引用本文
樊苗苗, 车磊, 顾涛, 李雨林, 余本东. 热除菌型Trombe墙系统性能研究[J]. 新能源进展, 2022,10(6): 540-546
FAN Miao-miao, CHE Lei, GU Tao, LI Yu-lin, YU Ben-dong. Performance Analysis of a Novel Thermal Sterilization Trombe Wall[J]. ADV NEW RENEWABLE EN, 2022,10(6): 540-546.  
Doi: 10.3969/j.issn.2095-560X.2022.06.007
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热除菌型Trombe墙系统性能研究
樊苗苗1,2, 车磊2, 顾涛2, 李雨林2, 余本东1,2,†
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
† 通信作者：余本东,E-mail：yubendonglns@163.com

作者简介：樊苗苗（1998-）,女,硕士研究生,主要从事太阳能光热催化洁净与建筑一体化技术研究。余本东（1991-）,男,博士,教授,主要从事太阳能光电光热综合利用研究。

收稿日期: 2022-09-11 修订日期: 2022-10-17
基金项目: 建筑能效控制与评估教育部工程研究中心开放课题/主任基金资助项目（AHJZJN-2021-03）; 国家自然科学基金项目（52278111）; 江苏省自然科学面上基金项目（BK20221315）
摘要

热除菌利用细菌在高温下失活的原理,是一种安全、有效、环保的杀菌方法。将热杀菌技术与Trombe墙结合,提出一种热除菌型Trombe墙系统,能同时实现建筑室内采暖和热杀菌功能。围绕提出的除菌型Trombe墙进行墙体热性能实验研究,探究墙体全天的热性能;同时建立系统传热热传质模型,进行室内典型细菌的热失活分析。结果表明,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,日均空气热效率为0.46;对于大肠杆菌、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,热除菌产生的洁净空气量在0 ~ 40 m3/h范围内,全天净空气总产生量分别为94.01 m3/(m2∙d)、86.51 m3/(m2∙d)、100.70 m3/(m2∙d)、94.95 m3/(m2∙d) 和100.10 m3/(m2∙d);当换气次数为0.5 h-1、细菌从室外进入室内的穿透系数为0.8、室外平均细菌浓度为447.10 CFU/m3时,室内五种细菌的除菌率分别为95.03%、91.54%、95.49%、95.22%、95.48%。

关键词: Trombe墙; 太阳能热除菌; 热失活; 采暖
中图分类号:TK511+.2;TU18 文献标识码:A 文章编号:2095-560X（2022）06-0540-07
Performance Analysis of a Novel Thermal Sterilization Trombe Wall
FAN Miao-miao1,2, CHE Lei2, GU Tao2, LI Yu-lin2, YU Ben-dong1,2,
1. Engineering Research Center of Building Energy Efficiency Control and Evaluation, Anhui University of Architecture, Hefei 230601, China
2. College of Urban Construction, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China
Abstract

Thermal sterilization technology is a safe, effective, and friendly purification technology that is based on the thermal inactivation principle of bacteria at high temperatures. In this article, the thermal sterilization technology was combined with the Trombe wall, and a thermal sterilization Trombe wall was proposed, which can realize space heating and thermal sterilization. The thermal performance of the thermal sterilization Trombe wall was experimentally studied, and the all-day thermal performance of the Trombe wall was explored. Meanwhile, the thermal and mass transfer model of the system was established, and the thermal inactivation analysis of typical indoor bacteria was performed. The results showed that the average daily air thermal efficiency was 0.46 under the experimental conditions of ambient temperature was 18.1oC and solar radiation intensity was 620.6 W/m2. For five bacteria of E. coli, L. monocytogenes, L. plantarum, S. senftenberg, and S. cerevisiae, the amount of clean air produced by thermal sterilization was within 0-40 m3/h. For per unit area Trombe wall, the total amount of clean air production for the whole day was 94.01 m3/(m2∙d), 86.51 m3/(m2∙d), 100.70 m3/(m2∙d), 94.95 m3/(m2∙d), and 100.10 m3/(m2∙d). When the number of air changes was 0.5 h-1, the penetration coefficient of bacteria entering the room from outdoors was 0.8, and the average outdoor bacterial concentration was 447.10 CFU/m3, the sterilization rates of the five indoor bacteria were 95.03%, 91.54%, 95.49%, 95.22%, 95.48%, respectively.

Key words: Trombe wall; solar thermal sterilization; thermal inactivation; space heating
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
1-由通风作用进入室内的污染物; 2-由系统降解的污染物; 3-室内污染源产生的污染物; 4-自然衰减的污染物; 5-由通风作用排至室外的污染物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：

$\begin{align} & {{\rho }_{1}}{{\delta }_{1}}{{c}_{1}}\frac{\partial {{T}_{1}}}{\partial t}={{\lambda }_{1}}{{\delta }_{1}}\frac{{{\partial }^{2}}{{T}_{1}}}{\partial {{y}^{2}}}+{{\alpha }_{1}}I+{{h}_{\text{c, 1, amb}}}\left( {{T}_{\text{amb}}}-{{T}_{1}} \right)+ \\ & {{h}_{\text{r, 1, amb}}}\left( {{T}_{\text{s}}}-{{T}_{1}} \right)+\left( {{h}_{\text{r, }}}_{\text{a}}+{{h}_{\text{c, }}}_{\text{a}} \right)\left( {{T}_{\text{2}}}-{{T}_{\text{1}}} \right) \end{align}$ (1)

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。

${{h}_{\text{c, 1, amb}}}=0.0552T_{\text{amb}}^{1.5}$ (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。

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：

$\begin{align} & W{{\delta }_{\text{a}}}\frac{\partial N\left( y \right)}{\partial t}\text{d}y=QN\left( y \right)- \\ & Q\left[ N\left( y \right)+\frac{\partial N\left( y \right)}{\partial y}\text{d}y \right]-r{{\delta }_{\text{a}}}W\text{d}y \end{align}$ (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]。

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。

$D=\sqrt{\frac{\sum\limits_{i\text{=}1}^{n}{{{\left[ \left( {{x}_{\text{exp, i}}}-{{x}_{\text{sim, i}}} \right)/{{x}_{\text{exp, i}}} \right]}^{2}}}}{n}}$ (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。

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

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。

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

ε a 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

参考文献
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