的空间进行了臭氧的检测。可以发现，与不加催化剂相比，等离子体形成催化，降低了臭氧二次污染，可以将室内的臭氧浓度控制在国标的要求之内，具体数据如图10所示。

（图10）

同样，我们做了自然菌的杀菌率对比，可以发现，催化比等离子体明显的提高，具体数据如图11所示。

（图11）

最后，陕西微生物中心试验室在处理40分钟之后，自然菌的消亡达到了93.4%，是满足消毒规划要求的。

且等离子体空气消毒机运行一段时间后，对里面微生物的含量，臭氧浓度进行了检测，自然菌灭活率达到了院感标准，臭氧浓度满足国家空气质量的一级标准。

现在我们还在做一些优化，希望能够借助千家网平台，把我们的功能，包括推广再做进一步的提升。谢谢大家的关注。谢谢！