0 引言
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。
Fig. 1 Structure of the thermal sterilization Trombe wall图1 热除菌型Trombe墙基本结构 |
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：
$\begin{align} & {{\rho }_{1}}{{\delta }_{1}}{{c}_{1}}\frac{\partial {{T}_{1}}}{\partial t}={{\lambda }_{1}}{{\delta }_{1}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{1}}}{\partial {{y}^{2}}}+{{\alpha }_{1}}I+{{h}_{\text{c,1,amb}}}\left( {{T}_{\text{amb}}}-{{T}_{1}} \right)+ \\ & {{h}_{\text{r,1,amb}}}\left( {{T}_{\text{s}}}-{{T}_{1}} \right)+\left( {{h}_{\text{r,}}}_{\text{a}}+{{h}_{\text{c,}}}_{\text{a}} \right)\left( {{T}_{\text{2}}}-{{T}_{\text{1}}} \right) \end{align}$ (1)
${{h}_{\text{c,1,amb}}}=0.0552T_{\text{amb}}^{1.5}$ (2)
${{h}_{\text{r,1,amb}}}={{\varepsilon }_{1}}\sigma ({{T}_{\text{1}}}^{2}+{{T}_{\text{s}}}^{2})({{T}_{1}}+{{T}_{\text{s}}})$ (3)
${{h}_{\text{r,a}}}=\frac{\sigma \left( {{T}_{1}}+{{T}_{2}} \right)\left( {{T}_{1}}^{2}+{{T}_{2}}^{2} \right)}{\frac{1}{{{\varepsilon }_{1}}}+\frac{1}{{{\varepsilon }_{2}}}-1}$ (4)
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：
$\begin{align} & {{\rho }_{2}}{{\delta }_{2}}{{c}_{2}}\frac{\partial {{T}_{2}}}{\partial t}={{\lambda }_{2}}{{\delta }_{2}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{2}}}{\partial {{y}^{2}}}+{{h}_{\text{c,2,a}}}\left( {{T}_{\text{a}}}-{{T}_{2}} \right)+ \\ & \left( {{h}_{\text{r,}}}_{\text{a}}+{{h}_{\text{c,}}}_{\text{a}} \right)\left( {{T}_{1}}-{{T}_{2}} \right)\text{+}{{h}_{\text{r,2,}}}_{\text{b}}\left( {{T}_{\text{b}}}-{{T}_{2}} \right)+I{{\tau }_{1}}{{\alpha }_{2}} \end{align}$ (5)
${{h}_{\text{r,2,b}}}=\frac{\sigma \left( {{T}_{2}}+{{T}_{\text{b}}} \right)\left( {{T}_{2}}^{2}+{{T}_{\text{b}}}^{2} \right)}{\frac{1}{{{\varepsilon }_{1}}}+\frac{1}{{{\varepsilon }_{2}}}-1}$ (6)
${{h}_{\text{r,2,a}}}=\frac{{{\lambda }_{\text{a}}}Nu}{{{\delta }_{\text{a}}}}$ (7)
$Nu=0.12{{\left( GrPr \right)}^{1/3}}$ (8)
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）。
${{\rho }_{\text{a}}}{{\delta }_{\text{a}}}{{c}_{\text{a}}}\frac{\partial {{T}_{\text{a}}}}{\partial t}={{h}_{\text{c,2,a}}}\left( {{T}_{\text{2}}}-{{T}_{\text{a}}} \right)\text{+}{{h}_{\text{c,b,a}}}\left( {{T}_{\text{b}}}-{{T}_{\text{a}}} \right)-{{\rho }_{\text{a}}}{{u}_{\text{a}}}{{\delta }_{\text{a}}}{{c}_{\text{a}}}\frac{\partial {{T}_{\text{a}}}}{\partial y}$ (9)
${{u}_{{}}}=\sqrt{\frac{2g\beta \left( {{T}_{\text{out}}}-{{T}_{\text{in}}} \right)H}{{{C}_{\text{a}}}{{\left( A/{{A}_{\text{o}}} \right)}^{2}}+{{C}_{\text{b}}}}}$ (10)
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。
Fig. 2 Schematic presentation of heat and mass transfer sterilization process for the thermal sterilization Trombe wall图2 热除菌型Trombe墙的传热传质灭菌过程微单元示意图 |
根据图2可知其质量守恒方程可用式（11）表示：
$\begin{align} & W{{\delta }_{\text{a}}}\frac{\partial N\left( y \right)}{\partial t}\text{d}y=QN\left( y \right)- \\ & Q\left[ N\left( y \right)+\frac{\partial N\left( y \right)}{\partial y}\text{d}y \right]-r{{\delta }_{\text{a}}}W\text{d}y \end{align}$ (11)
最终,质量守恒方程式（11）可推算为式（12）：
$\frac{\partial N\left( y \right)}{\partial t}\text{+}u\frac{\partial N\left( y \right)}{\partial y}-\frac{\partial N\left( {{T}_{\text{a}}},t \right)}{\partial t}\text{=}0$ (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）：
$\lg \left[ \frac{N\left( t,T \right)}{{{N}_{0}}} \right]=\lg \left\{ \frac{1}{2}\text{erfc}\left[ \frac{T-{{T}_{\text{c}}}\left( t \right)}{\sigma \sqrt{2}} \right] \right\}$ (13)
${{T}_{\text{c}}}\left( t \right)={{T}_{\text{x}}}-Z\lg \left( \frac{t}{\tau } \right)$ (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）：
$\begin{align}& {{\rho }_{\text{b}}}{{\delta }_{\text{b}}}{{c}_{\text{b}}}\frac{\partial {{T}_{\text{b}}}}{\partial t}={{\lambda }_{\text{b}}}{{\delta }_{\text{b}}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{\text{b}}}}{\partial {{x}^{2}}}+{{h}_{\text{c,a,b}}}\left( {{T}_{\text{a}}}-{{T}_{\text{b}}} \right)\text{+} \\& \text{ }{{h}_{\text{r,2,}}}_{\text{b}}\left( {{T}_{2}}-{{T}_{\text{b}}} \right)\text{+}\frac{{{T}_{\text{w}}}(1)-{{T}_{\text{b}}}}{{{R}_{\text{b,R}}}} \\\end{align}$ (15)
${{R}_{\text{b,R}}}=\frac{{{\delta }_{\text{b,R}}}}{{{\lambda }_{\text{b,R}}}}$ (16)
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）：
${{\rho }_{\text{w}}}{{c}_{\text{w}}}\frac{\partial {{T}_{\text{w}}}}{\partial t}-{{\lambda }_{\text{w}}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{\text{w}}}}{\partial {{x}^{2}}}=0$ (17)
蓄热墙体内表面的边界条件可表示为式（18）：
$-{{\lambda }_{\text{w}}}{{\left( \frac{\partial {{T}_{\text{w}}}}{\partial x} \right)}_{x={{\delta }_{\text{w}}}}}={{h}_{\text{w,R}}}\left[ {{\left( {{T}_{\text{w}}} \right)}_{x\text{=}{{\delta }_{\text{w}}}}}-{{T}_{\text{R}}} \right]$ (18)
hw,R由式（19）表示[13]：
${{h}_{\text{w,R}}}=2.03{{\left[ {{\left( {{T}_{\text{w}}} \right)}_{x={{\delta }_{\text{w}}}}}-{{T}_{\text{R}}} \right]}^{0.14}}$ (19)
1.6 室内的除菌模型
室内细菌质量守恒方程如式（20）：
$\frac{\text{d}{{N}_{\text{R}}}}{\text{d}t}=Pk{{N}_{\text{amb}}}+\frac{{{E}'}}{V}-\left( K+k \right)\cdot {{N}_{\text{R}}}-\frac{Q}{V}{{N}_{\text{R}}}$ (20)
当室内无污染源时,室内细菌的质量传递方程简化为：
$\frac{\text{d}{{N}_{\text{R}}}}{\text{d}t}=P{{k}_{{}}}{{N}_{\text{amb}}}-\left( K+{{k}_{{}}} \right)\cdot {{N}_{\text{R}}}-\frac{Q}{V}{{N}_{\text{R}}}$ (21)
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。
${{\varepsilon }_{\text{a}}}=\frac{{{N}_{\text{in}}}-{{N}_{\text{out}}}}{{{N}_{\text{in}}}}$ (22)
${{Q}_{\text{a}}}={{Q}_{\text{Z}}}{{\varepsilon }_{\text{a}}}\text{=}{{Q}_{\text{Z}}}\left( 1-\frac{{{N}_{\text{out}}}}{{{N}_{\text{in}}}} \right)$ (23)
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]。
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。
$D=\sqrt{\frac{\sum\limits_{i\text{=}1}^{n}{{{\left[ \left( {{x}_{\text{exp,i}}}-{{x}_{\text{sim,i}}} \right)/{{x}_{\text{exp,i}}} \right]}^{2}}}}{n}}$ (24)
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。
Fig. 4 The inactivation ratio of S. cerevisiae versus temperature图4 酿酒酵母热失活率随温度变化曲线 |
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。
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。
Fig. 5 The single-pass inactivation ratio of five kinds of bacteria versus time图5 五种细菌的单次灭活率随时间变化曲线 |
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)。
Fig. 6 The clear air of five kinds of bacteria versus time图6 五种细菌的干净空气量随时间变化曲线 |
2.3 房间的细菌热失活性能
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%。
Fig. 7 Variation curve of yeast concentration over time in the room with different number of air changes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 |
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%。
Fig. 8 Concentration changes over time of the five bacteria in the room图8 室内五种细菌的浓度随时间变化曲线 |
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。
Fig. 9 Curves of four indoor initial concentrations of S. cerevisiae over time图9 酿酒酵母四种室内初始浓度随时间的变化曲线 |
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
