คืนสมรรถนะให้ระบบปรับอากาศด้วยการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตฆ่าเชื้อโรคบนคอยล์เย็น
เขียนโดย: Timothy Leach, Member ASHRAE และ Graham Taylor, PE, Member ASHRAE ตีพิมพ์ในวารสาร ASHRAE Transactions, vol. 123, no. 1, 2017 แปลและเรียบเรียงโดย: ผศ.ดร. พลกฤต กฤชไมตรี Email: [email protected] กรรมการวิชาการ สมาคมวิศวกรรมปรับอากาศแห่งประเทศไทย
บทคัดย่อ
คอยล์เย็นของระบบปรับอากาศเป็นแหล่งเก็บสะสมจุลินทรีย์ จุลินทรีย์เหล่านี้นอกจากจะทาให้คุณภาพอากาศภายในอาคารไม่ดีแล้วยังสร้างฟิล์มชีวภาพ (biofilm) บนผิวคอยล์เย็นซึ่งส่งผลให้สมรรถนะของระบบปรับอากาศต่า สมรรถนะที่ลดลงเกิดจากการไหลของอากาศลดลง ความดันตกเพิ่มขึ้น และการไหลของอากาศที่ไม่สม่าเสมอ คู่มือการออกแบบระบบปรับอากาศสาหรับโรงพยาบาลและคลินิก 2013 ของ ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) ระบุว่า “การกระจายความเร็วของอากาศที่ไม่สม่าเสมอผ่านหน้าคอยล์เย็นอาจส่งผลให้สูญเสียขนาดการทาความเย็น เกิดการส่งผ่านความชื้น หรือทาให้เกิดน้าแข็งจับ” ASHRAE ตระหนักว่าการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตฆ่าเชื้อโรค (Ultraviolet Germicidal Irradiation, UVGI) เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการกาจัดฟิล์มชีวภาพบนผิวคอยล์เย็น โดยคู่มือ ASHRAE สาหรับงานด้านการปรับอากาศ การระบายอากาศ และการทาความร้อน (ASHRAE Handbook for HVAC Applications) แนะนาว่าค่าความเข้มรังสีอัลตราไวโอเลตซี (Ultraviolet C, UVC) ในช่วง 50-100 μW/cm² ที่ผิวคอยล์สามารถรักษาสภาพคอยล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ (หมายเหตุ UVC คือรังสีอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วงระหว่าง 100 – 280 นาโนเมตร ซึ่งสามารถยับยั้งการเจริญพันธุ์ของเชื้อโรคได้จึงมักเรียกว่า UVGI) อย่างไรก็ตามเอกสารดังกล่าวไม่ได้ระบุถึงประสิทธิภาพหรือความเข้มของUVC ที่จาเป็นสาหรับการส่งผ่านเข้าไปในคอยล์ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างของครีบหรือความลึกของคอยล์ บทความนี้จะนาเสนอข้อมูลจากการสร้างแบบจาลองทางห้องปฏิบัติการและการวัดค่าความเข้มของ UVC ที่พื้นผิวของคอยล์ทั่วไปในระบบปรับอากาศ เพื่อทาความเข้าใจว่า UVC ฉายผ่านช่องว่างของคอยล์ได้ดีเพียงใด โดยทาการวัดที่ผิวของคอยล์ลึก 2 นิ้ว และ 4 นิ้ว ตามลาดับ ความเข้มของรังสี UVC ถูกวัดและบันทึกด้วยเครื่องวัดรังสีที่ปรับเทียบแล้ว ซึ่งสามารถสร้างผลลัพธ์ที่ตรวจสอบย้อนกลับไปยัง National Institute of Standards and Technology (NIST) และผ่านไปยัง International System of Units (SI), ANSI/NCSI Z540.1 – 1994 และ ANSI/NCSI Z540.3 – 2006 ได้
การนาเสนอผลการลดฟิล์มชีวภาพเชิงทฤษฎีบนผิวคอยล์ทั่วไปจะแสดงสาหรับค่าความเข้มของ UVC ที่ต่างกันที่ความลึกของคอยล์ที่ต่างกัน การวิเคราะห์เปรียบเทียบแสดงให้เห็นที่ความเข้มตั้งแต่ 50 – 1,000 μW/cm² การเปรียบเทียบนี้ขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์ทางห้องปฏิบัติการ ข้อมูลที่ตีพิมพ์ และข้อมูลจากการศึกษาภาคสนามที่นามาใช้หาปริมาณความเข้มข้นของจุลินทรีย์บนพื้นผิวของคอยล์เย็น [Leach and Scheir 2014; Ryan, et al., 2011] ข้อมูลภาคสนามนาเสนอจากกรณีศึกษาของโรงพยาบาลระดับตติยภูมิ (โรงพยาบาลศูนย์) สองแห่ง โรงพยาบาลทั้งสองแห่งประสบปัญหาระบบปรับอากาศที่มีประสิทธิภาพต่าหลังจากทาความสะอาดคอยล์ด้วยสารเคมีซ้า ๆ
ผลจากการศึกษาพบว่าโรงพยาบาลทั้งสองแห่งสามารถลดฟิล์มชีวภาพบนคอยล์และฟื้นฟูสมรรถนะของระบบได้อย่างดีโดยการใช้ความเข้มของรังสี UVC บนผิวหน้าคอยล์ตั้งแต่ 1,000 μW/cm² ขึ้นไป นอกจากนี้ยังได้วิเคราะห์การปนเปื้อนจากคอยล์ก่อนและหลังการติดตั้ง UVGI จากข้อมูลเหล่านี้สามารถกาหนดมาตรฐานสาหรับความเข้มของรังสี UVC ขั้นต่าเพื่อรักษาสภาพของคอยล์เย็นที่ความลึกและระยะห่างของครีบต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งหมายถึงการรักษาสมรรถนะของระบบปรับอากาศนั่นเอง
บทนำ
การปนเปื้อนเชื้อแบคทีเรียและเชื้อราในคอยล์เย็นของระบบปรับอากาศเป็นปรากฏการณ์ที่แพร่หลายซึ่งนาไปสู่ปัญหาคุณภาพอากาศภายในอาคาร (Indoor Air Quality, IAQ) ที่ไม่ดี [Huegenholtz 1992; Levitin et al., 2001; Apter 1994] และการติดเชื้อในโรงพยาบาล (Hospital Acquired Infections, HAIs) [Walter 1969; Ryan et al., 2011] โดยทั่วไปช่วงท้ายหรือด้านส่งออกของคอยล์เย็นจะมีความเข้มข้นของจุลินทรีย์สูงสุดอยู่ในช่วง 105 – 106 หน่วยการก่อรูปเป็นกลุ่มของจุลินทรีย์ (colony forming units, CFUs) ต่อตารางเซนติเมตรของพื้นที่ผิวคอยล์ [Hugenholtz and Fuerst 1992; Ryan et al., 2011 Leach and Scheir 2014] นอกเหนือจากการที่มีคุณภาพอากาศภายในที่ไม่ดีแล้วฟิล์มชีวภาพที่เพิ่มขึ้นบนพื้นผิวคอยล์เย็นอาจทาให้ระบบปรับอากาศมีสมรรถนะต่าซึ่งเป็นผลมาจากการไหลของอากาศลดลง ความดันตกเพิ่มขึ้น และการไหลของอากาศที่ไม่สม่าเสมอ [ASHRAE 2013; Kowalski 2011; Sigel and Nazaroff 2002]
การฉายรังสีอัลตราไวโอเลตฆ่าเชื้อโรคได้รับการยอมรับว่าเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการกาจัดฟิล์มชีวภาพที่เติบโตขึ้นบนผิวคอยล์เย็น [ASHRAE 2015; ASHRAE 2016 Leach and Scheir 2014; Ryan et al., 2011] คู่มือ ASHRAE สาหรับงานด้านการปรับอากาศ การระบายอากาศ และการทาความร้อน แนะนาว่าค่าความเข้มรังสี UVC ในช่วง 50 – 100 μW/cm² ที่ผิวคอยล์สามารถรักษาคอยล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามเอกสารดังกล่าวไม่ได้ระบุถึงประสิทธิภาพหรือความเข้มของ UVC ที่จาเป็นสาหรับการส่งผ่านคอยล์ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างของครีบหรือความลึกของคอยล์ บทความนี้จะนาเสนอข้อมูลจากการสร้างแบบจาลองทางห้องปฏิบัติการและการวัดค่าความเข้มของ UVC ที่พื้นผิวของคอยล์ทั่วไปในระบบปรับอากาศ การวิเคราะห์เพิ่มเติมจะนาเสนอเพื่อแสดงให้เห็นถึงการฉายผ่านที่มีประสิทธิภาพของรังสี UVC ผ่านช่องว่างของคอยล์และการลดจุลินทรีย์ทางทฤษฎีบนพื้นผิวคอยล์
มีสองวิธีในการตรวจสอบเพื่อยืนยันประสิทธิภาพของการขจัดคราบและการฆ่าเชื้อบนคอยล์ ได้แก่ (ก) การสุ่มตัวอย่างเชื้อแบคทีเรียและเชื้อราก่อนกับหลังการขจัดคราบและการฆ่าเชื้อบนคอยล์ หรือ (ข) พิจารณาว่าลักษณะการทางาน (สมรรถนะ) ของคอยล์กลับสู่สภาวะที่ได้ออกแบบไว้หรือไม่ [Kowalski 2011] บทความนี้แสดงให้เห็นถึงผลลัพธ์โดยใช้วิธีการตรวจสอบทั้งสองและสรุปร่วมกับการนาเสนอข้อมูลภาคสนามจากกรณีศึกษาของโรงพยาบาลระดับตติยภูมิ (โรงพยาบาลศูนย์) สองแห่ง โรงพยาบาลทั้งสองแห่งประสบปัญหาระบบปรับอากาศที่มีประสิทธิภาพต่าหลังจากทาความสะอาดคอยล์ด้วยสารเคมีซ้า ๆ ผลจากการศึกษาพบว่าโรงพยาบาลทั้งสองแห่งสามารถลดฟิล์มชีวภาพบนคอยล์และฟื้นฟูสมรรถนะของระบบได้อย่างดีโดยการใช้ความเข้มของรังสี UVC ตั้งแต่ 1,000 μW/cm² ขึ้นไป นอกจากนี้ยังได้วิเคราะห์การปนเปื้อนจากคอยล์ก่อนและหลังการติดตั้ง UVGI จากข้อมูลเหล่านี้สามารถกาหนดมาตรฐานสาหรับความเข้มของรังสี UVC ขั้นต่าเพื่อรักษาสภาพของคอยล์เย็นที่ความลึกและระยะห่างของครีบต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งหมายถึงการรักษาสมรรถนะของระบบปรับอากาศนั่นเอง
การสร้างแบบจาลองห้องปฏิบัติการและการลดจุลินทรีย์ทางทฤษฎี
แบบจำลองสองขั้นตอนอย่างง่ายได้สร้างขึ้นและนามาใช้เพื่อทาความเข้าใจผลกระทบของ UVGI ต่อการเจริญเติบโตของฟิล์มชีวภาพภายในช่องว่างของคอยล์ตามแนวลึก ขั้นตอนแรกเป็ นการจา ลองและวัดความเข้มรังสี UVC (μW/cm2) ที่ฉายผ่านเข้าไปในคอยล์เย็นของระบบปรัอากาศทั่วไป เมื่อเกิดการฉายผ่านเข้าไปของรังสี UVC ขึ้นแล้วจึงสร้างทฤษฎีการลดฟิล์มชีวภาพที่คาดหวังได้
การสร้างแบบจาลอง UVC ใช้คอยล์ [Rahn Industries Whittier, CA] ที่มีขนาดความกว้าง 30 นิ้ว และความสูง 40 นิ้วเท่ากัน แต่มีความลึกต่างกันสองแบบ คือ ลึก 2 นิ้ว และ 4 นิ้ว ตามลาดับ โดยเป็นคอยล์ใหม่ยังไม่ได้ใช้และสร้างจากครีบอลูมิเนียมและท่อทองแดงคอยล์ทั้งสองมีครีบ 10 ครีบต่อ 1 นิ้ว การทดสอบทา ที่อุณหภูมิห้องโดยใช้คอยล์ที่ไม่ได้ใส่สารทาความเย็นและใช้แหล่งพลังงาน UVC สองแหล่ง [Steril-Aire, Inc.Burbank, CA] ได้แก่ หลอด UVC ขนาด 24 นิ้วหนึ่งหลอด และหลอด UVC ขนาด 36 นิ้ วหนึ่ งหลอดตามลาดับ แหล่งกาเนิดรังสี UVC ตั้งอยู่ห่างจากตัวตรวจวัดรังสี UVC [Gigahertz-Optik, GmbH Pucheim, Germany] 20 นิ้ว และห่างจากหน้าคอยล์ 12 นิ้ว ดังแสดงในรูปที่ 2 โดยมีตัวตรวจวัดรังสี UVC ติดตั้งบนขาตั้งกล้องในรูปแบบที่อยู่ตรงกลางคอยล์ดังแสดงในรูปที่ 1ในการเริ่มต้นทดสอบแต่ละครั้งหลอด UVC ถูกเปิดและทางานเป็นเวลา 5 นาทีเพื่อการรักษาเสถียรภาพของอุณหภูมิ มีการบันทึกผลการวัดสามครั้งสาหรับแหล่งพลังงาน UVC แต่ละหลอด การวัดครั้งแรกได้รับการบันทึกโดยไม่มีคอยล์ และแต่ละครั้งที่มีคอยล์ลึก 2 นิ้ว และ 4 นิ้วอยู่ระหว่างแหล่งกาเนิดกับตัวตรวจวัดรังสีดัง
แสดงในรูปที่ 2
ผลลัพธ์และการอภิปราย
การสร้างแบบจาลอง UVC และการลดจุลินทรีย์ในทางทฤษฎี การวัดค่าความเข้มรังสี UVC แสดงให้เห็นว่ามีเพียงบางส่วนของพลังงานจากการฉายรังสีบนหน้าคอยล์ที่ผ่านลึกเข้าไปในช่องว่างของคอยล์ ซึ่งอาจเป็นผลมาจากหลายปัจจัย เช่น การสูญเสียพลังงานตามกฎกาลังสองผกผัน (inverse square law) ของนิวตัน ช่องทางที่ลดลงเนื่องจากการครีบที่แคบและโค้ง และการดูดซับพลังงานของอลูมิเนียมที่มีค่าประมาณ 26% ทุกครั้งที่เกิดการสะท้อน [Kowalski 2011] การทดสอบแบบเรียบง่ายนี้ (ซึ่งไม่คานึงถึงสภาวะการทางาน เช่น ความชื้น อุณหภูมิ และการปนเปื้อน) แสดงให้เห็นถึงการสูญเสียพลังงาน UVC เท่ากับ 1-Log (10-1) สาหรับการฉายผ่านคอยล์ลึกเข้าไปทุกๆ 1 นิ้ว ดังแสดงในตารางที่ 1 ตามแบบจาลองนี้ความเข้มของ UVC ที่ผิวหน้าคอยล์ 50 – 100 μW/cm² [ASHRAE 2015] จะให้ค่าคงเหลือเท่ากับ 0.5 – 1 μW/cm² ที่ความลึก 2 นิ้วจากผิวหน้าคอยล์
ขั้นตอนที่สองของการวิเคราะห์ได้พิจารณาประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีของรังสี UVC ที่มีความเข้มหน้าคอยล์เท่ากับ 100 μW/cm² [ASHRAE 2015] บนฟิล์มชีวภาพชั้นเดียวที่ความลึก 2 นิ้วภายในคอยล์ ฟิล์มชีวภาพชั้นเดียวโดยทั่วไปจะมี 105 – 106 หน่วยการก่อรูปเป็นกลุ่มของจุลินทรีย์ต่อตารางเซนติเมตร (colony forming units/cm2, CFUs/cm2) [Leach and Scheir 2014; Ryan et al., 2011; Moreau-Marquis et al., 2010] การทดสอบนี้เลือก Pseudomonas sp. ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่แยกได้จากระบบปรับอากาศทั่วไป [Leach and Scheir 2014; Ryan et al., 2011] เพื่อใช้ในการแสดงผล โดยแบคทีเรียนี้จะเพิ่มสองเท่าโดยประมาณในทุกๆ 20 นาที ปริมาณรังสี UVC (dose) ที่จาเป็นสาหรับการลด Pseudomonas sp. ลง 1-Log หรือ 90% คือ 5,495 μJ/cm² [Zelle 1955] ปริมาณรังสี UVC สะสมในช่วงเวลา 20 นาทีที่คาดหวังสาหรับ Pseudomonas sp. บนผิวคอยล์ที่ความลึกของคอยล์ 2 นิ้ว ควรมีค่าเท่ากับ 1 μW/cm² คูณ 1,200 วินาที หรือ 1,200 μJ/cm² ค่าความเข้มนี้เท่ากับการลด Pseudomonas sp. ลงประมาณ 22% ในทุกๆ 20 นาที ผลลัพธ์คือ 105 หรือ 100,000 CFUs ของ Pseudomonas sp คูณ 22% ที่ลดลงเท่ากับการอยู่รอดของ 78,000 CFUs ซึ่งแบคทีเรียที่อยู่รอด 78,000 CFUs นี้จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในระยะเวลา 20 นาที เท่ากับการเพิ่มความเข้มข้นของ CFU ภายในฟิล์มชีวภาพ ≥ 50% หรือเพิ่มเป็น 156,000 CFUs โดยประมาณการเพิ่มขึ้น 1-log หรือ 10 เท่าของค่าความเข้ม UVC ที่หน้าคอยล์จะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสาคัญ ตัวอย่างเช่น ความเข้ม 1,000 μW/cm² ที่หน้าคอยล์จะให้ผลของความเข้ม 10 μW/cm² ที่ความลึกของคอยล์ 2 นิ้ว ในช่วง 20 นาที ปริมาณรังสี UVC สะสมที่คาดหวังสาหรับ Pseudomonas sp. บนผิวคอยล์ที่ความลึกของคอยล์ 2 นิ้ว จะมีค่าเท่ากับ 10 μW/cm² คูณ 1,200 วินาที หรือ 12,000 μJ/cm² ค่าความเข้มนี้เท่ากับการลด Pseudomonas sp. ลงประมาณ 99% ในทุกๆ 20 นาที ผลลัพธ์คือ 105 หรือ 100,000 CFUs ของ Pseudomonas sp คูณ 99% ที่ลดลงเท่ากับการอยู่รอดของ 1,000 CFUs
ผลลัพธ์และการอภิปราย
การสร้างแบบจาลอง UVC และการลดจุลินทรีย์ในทางทฤษฎี การวัดค่าความเข้มรังสี UVC แสดงให้เห็นว่ามีเพียงบางส่วนของพลังงานจากการฉายรังสีบนหน้าคอยล์ที่ผ่านลึกเข้าไปในช่องว่างของคอยล์ ซึ่งอาจเป็นผลมาจากหลายปัจจัย เช่น การสูญเสียพลังงานตามกฎกาลังสองผกผัน (inverse square law) ของนิวตัน ช่องทางที่ลดลงเนื่องจากการครีบที่แคบและโค้ง และการดูดซับพลังงานของอลูมิเนียมที่มีค่าประมาณ 26% ทุกครั้งที่เกิดการสะท้อน [Kowalski 2011] การทดสอบแบบเรียบง่ายนี้ (ซึ่งไม่คานึงถึงสภาวะการทางาน เช่น ความชื้น อุณหภูมิ และการปนเปื้อน) แสดงให้เห็นถึงการสูญเสียพลังงาน UVC เท่ากับ 1-Log (10-1) สาหรับการฉายผ่านคอยล์ลึกเข้าไปทุกๆ 1 นิ้ว ดังแสดงในตารางที่ 1 ตามแบบจาลองนี้ความเข้มของ UVC ที่ผิวหน้าคอยล์ 50 – 100 μW/cm² [ASHRAE 2015] จะให้ค่าคงเหลือเท่ากับ 0.5 – 1 μW/cm² ที่ความลึก 2 นิ้วจากผิวหน้าคอยล์
ขั้นตอนที่สองของการวิเคราะห์ได้พิจารณาประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีของรังสี UVC ที่มีความเข้มหน้าคอยล์เท่ากับ 100 μW/cm² [ASHRAE 2015] บนฟิล์มชีวภาพชั้นเดียวที่ความลึก 2 นิ้วภายในคอยล์ ฟิล์มชีวภาพชั้นเดียวโดยทั่วไปจะมี 105 – 106 หน่วยการก่อรูปเป็นกลุ่มของจุลินทรีย์ต่อตารางเซนติเมตร (colony forming units/cm2, CFUs/cm2) [Leach and Scheir 2014; Ryan et al., 2011; Moreau-Marquis et al., 2010] การทดสอบนี้เลือก Pseudomonas sp. ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่แยกได้จากระบบปรับอากาศทั่วไป [Leach and Scheir 2014; Ryan et al., 2011] เพื่อใช้ในการแสดงผล โดยแบคทีเรียนี้จะเพิ่มสองเท่าโดยประมาณในทุกๆ 20 นาที ปริมาณรังสี UVC (dose) ที่จาเป็นสาหรับการลด Pseudomonas sp. ลง 1-Log หรือ 90% คือ 5,495 μJ/cm² [Zelle 1955] ปริมาณรังสี UVC สะสมในช่วงเวลา 20 นาทีที่คาดหวังสาหรับ Pseudomonas sp. บนผิวคอยล์ที่ความลึกของคอยล์ 2 นิ้ว ควรมีค่าเท่ากับ 1 μW/cm² คูณ 1,200 วินาที หรือ 1,200 μJ/cm² ค่าความเข้มนี้เท่ากับการลด Pseudomonas sp. ลงประมาณ 22% ในทุกๆ 20 นาที ผลลัพธ์คือ 105 หรือ 100,000 CFUs ของ Pseudomonas sp คูณ 22% ที่ลดลงเท่ากับการอยู่รอดของ 78,000 CFUs ซึ่งแบคทีเรียที่อยู่รอด 78,000 CFUs นี้จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในระยะเวลา 20 นาที เท่ากับการเพิ่มความเข้มข้นของ CFU ภายในฟิล์มชีวภาพ ≥ 50% หรือเพิ่มเป็น 156,000 CFUs โดยประมาณการเพิ่มขึ้น 1-log หรือ 10 เท่าของค่าความเข้ม UVC ที่หน้าคอยล์จะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสาคัญ ตัวอย่างเช่น ความเข้ม 1,000 μW/cm² ที่หน้าคอยล์จะให้ผลของความเข้ม 10 μW/cm² ที่ความลึกของคอยล์ 2 นิ้ว ในช่วง 20 นาที ปริมาณรังสี UVC สะสมที่คาดหวังสาหรับ Pseudomonas sp. บนผิวคอยล์ที่ความลึกของคอยล์ 2 นิ้ว จะมีค่าเท่ากับ 10 μW/cm² คูณ 1,200 วินาที หรือ 12,000 μJ/cm² ค่าความเข้มนี้เท่ากับการลด Pseudomonas sp. ลงประมาณ 99% ในทุกๆ 20 นาที ผลลัพธ์คือ 105 หรือ 100,000 CFUs ของ Pseudomonas sp คูณ 99% ที่ลดลงเท่ากับการอยู่รอดของ 1,000 CFUs
ตารางที่ 1 พลังงานรังสี UVC ผ่านคอยล์เย็นที่วัดได้
ซึ่งแบคทีเรียที่อยู่รอด 1,000 CFUs จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในระยะเวลา 20 นาที เท่ากับการลดความเข้มข้นของ CFU ภายในฟิล์มชีวภาพลงเหลือเพียง 2,000 CFUs เท่านั้น ในระยะเวลา 20 นาทีถัดไปจะส่งผลให้มีการลดลงอีก 99% ของจานวนที่เหลืออยู่ 2,000 CFUs ไปเป็น 40 CFUs โดยประมาณ
การจำลองนี้แสดงให้เห็นว่ารังสี UVC ความเข้ม 50 – 100 μW/cm² ที่หน้าคอยล์ไม่มีประสิทธิภาพในการขจัดฟิล์มชีวภาพที่อยู่ลึกภายในคอยล์ ตรงกันข้ามการเพิ่มขึ้นของความเข้ม UVC ที่ 100 μW/cm² เป็น 1,000 μW/cm² ที่ผิวหน้าคอยล์จะก่อให้เกิดผลลัพธ์ตามที่ตั้งใจไว้ในการทาความสะอาดช่องว่างระหว่างครีบของคอยล์
การใช้ UVGI ในงานจริงและการวิเคราะห์
การวิเคราะห์ฟิล์มชีวภาพของคอยล์ ตัวอย่างจากคอยล์ของระบบปรับอากาศถูกเก็บรวบรวมโดยใช้วิธีการมาตรฐานสา หรับพื้นผิวที่ไม่มีชีวิต [AIHA: AIHA Field Guide. 1996] และได้รับการวิเคราะห์โดยห้องปฏิบัติการอิสระ [Pure Earth Environmental Laboratory, Inc. , Pennsauken, NJ] แต่ละตัวอย่างที่เก็บรวบรวมได้คือหนึ่งตารางนิ้วจากด้านอากาศออกของคอยล์เย็นของระบบปรับอากาศ ตัวอย่างที่ป้ายเชื้อจากพื้นผิวได้จากการใช้อุปกรณ์เก็บเชื้อ (BBL culturette)[Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ] ซึ่ งเป็ นที่ป้ ายเชื้อทาด้วยไหมสังเคราะห์ซึ่งปราศจากเชื้อ (sterile rayon-tipped swab) ชุบด้วย modified Stuart’s transport medium ก่อนที่จะทาการสุ่มตัวอย่างจากพื้นที่ผิวหนึ่งตารางนิ้ว ตัวอย่างที่ป้ายเชื้อเรียบร้อยแล้วถูกนา กลับเข้าไปไว้ในภาชนะเดิม ปิดผนึกและส่งทางอากาศไปยังห้องปฏิบัติการทันทีในวันรุ่งขึ้นเพื่อระบุและหาปริมาณเชื้อราและแบคทีเรียในระดับสายพันธุ์
การวิเคราะห์การปนเปื้อนขนาดใหญ่บนคอยล์(Coil Bulk Contamination Analysis) การวิเคราะห์การปนเปื้ อนได้ดาเนินการกับการปนเปื้ อนขนาดใหญ่ในของแข็งสีดาที่ได้จากคอยล์ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 3 และ 4 หลังจากเก็บตัวอย่างแล้วนาไปส่งที่ห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัย (State University of New York at Buffalo Instrument Center) เพื่อการวิเคราะห์จากการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM)
การวิเคราะห์เชิงกลของระบบปรับอากาศ การอ่านค่าความดันตกผ่านคอยล์เย็นของโรงพยาบาล A และโรงพยาบาล B ได้รับการบันทึกไว้หลังจากการทา ความสะอาดด้วยสารเคมีและหลังการติดตั้งระบบ UVGI การวัดถูกบันทึกด้วยไมโครมานอมิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ (electronic micro manometer) [Shortridge Instruments, Inc. Airdata Multimeter ADM-870C] โรงพยาบาลของ A ใช้บุคลากรในโรงพยาบาลในการบันทึกค่าความดันตกผ่านคอยล์ที่อ่านได้ ขณะที่โรงพยาบาล B ใช้ผู้รับเหมางานทดสอบและปรับสมดุลอากาศจากภายนอก
รูปที่ 3 สิ่งปนเปื้อนจากคอยล์
รูปที่ 4 สิ่งปนเปื้อนที่เก็บจากคอยล์
ผลลัพธ์และการอภิปราย
ความเข้มของรังสี UVC ถูกเลือกเพื่อฉายผ่านเข้าไปในครีบของคอยล์เย็นได้หลายนิ้ว โดยตั้งใจที่จะทาลายและขจัดฟิล์มชีวภาพที่เชื่อว่าเป็นสาเหตุการไหลอากาศสมรรถนะต่า โรงพยาบาลทั้งสองแห่งตระหนักว่าไม่สามารถปรับปรุงการไหลอากาศได้โดยการทาความสะอาดด้วยสารเคมี โรงพยาบาลทั้งสองแห่งจึงติดตั้งระบบ UVGI [Steril-Aire, Inc.] ที่ด้านอากาศไหลออกจากคอยล์เย็นซึ่งเป็นทางเลือกหนึ่งในการลดผลกระทบ ระบบ UVGI ซึ่งติดตั้งโดยโรงพยาบาล A และ B ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ความเข้มของรังสี UVC ≥ 1,000 μW/cm2 ตลอดทั้งหน้าทางออกของคอยล์เย็น
โรงพยาบาล A และ B ใช้การวิเคราะห์แบบสองขั้นตอนเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย (ก) ลดปริมาณการปนเปื้อน และ (ข) ตรวจสอบการปรับปรุงสมรรถนะการไหลของอากาศ ขั้นตอนแรกคือการแยกและระบุสิ่งปนเปื้อนของคอยล์ การเพาะเลี้ยงตัวอย่างจุลินทรีย์จากคอยล์ถูกเก็บรวบรวมพร้อมกับตรวจวิเคราะห์การปนเปื้อนขนาดใหญ่ สมรรถนะการไหลของอากาศถูกวัดโดยการตรวจสอบความความดันตกผ่านคอยล์
การเพาะเลี้ยงตัวอย่างจุลินทรีย์จากคอยล์ การเก็บตัวอย่างกระทาหลังจากการทาความสะอาดด้วยสารเคมีก่อนการติดตั้งระบบ UVGI และหลังการติดตั้งระบบ UVGI ทั้งที่โรงพยาบาล A และโรงพยาบาล B โดยเก็บตัวอย่างที่โรงพยาบาล A หลังการทาความสะอาดคอยล์ด้วยสารเคมี 30 วัน และก่อนการติดตั้ง UVGI ส่วนที่โรงพยาบาล B เก็บตัวอย่างหลังการทาความสะอาดคอยล์ด้วยสารเคมี 60 วัน และก่อนการติดตั้ง UVGI จากตัวอย่างที่เก็บได้พบว่าโรงพยาบาล A มีแบคทีเรียและเชื้อรา 9 ชนิดและโรงพยาบาล B มี 8 ชนิด ดังแสดงในตารางที่ 2 โดยโรงพยาบาลทั้งสองแห่งพบเชื้อจุลินทรีย์สายพันธุ์เดียวกัน 6 ชนิด แสดงว่าฟิล์มชีวภาพมีลักษณะคล้ายกันโดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นที่น่าสังเกตเพราะโรงพยาบาลสองแห่งนี้อยู่ในสถานที่ที่แตกต่างกันมากภายในทวีปสหรัฐอเมริกา โรงพยาบาล A อยู่ตอนกลางของรัฐแคลิฟอร์เนีย และ โรงพยาบาล B อยู่ตอนกลางของรัฐเทนเนสซี [Acerbi 2016] จากผลลัพธ์ที่ได้พบว่าความเข้มข้นของจุลินทรีย์จากการเก็บตัวอย่างหลังการทาความสะอาดคอยล์ด้วยสารเคมีนั้นมีค่าสูงจนน่าแปลกใจ
ตารางที่ 2 ผลการเก็บเชื้อที่ด้านส่งของคอยล์เย็นก่อนการติดตั้งระบบ UVGI ที่โรงพยาบาล A และโรงพยาบาล B
ตารางที่ 3 จำนวนหน่วยการก่อรูปเป็นกลุ่มของจุลินทรีย์เฉลี่ยต่อตารางเซ็นติเมตร (CFU/cm²) ของ แบคทีเรียและเชื้อราบนผิวคอยล์ของโรงพยาบาล A และ B
ผลจากตัวอย่างที่เก็บหลังจากการติดตั้งระบบ UVGI เป็นเวลา 60 วัน พบว่าเชื้อจุลินทรีย์บนพื้นผิวด้านส่งของคอยล์ของระบบปรับอากาศลดลง 5-Log ทั้งโรงพยาบาล A และ B จานวนเชื้อจุลินทรีย์ที่โรงพยาบาล A ลดลงจาก 79,775 เป็น 0 และที่โรงพยาบาล B จาก 327,285 เหลือ 2 CFUs ตามลาดับ ดังแสดงไว้ในตารางที่ 3 จากผลการลดลงของจุลินทรีย์บนพื้นผิวคอยล์นี้สามารถระบุได้ว่าระบบ UVGI ทางานได้ตามที่ตั้งใจไว้
การวิเคราะห์การปนเปื้อนขนาดใหญ่ การปนเปื้อนที่เก็บได้จากครีบของคอยล์ของโรงพยาบาล A และ B และถาดน้าทิ้งดังแสดงในรูปที่ 3 และ 4 วัตถุตัวอย่างถูกเก็บรวบรวมและส่งไปยังห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐนิวยอร์กที่บัฟฟาโล (State University of New York at Buffalo Instrument Center) เพื่อการวิเคราะห์โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน SEM EDX โดยสมบัติทางกายภาพของวัสดุคือมีสีดา แข็ง และมีรูพรุนเหมือนถ่านกัมมันต์ (activated carbon) ดังแสดงในรูปที่ 4 ผลการวิเคราะห์จากห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยระบุว่าสิ่งปนเปื้อนขนาดใหญ่ดังแสดงในรูปที่ 4 เป็นฟิล์มชีวภาพ ฟิล์มชีวภาพนี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสปอร์และเส้นใยของเชื้อราตามที่เห็นได้จากรูปที่ 5
รูปที่ 5 ภาพขยายโดย SEM ของสิ่งปนเปื้อนสีดา – สปอร์และเส้นใยของเชื้อรา
ตารางที่ 4 ค่าความดันตกผ่านคอยล์, ΔP
การวิเคราะห์เชิงกลของระบบปรับอากาศ การวัดการไหลของอากาศถูกบันทึกด้วยไมโครมานอมิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ (electronic micro manometer) [Shortridge Instruments, Inc. Airdata Multimeter ADM-870C] ค่าความดันตกผ่านคอยล์ของโรงพยาบาล A ลดลง 2.19 นิ้วน้าหลังการติดตั้ง UVGI เป็นระยะเวลา 52 วัน และค่าความดันตกผ่านคอยล์ของโรงพยาบาล B ลดลง 2.6 นิ้วน้าหลังการติดตั้ง UVGI เป็นระยะเวลา 74 วัน ดังแสดงในตารางที่ 4 ความต่างของจานวนวันในการปรับปรุงค่าความดันตกผ่านคอยล์อาจเป็นผลมาจากความลึกของคอยล์ โรงพยาบาล A ที่เห็นผลลัพธ์ใน 52 วันมีคอยล์ลึก 8 แถว และโรงพยาบาล B ใช้เวลา 74 วัน เพื่อเห็นผลลัพธ์มีคอยล์ลึก 10 แถว
เจตนาของการติดตั้งระบบ UVGI คือการคืนสภาพคอลย์ให้ใกล้เคียงกับสภาวะการออกแบบมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สภาวะการออกแบบของโรงพยาบาล A และ B มีค่าความดันตกเท่ากับ 1.25 นิ้วน้า ข้อมูลจากผลการตรวจสอบบ่งชี้ถึงความสาเร็จในการปรับปรุงสมรรถนะการไหลของอากาศและกระบวนการขจัดคราบบนคอยล์
บทสรุป
วิธีการวิเคราะห์สองวิธีในการตรวจสอบประสิทธิภาพของการทาความสะอาดคอยล์ด้วยระบบ UVGI วิธีการแรกคือการเก็บตัวอย่างก่อนและหลังทาความสะอาดมาเพาะเลี้ยงเพื่อดูการมีอยู่ของแบคทีเรียและเชื้อรา การวิเคราะห์นี้กาหนดประสิทธิภาพของการกาจัดเชื้อ วิธีที่สองตรวจสอบการปรับปรุงสมรรถนะการไหลของอากาศเพื่อตรวจสอบว่าลักษณะการใช้งานของคอยล์กลับสู่สภาวะการออกแบบหรือไม่ [Kowalski 2011] ข้อมูลที่นาเสนอในบทความนี้แสดงให้เห็นว่าพลังงานของรังสี UVC ที่หน้าคอยล์เย็นอย่างน้อยที่สุด ≥ 1,000 μW/cm² ส่งผลให้เกิดการกาจัดเชื้อบนคอยล์ (มีการขจัดคราบ) และสมรรถนะการไหลของอากาศดีขึ้น บทความนี้ยังนามาสู่คาถามของประสิทธิภาพของการกาจัดเชื้อตามข้อแนะนาที่ระบุในคู่มือ ASHRAE 2015 (Handbook for HVAC application) ที่ 50 – 100 μW/cm² ว่าเพียงพอหรือไม่
ด้วยวิธีการที่ใช้ในการศึกษาซึ่งได้อธิบายไว้ในบทความนี้ยังคงมีข้อจากัดบางอย่าง จาเป็นต้องมีการศึกษาแบบกว้างขวางและครอบคลุมหลายด้านมากขึ้นเพื่อให้เข้าใจถึงผลกระทบของฟิล์มชีวภาพที่มีต่อสมรรถนะของคอยล์เย็นดีขึ้น เพื่อให้ระบบ UVGI ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นอุปกรณ์ที่ได้มาตรฐานของระบบปรับอากาศ จะต้องมีการทาความเข้าใจเกี่ยวกับระดับพลังงานของรังสี UVC เพื่อเพิ่มสมรรถนะการใช้คอยล์เย็นอย่างเหมาะสม การทาความเข้าใจโดยละเอียดนี้ควรใช้ในการกาหนดประสิทธิภาพตามขนาดของคอยล์ ระยะห่างของครีบ วัสดุที่ใช้ในการสร้าง และองค์ประกอบอื่นๆ สุดท้าย ASHRAE ควรกาหนดระดับสมรรถนะในเทอมของ “ประสิทธิภาพ” เช่นเดียวกันกับที่กาหนดไว้สาหรับอุตสาหกรรมการกรองอากาศ โดยมาตรฐาน “ประสิทธิภาพ” เหล่านี้ควรเป็นไปตามสมรรถนะตามการออกแบบเฉพาะใช้งานซึ่งสามารถทั้งวัดและทดสอบการใช้งานได้
กิตติกรรมประกาศ
ทีมนักวิจัยขอขอบคุณ Vanderbilt University Medical Center และ Kaiser Permanente Healthcare สาหรับความร่วมมือในการศึกษาภาคสนาม
บทส่งท้าย (ผู้แปลและเรียบเรียง)
เอกสารอ้างอิง
Leach, T., Taylor, G. Restoring Acceptable HVAC Performance with Ultraviolet Germicidal Irradiation (UVGI) Coil Treatment. ASHRAE Transaction s, vol. 123, no. 1, 2017
Acerbi, E., Chenard, D., Miller, D., Gaultier, N.E., Heinle, C.E., Chang, V.W-C., Uchida, A., Drautz-Moses, D.I., Schuster, S.C., Lauro, F.M. 2016. Ecological succession of the microbial communities of an air-conditioning cooling coil in the tropics. Indoor Air doi: 10.1111/ina.12306
Apter, A., Bracker, A., Hodgson, M., Sidman, J., Leung, W-Y. Epidemiology of the sick building syndrome. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 1994 Vol 94, Issue2, Part 2, Pg. 277-288
American Industrial Hygiene Association (AIHA): Field Guide for the Determination of Biological Contaminants in Environmental Samples. Fairfax, VA: AIHA, 1996
ASHRAE. 2013. ASHRAE Handbook—HVAC Design Manual for Hospitals and Clinics, Atlanta: ASHRAE.
ASHRAE. 2015. ASHRAE Handbook—HVAC Applications, Atlanta: ASHRAE.
ASHRAE. 2016. ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment, Atlanta: ASHRAE.
ANSI/ASHRAE-SPC-185.2-2014. Method of Testing Ulratviolet Lamps for use in HVAC%R or Air Ducts to Inactivate Microorganisms on Irradiated Surfaces.
Hugenholtz, P., Fuerst, J. Heterotrophic Bacteria in an Air-Handling System. Applied and Environmental Microbiology, Dec. 1992, P. 3914-3920
Kowalski, W. UVGI for Cooling Coil Disinfection, Air Treatment and Hospital Infection Control. American Air & Water, January 24, 2011
Leach, T., Scheir, R. Ultra Violet Germicidal Irradiation (UVGI) in Hospital HVAC Decreases Ventilator Associated Pneumonia. ASHRAE, NY-14-C023
Levetin, E., Shaughnessy, R., Rogers, C.A., Scheir, R. Effectiveness of Germicidal UVRadiation for Reducing Fungal Contamination within Air-Handling Units. Applied and Environmental Microbiology, Aug. 2001, p. 3712-3715
Moreau-Marquis, S., Redelman, C.V., Stanton, B.A., Anderson, G.G. Co-cultures of Pseudomonas aeruginosa biofilms grown on line human airway cells, Journal of Visualized Experiments. DOI:10.3791/2186
Ryan, R.M., Wilding, G.E., Wynn, R.J., Holm, B.A., Leach, C.L. Effect of enhanced ultraviolet germicidal irradiation the heating ventilation and air conditioning system on ventilator-associated pneumonia in a neonatal intensive care unit. Journal of Perinatology. (2011), 1-8
Siegel, J.A., Nazaroff, W.W. (2003). Predicting particle deposition on HVAC heat exchangers. Atmospheric Environment 37(39),5587-5596. doi:10.1016/j.atmosenv. 2003.09.033
Walter, C.W., (1969). Ventilation and air conditioning as bacteriologic engineering. Anesthesiology. 31, 186-192
Zelle, M.R., Hollaender, A. (1955). Radiation Biology Volume II. McGraw-Hill, New York
2017 ASHRAE Winter Conference
Address
LEAFPOWER CO., LTD.
54, 56, 58, 60 Soi Pattanakarn 64, Prawet Sub-district, Prawet District, Bangkok 10250 THAILAND
Call us
Call : 061-484-8988,
062-321-5855 (Admin)
Tel : 02-130-6371
FAX : 02-130-6372
