肋壁管道式UVGI系统灭活性能研究

叶金军，艾正涛*  湖南大学土木工程学院

摘要：管道式UVGI系统（ID-UVs）可以有效阻止细菌和病毒通过通风管道进入室内。本文提出将肋片附着在内衬管壁，通过肋致涡流延长微生物颗粒在紫外线辐照区的停留时间，使微生物颗粒接收更高的辐射剂量，从而提高灭活效率。研究发现，提高肋壁ID-UVs灭活性能的关键在于平衡肋致涡流对灭活效率的积极作用和肋致高气流速度的负面作用。相比于光滑管壁的ID-UVs，仅在紫外线灯管下游四周管壁布置高度为0.15 H（H为管道高度）的肋片，即系统（ID-UVs-00015），可以使系统对MS2噬菌体的灭活效率分别提高26.3%（临界存活分数概率法（CSFP），低敏性MS2噬菌体，K=0.038J/m²，是文献中报道的优化灯管阵列实现灭活效率提高幅度的8.8倍）、43.1%（最大可承受剂量法（MBUD），K=0.038J/m²）和112.5%（MBUD，高敏性MS2噬菌体，K=0.028J/m²）。

关键词：管道式UVGI系统；肋片；灭活效率；MS2噬菌体；CFD模拟

1. 引言

相比于颗粒污染物和气体污染，生物污染（包括新冠病毒、嗜肺军团菌和流感病毒等）会在较短的暴露时间内使人员出现对应症状。紫外线杀菌辐射（UVGI）系统能有效灭活沉积在表面、悬浮在空气或水中的多种病毒、细菌和真菌[1, 2]。它利用短波紫外线辐射能量（UVC，200 nm至280 nm）在脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）中形成光二聚体，从而阻止转录和复制[3]。管道式UVGI系统（ID-UVs）是使用最普遍的UVGI系统之一，在COVID-19大流行期间被多个国家的标准和指南推荐使用[4]。

高辐射强度、低气流速度是过去提高ID-UVs灭活效率的共识。高辐射照度通常通过增加灯管数量和灯管功率来实现，这意味着初投资和后期运维费用的增加。优化灯管阵列也是提高ID-UVs灭活效率的一种常见方案，但正如Atci等人[5]所报道的，通过优化灯管阵列实现的灭活效率的最大提高幅度仅为1.5%（对MS2噬菌体（K=0.038J/m²）的灭活效率从50%到51.5%（相对偏差为3.0%））。低气流速度则意味着管道系统输配能力的降低或更大的管段截面积，二者皆不适宜工程应用。

过去的研究发现肋片可以有效增强通风管道内颗粒的沉积行为，预计在ID-UVs辐照区布置肋片，通过肋致涡流延长微生物颗粒在UV辐照区的停留时间，可以提高灭活效率[6]。然而，壁附肋同时会导致管道阻塞率的增加，即气流速度会随之增加，这会导致另一部分颗粒停留时间被缩短，从而可能接收不足的辐射剂量。因此，本文调查了通过优化肋高、肋间距和肋位置平衡肋致涡流对灭活效率的积极作用和肋致高气流速度的负面作用，从而得到最佳的肋壁式ID-UVs的设计方案。

2. 研究方法及内容

2.1 物理及数值模型

如图1所示，建立了0.61 m×0.61 m×2.135 m的三维管道系统的数值模型，四根功率为8.5 W

 

图 1 ID-UVs系统模型示意图

雷诺应力模型（RSM）结合增强壁面处理用于模拟ID-UVs中的气流流动，应用非灰色离散序列（DO）模型建模UV辐射场，采用拉格朗日轨迹法追踪颗粒的运动，离散随机轨迹（DRW）模型模拟颗粒的扩散行为。

{C}1.1 {C}{C}{C}研究工况

如表1所列，本研究共设计了13组工况，用于确定最佳肋高、肋间距和肋位置。

表 1 工况表，工况1为空白对照组，即光滑壁ID-UVs

1.2 评价方法

临界存活分数概率法（CSFP）基于通过ID-UVs的微生物颗粒接收的平均UV剂量，可以较准确地评估光滑壁ID-UVs的灭活效率[5, 7]。然而，肋致涡流的存在会使部分微生物颗粒接收过量的UV剂量，导致由CSFP法评估得到的灭活效率增加。而接收了过量UV剂量的颗粒无法将富余的剂量转移给接收UV剂量不足的微生物颗粒，即实际灭活效率并不会增加。因此，仅采用CSFP法评估肋壁式ID-UVs的灭活效率是不准确的。在本文中，最大可承受剂量（MBUD）法也被应用，尽管该方法无法准确评估灭活效率的准确数值，但利用该方法可以评估不同系统间灭活性能的优劣[8]。

采用MS2噬菌体作为目标微生物，CSFP法灭活效率评估公式如下[3]：

 

3.结果分析

3.1 流场和辐射场分析

          图 4 肋高的影响，灭活效率，两排肋布置与上壁和下壁，肋间距为1.0 H
 

图 5 肋高的影响，颗粒停留时间

灭活性能的原因是在肋致涡流对灭活效率的积极作用和肋致高气流速度的负面作用之间实现了折中。

3.3 肋间距对灭活性能的影响
       

3.4  肋位置对灭活性能的影响

4.结论

本研究主要得到以下三点结论：

（1） 最佳肋间距为1.0 H，增加或降低肋间距都会导致灭活性能降低；

（2） 在灯管上游和下游布置两排肋片，短-高（上游-下游）设计方案由于高-短设计方案。更高的上游肋片虽然可以诱导产生更大的涡流的面积，但同时会导致更高的主辐照区气流速度。因此，提高肋壁ID-UVs灭活性能的关键在于平衡肋致涡流对灭活性能的积极作用和肋致高气流速度的负面作用；

（3） 肋壁ID-UVs灭活性能：肋片附着在四周壁>肋片附着在上下壁>肋片附着在侧壁。在本研究中，0-0.15 H的肋片附着在四周壁的ID-UVs灭活性能最好，与光滑壁ID-UVs相比，灭活效率、和分别提高了26.3%（是文献中报道的通过优化灯阵列的8.8倍）、43.1%和112.5%；

参考文献：

[1] J. Wang, D. Qu, L. Bu, et al., Inactivation efficiency of P. Aeruginosa and ARGs removal in UV/NH2Cl process: Comparisons with UV and NH2Cl, Separation and Purification Technology 305 (2023). https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122473.

[2] Z. Feng, S.J. Cao, F. Haghighat, Removal of SARS-CoV-2 using UV+Filter in built environment, Sustainable Cities and Society 74 (2021) 103226. https://doi.org/10.1016/j.scs.2021.103226.

[3] W. Kowalski, Ultraviolet Germicidal Irradiation Handbook, Springer Berlin  (2009). https://doi.org/10.1007/978-3-642-01999-9_2.

[4] J. Ye, C. Lin, J. Liu, et al., Systematic summary and analysis of Chinese HVAC guidelines coping with COVID-19, Indoor and Built Environment 31(5) (2022) 1176-1192. https://doi.org/10.1177/1420326X211061290.

[5] F. Atci, Y.E. Cetin, M. Avci, et al., Evaluation of in-duct UV-C lamp array on air disinfection: A numerical analysis, Science and Technology for the Built Environment 27(1) (2020) 98-108. https://doi.org/10.1080/23744731.2020.1776549.

[6] H. Lu, L. Lu, A numerical study of particle deposition in ribbed duct flow with different rib shapes, Building and Environment 94 (2015) 43-53. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2015.07.030.

[7] A. Capetillo, C.J. Noakes, P.A. Sleigh, Computational fluid dynamics analysis to assess performance variability of in-duct UV-C systems, Science and Technology for the Built Environment 21(1) (2015) 45-53. https://doi.org/10.1080/10789669.2014.968512.

[8] Y. Yang, H. Zhang, A.C. Lai, Lagrangian modeling of inactivation of airborne microorganisms by in-duct ultraviolet lamps, Building and Environment 188 (2021) 107465. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.107465.

[9] G. Ko, M.W. First, H.A. Burge, Influence of relative humidity on particle size and UV sensitivity of Serratia marcescens and Mycobacterium bovis BCG aerosols, TubercleandLung Disease 80(4-5) (2000) 217-28. https://doi.org/10.1054/tuld.2000.0249.