UV-C LED应用已从(终端使用点)POU前进到(供水入水点)POE

2021/03/26

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

UV-C LED系统进入POE(point-of-entry),这对UV消毒市场意味着什么?

早在2012年,采用杀菌或UV-C波长范围的紫外线汞灯(UV LED)的水消毒系统就已投入商业应用。

UV LED的历史
UVC LED比传统的紫外线灯管要小,但流量较低,成本高达几千美元。当时,UV-C LED主要集中在(终端)使用点(point-of-use, POU)的应用上。随着UV-C LED系统越来越小,现今已进展到可以轻松整合或安装到现有的产品中。随着UV-C-LED系统设计的不断发展,它们在设计、耐用性、以及最重要的效率和成本等方面都日趋成熟,以至于最终在POE的UV消毒市场上与现有产品形成了竞争。

与传统系统的比较
UV消毒系统的核心主要有二:UV灯的效率与反应器的设计效率。通常,与UV-C LED光源相比,传统的UV灯效率更高,但所产生的紫外线也比产生的热量更多。而传统的汞灯反应器设计则正好相反,这是因为圆柱形设计通常比现代的UV-C LED反应器效率低,新技术UVC可以根据LED的灵活性进行定制设计。随着时间的推进,UV-C LED的紫外光效率被提高,也大幅提高了UV-C LED反应器的效率。这些进步巩固了用于POU的LED科技,也开始拓展POE市场。如今,更高水流量的POE解决方案已经成熟。

比较传统UV汞灯和UV-C LED时,需要考虑的其他因素包括系统的维护和拥有成本。首先,由于UV-C LED的独特特性,不用担心结垢问题,因为LED的热排放是在系统的背面,而石英套管容易因热产生结垢。 「即开即用」的LED技术仅在水流动时才为LED供电,因此不会积聚热量而传统汞灯系统设计持续供电,会经常导致结垢问题。此外,藉由谨慎的热量管理,UV-C LED系统可以持续10,000小时的间歇使用。与传统汞灯相比,LED的即时开/关以及仅在需要时才供电的特性大大缩短了灯具的更换间隔。具备了这个特性,再加上可随着流量调节功率,也就意味着对于UV-C LED系统来说,消毒所需的电能大大降低。

与汞灯固定的253.7nm辐射相比,LED的另一个特色是能在260 nm至280 nm的杀菌范围内选择UV-C波长。这使得在因应特定需求而设计UV-C LED系统时,能有更精准的设计弹性和针对性。

最后,LED能够结合紫外线强度监测功能, 而非传统汞灯常用的价格昂贵且可靠度不高的外部感测器模组,这也是UV-C LED的一个重要优势。 ,这项功能让使用者安心知道他们的消毒系统是否正常运作并提供已处理的安全用水。

LED进入市场
UV-C LED系统也已经被用来进行一些案例研究,其中包括一个大学的前导性研究(pilot study)以及和美国环保局(EPA)达成的合作研发协议(CRADA)。这些从2016年就开始进行的案例研究提供了可靠性和使用寿命的指标,而这些指标是饮用水处理领域的关键要素。美国环保局研发协议的主要目标是设计、制造及测试出整合先进UV-C LED消毒和过滤技术的综合水处理系统;并希望能实现比现有商业系统更高的流量与更令人安心的水质。而推出全球第一个商用UV-C LED POE水处理系统则是这项协议的最终成果。

住宅POE单位
如今,UV-C LED系统已经稳稳地跨过了POE门槛,这项技术最引人注目的「亮点」是它能够做到整个家庭的用水处理──不仅是饮用水,还包括淋浴、浴室龙头等用水,这也表示UV-C LED系统已经有了完全可行的替代方案来取代传统的汞灯系统。传统汞灯需要预热时间,要达到杀菌效果通常需要以全功率运作,因此传统系统的用户经常遇到长时间不流动(例如,早晨第一次开水龙头)后出现的「热水喷发」状况。能够「即开即用」的LED系统让这种「刺激」不再发生。此外,以一般断断续续的家庭用水来说,五年的LED更换间隔、可节省的耗电量、以及无需处理废弃汞灯等优点,都让LED解决方案更具吸引力。

商业单位
因为轻商业中所需的水流量与住宅环境中的水流量差异不大,因此LED在上述POE应用中所具备的特性,使它同样也可以应用在「轻商业」中。例如:小型社区中心和竞技场、小型学校、小型办公室、消防大厅和零售店等,而较大的设施则可以并行安装多个POE模组。同时,由于研发的进展和市场需求,不久的将来LED系统成本和占用空间都将会持续降低,而进一步有更适合各种商业应用的系统被推出。

市政单位
就性质而言,都市水处理系统在我们所讨论的应用中流量最高。在这里另一个需要考虑的问题是典型的「多屏障法」,该方法通常结合了紫外线消毒和提供余氯。采用这种方法时,所有系统所需的紫外线功率极大,一段时间之内会由传统的汞灯技术主导。然而如前面所提到的,用于UV-C应用的LED技术进展迅速,并且成本、功率、效率也不断提高,因此未来趋势将会逐渐逆转,而这样的趋势我们可以从已经在英国启动的LED消毒及高级氧化(AOP)市政系统试验中见到端倪。

LED市场趋势

POE UV总市场规模:就本文而言,我们仅考虑流速通常在5至15 gpm(20至60 lpm)范围内的住宅和轻型商业应用。这一部分的市场规模估计是每年约为3亿美元,相当于全球约30万个系统。
近COVID-19状况:透过诸如Flint、密西根州和其他一些被广泛宣传的活动、COVID-19所导致的健康意识普遍提高、以及最终用户对水质问题的认识,多方面导致UV消毒总体市场呈两位数成长,范围则包括了地表、空气、以及饮用水等应用。
市场上UV-LED系统的成长:人们对于健康和生活品质相关问题永续解决方案的需求与日俱增,导致了UV-C-LED技术在改进水处理方法的领域中越来越重要的地位。而性能的不断提高和成本的降低使得这种情况更加明朗,并且市场渗透率在未来也只会增​​加不会消退。