UV LED的發(fā)展歷史與市場趨勢

早在2012年，采用殺菌或UVC波長范圍的紫外線汞燈（UV LED）的水消毒系統(tǒng)就已投入商業(yè)應(yīng)用。

UV LED的歷史

UVC-LED比傳統(tǒng)的紫外線燈管要小，但流量較低，成本高達幾千美元。當(dāng)時，UVC-LED主要集中在（終端）使用點（point-of-use, POU）的應(yīng)用上。隨著UVC-LED系統(tǒng)越來越小，現(xiàn)今已進展到可以輕松整合或安裝到現(xiàn)有的產(chǎn)品中。隨著UVC-LED系統(tǒng)設(shè)計的不斷發(fā)展，它們在設(shè)計、耐用性、以及最重要的效率和成本等方面都日趨成熟，以至于最終在POE的UV消毒市場上與現(xiàn)有產(chǎn)品形成了競爭。

與傳統(tǒng)系統(tǒng)的比較

UV消毒系統(tǒng)的核心主要有二：UV燈的效率與反應(yīng)器的設(shè)計效率。通常，與UVC-LED光源相比，傳統(tǒng)的UV燈效率更高，但所產(chǎn)生的紫外線也比產(chǎn)生的熱量更多。而傳統(tǒng)的汞燈反應(yīng)器設(shè)計則正好相反，這是因為圓柱形設(shè)計通常比現(xiàn)代的UVC-LED反應(yīng)器效率低，新技術(shù)UVC可以根據(jù)LED的靈活性進行定制設(shè)計。隨著時間的推進，UVC-LED的紫外光效率被提高，也大幅提高了UVC-LED反應(yīng)器的效率。這些進步鞏固了用于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(jīng)成熟。

比較傳統(tǒng)UV汞燈和UVC-LED時，需要考慮的其他因素包括系統(tǒng)的維護和擁有成本。首先，由于UVC-LED的獨特特性，不用擔(dān)心結(jié)垢問題，因為LED的熱排放是在系統(tǒng)的背面，而石英套管容易因熱產(chǎn)生結(jié)垢。

「即開即用」的LED技術(shù)僅在水流動時才為LED供電，因此不會積聚熱量，而傳統(tǒng)汞燈系統(tǒng)設(shè)計持續(xù)供電，會經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)垢問題。此外，藉由謹慎的熱量管理，UVC-LED系統(tǒng)可以持續(xù)10000小時的間歇使用。與傳統(tǒng)汞燈相比，LED的實時開/關(guān)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(diào)節(jié)功率，也就意味著對于UVC-LED系統(tǒng)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的殺菌范圍內(nèi)選擇UVC波長。這使得在因應(yīng)特定需求而設(shè)計UVC-LED系統(tǒng)時，能有更精準的設(shè)計彈性和針對性。

最后，LED能夠結(jié)合紫外線強度監(jiān)測功能, 而非傳統(tǒng)汞燈常用的價格昂貴且可靠度不高的外部傳感器模塊，這也是UVC-LED的一個重要優(yōu)勢。這項功能讓使用者安心知道他們的消毒系統(tǒng)是否正常運作并提供已處理的安全用水。

UV LED進入市場

UVC-LED系統(tǒng)也已經(jīng)被用來進行一些案例研究，其中包括一個大學(xué)的前導(dǎo)性研究（pilot study）以及和美國環(huán)保局（EPA）達成的合作研發(fā)協(xié)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(biāo)，而這些指標(biāo)是飲用水處理領(lǐng)域的關(guān)鍵要素。美國環(huán)保局研發(fā)協(xié)議的主要目標(biāo)是設(shè)計、制造及測試出整合先進UVC-LED消毒和過濾技術(shù)的綜合水處理系統(tǒng)；并希望能實現(xiàn)比現(xiàn)有商業(yè)系統(tǒng)更高的流量與更令人安心的水質(zhì)。而推出全球第一個商用UVC-LED POE水處理系統(tǒng)則是這項協(xié)議的最終成果。

1.住宅POE單位

如今，UVC-LED系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)穩(wěn)地跨過了POE門檻，這項技術(shù)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UVC-LED系統(tǒng)已經(jīng)有了完全可行的替代方案來取代傳統(tǒng)的汞燈系統(tǒng)。傳統(tǒng)汞燈需要預(yù)熱時間，要達到殺菌效果通常需要以全功率運作，因此傳統(tǒng)系統(tǒng)的用戶經(jīng)常遇到長時間不流動（例如，早晨第一次開水龍頭）后出現(xiàn)的「熱水噴發(fā)」?fàn)顩r。能夠「即開即用」的LED系統(tǒng)讓這種「刺激」不再發(fā)生。此外，以一般斷斷續(xù)續(xù)的家庭用水來說，五年的LED更換間隔、可節(jié)省的耗電量、以及無需處理廢棄汞燈等優(yōu)點，都讓LED解決方案更具吸引力。

2.商業(yè)單位

因為輕商業(yè)中所需的水流量與住宅環(huán)境中的水流量差異不大，因此LED在上述POE應(yīng)用中所具備的特性，使它同樣也可以應(yīng)用在「輕商業(yè)」中。例如：小型社區(qū)中心和競技場、小型學(xué)校、小型辦公室、消防大廳和零售店等，而較大的設(shè)施則可以并行安裝多個POE模塊。同時，由于研發(fā)的進展和市場需求，不久的將來LED系統(tǒng)成本和占用空間都將會持續(xù)降低，而進一步有更適合各種商業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)被推出。

3.市政單位

就性質(zhì)而言，都市水處理系統(tǒng)在我們所討論的應(yīng)用中流量最高。在這里另一個需要考慮的問題是典型的「多屏障法」，該方法通常結(jié)合了紫外線消毒和提供余氯。采用這種方法時，所有系統(tǒng)所需的紫外線功率極大，一段時間之內(nèi)會由傳統(tǒng)的汞燈技術(shù)主導(dǎo)。然而如前面所提到的，用于UVC應(yīng)用的LED技術(shù)進展迅速，并且成本、功率、效率也不斷提高，因此未來趨勢將會逐漸逆轉(zhuǎn)，而這樣的趨勢我們可以從已經(jīng)在英國啟動的LED消毒及高級氧化（AOP）市政系統(tǒng)試驗中見到端倪。

UV LED市場趨勢

POE UV總市場規(guī)模：就本文而言，我們僅考慮流速通常在5至15 gpm（20至60 lpm）范圍內(nèi)的住宅和輕型商業(yè)應(yīng)用。這一部分的市場規(guī)模估計是每年約為3億美元，相當(dāng)于全球約30萬個系統(tǒng)。

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(dǎo)致的健康意識普遍提高、以及最終用戶對水質(zhì)問題的認識，多方面導(dǎo)致UV消毒總體市場呈兩位數(shù)成長，范圍則包括了地表、空氣、以及飲用水等應(yīng)用。

市場上UV-LED系統(tǒng)的成長：人們對于健康和生活質(zhì)量相關(guān)問題永續(xù)解決方案的需求與日俱增，導(dǎo)致了UVC-LED技術(shù)在改進水處理方法的領(lǐng)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，并且市場滲透率在未來也只會增加不會消退。

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