基于静电放电技术的大空间空气净化新路径：臭氧与ESP的协同应用

解读三菱重工团队面向体育场馆与医院的大空间臭氧空气净化系统研究

关键词
Air Purifier, Ozone, Suppressing Viral Activity, Large Spaces, 静电除尘器, 工业烟气治理

新冠疫情暴发后，大空间空气净化的技术路线成为工业环保和建筑环境控制领域共同关注的焦点。如何在体育场馆、医院等高风险、超大体积空间中高效去除气溶胶颗粒，并在无人时段快速抑制病毒活性，已经超出了传统民用空气净化器的能力边界。日本三菱重工业集团旗下 Mitsubishi Heavy Industries Power Environmental Solutions 与三菱重工本部研发团队，基于工业静电除尘器（ESP）技术，提出了一套面向“多用途大空间”的臭氧空气净化系统方案，并在医疗场景中获得了应用与验证[1]。该研究不仅在空气净化系统设计层面具备示范意义，也为工业烟气治理企业切入公共环境空气治理提供了新的技术参考。

本研究的核心思路是：把成熟的工业ESP放电和臭氧控制经验迁移到室内空气净化场景，通过“静电捕集细颗粒 + 受控臭氧杀（抑）灭病毒”两条路径协同工作，在有人和无人两种工况下分别实现颗粒物控制和表面/空间病毒活性抑制。论文围绕两类装置展开——“固定式大风量空气净化装置”和“可移动高效臭氧供应装置”，前者兼具颗粒物净化与低浓度臭氧控制，后者则专注在无人状态下为体育馆、展馆等超大空间提供均匀、可控的高浓度臭氧气体。

在病毒控制手段的选择上，研究团队在紫外线和化学消毒（酒精等）之外，以臭氧作为核心介质，这一选择背后有几个技术与安全层面的原因。首先，多项研究已经证实臭氧对包括新冠病毒（SARS-CoV-2）在内的多种病毒、细菌具有显著的失活作用[2–7]，且适当的“浓度×时间（CT值）”组合可以实现较高水平的病毒活性抑制。其次，臭氧在环境中不会长期残留，会自然分解为氧气，相比留下二次残留物的化学消毒剂，对室内环境与人员更友好。第三，作为气态介质，臭氧可以充分扩散并覆盖室内的角落、墙面与地面表面，实现“空间+表面”的广域作用，这一点对于大空间场馆、医院候诊区尤为关键。更重要的是，工业ESP在捕集细颗粒时本身就会生成臭氧，如果配合专门的表面放电或辅助放电结构，就可以在同一设备中实现“粒子捕集+臭氧供应”一体化，大幅简化系统结构和运维流程。

固定式装置的设计逻辑，是在传统工业静电除尘器技术基础上，引入低阻力的驻极体过滤材料，实现大风量条件下对0.3–0.5 μm粒径范围颗粒物的高效捕集。研究指出，相比直接采用高阻力HEPA过滤器，这种“ESP预荷电+低阻驻极体过滤”的组合，在保证高效捕集含病毒飞沫和细颗粒的同时，有效降低了系统压降，适合应用在需要大通风量的体育馆、候诊大厅等空间。装置内部还布置了臭氧分解滤芯，可在有人在场时将ESP放电产生的臭氧控制在安全范围（≤0.1 ppm，参考职业环境标准），只输出“低臭氧、低颗粒物”的净化空气；而在夜间或无人时段，系统通过旁路绕过滤芯，将高浓度臭氧直接送入室内，实现空间内的病毒活性抑制与环境消毒。

可移动式装置则采用表面放电技术，相比传统针极—板极式的电晕放电，其臭氧生成效率更高、结构更紧凑，适合做成带脚轮的移动设备。该装置不承担常态颗粒物过滤任务，而是作为“臭氧发生移动母站”，在球馆、会展中心、医院透析室等无人时间段推入现场，利用内置臭氧浓度探头对场内臭氧进行闭环控制，使整体浓度保持在设定范围，既保证病毒抑制效果，又为后续通风降解预留充足时间。

为了量化ESP及表面放电产生臭氧的抗病毒效果，研究团队与奈良县立医科大学合作，针对附着型新冠病毒开展了控制实验。试验采用平板涂布法，将含有一定滴度（1.10×10^5 PFU/样品）的SARS-CoV-2病毒溶液接种于培养皿表面，在恒温恒湿条件下分别暴露于两种不同放电方式生成的臭氧气氛中；随后用噬斑法（plaque assay）测定剩余病毒的感染滴度，以评估不同浓度与暴露时间组合下的病毒活性抑制率。

在模拟固定式ESP工况的电晕放电臭氧实验中，当臭氧浓度维持在约0.21–0.23 ppm、温度约28–29℃、相对湿度约52–53%时，60分钟、120分钟和240分钟的病毒活性降低率分别达到约84.1%、91.8%和99.4%。这表明即使是在相对较低的臭氧浓度下，随着接触时间的延长，仍然可以实现接近两对数以上的病毒滴度下降。在模拟可移动表面放电装置的试验中，当臭氧浓度控制在0.21 ppm、相似温湿度条件下，暴露240分钟可实现约97.4%的病毒活性降低；而将臭氧浓度提高到0.70–0.77 ppm时，仅需90分钟即可达到约99.9%的降低率。这一组数据为工程应用中设置夜间无人时段臭氧“冲击式运行”的CT值提供了定量依据，也说明表面放电装置更适于在短时间内提升臭氧浓度以获取高水平抑制效果。

需要强调的是，研究者在论文中明确指出，这些实验结果是在受控实验条件下对附着于介质表面的病毒进行的杀（抑）灭评价，并不直接等同于实际空间中对空气传播病毒的整体去除效果。同时，臭氧虽已被证实对多种病毒具有显著的活性抑制作用，但并不意味着可以单独依靠臭氧来预防感染，仍需配合通风、口罩、社交距离等综合防控措施。这一态度也提醒空气净化与工业环保行业，从技术宣传到产品应用，应避免对臭氧消毒效果作过度或绝对化表述。

更具工程指导意义的是医院场景中的实装运行数据。在某医院的PCR检测中心，固定式装置以约25 m³/min（50%额定风量）运行，对室内0.3–0.5 μm可吸入颗粒物进行持续过滤监测。结果显示，约60分钟后，室内多点测得的粒子数浓度平均削减效率超过80%，验证了“ESP荷电+低阻驻极体过滤”方案在中微细颗粒物（病毒载体粒径区间）上的有效性。与此同时，通过内置臭氧传感器与控制逻辑，在夜间对室内持续投加臭氧，将空间浓度稳定控制在0.2–0.25 ppm区间，并在停止供臭氧、切入臭氧分解滤芯工作后，约10分钟内即可将空间臭氧浓度拉回安全水平。这种“定时切换三种运行模式”的控制策略——工作时间以颗粒物净化为主、夜间以高浓度臭氧抑制病毒活性、达标后自动切断电源并加速降解残余臭氧——在连续四个月的运行中保持了良好的稳定性与重复性，为医疗建筑类项目的大空间空气净化运维提供了可复制范本。

在另一个实际应用中，可移动臭氧装置被部署在医院人工透析室，在日间患者不在场的时段以约50 m³/min的风量运行，并结合内置浓度探头闭环控制，使室内多测点臭氧浓度在一小时左右稳定在0.37–0.5 ppm。随后通过停止放电并配合自然通风，在约10分钟内将室内臭氧浓度降至接近0.1 ppm安全水平。这一案例表明，对于存在易感人群的高风险功能用房，可移动臭氧系统可以作为固定式通风空调系统的“叠加消毒模块”，在不改造原有空调系统的前提下，显著提升夜间无人时段的环境安全冗余度。

从行业风向的角度看，这项工作有三个值得关注的趋势信号。第一，工业静电除尘器技术不再局限于烟气颗粒物治理，正在向建筑环境与公共卫生场景拓展，“工业ESP+室内空气净化”的交叉应用将催生一批新型产品形态。第二，臭氧开始从“被动副产物”转变为“可控功能介质”：在工业烟气治理中，人们长期致力于降低ESP产生的臭氧；而在本研究中，臭氧通过精准测量与CT值控制，成为大空间病毒风险管理的工具，这对ESP高压电源设计、放电极结构优化、臭氧分解材料开发都提出了新的要求。第三，“多场景、多模式运行”的系统设计理念正在成为主流，即在有人与无人、诊疗与关闭、演出与空场等不同场景下，通过时序与模式的自动切换，让同一套空气净化系统在颗粒物控制与微生物风险控制之间灵活切换，实现能源消耗、卫生安全与运维复杂度的综合平衡。

当然，要在更大范围内推广此类基于臭氧和静电放电技术的空气净化系统，还需要持续补足两个方面的工作：一是针对真实空间中空气传播病毒与附着病毒的系统性研究，建立从实验室数据到工程浓度控制策略的可追溯转换模型；二是在行业标准层面明确臭氧在有人/无人环境中的允许浓度、运行时长、安全联锁与远程监控等技术规范，特别是在体育场馆和综合体这类管理主体多元的场景中，如何将臭氧系统纳入整体建筑智能管理平台（BMS），是未来工程实践需要重点解决的问题。整体而言，三菱重工团队的这项研究已经表明：以ESP为底座，叠加臭氧控制与浓度监测的复合型空气净化系统，是大空间疫情后时代空气净化技术的重要发展方向之一，也为传统工业环保企业拓展业务边界提供了可行路径。

参考文献
[1] Orita K, Okamoto N, Kato M, Shishido H, Nagata C, Ueda Y. Air purification systems for large scale space applied electric discharge technology. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2022;59(1).
[2] Nara Medical University, MBT Consortium Association. Press Release on ozone effectiveness against SARS-CoV-2. 2020. Available from: https://www.naramed-u.ac.jp/university/kenkyu-sangakukan/oshirase/r2nendo/documents/press_2.pdf
[3] NGK SPARK PLUG CO., LTD. Press Release on ozone and virus inactivation. 2010. Available from: https://www.ngkntk.co.jp/english/news/detail/002422.html
[4] National Environment Agency (Singapore). Technical Guidance on the Use of Gaseous Ozone Against COVID-19 Virus. 2020. Available from: https://www.nea.gov.sg/our-services/public-cleanliness/environmental-cleaning-guidelines/guidelines/technical-guidance-on-the-use-of-gaseous-ozone-against-covid-19-virus
[5] Bayarri B, et al. Can ozone inactivate SARS-CoV-2? A review of mechanisms and performance on viruses. Journal of Hazardous Materials. 2021;415:125658.
[6] Blanco A, et al. Ozone potential to fight against SARS-CoV-2 pandemic: facts and research needs. Environmental Science and Pollution Research. 2021;28:16517–16531.
[7] Ataei-Pirkooh A, et al. Destruction mechanisms of ozone over SARS-CoV-2. Scientific Reports. 2021;11:18851.
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[10] Saccani C, et al. Experimental testing air filter efficiency against the SARS-CoV-2 virus: The role of droplet and airborne transmission. Building and Environment. 2021;210:108601.
[11] Zacharias N, et al. Air filtration as a tool for the reduction of viral aerosols. Science of the Total Environment. 2021;775:145828.

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