热除菌型Trombe 墙系统性能研究*

樊苗苗，车 磊，顾 涛，李雨林，余本东†

（1.建筑能效控制与评估教育部工程研究中心，安徽建筑大学，合肥 230601；2.南京工业大学 城市建设学院，南京 210009）

0 引 言

Trombe 墙是一种建筑中常用的简单、成熟的太阳能被动式采暖系统，由于其结构简单、维护费用低和性能稳定等优点，一直是学者们的研究热点[1]。典型Trombe 墙由玻璃盖板、空气流道、蓄热墙体和上下风口组成，通常蓄热墙体外表面涂覆一层黑漆来增强对太阳能的吸收[2]。然而，Trombe 墙系统存在功能单一、热效率低、易过热等缺点。由于空调系统内部潮湿黑暗的环境，细菌会繁殖和快速生长[3]，这些细菌会附着在灰尘颗粒、水滴和唾液上，随着空气流形成生物气溶胶。生物气溶胶进入室内环境，在短时间内广泛传播，引起人体疾病[4]。特别是在冬季，为了降低空调能耗，密闭的房间为生物气溶胶的积累和扩散提供了条件。

热除菌是细菌在高温下失活的过程，是一种安全、有效、环保的方法[5]。早在1988 年，MCGUIGAN等[6]就提出水体中45℃的环境能抑制细菌脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）自我修复。后续的研究表明细菌的DNA 在温度高于55℃的环境下会遭到破坏[7]。在现有研究的太阳能系统中，空气流温度可以达到50～ 80℃，这为热除菌技术在太阳能系统中的应用提供了可行性[8]。因此，本文将热除菌技术与Trombe 墙结合，提出一种热除菌型Trombe 墙系统。如图1 所示，在太阳辐射作用下，吸热板被加热，流道中空气进一步被吸热板加热，空气温度上升。在热虹吸作用下，含有较高浓度细菌的室内冷空气从下风口进入气体流道，细菌被热力失活；同时冷空气被加热后送入室内对室内进行供暖。墙体可对回收的热能进行多元化利用，提升Trombe 墙的综合性能。

图1 热除菌型Trombe 墙基本结构Fig.1 Structure of the thermal sterilization Trombe wall

本文的主要工作包括热除菌型Trombe 墙的热性能实验研究，建立系统传热传质模型，基于模型的五种室内常见细菌的热失活性能研究，系统对室内除菌性能进行模拟和探究。

1 热除菌型Trombe 墙系统模型的建立

热除菌型Trombe 墙的传热模型包括玻璃盖板、吸热板、气流通道中的空气和蓄热墙体的传热模型。同时，还需考虑气流通道内细菌的热失活模型。为简化模型，进行如下假设：①热物理参数为常数；②将吸热板模型、气流通道中的空气和蓄热墙体均视为一维热传递模型；③细菌在气流中无输运损失；④忽略室内细菌污染源。

1.1 玻璃板的传热模型

玻璃盖板沿厚度方向的传热可忽略，因此玻璃盖板的热平衡方程可表示为：

式中：Ts的计算参考文献[9]；hc,1,amb和hr,1,amb通过式（2）和式（3）计算[10]；hc,a为闭合矩形空腔经验传热系数。

1.2 吸热板的传热模型

由于吸热板厚度较薄，可将其视为沿高度方向的一维热模型，因此吸热板的热平衡方程可表示为：

1.3 空气流道的传热模型

空气流道中的空气分别与吸热板和背板进行对流换热。因此，空气流的能量平衡方程如式（9）。

1.4 空气流道的除菌模型

在空气流道中存在热失活过程，其热失活微单元示意图如图2。

图2 热除菌型Trombe 墙的传热传质灭菌过程微单元示意图Fig.2 Schematic presentation of heat and mass transfer sterilization process for the thermal sterilization Trombe wall

根据图2 可知其质量守恒方程可用式（11）表示：

最终，质量守恒方程式（11）可推算为式（12）：

细菌的失活主要与温度和停留时间相关，Gauss-Eyring 模型可以用来描述细菌热失活率与温度和停留时间的关系，如式（13）和式（14）：

式中：Tx、Z和σ是与细菌有关的特性参数[11]。

1.5 背板和蓄热墙体的传热模型

对于背板，气流的能量平衡方程如式（15）：

对于蓄热墙体，认为其在厚度方向的传热是一维的[12]，因此其能量平衡方程如式（17）：

蓄热墙体内表面的边界条件可表示为式（18）：

hw,R由式（19）表示[13]：

1.6 室内的除菌模型

室内细菌质量守恒方程如式（20）：

当室内无污染源时，室内细菌的质量传递方程简化为：

1.7 系统除菌率的计算

由式（22）计算五种细菌的热灭活率。由式（23）计算五种细菌热失活过程中产生的干净空气量。

2 模拟结果与分析

2.1 系统热除菌可行性分析

基于青海西宁市的热除菌型Trombe 墙的实验，热除菌杀毒型Trombe 墙作为建筑物南墙，玻璃盖板厚度为0.3 mm，封闭空气层厚度为5 mm，吸热板的尺寸为2 m × 1 m（高 × 宽），气流通道厚度为0.04 m，上下通风口面积为0.048 m2，保温层厚度为0.06 m，蓄热墙体厚度为0.36 m，实验室大小为6 m ×3 m × 3 m（长 × 宽 × 高）。在平均环境温度为18.1℃和全天平台太阳辐射强度为620.6 W/m2的实验条件下，实验结果如图3 所示，系统出风口温度为16.8～91.1℃；在冬季的白天下午，热除菌型Trombe 墙空气流道中的温度均高于50℃；系统平均热效率为0.46[14]。

图3 空气进出口温度和进出口温度差[14]Fig.3 Temperature and the temperature difference of the air inlet and the air outlet[14]

为验证建立的系统模型，将实验与模型模拟的热除菌型Trombe 墙系统出口的空气温度进行比较，由式（24）计算模型模拟值与实验值的均方误差D=1.2%，在误差允许范围内，该仿真模拟的结果与实验结果较为吻合。

基于建立的Gauss-Eyring 模型，选取空气环境中存在的五种常规细菌：大肠杆菌、利斯特氏菌、植物乳杆菌、山夫顿堡沙门氏菌、酿酒酵母。如图4 所示，探究了Trombe 墙空气流道中不同空气停留时间（t=1～ 20 s，时间间隔为1 s）下，酿酒酵母热失活率随温度的变化规律。其他细菌相似，故不在本文中展示。

由图4 可知，空气在流道中停留时间越长，细菌热失活所需温度越低；当T≥ 62℃时，不论空气流道中空气停留时间长短，细菌均被热失活；当T=54℃时，通过提高空气流道中空气停留时间至12 s以上，细菌热失活率也可达到0.5 以上。同时，由实验可知，下午流道内的温度均高于50℃，说明本文提出的热除菌型Trombe 的可行性较好。

图4 酿酒酵母热失活率随温度变化曲线Fig.4 The inactivation ratio of S.cerevisiae versus temperature

2.2 系统的热除菌性能

受实验条件制约，不能进行系统除菌实验，故采用数值模拟方法研究细菌热除菌效率。在青海西宁市的热除菌型Trombe 墙的实验工况下，基于本文建立的传热和传质模型，选取空气环境中存在的五种常规细菌进行研究，分别是大肠杆菌、利斯特氏菌、植物乳杆菌、山夫顿堡沙门氏菌、酿酒酵母。由式（22）和式（23）计算五种细菌热失活过程中产生的干净空气量。

图5 为细菌单次热失活率，细菌的热灭活性能随着空气温度和停留时间的增加而提高，约在12:30达到初始热灭活温度（50℃左右）后，细菌开始失活，单次失活率迅速接近1，并保持数小时。随着气温的下降，单次失活率在17:00左右迅速下降到0。

图5 五种细菌的单次灭活率随时间变化曲线Fig.5 The single-pass inactivation ratio of five kinds of bacteria versus time

图6 显示细菌洁净空气量。五种细菌的洁净空气量均在0～ 40 m3/h 范围内，大肠杆菌、利斯特氏菌、植物乳杆菌、山夫顿堡沙门氏菌、酿酒酵母产生的总干净空气量分别为188.31 m3、173.02 m3、201.40 m3、189.90 m3、200.20 m3。对于单位面积墙体，净空气总产生量为 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)。

图6 五种细菌的干净空气量随时间变化曲线Fig.6 The clear air of five kinds of bacteria versus time

2.3 房间的细菌热失活性能

根据《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2020），室内空气的国家空气细菌浓度标准为1 500 CFU/m3；由文献[15]可知，一年中城市居民室内空气细菌浓度如表1 所示，故模拟的室内细菌初始浓度设置为1 000 CFU/m3、1 500 CFU/m3、2 000 CFU/m3、3 000 CFU/m3。

表1 一年中城市居民室内空气细菌浓度表[15]Table 1 Bacterial concentrations in the indoor air of urban residents during the year[15]

由《空气净化器》（GB/T18801-2015）可知，细菌从室外进入室内的穿透系数P=0.8；细菌自然沉降率K=0.2 h-1。雒月云等[16]研究发现，室外平均细菌浓度Namb=447.10 CFU/m3。门窗紧闭时k=0.05～ 1.0 h-1，开窗时k=2 h-1，故模拟时换气次数设置为0.5 h-1、1.0 h-1、1.5 h-1、2.0 h-1[17]。

室内酿酒酵母初始浓度为3 000 CFU/m3，换气次数分别设置为0.5 h-1、1.0 h-1、1.5 h-1、2.0 h-1时，如图7 所示，随着系统运行，室内细菌浓度迅速降低，最后室内细菌浓度达到平衡，显然平衡时室内细菌浓度与房间换气次数有关。模拟结果表明，在初始阶段，流道内空气温度还未达到除菌的温度，此时由于室外细菌浓度小于室内细菌浓度，故在换气作用下，随着室内换气次数的增加，室内细菌浓度下降的速率越大；降低至室内空气浓度标准所需的时间越短。此外，由图7 可以看出，平衡时，室内细菌浓度与换气次数成正比。即换气次数越大，平衡时房间内的细菌浓度越大，此时对房间的除菌率越小。当换气次数分别设置为0.5 h-1、1.0 h-1、1.5 h-1、2.0 h-1时，室内除菌率分别为95.48%、93.46%、92.31%、91.56%。

图7 不同换气次数的室内酒酿酵母浓度随时间的变化曲线Fig.7 Variation curve of yeast concentration over time in the room with different number of air changes

当换气次数为0.5 h-1，室内细菌初始浓度为3 000 CFU/m3时，如图8 所示，模拟结果表明，热除菌型Trombe 墙体运行时，在室内换气的作用下，室内细菌浓度逐渐降低，随着系统空气流道内温度的升高，室内开始除菌，此时室内细菌的除菌率与细菌被灭活的温度有关，与细菌的单次灭活率成反比。平衡时室内细菌浓度与细菌的种类有关。室内大肠杆菌、利斯特氏菌、植物乳杆菌、山夫顿堡沙门氏菌和酿酒酵母的室内除菌率分别为95.03%、91.54%、95.49%、95.22%、95.48%。

图8 室内五种细菌的浓度随时间变化曲线Fig.8 Concentration changes over time of the five bacteria in the room

当换气次数为0.5 h-1，室内酿酒酵母的初始浓度为3 000 CFU/m3、2 000 CFU/m3、1 500 CFU/m3、1 000 CFU/m3时，如图9 所示，模拟结果表明：随着系统运行，由于室内细菌浓度大于室外，在换气作用下，室内细菌浓度逐渐降低，当系统达到酿酒酵母细菌的灭活温度时，室内细菌浓度下降的速率增大（室内细菌浓度为1 000 CFU/m3时曲线较为明显）；室内细菌平衡时细菌浓度几乎重合；系统运行一天室内四种浓度的酿酒酵母的除菌率分别为95.46%、93.24%、91.00%、86.51%，室内细菌除菌率随着室内初始细菌浓度的升高而升高。

图9 酿酒酵母四种室内初始浓度随时间的变化曲线Fig.9 Curves of four indoor initial concentrations of S.cerevisiae over time

3 结 论

提出一种基于热杀菌的热除菌型Trombe 墙。研究了五种细菌的空气热效率和热失活性能。主要结论如下：

（1）在环境温度为18.1℃、太阳辐射强度为620.6 W/m2的实验条件下，空气流道的空气进出口温差接近5.40～ 69.40℃，日均空气热效率为0.46，五种细菌在实验条件下在数小时内均可被完全热灭活，在完全相同的热条件下，五种细菌的热敏感性依次为利斯特氏菌 ＜ 大肠杆菌 ＜ 山夫顿堡沙门氏菌 ＜ 植物乳杆菌 ＜ 酿酒酵母。对于单位面积墙体，基于大肠杆菌、利斯特氏菌、植物乳杆菌、山夫顿堡沙门氏菌和酿酒酵母五种细菌的热失活过程，得到总干净空气分别为94.01 m3/(m2·d)、86.51 m3/(m2·d)、100.70 m3/(m2·d)、94.95 和100.10 m3/(m2·d)。

（2）细菌从室外进入室内的穿透系数P=0.8、细菌自然沉降率K=0.2 h-1、室外平均细菌浓度Namb=447.10 CFU/m3时，在系统运行初始阶段，房间换气次数越大，室内细菌浓度曲线下降的速率越快；平衡时的室内细菌浓度与房间的换气次数成正比，与细菌被灭活的温度特性有关；但系统运行一天后室内细菌的除菌率与房间换气次数成反比。

（3）当换气次数为0.5 h-1，细菌从室外进入室内的穿透系数P=0.8；细菌自然沉降率K=0.2 h-1、室外平均细菌浓度Namb=447.10 CFU/m3、室内细菌初始浓度为3 000 CFU/m3时，室内大肠杆菌、利斯特氏菌、植物乳杆菌、山夫顿堡沙门氏菌和酿酒酵母的室内除菌率分别为95.03%、91.54%、95.49%、95.22%、95.48%。

符号表：

A面积，m2

c比热容，J/(kg·K)

D均方误差

E′ 室内污染源产生速率，mg/h

H高度，m

h换热系数，W/(m2·K)

I太阳辐射强度，W/m2

K自然沉降率，h-1

k换气次数，h-1

N细菌浓度，CFU/m3

N0初始时的细菌浓度，CFU/m3

P细菌从室外进入室内的穿透系数

Q干净空气体积流量，m3/s

QZ流道内空气体积总流量，m3/s

R热阻，(m2·K)/W

r反应速率，CFU/(s·m3)

T温度，℃

t时间，s

u气流速度，m/s

V房间体积，m3

u空气流速，m/s

W宽度，m

Xexp,i实验的系统出口温度，℃

Xsim,i模拟的系统出口温度，℃

α吸收率

δ厚度，m

λ导热系数，W/(m·K)

ρ密度，kg/m3

σ玻尔兹曼常数，W/(m2·K4)

ε发射率

εa细菌单次灭活率

τ透射率

Nu努赛尔数

Gr格拉晓夫数

Pr普朗特数

下角标：

0 进出口

1 玻璃盖板

2 吸热板

a 空气

amb 室外环境

b 背板

c 对流换热

m 质量

R 室内

r 辐射换热

s 天空

w 墙体

in 入口

out 出口