健康空調來自對微生物的關注

王寧 魏傳超 吉曹源 李宗強

摘要：室內環境下的溫濕度在給人們帶來舒適的同時，也對微生物的繁殖生存有著重要影響。通過控制溫度和濕度，研究不同條件下細菌和霉菌的生長狀況來研究室內溫濕度對微生物繁殖狀態的影響規律并將該規律運用于家用空調設計中，通過家用空調對溫濕度的調控實現調控居室環境下的微生物數量，以達到室內空氣的健康標準，使家用空調給予用戶更好的體驗及健康保證。

關鍵詞：室內溫濕度；微生物繁殖規律；空調；健康

Healthy air conditioning comes from concerns about microorganisms——Analysis of the influence of indoor temperature and humidity on microbial reproduction and its application in the design of household air conditioning

Wang Ning1 Wei Chuanchao2 Ji Caoyuan3 Li Zongqiang4（Qingdao Haier Air Conditioner Co.，Ltd.266103）

Abstract：A certain level of temperature and humidity in the indoor environment can not only brings comforts to people， but also has a significant impact on the reproduction and survival of microorganisms. This paper introduces a study of the growth of bacteria and mold by controlling the temperature and humidity. The objective of this research is to analyze the influence of indoor temperature and humidity on the reproductive state of microorganisms and explores its application in the design of household air conditioners. The number of microorganisms can be well managed by controlling the temperature and humidity of household air conditioner. As such， a healthy indoor environment can be achieved and people can obtain a better living experience and health guarantee through air conditioning.

Keywords：Indoor temperature and humidity；microbial reproduction；air conditioning；health

1.引言

溫度是影響微生物生長的重要因素。理論上，微生物繁殖過程中溫度首先影響的是細胞中酶的活性，進而影響到微生物的繁殖。其次，微生物繁殖過程中，營養物質與微生物代謝產物在細胞內輸送需要細胞質的參與，溫度也會影響這一過程速度。最后，細胞質中營養物質的溶解度與溫度有關。

微生物作為生命體，一般適合的溫度范圍是-20℃～100℃。

微生物在生長過程中遵照典型微生物生長曲線（見圖1）。微生物生長可分四個階段，分別為調整期，對數期，穩定期和衰亡期[1]。

溫度較低時，酶促反應速率減慢，微生物繁殖速度較低；而溫度較高的時候，酶促反應速率仍然會受到抑制，甚至在極端高溫條件下生物酶會完全失活，導致微生物死亡。只有在合適的溫度區間，酶的活性才能得到維持。

相對濕度（RH%）對微生物生長繁殖有著重要影響。微生物細胞含水量一般在70%～90%。濕度較高時，物體表面會形成一薄層水膜，微生物就生存在這層水膜里。在空氣干燥的情況下，微生物就會失水萎縮。通過改變溫度和相對濕度條件下儲藏稻谷中的微生物進行檢測，發現相對濕度在70%～80%時，微生物活動較不活躍；當相對濕度大于80%時微生物活動（繁殖）明顯加強。因此當相對濕度大于70%時，溫度適宜且空調內部的積灰能為微生物提供充足的營養物質時，微生物就能夠在灰塵上大量生長和繁殖。

相對濕度的增加會促進細菌繁殖速度增加。當相對濕度較高時，微生物活性增大；相對濕度降低時，微生物細胞活性降低，同時部分微生物產生孢子（或休眠體）來應對惡劣環境。因為微生物受到外界環境變化影響無法通過細胞分裂進行繁殖，為了繼續繁衍后只能采取這種方法[2]。

相對濕度影響了微生物的生長停滯期的長短；對不同微生物的影響程度各不不同。

2.試驗手段、方案

通過文獻調研、查閱相關資料，結合目前我國室內和家用空調系統常見細菌和真菌等微生物污染的分布特點，并大致確定該微生物生長繁殖與溫/濕度的大約對應規律；考慮到家用空調溫度和濕度的控制范圍，結合微生物特點以及以往研究實踐經驗積累，給出初步的室內微生物（真/細菌）的種類及其分布和空調系統易受真菌/細菌污染的種群等，以及該真菌/細菌在空調控制溫濕度范圍內的大致存活狀況。

2.1 確定試驗菌種

微生物包括細菌、真菌和病毒等。目前細菌和真菌的試驗較為容易，病毒的要求比較高，本次暫不列入。

典型的細菌按革蘭氏染色可分為革蘭氏陰性菌（如大腸桿菌）、革蘭氏陽性菌（如金黃色葡萄球菌）。

典型的真菌包括酵母菌（如白色念珠菌）和霉菌（如黑曲霉、球毛殼、青霉）等。

2.2 室內環境的條件確定

根據圖2所示空調所能控制的溫濕度范圍與人體感舒適范圍（綠區+藍區），選擇適當的條件（見表1）進行上述細菌/真菌的生長繁殖試驗。

溫濕度選擇時，盡量選擇空調的控溫控濕范圍，結合人體感覺舒適的狀態，進行設定條件下微生物的培養試驗，以期探索其生長繁殖規律。

2.3 濕度的控制

在影響微生物實驗的溫度和相對濕度變量中，溫度通常比較容易控制，而相對濕度則是一個即重要又難以控制的變量。我們選擇飽和鹽溶液控制法，因為其操作簡單，準確度高，費用低。而且，各種飽和鹽溶液對應的相對濕度非常穩定，一旦濕度變化后，可迅速恢復，具有良好的重復性。

在封閉空間中，飽和鹽溶液表面具有恒定的相對濕度。這個恒定的相對濕度又被稱為飽和鹽溶液的濕度固定點。當鹽溶液達到飽和濃度之后，其相對濕度僅與鹽的種類和溫度兩個因素有關。所以，在固定溫度條件下，選擇特定種類的鹽，即可獲得較為固定的相對濕度狀態。在試驗溫度區間范圍內（18℃-28℃），飽和鹽的相對濕度變化都在2%以內，基本可以忽略試驗溫度對濕度的影響。

2.4 培養時間

一般的，微生物的生長曲線表明，細菌繁殖的數量大約在16-24h后達到高峰，其后逐漸平緩直至衰亡；真菌要慢一些，預計72h后也可達到繁殖的數量高峰，其后曲線逐漸平緩下降。

因此培養時間選用0h、6h、24h、48h、72h、96h和144h（7天）。

2.5 試驗步驟

配制新鮮菌液，在制備后4h內使用；將菌液加入棉式子中，每個棉拭子大約104-105CFU。

將制備好的染菌棉拭子分別放在圖3所示的裝置中，按表2的溫度條件分別放置，并定時取樣，活菌計數。統計并尋找規律。

3.試驗表格、數據及結果討論

數據處理按溫度18℃、20℃、22℃、24℃、26℃、28℃等6個溫度段來統計，并繪制菌生長曲線圖。注意圖中所示數量均為活菌數量。

3.1 18℃時細菌和真菌生長曲線

細菌結果分析：由圖4可以看出這兩種菌混合菌總的生長趨勢都符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進一步延長都呈消亡狀。

真菌結果分析：由圖5可以看出，上述4種真菌在18℃下，其生長基本平緩，至7天時只是稍有下降。比起細菌來說，下降速度較慢，也就是說在高濕情況下，真菌在18℃的生長狀態要比細菌好，更容易存活。

3.2 20℃時細菌和真菌生長曲線

細菌結果分析：由圖6可以看出這兩種菌混合菌在20℃下總的生長趨勢符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進一步延長都呈消亡趨勢。與18℃相比，其調整期不明顯，長時間后（7天）數量的下降幅度不大。

真菌結果分析：由圖7可以看出，上述4種真菌混合菌在20℃下，其生長基本平緩，至7天時甚至稍有增長。比起細菌來說，下降速度較慢，也就是說在高濕情況下，與18℃一樣，真菌在20℃的生長狀態要比20℃下細菌更容易存活。

3.3 22℃時細菌和真菌生長曲線

細菌結果分析：由圖8可以看出這兩種菌混合菌在22℃下生長趨勢符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進一步延長都呈消亡狀。與18℃相比，和20℃類似的調整期不明顯，長時間后（7天）數量的有下降趨勢。

真菌結果分析：由圖9可以看出，上述4種真菌在22℃下，生長基本平緩，至7天時基本變化不大。比起細菌來說，下降速度較慢，也就是說在高濕情況下，與18℃一樣，真菌在22℃的生長狀態要比22℃下細菌更容易存活。

3.4 24℃時細菌和真菌生長曲線

細菌結果分析：由圖10可以看出這兩種菌混合菌在24℃下生長趨勢基本符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進一步延長都將呈消亡趨勢。與18℃相比，和20℃、22℃類似的調整期不明顯，長時間后（7天）數量的下降幅度不大。

真菌結果分析：由圖11可以看出，上述4種真菌在24℃下，其生長基本平緩下降，至7天時下降趨勢明顯。

3.5 26℃時細菌和真菌生長曲線

細菌結果分析：由圖12可以看出這兩種菌的混合菌在26℃下總的生長趨勢符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進一步延長都明顯呈消亡狀。還可以得出隨著濕度的降低，菌的回收下降；也就是說較低濕度下，細菌比較容易死亡。

真菌結果分析：由圖13可以看出，上述4種真菌在26℃下，濕度的影響較為復雜，但總的來說濕度上升有利于霉菌的存活，濕度下降，霉菌的存活率也隨之下降。

3.6 28℃時細菌和真菌生長曲線

細菌結果分析：由圖14可以看出這兩種菌的混合菌在28℃下總的生長趨勢基本符合典型微生物生長曲線，隨著時間的進一步延長都明顯呈消亡狀。

真菌結果分析：由圖15可以看出，上述4種真菌在28℃下，繁殖速度還是比較快，隨著時間的延長，低濕下不利于其進一步繁殖，所以處于消亡趨勢中。

綜合上述實驗結果，對于細菌，如大腸桿菌和金黃色葡萄球菌混合菌，從18℃-28℃，隨著溫度升高，活細菌繁殖數量到達峰值的時間縮短，峰值數據更高；這說明該溫度區間下溫度對細菌活性呈現正相關。

濕度對選定細菌生長的影響較為復雜，低溫（18℃-24℃）時高濕（80%RH以上）環境有利于細菌縮短延遲期，較快進入對數增長期。溫度較高時，濕度對細菌延遲期的影響不大，細菌生長曲線初期的斜率趨向一致，只是影響活菌數峰值以及到達峰值的時間，濕度越大活菌數的峰值越高，峰值過后下降的斜率（衰亡速度）差別不大；需要指出的是較高濕度下后期的存活菌數量要明顯高于較低濕度條件下，這說明濕度大有利于細菌的存活。

對于真菌來說，低溫時，高濕環境有利于真菌的生長，比低濕環境能更快到達活菌數量的峰值；高溫時，濕度變化的對真菌活性影響不大，對數增殖階段真菌的表現趨向一致（斜率幾乎一致），峰值數據稍有差異；與細菌類似，濕度變大，活菌峰值數量也變高。一段時間（48h）后，實驗真菌的基本數量相對恒定，會有一定幅度的波動。這表明，室溫條件下，真菌的生長不會終止，也利于其長期存在。

室溫狀態下，溫度升高，濕度加大，微生物的活動水平也升高，表現為快速生長繁殖，更快的到達峰值，活菌數量增加；若存在致病菌，則可能會威脅處在其環境下生活的人。反之，溫度下降，微生物的活動水平下降（活性下降），表現為生長繁殖變緩，但不會立即死亡。室溫環境下，細菌和真菌的表現有差異，細菌對溫度變化和濕度變化均表現得更敏感；而真菌在室溫環境下，較低溫度時其活性跟濕度正相關，隨溫度的升高，濕度的影響逐漸變小；真菌的存活數量隨時間的延長不斷波動，保持一定數量，這可能與真菌的繁殖方式（生產孢子）有關。

4.總結

家用空調將來發展的方向是應用智能化和健康管理（家庭空氣品質管理），要求一方面能加強智能學習、理解用戶意愿、場景感知、更好的人機互動、更好的融入家庭并參與打造智能家居；另一方面就是重視健康管理，對室內機內部和室內空氣進行健康管理和處理，使空調更好的為人民服務。

健康的空調應該同時具備室內機內部健康和提供室內空氣品質管理。

結合本項目，特提出以下建議：

（1）空調在制冷時，應盡快將室溫降至目標溫度，這個過程非常影響室內微生物的活性水平，當然也包括從室外進入到室內的微生物（大氣攜帶、人、物品等）。

（2）隨著溫度的降低，濕度必然增大，在溫度保持階段，定期開啟除濕，使濕度保持在60%RH以下。極端天氣下如室外高溫高濕時（桑拿天氣）會影響空調的除濕效率，這時也是一年中的微生物活性最大時，此時最好輔以其他手段來控制室內微生物水平。

（3）綜合人體體感和本項目結果，考慮到建設節約社會、以及可持續發展，空調建議設定溫度在24℃-26℃，濕度控制在60%RH或以下；這樣一方面微生物活性控制在較低水平，又比較節能，體感比較舒適。

參考文獻

[1] 王秀茹.預防醫學微生物學及檢驗技術[M].北京：人民衛生出版社，2002，760-766.

[2] 嚴漢彬，丁力行.控制空調系統微生物污染的溫濕度條件與分析[J]，《制冷與空調》，2011， （2）.