通风房间常见微生物颗粒蒸发特性的仿真研究

吴文忠

(西安科技大学，陕西 西安 710054)

通风房间常见微生物颗粒蒸发特性的仿真研究

吴文忠

(西安科技大学，陕西 西安 710054)

通风调节房间环境参数，影响微生物颗粒蒸发过程。分析在该过程中颗粒粒径变化规律，构建对应的Matlab/simulink仿真模型，并选择典型通风房间和常见微生物颗粒释放源，应用该模型计算它们的蒸发过程，包括：在较低、较高和典型相对湿度的室内环境中，这些颗粒的蒸发过程。

通风房间； 微生物颗粒； 蒸发； Matlab/simulink仿真

医院、生物安全实验室等室内病毒类微生物颗粒，是一类疾病感染源。人呼出的微生物颗粒，进入相对湿度、温度比呼吸道低的室内环境中，会蒸发一部分水分[1-2]。目前应用实验、CFD模拟方法[1-4]研究该蒸发过程，还没有最终一致的结论：Papineni等[1]认为粒径分布受蒸发过程影响较小，而Nicas等[2]估计颗粒粒径由于蒸发过程很快减小。Chen等[3]认为初始粒径do<50 μm 颗粒的蒸发时间<1 s, 且do≤ 100 μm 颗粒的蒸发过程可以忽略。为了全面描述蒸发过程的规律，还需要详细分析颗粒粒径变化特点，应用更多研究方法。通风是借助稀释原理消除生物污染的物理手段，是室内防御生物污染的屏障[5-9]。通风调节房间环境参数，从而影响蒸发过程。研究通风房间微生物颗粒蒸发过程，需要考察微生物颗粒粒径受室内环境参数的影响[10]，因此需要计算通风调节的房间温度、相对湿度，以及这些参数对颗粒粒径的作用。由于送风参数、房间环境参数变化的多样性, 引起蒸发过程的复杂变化，适用于应用计算机仿真的研究方法。仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础,以计算机和各种专用物理设备为工具, 借助系统模型对真实系统进行实验研究的一门综合技术。Simulink 是Matlab 软件的一个用于动态系统建模、仿真和分析的软件包, 可以用来模拟线性或者非线性以及连续或者离散的系统, 由于其具有界面友好、图像与可视化功能强大、可扩展性强等优点, 已经成为工程技术研究的重要工具[11-13]。本文分析通风房间蒸发过程中颗粒粒径变化规律，建立对应的Matlab/simulink仿真模型，耦合通风系统和颗粒蒸发过程，并应用该模型计算通风房间一系列初始粒径的常见微生物颗粒蒸发过程。

1 房间内微生物颗粒蒸发数学模型

1.1 初始粒径分布

微生物释放源释放颗粒数、粒径分布是研究颗粒蒸发的出发点。文献[2，14]都讨论了颗粒数和粒径分布，相互之间差异很大，综述这些结果见表1。文献[4]说明了典型微生物及其粒径范围，见表2。

表1 综述文献中的颗粒数和粒径分布[2，14]

表2 典型微生物及其粒径分布

人呼出的微生物颗粒可以采用 optical particle counter (OPC) 计数，得到近似的初始分布：

(1)

其中，N，n0，n1，…ni，…n100…分别对应颗粒总数和从小到大的粒径颗粒数。

表1显示,粒径大的颗粒数少，而粒径小的颗粒数多，因此粒径初始分布有下述次序：

(2)

1.2 蒸发过程

根据质量守恒定律，颗粒蒸发，直径随时间减小，Nicas等[2]发表了颗粒直径随时间变化方程d(t)-t[2]。

分析蒸发过程还需要考虑蒸发速率，这取决于蒸发时间，例如：在房间内RH=30%～70%,d0=20 μm 颗粒达到平衡状态的蒸发时间t<1 s，而且颗粒粒径越小达到平衡状态的蒸发时间越短。正是因为颗粒蒸发时间短，为了方便构建蒸发过程仿真模型，可以将颗粒直径随时间变化方程d(t)-t展开成Taylor级数：

d(t)=d(0)+d′(0)t+d〃(0)t2+O(t2)

(3)

在式(3)中，右边第4项

(4)

式中：

(5)

由式(4)O(t2)=O(10-45)，在式(3)中右边第4项远低于第3项，因此可以忽略余项O(t2)，得到颗粒直径d(t)近似为：

(6)

2 通风房间颗粒蒸发过程仿真模型

由于通风系统和颗粒蒸发过程耦合的复杂性和多样性, 确定通风系统合理、有效、精确的控制方法并不容易，因此需要建立通风房间颗粒蒸发仿真模型[16-18]。该仿真模型由3个子系统组成：通风房间温度Tn计算子系统、室内相对湿度RH和参数c计算子系统、蒸发过程颗粒粒径d(t)计算子系统。图1是粒径计算子系统的仿真模型。

2.1 通风房间温度Tn计算子系统

计算通风房间温度，首先建立通风房间能量守恒方程，其中室外温度、太阳辐射、室内设备、照明、人员散热量、开关门次数、围护结构漏风、围护结构传热等都统一计入室内热源。经过Laplace变换得到：

送风量与室温之间的传递函数

(7)

室内热源与室温之间的传递函数

(8)

其中通风时间常数s

(9)

(10)

(11)

室外温度、太阳辐射、室内设备、照明、人员散热量、开关门次数、围护结构漏风、围护结构传热等对室内热源扰动都具有瞬时多变性，因此取Δqn为幅值 ±2 kW 的正弦模块进行仿真模拟。

2.2 室内相对湿度RH和参数c计算子系统

已知通风房间温度Tn，查水的饱和蒸汽压表得到对应温度下的饱和蒸汽压Psat(Tn) ，给定室内环境中水蒸汽分压力PH2O(Tn)，由下式计算得到相对湿度:

(12)

计算参数c数学模型对应于式(5)。

2.3 蒸发过程颗粒粒径d(t)计算子系统

按照式(6)计算蒸发过程中的颗粒粒径，图1是它的仿真模型。

由通风房间温度Tn计算子系统、室内相对湿度RH和参数c计算子系统、蒸发过程颗粒粒径d(t)计算子系统组成通风房间颗粒蒸发过程的仿真模型，如图2。

3 示例：计算通风房间常见微生物颗粒蒸发过程

选择房间尺寸3 m×1.5 m×2 m(长×宽×高)，应用全新风通风系统：上送下排气流组织形式，设计室内温度Tn 0=26 ℃, 送风温度Ts 0=18 ℃，换气次数N=9次/h。

已知换气次数N=9次/h，由通风房间特性参数估算公式[19]

(13)

(14)

再由式(5)和(3)得到

t1=386 s,K2=1 ℃/kW

(15)

室内设置微生物颗粒释放源，来自人咳嗽或打喷嚏。该释放源颗粒的初始粒径，范围很广，见表1、2，这里重点讨论常见室内微生物颗粒。常见室内微生物颗粒以SARS 冠状病毒为代表，颗粒初始粒径为d0=0.08～0.12 μm, 但由于颗粒的附着作用, 通常是以约d0≈1 μm的颗粒形态存在，因此粒径为d0≈1 μm[3-4]。根据有关实测数据及分析计算结果发现，在洁净场所微生物颗粒的沉降等价直径为d0=1～5 μm[7]，因此根据该粒径进行理论计算和仿真，得到常见室内微生物颗粒蒸发过程详细图景,包括在RH=10%较低相对湿度的室内环境中，这些颗粒开始蒸发的时间0.014～0.4 s；而在RH=90%较高相对湿度的室内环境中，这些颗粒开始蒸发的时间 0.12～4 s；在RH=30%～70%典型相对湿度的室内环境中，这些颗粒很快开始蒸发，图3、4以d0=1 μm颗粒为例说明常见室内微生物在典型相对湿度的室内环境中的蒸发过程,即：颗粒直径参数(d(t)-d0)×d0=(d(t)-1×1(μm2))随蒸发时间t(s)变化过程(见式(6))。

图1 蒸发过程颗粒粒径d(t)计算子系统Fig.1 Particle′s diameter system during evaporation

图2 通风房间微生物颗粒蒸发过程Matlab/simulink仿真模型Fig.2 Matlab/simulink model for particle′s evaporation process in ventilated room

图3 常见微生物颗粒在RH=30%～70%室内环境中到t=0.1 s的蒸发过程Fig.3 Common indoor bioaerosols evaporate at RH=30%～70%up to t=0.1 s

图4 常见微生物颗粒在RH=30%～70%室内环境中的快速蒸发过程Fig.4 Common indoor bioaerosols evaporate quickly at RH=30%～70%

4 讨 论

通风调节房间环境参数，也影响微生物颗粒蒸发过程。在蒸发过程中，颗粒由于失去一部分水分，直径随时间减小。Nicas等[2]发表了颗粒直径随时间变化方程d(t)-t[2]，本文考虑蒸发时间较短的特点，进一步将颗粒直径随时间变化方程d(t)-t展开成Taylor级数，并忽略了其中数量级极小的余项，O(t2)=O(10-45)，简化了颗粒直径的Taylor展开式，得到简明的颗粒粒径计算公式。然后应用Matlab/simulink平台构建了对应该计算公式的仿真模型，耦合了通风系统和颗粒蒸发过程。该仿真模型由3个子系统组成：通风房间温度Tn计算子系统、室内相对湿度RH和参数c计算子系统、蒸发过程颗粒粒径d(t)计算子系统。

应用上述仿真模型，选择典型通风房间和微生物释放源，计算了常见室内微生物颗粒蒸发过程详细图景，包括直径为d0=1～5 μm的常见室内微生物颗粒，在RH=10%较低相对湿度的室内环境中，这些颗粒开始蒸发的时间0.014～0.4 s；而在RH=90%较高相对湿度的室内环境中，这些颗粒开始蒸发的时间0.12～0.4 s；在RH=30%～70%典型相对湿度的室内环境中，这些颗粒很快开始蒸发，以d0≈1 μm 颗粒为例，开始蒸发的时间0.01～0.04 s。显然，颗粒在较低相对湿度的室内环境中更容易蒸发。

典型通风房间释放源颗粒的初始粒径，范围很广，本文重点讨论了常见室内微生物颗粒蒸发过程。常见室内微生物颗粒以SARS 冠状病毒为代表，颗粒初始粒径为d0=0.08～0.12 μm, 由于颗粒的附着作用与沉降效果，取常见室内微生物颗粒等价直径为d0=1～5 μm，以上计算结果即是根据该粒径范围进行理论计算和仿真，得到了常见室内微生物颗粒蒸发过程详细图景。

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Simulation to Common Microbial Particles′ Evaporation Features in Ventilated Rooms

WU Wen-zhong

(Xi′anUni.ofSci. &Technol.,Xi′an710054)

Ventilation regulated indoor air quality parameters affected evaporation process of bioaerosol particles. Their diameter variation property in the process was analyzed in this paper, and constructed a corresponding Matlab/simulink model, and used this model to calculate evaporation processes of common particles in a typical ventilated room at extreme low, extreme high relative humidity or within typical range of relative humidity.

ventilated room; microbial particles; evaporation; Matlab/simulink simulation

吴文忠 男，博士，工程师/讲师。研究方向为微生物污染控制，现从事污染控制技术研发工作。

E-mail: wuwenzhong@tju.edu.cn

2016-06-27；

2016-10-21

Q939.99; X173

A

1005-7021(2017)03-0105-06

10.3969/j.issn.1005-7021.2017.03.017