UV-C LED應用已從(終端使用點)POU前進到(供水入水點)POE

2021/03/26

作者:PHIL JONES & DR. JENNIFER PAGAN FEB 01, 2021

UV-C LED系統進入POE(point-of-entry),這對UV消毒市場意味著什麼?

早在2012年,採用殺菌或UV-C波長範圍的紫外線汞燈(UV LED)的水消毒系統就已投入商業應用。

UV LED的歷史
UVC LED比傳統的紫外線燈管要小,但流量較低,成本高達幾千美元。當時,UVC LED主要集中在(終端)使用點(point-of-use, POU)的應用上。隨著UVC LED系統越來越小,現今已進展到可以輕鬆整合或安裝到現有的產品中。隨著UVC LED系統設計的不斷發展,它們在設計、耐用性、以及最重要的效率和成本等方面都日趨成熟,以至於最終在POE的UV消毒市場上與現有產品形成了競爭。

與傳統系統的比較
UV消毒系統的核心主要有二:UV燈的效率與反應器的設計效率。通常,與UV-C LED光源相比,傳統的UV燈效率更高,但所產生的紫外線也比產生的熱量更多。而傳統的汞燈反應器設計則正好相反,這是因為圓柱形設計通常比現代的UV-C LED反應器效率低,新技術UVC可以根據LED的靈活性進行定制設計。隨著時間的推進,UV-C LED的紫外光效率被提高,也大幅提高了UV-C LED反應器的效率。這些進步鞏固了用於POU的LED科技,也開始拓展POE市場。如今,更高水流量的POE解決方案已經成熟。

比較傳統UV汞燈和UV-C LED時,需要考慮的其他因素包括系統的維護和擁有成本。首先,由於UV-C LED的獨特特性,不用擔心結垢問題,因為LED的熱排放是在系統的背面,而石英套管容易因熱產生結垢。「即開即用」的LED技術僅在水流動時才為LED供電,因此不會積聚熱量而傳統汞燈系統設計持續供電,會經常導致結垢問題。此外,藉由謹慎的熱量管理,UV-C LED系統可以持續10,000小時的間歇使用。與傳統汞燈相比,LED的即時開/關以及僅在需要時才供電的特性大大縮短了燈具的更換間隔。具備了這個特性,再加上可隨著流量調節功率,也就意味著對於UV-C LED系統來說,消毒所需的電能大大降低。

與汞燈固定的253.7nm輻射相比,LED的另一個特色是能在260 nm至280 nm的殺菌範圍內選擇UV-C波長。這使得在因應特定需求而設計UV-C LED系統時,能有更精準的設計彈性和針對性。

最後,LED能夠結合紫外線強度監測功能, 而非傳統汞燈常用的價格昂貴且可靠度不高的外部感測器模組,這也是UV-C LED的一個重要優勢。,這項功能讓使用者安心知道他們的消毒系統是否正常運作並提供已處理的安全用水。

LED進入市場
UV-C LED系統也已經被用來進行一些案例研究,其中包括一個大學的前導性研究(pilot study)以及和美國環保局(EPA)達成的合作研發協議(CRADA)。這些從2016年就開始進行的案例研究提供了可靠性和使用壽命的指標,而這些指標是飲用水處理領域的關鍵要素。美國環保局研發協議的主要目標是設計、製造及測試出整合先進UV-C LED消毒和過濾技術的綜合水處理系統;並希望能實現比現有商業系統更高的流量與更令人安心的水質。而推出全球第一個商用UV-C LED POE水處理系統則是這項協議的最終成果。

住宅POE單位
如今,UV-C LED系統已經穩穩地跨過了POE門檻,這項技術最引人注目的「亮點」是它能夠做到整個家庭的用水處理──不僅是飲用水,還包括淋浴、浴室龍頭等用水,這也表示UV-C LED系統已經有了完全可行的替代方案來取代傳統的汞燈系統。傳統汞燈需要預熱時間,要達到殺菌效果通常需要以全功率運作,因此傳統系統的用戶經常遇到長時間不流動(例如,早晨第一次開水龍頭)後出現的「熱水噴發」狀況。能夠「即開即用」的LED系統讓這種「刺激」不再發生。此外,以一般斷斷續續的家庭用水來說,五年的LED更換間隔、可節省的耗電量、以及無需處理廢棄汞燈等優點,都讓LED解決方案更具吸引力。

商業單位
因為輕商業中所需的水流量與住宅環境中的水流量差異不大,因此LED在上述POE應用中所具備的特性,使它同樣也可以應用在「輕商業」中。例如:小型社區中心和競技場、小型學校、小型辦公室、消防大廳和零售店等,而較大的設施則可以並行安裝多個POE模組。同時,由於研發的進展和市場需求,不久的將來LED系統成本和佔用空間都將會持續降低,而進一步有更適合各種商業應用的系統被推出。

市政單位
就性質而言,都市水處理系統在我們所討論的應用中流量最高。在這裡另一個需要考慮的問題是典型的「多屏障法」,該方法通常結合了紫外線消毒和提供餘氯。採用這種方法時,所有系統所需的紫外線功率極大,一段時間之內會由傳統的汞燈技術主導。然而如前面所提到的,用於UV-C應用的LED技術進展迅速,並且成本、功率、效率也不斷提高,因此未來趨勢將會逐漸逆轉,而這樣的趨勢我們可以從已經在英國啟動的LED消毒及高級氧化(AOP)市政系統試驗中見到端倪。

LED市場趨勢

POE UV總市場規模:就本文而言,我們僅考慮流速通常在5至15 gpm(20至60 lpm)範圍內的住宅和輕型商業應用。這一部分的市場規模估計是每年約為3億美元,相當於全球約30萬個系統。
近COVID-19狀況:透過諸如Flint、密西根州和其他一些被廣泛宣傳的活動、COVID-19所導致的健康意識普遍提高、以及最終用戶對水質問題的認識,多方面導致UV消毒總體市場呈兩位數成長,範圍則包括了地表、空氣、以及飲用水等應用。
市場上UV-LED系統的成長:人們對於健康和生活品質相關問題永續解決方案的需求與日俱增,導致了UV-C-LED技術在改進水處理方法的領域中越來越重要的地位。而性能的不斷提高和成本的降低使得這種情況更加明朗,並且市場滲透率在未來也只會增加不會消退。