喜忧参半,UVC LED净水杀菌技术出路何在?
2021-07-14 01:45 [编辑: Andygui]

2021年,UVC LED在家电中的发展势头甚是强劲,海尔、小米及云米等家电品牌纷纷在上半年推出UVC LED家电新产品。根据TrendForce集邦咨询旗下光电研究处LEDinside了解,当前计划导入或正在引进UVC LED技术的品牌高达40家以上。

在家电市场,空调、空气净化器、加湿器、洗衣机、吸尘器、冰箱、卫浴设备等均为UVC LED的应用场景。而从已推出的产品来看,UVC LED应用以洗衣机、空气净化器、空调及冰箱等为主,净水器应用目前仍不多见。

实际上,从产业链的上中游到下游终端应用,布局净饮水杀菌应用的厂商早就不在少数,那么,为何UVC LED净饮水杀菌产品的推广效果和市场接受度仍未达预期?

终端应用“四座大山”

据了解,目前饮水机中搭载的UVC LED杀菌模块主要分为两个类型:静态水杀菌、过流式水杀菌。

静态水杀菌模块杀菌时间长,且需搭配储水箱使用。调查显示,目前带储水箱的饮水机比例在20-30%左右,且呈逐年下降的趋势,原因是水箱储存水不够新鲜、口感欠佳,同时也存在出水管路微生物二次污染的问题。

过流式水杀菌模块属于瞬时杀菌,无需搭配储水箱,可安装于饮水机出水口位置,能够有效解决存水口感不佳与微生物二次污染的问题,是未来饮水机杀菌的主流趋势。然而,过流式水杀菌模块在现阶段应用中仍存在许多问题。

关于UVC LED应用在净饮水设备中存在的问题以及实际使用效果,终端设备厂商可以说最有发言权,而对于供应链厂商而言,只有先从终端设备的问题与需求入手,才能设计开发出合适的解决方案。

在2021年6月1日集邦咨询UVC LED产业现状及技术趋势研讨会上,净饮水专家沁园从终端设备的角度出发,对UVC LED在净水器中的应用展开多方面的探讨,分享了现阶段终端设备所面临的问题——体积、杀菌率、成本、寿命。

沁园商用研发总监 任君琪

据介绍,沁园每年出货100万台净水器,其中30万台净水器采用了UVC技术,而在这30%的产品里,仅有30-40%的产品应用UVC LED技术,剩下的60-70%由传统汞灯技术占有。

众所周知,UVC LED与汞灯最大的区别在于光电转换效率低,即杀菌效率比较低。除此之外,沁园认为,UVC LED渗透率不高可简单归因于:塞不下、用不起、换不动。

塞不下:对于民用市场,净水器小型化成为消费者的追求,意味着机器内部结构将朝向紧凑型的方向发展。然而,目前过流式动态UVC杀菌模组体积大,且大多数以圆柱形为主,占用空间大,同时还浪费了周围的部分空间。

用不起:产品成本高是目前UVC LED被终端设备及消费者诟病最多的一点。沁园指出,UVC LED杀菌模组占整机BOM cost的33%,应用UVC LED技术意味着终端设备厂商利润被压缩,因此厂商直呼用不起。

换不动:净水器上市之前需要获得国家卫生批件,且新产品上市大概需要6-8个月的准备时间,费用自然很高。因此,老产品更换UVC LED杀菌模组需要花费很多时间和成本。鉴于此,终端设备厂商改用UVC LED的动力不足。

此外,寿命无法量化、缺乏寿命测试的性能报告、使用材料安全性未知、杀菌效果不可视等也是终端设备在应用和推广过程无法回避的问题。

沁园指出,UVC LED在使用过程中,寿命无法量化。同时,设备厂不具备检验UVC LED老化性能的能力,如光衰;而关于UV LED灯现有的开关频率,厂商也不确定是否为最优解……因此,设备商希望供应商在UVC LED上增加寿命显示功能,并提供带寿命测试的性能报告。

材料使用方面,部分国家要求产品拥有CB认证,而CB认证对UVC照射到的材料有抗老化的要求,意味着所用材料需经过1000小时的抗UVC照射测试,但照射过程中会出现两个问题。

其一, 塑料需要添加抗UV剂,设备商不确定添加后的改性塑料能否满足食品接触/FDA等方面的要求。其二,添加UV剂的改性塑料由于量少,可能会带来成本的小幅上涨。因此,设备商希望供应商提供能够抗老化(UV 1000小时照射)的塑料材质牌号。

从消费者的角度来看,杀菌前后的效果只能通过专业的实验测试出来,无法通过肉眼辨别,这成为消费者选择UVC LED净水设备的一大阻碍。显然,除了成本以外,杀菌效果不可视也是净水设备厂商推广的痛点。

作为净水器供应商,沁园基于所有可能发生的问题,对UVC LED产品抱有的期望可简单归为:体积更小,形状更加扁平;杀菌效率更高,寿命更长;价格更低。

供应链的努力与实力

问题虽尚待解决,但UVC LED市场需求广阔却也是不争的事实。

沁园认为,UVC LED市场的上升空间巨大,相关厂商也有很大的发挥空间。以发展的眼光来看,目前,净水器在全球市场的渗透率相对较低,尤其是在一些发展水平较低的国家。随着生活水平的逐步提高,人们对净水器的需求将持续增加,这也意味着未来UVC LED的市场需求也将不断增加。

同样作为净饮水领域的专家,安吉尔也认为,饮水安全将在未来3-5年之间成为全民关注的焦点,尤其是在疫情爆发的推动下,欧美、日本等国家和地区对饮水安全的关注度达到空前的高度。可以预见,未来,UVC LED净水机在海内外都将有较大的市场。

事实上,终端设备对UVC LED的信心,有很大一部分是来自于供应链厂商的努力与实力。无论是新玩家还是老玩家,水杀菌都是UVC LED供应链厂商积极布局的重点领域。从相关厂商的最新动态来看,UVC LED水杀菌技术已经有了新的突破。

作为新入局者,ams OSRAM认为水消毒是UVC LED最具潜力的应用场景,并且已经推出波长为275nm的OSLON® UV系列产品,以系统总成本优势为特点,包含低功率和中功率两种方案。其中,低功率适用于静态水杀菌,中功率适用于低速过流式水杀菌及表面杀菌。

ams OSRAM透露,今年底公司计划推出高功率OSLON® UV系列产品,有望应用于流速较大的流动水杀菌场景。

升谱光电基于对水杀菌应用市场前景的看好,创新开发出了UVC LED过流式水杀菌模组。

据介绍,升谱光电最新2.5L动态水处理杀菌模组外部可搭载水流传感器,具备电源、运行及故障指示,采用全水冷结构与全新自然流杀菌设计,在2L/min的条件下,总菌落数测试结果为99.94%。

国星光电在UVC LED的光电转换效率、气密性和散热管理方面获得了新的突破。现阶段,国星光电已将中小功率UVC LED器件的光电转换效率提升至5.6%,并计划今年底冲刺6%。同时,通过提升产品气密性,优化散热设计,国星光电成功提高了UVC LED器件的寿命。

除了考量品质、寿命和成本之外,国星光电去年还开发了感测产品,能够检测UVC LED的工作状态,提示工作寿命,并提醒模块更换,给予使用者更直观的感受。

在水杀菌应用领域,国星光电积累了不少经验。目前,国星光电的UVC LED模组可以满足过流式水杀菌应用中较严苛的温度和辐射功率等要求,公司正在根据不同的水流量设计相应的解决方案。

此处仅列举一小部分代表厂商,水杀菌模组领域的慧亿科技、Acuva Technologies等产业链不同环节的其他厂商也正不遗余力开拓水处理应用市场,更多创新产品的问世持续向行业传递着技术不断进步的积极信号。

应用趋势与前景

TrendForce集邦咨询《2021深紫外线UVC LED应用市场分析报告》显示,直接饮用水龙头杀菌、居家和商用饮水机杀菌以及卫浴设备杀菌是2021年流动水杀菌市场发展重点。

另据UV LED行业专家江舟的分析,最近一年,在公共饮水机及家用杀菌龙头需求的刺激下,过流式水杀菌迎来蓬勃发展期,产品整体性能也上升至新的水平。

UV LED资深行业专家江舟

江舟统计,2021年主流厂商的过流式杀菌模组的数量同比增长一倍;杀菌率从3 Log提升至5 Log(大肠杆菌);家用、商用模组体积缩小了25%;售价降低了27%,产品整体性价比得到提升。

其中,过流式水杀菌模组体积逐渐小型化的主要驱动力来自两大市场的需求:龙头内置式杀菌和饮水机水嘴杀菌。

不过,由于体积的缩小,提升杀菌率成为今年产品设计的关键,而增强杀菌效果主要从两方面入手,一是选用高效波长,二是优化产品结构设计。

江舟介绍,高效波长方面,275nm波段是目前杀菌效率与出光效率的最佳结合点,市场占有率扩大有利于持续降低成本。在对成本不敏感且对杀菌率要求较高的医疗消杀领域,265nm波段仍有一定的需求。280nm波段得益于高寿命、高可靠性的特点,在不间断工作的工业应用场景比较具有优势。另外,未来可能还会出现其他波长的UVC LED方案。

产品结构设计主要涉及技术路线。目前产品技术路线包括层流路线、旋流路线及其他路线。层流结构因光利用效率高且适合圆柱的外形,成为今年的主流选择。旋流结构有利于降低产品的体积,符合产品小型化的需求。而光场、流场处理不佳的产品已逐步被市场淘汰。

值得注意的是,技术路线优势的发挥与产品结构内部的腔体材料息息相关。根据江舟分析,当前主流的内腔材料是具有高紫外反射率的PTFE,适用于层流与旋流结构。但有研究指出水中的矿物质离子(Mg、Ca、Fe等离子)会降低PTFE材料的紫外光反射率,这一点仍需进一步的验证。

综合来看,在光源波长、产品结构及材料的优化下,家用与商用产品光利用率明显提升,今年产品的整体性能有所提高,而未来整体产品价格下降的关键在于UVC LED成本的下降。需要注意的是,提升产品的光效会影响产品成本的构成,有可能导致成本增高,因此厂商需要根据产品的实际情况,找到光效与成本之间的平衡点。

产品本身的不断优化是关键,行业标准的建立也必不可少。据了解,新国GB 28235-2020与国际标准基本接轨,对杀菌率提出了更高的要求。同时,CSA的《紫外LED杀菌消毒技术报告》对细分场景的杀菌需求给出了更详细的补充……由此可见,UVC LED行业标准正在逐步完善,未来产品的研发与生产将“有法可依”,品质也将更有保障。

总而言之,UVC LED市场前景依旧可观,其与汞灯之间的差距正在缩小。

现阶段,在龙头、饮水机等常规应用领域, UVC LED流动水杀菌模组虽然在价格上还无法媲美传统汞灯,但在性能参数上已接近汞灯模组。在工业应用领域,尽管UVC LED几大关键参数与汞灯仍有较大差距,但随着WPE提升、寿命延长及价格下降,UVC LED预计在2026年左右可以开始替换工业用汞灯,有望在2032年之前完成全世界汞灯替换的目标。(文:LEDinside Janice)

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