《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Experimental study and numerical analysis on the disinfection of exhaled bioaerosols by Trombe wall in a mechanically ventilated environment
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本研究构建生物气溶胶测试舱，评估Trombe墙全天的热效率与净化效果，采用PSO优化方法确定热灭活动力学参数，并利用CFD模拟分析不同通风率和太阳辐照度的影响。结果表明，系统提供99.35m3/天洁净空气，9.6MJ空间加热能。通风量增加导致净化收益递减，高辐照度调控气流模式，降低室内生物气溶胶浓度，表面沉积热点为天花板和南墙。
作者：钱宇|季杰|谢昊|李继尧|徐素月|贾恒民|穆岩
中国科学技术大学热科学与能源工程系，合肥230026
摘要
这种空气净化型Trombe墙在无需外部能源输入的情况下运行，同时实现了能源利用和室内空气质量改善的双重效益，因此代表了适用于后疫情时代的零能耗建筑围护结构，这种结构既需要节能，也需要有效的生物气溶胶控制。然而，目前的相关研究仍处于概念阶段，现有的评估也仅限于系统层面。特别是在通风房间中，其对呼出生物气溶胶的净化效果尚未得到充分研究。在本研究中，我们构建了一个与所提出的系统集成的生物气溶胶测试室，使用大肠杆菌作为替代物来评估全天的热效率和净化效果。通过粒子群优化（PSO）方法拟合确定了热灭活动力学。在典型的换气次数（ACH）下，对模型人呼出的生物气溶胶的时空演变进行了分析，并利用计算流体动力学模型量化了通风条件和太阳辐射对生物气溶胶传输的影响。实验结果表明，在实验当天，该系统提供了约99.35立方米的清洁空气，并提供了9.6兆焦耳的空间加热能量。当通风量为0、3和6次/小时时，系统运行时室内生物气溶胶浓度保持较低，但随着通风量的增加，净化效益有所下降。较高的辐射强度降低了室内生物气溶胶浓度，并改变了上出口的流动模式，从而调节了生物气溶胶的传输。对于配备了该系统的室内环境而言，向上供应/向下回流的模式更为合适。表面沉积模式表明天花板和南墙是消毒的重点区域。
引言
近年来，严重急性呼吸综合征（SARS）、流感和2019冠状病毒病（COVID-19）等传染病的频繁爆发对全球公共卫生构成了重大威胁[1,2]。其中，COVID-19自2019年以来已演变成全球性大流行病，对人类健康造成了巨大挑战，并对经济、医疗系统和社会结构等多个领域产生了深远影响[3]。越来越多的研究表明，生物气溶胶是传染病传播的主要媒介[[4], [5], [6]]。在这种背景下，开发高效节能的空气净化技术以改善室内空气质量并减轻生物气溶胶带来的健康风险已成为重要的研究焦点[7,8]。
热消毒技术通过高温破坏微生物的细胞结构、蛋白质和遗传物质来实现高效的杀菌和消毒[9]。与其他空气净化技术相比，热处理室内空气不会产生臭氧等有害副产品，因此是一种安全可靠的空气净化方法[10]。Jung等人设计了一种带有焦耳加热装置的连续气流反应器，用于研究热量对空气传播细菌的影响[11,12]。Xie等人进一步实验确定了空气中的肺炎克雷伯菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的热灭活反应速率。结果显示，空气中的细菌热灭活过程符合一级反应动力学模型，且革兰氏阴性细菌的热灭活速率显著高于革兰氏阳性细菌[13]。热灭活也对病毒有效。Chin等人报告称，SARS-CoV-2在病毒运输介质中，在56°C下暴露30分钟或70°C下暴露5分钟后，病毒滴度降低了4.8个对数单位（99.998%）[14]。Grinshpun等人表明，MS2病毒在约90°C的温度下暴露极短时间（约0.1-1秒）后，其传染性减少了约90%[15]。最近，Yu等人开发了一种基于加热的镍泡沫过滤器，用于灭活气溶胶化的SARS-CoV-2，在200°C下实现了99.8%的一次性去除和灭活效率[16]。尽管热处理在灭活生物气溶胶方面有效，但由于能耗高，其实际应用受到限制[17]。
太阳能被动加热技术可以吸收、储存和传递太阳能来加热空气，提供室内供暖[18]。在这些技术中，Trombe墙利用太阳辐射加热墙内的空气，产生热对流，然后通过墙顶的通风口将热量输送到室内空间。通过适当的技术优化，墙内的空气温度可以在不增加额外能源输入的情况下达到80°C[19]，有效弥补了传统热消毒技术因高能耗带来的局限性。Xie等人提出了一种具有空间加热和消毒功能的Trombe墙。理论研究表明，在有利的太阳辐射条件下，SARS-CoV-1、SARS-CoV-2和MERS-CoV的最大一次性灭活比率分别为0.893、0.591和0.893[20]。Qian等人通过在空气通道中加入翅片进一步改进了墙的结构，延长了生物气溶胶的停留时间并提高了其暴露温度，从而在低辐射条件下有效增强了墙的空气净化性能[21,22]。Yu等人提出了一种结合了热催化甲醛降解技术和光伏发电的空气净化-杀菌型PV-Trombe墙，进一步扩展了墙系统的功能[23]。上述研究表明，Trombe墙系统可以在不消耗额外外部能源的情况下实现多种功能，显著提高了太阳能利用率。然而，以往的研究主要集中在优化Trombe墙的结构和运行策略上，评估指标也主要集中在系统层面（热效率、光伏输出和净化效率）。对于其在实际室内条件下对呼出生物气溶胶的消毒效果，以及对室内气流组织、生物气溶胶传输和沉积的影响，关注较少。因此，将墙系统、室内空气动力学和生物气溶胶行为联系起来的耦合机制在实际应用中仍不够充分。
同时，通风被广泛认为是一种有效的空气净化策略[24]，设计用于减轻生物气溶胶传播的通风系统已成为研究重点。在隔离病房中，Liu等人研究了在8次和16次/小时的换气次数下，间歇性咳嗽和呼吸产生的气溶胶滴粒的空间沉积热点[25]。在BSL-2+实验室中，Liu等人通过数值模拟可视化了四种通风方案下的气流模式和生物气溶胶扩散情况，并评估了污染物去除效率[26]。多隔间牙科诊所的通风策略优化也得到了广泛研究[27,28]。此外，在公共交通和电梯等高密度、封闭且气流受限的环境中，通风的重要性日益凸显[29,30]。将空气净化技术与房间通风协同设计是技术验证和工程可行性的关键途径。因此，越来越多的研究在机械通风条件下明确评估了空气净化技术。Xia等人实验验证了在典型换气次数下，222纳米远紫外线对生物气溶胶的灭活效果，并通过模拟将其应用扩展到牙科诊所、共享办公室和铁路车厢等实际通风空间[[31], [32], [33]]。在医院隔离环境中，Liu等人量化了典型通风率下上层紫外线杀菌（UVGI）的有效性，并提出了考虑通风的优化策略[34]。在这种背景下，需要量化空气净化型Trombe墙相对于基线通风在不同换气次数下的额外净化效益，以确定可部署的通风范围和设计界限，并为将实验室结果应用于实际建筑提供定量依据。
为解决这些不足，本研究结合实验和模拟来评估空气净化型Trombe墙在真实运行条件下（尤其是在通风房间中）去除呼出生物气溶胶的有效性。主要内容如下：Ⅰ. 实验测量所提出系统的入口和出口空气温度、流速以及全天生物气溶胶的一次性灭活比率，评估其在实际条件下的热性能和空气净化性能。Ⅱ. 实验研究在配备该系统的室内环境中，加热模型人在典型通风率下呼出的生物气溶胶浓度的时空变化。Ⅲ. 开发基于PSO的反演方法来确定代表性空气传播细菌的热灭活动力学并拟合动力学参数。Ⅳ. 开发包含墙系统的室内环境模拟模型，定量分析通风和太阳辐射对系统性能的影响。这些结果为空气净化型Trombe墙的部署和更广泛的推广提供了额外的定量证据。
工作原理
图1(a)展示了空气净化型Trombe墙的示意图。从外部到内部，墙的结构包括玻璃盖、密封的空气间隙、吸收板、空气通道、背板和隔热层。在吸收板上涂有高吸收率和低反射率的谱选择性涂层，以增强太阳能的吸收并最小化辐射热损失。
墙的实验结果
图4(a)显示了实验当天的太阳辐射和环境温度。环境温度在285 K到300 K之间波动，峰值辐射强度为621.7 W/m2。外墙的辐射强度是通过与墙平行安装的日射强度计连续测量获得的，并通过数据采集系统进行处理，用于后续的模拟。
图4(b)比较了墙系统的模拟和实验平均出口温度。
结论
本研究在真实运行条件下（以大肠杆菌为代表）实验研究了空气净化型Trombe墙的消毒性能。通过PSO确定了热灭活动力学参数，并利用CFD模拟评估了典型通风率和太阳辐射对悬浮和沉积生物气溶胶的影响。主要结论如下：
- 1.
实验当天，环境温度在285 K到300 K之间波动，峰值
作者贡献声明
钱宇：概念构思、调查、可视化、方法论、软件、数据整理、验证、撰写初稿。
季杰：监督、资金获取。
谢昊：软件、撰写 - 审稿与编辑。
李继尧：撰写 - 审稿与编辑。
徐素月：软件。
贾恒民：调查。
穆岩：调查。
