熱除菌型Trombe 墻系統(tǒng)性能研究*

樊苗苗，車(chē) 磊，顧 濤，李雨林，余本東?

（1.建筑能效控制與評(píng)估教育部工程研究中心，安徽建筑大學(xué)，合肥 230601；2.南京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，南京 210009）

0 引 言

Trombe 墻是一種建筑中常用的簡(jiǎn)單、成熟的太陽(yáng)能被動(dòng)式采暖系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，一直是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)[1]。典型Trombe 墻由玻璃蓋板、空氣流道、蓄熱墻體和上下風(fēng)口組成，通常蓄熱墻體外表面涂覆一層黑漆來(lái)增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)能的吸收[2]。然而，Trombe 墻系統(tǒng)存在功能單一、熱效率低、易過(guò)熱等缺點(diǎn)。由于空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部潮濕黑暗的環(huán)境，細(xì)菌會(huì)繁殖和快速生長(zhǎng)[3]，這些細(xì)菌會(huì)附著在灰塵顆粒、水滴和唾液上，隨著空氣流形成生物氣溶膠。生物氣溶膠進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境，在短時(shí)間內(nèi)廣泛傳播，引起人體疾病[4]。特別是在冬季，為了降低空調(diào)能耗，密閉的房間為生物氣溶膠的積累和擴(kuò)散提供了條件。

熱除菌是細(xì)菌在高溫下失活的過(guò)程，是一種安全、有效、環(huán)保的方法[5]。早在1988 年，MCGUIGAN等[6]就提出水體中45℃的環(huán)境能抑制細(xì)菌脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）自我修復(fù)。后續(xù)的研究表明細(xì)菌的DNA 在溫度高于55℃的環(huán)境下會(huì)遭到破壞[7]。在現(xiàn)有研究的太陽(yáng)能系統(tǒng)中，空氣流溫度可以達(dá)到50～ 80℃，這為熱除菌技術(shù)在太陽(yáng)能系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可行性[8]。因此，本文將熱除菌技術(shù)與Trombe 墻結(jié)合，提出一種熱除菌型Trombe 墻系統(tǒng)。如圖1 所示，在太陽(yáng)輻射作用下，吸熱板被加熱，流道中空氣進(jìn)一步被吸熱板加熱，空氣溫度上升。在熱虹吸作用下，含有較高濃度細(xì)菌的室內(nèi)冷空氣從下風(fēng)口進(jìn)入氣體流道，細(xì)菌被熱力失活；同時(shí)冷空氣被加熱后送入室內(nèi)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行供暖。墻體可對(duì)回收的熱能進(jìn)行多元化利用，提升Trombe 墻的綜合性能。

圖1 熱除菌型Trombe 墻基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the thermal sterilization Trombe wall

本文的主要工作包括熱除菌型Trombe 墻的熱性能實(shí)驗(yàn)研究，建立系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)模型，基于模型的五種室內(nèi)常見(jiàn)細(xì)菌的熱失活性能研究，系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)除菌性能進(jìn)行模擬和探究。

1 熱除菌型Trombe 墻系統(tǒng)模型的建立

熱除菌型Trombe 墻的傳熱模型包括玻璃蓋板、吸熱板、氣流通道中的空氣和蓄熱墻體的傳熱模型。同時(shí)，還需考慮氣流通道內(nèi)細(xì)菌的熱失活模型。為簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行如下假設(shè)：①熱物理參數(shù)為常數(shù)；②將吸熱板模型、氣流通道中的空氣和蓄熱墻體均視為一維熱傳遞模型；③細(xì)菌在氣流中無(wú)輸運(yùn)損失；④忽略室內(nèi)細(xì)菌污染源。

1.1 玻璃板的傳熱模型

玻璃蓋板沿厚度方向的傳熱可忽略，因此玻璃蓋板的熱平衡方程可表示為：

式中：Ts的計(jì)算參考文獻(xiàn)[9]；hc,1,amb和hr,1,amb通過(guò)式（2）和式（3）計(jì)算[10]；hc,a為閉合矩形空腔經(jīng)驗(yàn)傳熱系數(shù)。

1.2 吸熱板的傳熱模型

由于吸熱板厚度較薄，可將其視為沿高度方向的一維熱模型，因此吸熱板的熱平衡方程可表示為：

1.3 空氣流道的傳熱模型

空氣流道中的空氣分別與吸熱板和背板進(jìn)行對(duì)流換熱。因此，空氣流的能量平衡方程如式（9）。

1.4 空氣流道的除菌模型

在空氣流道中存在熱失活過(guò)程，其熱失活微單元示意圖如圖2。

圖2 熱除菌型Trombe 墻的傳熱傳質(zhì)滅菌過(guò)程微單元示意圖Fig.2 Schematic presentation of heat and mass transfer sterilization process for the thermal sterilization Trombe wall

根據(jù)圖2 可知其質(zhì)量守恒方程可用式（11）表示：

最終，質(zhì)量守恒方程式（11）可推算為式（12）：

細(xì)菌的失活主要與溫度和停留時(shí)間相關(guān)，Gauss-Eyring 模型可以用來(lái)描述細(xì)菌熱失活率與溫度和停留時(shí)間的關(guān)系，如式（13）和式（14）：

式中：Tx、Z和σ是與細(xì)菌有關(guān)的特性參數(shù)[11]。

1.5 背板和蓄熱墻體的傳熱模型

對(duì)于背板，氣流的能量平衡方程如式（15）：

對(duì)于蓄熱墻體，認(rèn)為其在厚度方向的傳熱是一維的[12]，因此其能量平衡方程如式（17）：

蓄熱墻體內(nèi)表面的邊界條件可表示為式（18）：

hw,R由式（19）表示[13]：

1.6 室內(nèi)的除菌模型

室內(nèi)細(xì)菌質(zhì)量守恒方程如式（20）：

當(dāng)室內(nèi)無(wú)污染源時(shí)，室內(nèi)細(xì)菌的質(zhì)量傳遞方程簡(jiǎn)化為：

1.7 系統(tǒng)除菌率的計(jì)算

由式（22）計(jì)算五種細(xì)菌的熱滅活率。由式（23）計(jì)算五種細(xì)菌熱失活過(guò)程中產(chǎn)生的干凈空氣量。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)熱除菌可行性分析

基于青海西寧市的熱除菌型Trombe 墻的實(shí)驗(yàn)，熱除菌殺毒型Trombe 墻作為建筑物南墻，玻璃蓋板厚度為0.3 mm，封閉空氣層厚度為5 mm，吸熱板的尺寸為2 m × 1 m（高 × 寬），氣流通道厚度為0.04 m，上下通風(fēng)口面積為0.048 m2，保溫層厚度為0.06 m，蓄熱墻體厚度為0.36 m，實(shí)驗(yàn)室大小為6 m ×3 m × 3 m（長(zhǎng) × 寬 × 高）。在平均環(huán)境溫度為18.1℃和全天平臺(tái)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為620.6 W/m2的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，系統(tǒng)出風(fēng)口溫度為16.8～91.1℃；在冬季的白天下午，熱除菌型Trombe 墻空氣流道中的溫度均高于50℃；系統(tǒng)平均熱效率為0.46[14]。

圖3 空氣進(jìn)出口溫度和進(jìn)出口溫度差[14]Fig.3 Temperature and the temperature difference of the air inlet and the air outlet[14]

為驗(yàn)證建立的系統(tǒng)模型，將實(shí)驗(yàn)與模型模擬的熱除菌型Trombe 墻系統(tǒng)出口的空氣溫度進(jìn)行比較，由式（24）計(jì)算模型模擬值與實(shí)驗(yàn)值的均方誤差D=1.2%，在誤差允許范圍內(nèi)，該仿真模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

基于建立的Gauss-Eyring 模型，選取空氣環(huán)境中存在的五種常規(guī)細(xì)菌：大腸桿菌、利斯特氏菌、植物乳桿菌、山夫頓堡沙門(mén)氏菌、釀酒酵母。如圖4 所示，探究了Trombe 墻空氣流道中不同空氣停留時(shí)間（t=1～ 20 s，時(shí)間間隔為1 s）下，釀酒酵母熱失活率隨溫度的變化規(guī)律。其他細(xì)菌相似，故不在本文中展示。

由圖4 可知，空氣在流道中停留時(shí)間越長(zhǎng)，細(xì)菌熱失活所需溫度越低；當(dāng)T≥ 62℃時(shí)，不論空氣流道中空氣停留時(shí)間長(zhǎng)短，細(xì)菌均被熱失活；當(dāng)T=54℃時(shí)，通過(guò)提高空氣流道中空氣停留時(shí)間至12 s以上，細(xì)菌熱失活率也可達(dá)到0.5 以上。同時(shí)，由實(shí)驗(yàn)可知，下午流道內(nèi)的溫度均高于50℃，說(shuō)明本文提出的熱除菌型Trombe 的可行性較好。

圖4 釀酒酵母熱失活率隨溫度變化曲線Fig.4 The inactivation ratio of S.cerevisiae versus temperature

2.2 系統(tǒng)的熱除菌性能

受實(shí)驗(yàn)條件制約，不能進(jìn)行系統(tǒng)除菌實(shí)驗(yàn)，故采用數(shù)值模擬方法研究細(xì)菌熱除菌效率。在青海西寧市的熱除菌型Trombe 墻的實(shí)驗(yàn)工況下，基于本文建立的傳熱和傳質(zhì)模型，選取空氣環(huán)境中存在的五種常規(guī)細(xì)菌進(jìn)行研究，分別是大腸桿菌、利斯特氏菌、植物乳桿菌、山夫頓堡沙門(mén)氏菌、釀酒酵母。由式（22）和式（23）計(jì)算五種細(xì)菌熱失活過(guò)程中產(chǎn)生的干凈空氣量。

圖5 為細(xì)菌單次熱失活率，細(xì)菌的熱滅活性能隨著空氣溫度和停留時(shí)間的增加而提高，約在12:30達(dá)到初始熱滅活溫度（50℃左右）后，細(xì)菌開(kāi)始失活，單次失活率迅速接近1，并保持?jǐn)?shù)小時(shí)。隨著氣溫的下降，單次失活率在17:00左右迅速下降到0。

圖5 五種細(xì)菌的單次滅活率隨時(shí)間變化曲線Fig.5 The single-pass inactivation ratio of five kinds of bacteria versus time

圖6 顯示細(xì)菌潔凈空氣量。五種細(xì)菌的潔凈空氣量均在0～ 40 m3/h 范圍內(nèi)，大腸桿菌、利斯特氏菌、植物乳桿菌、山夫頓堡沙門(mén)氏菌、釀酒酵母產(chǎn)生的總干凈空氣量分別為188.31 m3、173.02 m3、201.40 m3、189.90 m3、200.20 m3。對(duì)于單位面積墻體，凈空氣總產(chǎn)生量為 94.01 m3/(m2·d)、86.51 m3/(m2·d)、100.70 m3/(m2·d)、94.95 m3/(m2·d)、100.10 m3/(m2·d)。

圖6 五種細(xì)菌的干凈空氣量隨時(shí)間變化曲線Fig.6 The clear air of five kinds of bacteria versus time

2.3 房間的細(xì)菌熱失活性能

根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883-2020），室內(nèi)空氣的國(guó)家空氣細(xì)菌濃度標(biāo)準(zhǔn)為1 500 CFU/m3；由文獻(xiàn)[15]可知，一年中城市居民室內(nèi)空氣細(xì)菌濃度如表1 所示，故模擬的室內(nèi)細(xì)菌初始濃度設(shè)置為1 000 CFU/m3、1 500 CFU/m3、2 000 CFU/m3、3 000 CFU/m3。

表1 一年中城市居民室內(nèi)空氣細(xì)菌濃度表[15]Table 1 Bacterial concentrations in the indoor air of urban residents during the year[15]

由《空氣凈化器》（GB/T18801-2015）可知，細(xì)菌從室外進(jìn)入室內(nèi)的穿透系數(shù)P=0.8；細(xì)菌自然沉降率K=0.2 h-1。雒月云等[16]研究發(fā)現(xiàn)，室外平均細(xì)菌濃度Namb=447.10 CFU/m3。門(mén)窗緊閉時(shí)k=0.05～ 1.0 h-1，開(kāi)窗時(shí)k=2 h-1，故模擬時(shí)換氣次數(shù)設(shè)置為0.5 h-1、1.0 h-1、1.5 h-1、2.0 h-1[17]。

室內(nèi)釀酒酵母初始濃度為3 000 CFU/m3，換氣次數(shù)分別設(shè)置為0.5 h-1、1.0 h-1、1.5 h-1、2.0 h-1時(shí)，如圖7 所示，隨著系統(tǒng)運(yùn)行，室內(nèi)細(xì)菌濃度迅速降低，最后室內(nèi)細(xì)菌濃度達(dá)到平衡，顯然平衡時(shí)室內(nèi)細(xì)菌濃度與房間換氣次數(shù)有關(guān)。模擬結(jié)果表明，在初始階段，流道內(nèi)空氣溫度還未達(dá)到除菌的溫度，此時(shí)由于室外細(xì)菌濃度小于室內(nèi)細(xì)菌濃度，故在換氣作用下，隨著室內(nèi)換氣次數(shù)的增加，室內(nèi)細(xì)菌濃度下降的速率越大；降低至室內(nèi)空氣濃度標(biāo)準(zhǔn)所需的時(shí)間越短。此外，由圖7 可以看出，平衡時(shí)，室內(nèi)細(xì)菌濃度與換氣次數(shù)成正比。即換氣次數(shù)越大，平衡時(shí)房間內(nèi)的細(xì)菌濃度越大，此時(shí)對(duì)房間的除菌率越小。當(dāng)換氣次數(shù)分別設(shè)置為0.5 h-1、1.0 h-1、1.5 h-1、2.0 h-1時(shí)，室內(nèi)除菌率分別為95.48%、93.46%、92.31%、91.56%。

圖7 不同換氣次數(shù)的室內(nèi)酒釀酵母濃度隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Variation curve of yeast concentration over time in the room with different number of air changes

當(dāng)換氣次數(shù)為0.5 h-1，室內(nèi)細(xì)菌初始濃度為3 000 CFU/m3時(shí)，如圖8 所示，模擬結(jié)果表明，熱除菌型Trombe 墻體運(yùn)行時(shí)，在室內(nèi)換氣的作用下，室內(nèi)細(xì)菌濃度逐漸降低，隨著系統(tǒng)空氣流道內(nèi)溫度的升高，室內(nèi)開(kāi)始除菌，此時(shí)室內(nèi)細(xì)菌的除菌率與細(xì)菌被滅活的溫度有關(guān)，與細(xì)菌的單次滅活率成反比。平衡時(shí)室內(nèi)細(xì)菌濃度與細(xì)菌的種類(lèi)有關(guān)。室內(nèi)大腸桿菌、利斯特氏菌、植物乳桿菌、山夫頓堡沙門(mén)氏菌和釀酒酵母的室內(nèi)除菌率分別為95.03%、91.54%、95.49%、95.22%、95.48%。

圖8 室內(nèi)五種細(xì)菌的濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Concentration changes over time of the five bacteria in the room

當(dāng)換氣次數(shù)為0.5 h-1，室內(nèi)釀酒酵母的初始濃度為3 000 CFU/m3、2 000 CFU/m3、1 500 CFU/m3、1 000 CFU/m3時(shí)，如圖9 所示，模擬結(jié)果表明：隨著系統(tǒng)運(yùn)行，由于室內(nèi)細(xì)菌濃度大于室外，在換氣作用下，室內(nèi)細(xì)菌濃度逐漸降低，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到釀酒酵母細(xì)菌的滅活溫度時(shí)，室內(nèi)細(xì)菌濃度下降的速率增大（室內(nèi)細(xì)菌濃度為1 000 CFU/m3時(shí)曲線較為明顯）；室內(nèi)細(xì)菌平衡時(shí)細(xì)菌濃度幾乎重合；系統(tǒng)運(yùn)行一天室內(nèi)四種濃度的釀酒酵母的除菌率分別為95.46%、93.24%、91.00%、86.51%，室內(nèi)細(xì)菌除菌率隨著室內(nèi)初始細(xì)菌濃度的升高而升高。

圖9 釀酒酵母四種室內(nèi)初始濃度隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Curves of four indoor initial concentrations of S.cerevisiae over time

3 結(jié) 論

提出一種基于熱殺菌的熱除菌型Trombe 墻。研究了五種細(xì)菌的空氣熱效率和熱失活性能。主要結(jié)論如下：

（1）在環(huán)境溫度為18.1℃、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為620.6 W/m2的實(shí)驗(yàn)條件下，空氣流道的空氣進(jìn)出口溫差接近5.40～ 69.40℃，日均空氣熱效率為0.46，五種細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)條件下在數(shù)小時(shí)內(nèi)均可被完全熱滅活，在完全相同的熱條件下，五種細(xì)菌的熱敏感性依次為利斯特氏菌 ＜ 大腸桿菌 ＜ 山夫頓堡沙門(mén)氏菌 ＜ 植物乳桿菌 ＜ 釀酒酵母。對(duì)于單位面積墻體，基于大腸桿菌、利斯特氏菌、植物乳桿菌、山夫頓堡沙門(mén)氏菌和釀酒酵母五種細(xì)菌的熱失活過(guò)程，得到總干凈空氣分別為94.01 m3/(m2·d)、86.51 m3/(m2·d)、100.70 m3/(m2·d)、94.95 和100.10 m3/(m2·d)。

（2）細(xì)菌從室外進(jìn)入室內(nèi)的穿透系數(shù)P=0.8、細(xì)菌自然沉降率K=0.2 h-1、室外平均細(xì)菌濃度Namb=447.10 CFU/m3時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行初始階段，房間換氣次數(shù)越大，室內(nèi)細(xì)菌濃度曲線下降的速率越快；平衡時(shí)的室內(nèi)細(xì)菌濃度與房間的換氣次數(shù)成正比，與細(xì)菌被滅活的溫度特性有關(guān)；但系統(tǒng)運(yùn)行一天后室內(nèi)細(xì)菌的除菌率與房間換氣次數(shù)成反比。

（3）當(dāng)換氣次數(shù)為0.5 h-1，細(xì)菌從室外進(jìn)入室內(nèi)的穿透系數(shù)P=0.8；細(xì)菌自然沉降率K=0.2 h-1、室外平均細(xì)菌濃度Namb=447.10 CFU/m3、室內(nèi)細(xì)菌初始濃度為3 000 CFU/m3時(shí)，室內(nèi)大腸桿菌、利斯特氏菌、植物乳桿菌、山夫頓堡沙門(mén)氏菌和釀酒酵母的室內(nèi)除菌率分別為95.03%、91.54%、95.49%、95.22%、95.48%。

符號(hào)表：

A面積，m2

c比熱容，J/(kg·K)

D均方誤差

E′ 室內(nèi)污染源產(chǎn)生速率，mg/h

H高度，m

h換熱系數(shù)，W/(m2·K)

I太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2

K自然沉降率，h-1

k換氣次數(shù)，h-1

N細(xì)菌濃度，CFU/m3

N0初始時(shí)的細(xì)菌濃度，CFU/m3

P細(xì)菌從室外進(jìn)入室內(nèi)的穿透系數(shù)

Q干凈空氣體積流量，m3/s

QZ流道內(nèi)空氣體積總流量，m3/s

R熱阻，(m2·K)/W

r反應(yīng)速率，CFU/(s·m3)

T溫度，℃

t時(shí)間，s

u氣流速度，m/s

V房間體積，m3

u空氣流速，m/s

W寬度，m

Xexp,i實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)出口溫度，℃

Xsim,i模擬的系統(tǒng)出口溫度，℃

α吸收率

δ厚度，m

λ導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

ρ密度，kg/m3

σ玻爾茲曼常數(shù)，W/(m2·K4)

ε發(fā)射率

εa細(xì)菌單次滅活率

τ透射率

Nu努賽爾數(shù)

Gr格拉曉夫數(shù)

Pr普朗特?cái)?shù)

下角標(biāo)：

0 進(jìn)出口

1 玻璃蓋板

2 吸熱板

a 空氣

amb 室外環(huán)境

b 背板

c 對(duì)流換熱

m 質(zhì)量

R 室內(nèi)

r 輻射換熱

s 天空

w 墻體

in 入口

out 出口