顧 濤，李雨林，樊苗苗，李念思，余本東

熱催化和光熱復(fù)合催化百葉型Trombe墻實(shí)驗(yàn)性能探究*

顧 濤1,2，李雨林2，樊苗苗2，李念思2，余本東1,2,?

（1. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 南京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，南京 210009）

Trombe墻是一種應(yīng)用廣泛的太陽能被動采暖結(jié)構(gòu)，但依然存在夏季過熱、冬季室內(nèi)污染物易積累等問題。熱催化凈化技術(shù)是在熱的作用下降解室內(nèi)污染物的綠色凈化技術(shù)，太陽能光熱復(fù)合催化技術(shù)在熱催化的基礎(chǔ)上耦合光催化技術(shù)，不僅能同時利用光能和熱能驅(qū)動凈化反應(yīng)，還可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)來提高反應(yīng)效率?；诖?，將熱催化劑和光熱復(fù)合催化分別應(yīng)用于Trombe墻，學(xué)者們提出凈化百葉型Trombe墻，冬季實(shí)現(xiàn)采暖和甲醛凈化，夏季實(shí)現(xiàn)凈化的同時，能夠?qū)⑻栞椛浞瓷涞绞彝?，緩解室?nèi)過熱。分別比較了基于熱催化和光熱復(fù)合催化技術(shù)的百葉型通風(fēng)墻的熱性能和甲醛降解性能。搭建了光熱催化百葉型Trombe墻和實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，在實(shí)際工況下分別測試了熱催化和光熱復(fù)合催化技術(shù)的百葉型通風(fēng)墻的熱性能和甲醛降解性能。研究結(jié)果表明，光熱催化百葉型Trombe墻與熱催化百葉型Trombe墻都具有較好的采暖性能與甲醛凈化性能，前者的甲醛凈化性能更好，后者具有較高的采暖性能；在11月份，當(dāng)百葉翻轉(zhuǎn)角度為45°時，光熱催化百葉型Trombe墻的熱效率和甲醛降解性能最佳。

Trombe墻；采暖；太陽能熱催化；太陽能光熱復(fù)合催化；百葉

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，建筑能耗越來越高，太陽能在建筑上的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)Trombe墻結(jié)構(gòu)簡單，可有效利用太陽能進(jìn)行室內(nèi)采暖以降低建筑供熱能耗，但也存在功能單一、夏季容易過熱等問題[2-3]。

為改善Trombe墻的熱性能，學(xué)者們在結(jié)構(gòu)上提出改進(jìn)，如流化床式Trombe墻、透明式Trombe墻[4]、呼吸式相變Trombe墻[5]等。為改變Trombe墻功能單一的缺點(diǎn)，學(xué)者們提出了光伏Trombe墻[6-8]，將光伏模塊粘附在玻璃內(nèi)表面，能同時實(shí)現(xiàn)采暖和發(fā)電。但以上Trombe墻都存在夏季過熱、冬季室內(nèi)污染嚴(yán)重的問題，因Trombe墻在冬季采暖模式下，進(jìn)出口都關(guān)閉，導(dǎo)致室內(nèi)空氣不能與室外空氣進(jìn)行循環(huán)。

為了降低夏季室內(nèi)溫度，提出了百葉型Trombe墻[9-10]，在空氣流道內(nèi)的百葉的兩面分別涂上高反射率和高吸收率涂層，在夏季，高反射率涂層朝外，能有效減少帶進(jìn)室內(nèi)的熱量。為充分利用太陽能降低建筑采暖能耗和提升室內(nèi)空氣質(zhì)量，國內(nèi)學(xué)者提出了兩種新型零能耗室內(nèi)空氣凈化型Trombe墻系統(tǒng)：熱催化型Trombe墻系統(tǒng)[11]、光催化型Trombe墻系統(tǒng)[12-13]。熱催化型Trombe墻結(jié)合熱催化氧化技術(shù)，將熱催化劑涂覆在Trombe墻體的外表面，熱催化劑涂層吸收太陽輻射后，能同時加熱室內(nèi)空氣和降解甲醛，達(dá)到采暖和除醛的作用。單一的光催化或者熱催化過程存在凈化效率有限、太陽能利用率不高等問題，光熱耦合催化過程不僅能同時利用光能和熱能驅(qū)動凈化反應(yīng)，還可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)來增強(qiáng)反應(yīng)效率[14]?；诖?，本文提出光熱催化百葉型Trombe墻系統(tǒng)。該系統(tǒng)將光熱復(fù)合催化劑涂覆在百葉表面，能充分利用太陽光中的熱和各段波長，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)采暖和更好的除醛效果。

本文的主要研究內(nèi)容包括：第一，制備不同比例的光熱復(fù)合催化劑，搭建單通實(shí)驗(yàn)臺，探究不同比例的光熱復(fù)合催化材料的催化性能，選擇最佳復(fù)合比例；第二，搭建催化百葉型Trombe墻，在百葉的一面涂上熱催化劑或光熱復(fù)合催化劑，測試熱催化百葉型Trombe墻和光熱催化百葉型Trombe墻的甲醛降解性能和熱性能并進(jìn)行對比；第三，探究百葉翻轉(zhuǎn)角度對墻體綜合性能的影響。

1 系統(tǒng)介紹

光熱復(fù)合催化百葉型Trombe墻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在百葉的一面涂上光熱復(fù)合催化劑。冬季，百葉涂有光熱復(fù)合催化劑材料的一面朝外，在太陽光照射下，催化劑吸收紫外光啟動光催化反應(yīng)，同時催化劑涂層吸收太陽輻照轉(zhuǎn)換為熱能，催化劑涂層溫度升高，啟動催化劑的熱催化反應(yīng)，含有較高濃度甲醛的室內(nèi)空氣從下風(fēng)口進(jìn)入空氣流道，在熱虹吸的作用下流經(jīng)空氣流道，在太陽光照射下，空氣被加熱的同時，甲醛分子被涂敷在墻體外表面的光熱復(fù)合催化劑催化降解，最終干凈的溫暖空氣經(jīng)由上通風(fēng)口回到室內(nèi)。在夏季，百葉光滑的另一面朝外，反射大部分太陽光，減少進(jìn)入室內(nèi)的熱量，同時朝內(nèi)的催化劑涂層中的熱催化劑與甲醛發(fā)生氧化反應(yīng)將其降解?？梢钥闯?，光熱復(fù)合催化百葉型Trombe墻系統(tǒng)是一種能同時實(shí)現(xiàn)集熱和室內(nèi)空氣凈化功能的零能耗系統(tǒng)。

圖1 光熱催化百葉型Trombe墻系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 催化劑

研究采用的熱催化劑MnO-CeO2由修飾共沉淀法制備[15]。光催化劑采用平均粒徑為4 nm、純度為99%的TiO2。將熱催化劑MnO-CeO2和光催化劑TiO2按光催化劑/熱催化劑分別為5%、10%、20%等不同摩爾比例進(jìn)行機(jī)械混合得到光熱復(fù)合催化劑，將混合后的復(fù)合催化劑與去離子水混合，攪拌30 min，涂覆在表面經(jīng)過粗糙處理的鋁板上，常溫干燥12 h，得到光熱復(fù)合催化劑涂層。

在之前的研究中[16]，本課題組測試了四種不同比例的光熱復(fù)合催化劑的甲醛單次通過率，結(jié)果如圖2，得出10%比例的光熱復(fù)合催化劑凈化效果最好，因此將10%比例的光熱復(fù)合催化劑應(yīng)用到本文提出的光熱復(fù)合催化百葉型Trombe墻。

從圖2中光熱復(fù)合催化劑的全光譜吸收特性可以看出，熱催化劑的吸收率顯著高于光催化劑，熱催化劑和5%、10%、20%比例的光熱復(fù)合催化劑的平均吸收率分別為0.88、0.87、0.86、0.83。由于混入了吸收率較低的光催化劑TiO2，光熱復(fù)合催化劑的吸收率略低于熱催化劑。

2.2 墻體熱性能、甲醛降解性能測試

為測試光熱催化百葉型Trombe墻的采暖效率和甲醛降解性能，搭建了墻體熱效率、甲醛凈化效率測試實(shí)驗(yàn)臺。圖3是光熱催化百葉的制作過程。圖4是光熱催化凈化百葉型Trombe墻的熱性能和甲醛降解性能測試的原理圖，包括氣體產(chǎn)生部分、光熱復(fù)合催化凈化百葉墻體、測量部分。另外，制備了熱催化百葉并測試了其采暖和凈化效率作為對照組。

圖3 光熱催化百葉制作過程

圖4 墻體的熱性能和甲醛降解性能測試的原理圖

為了測試墻體實(shí)際一天的熱效率與甲醛降解效率，將實(shí)驗(yàn)臺朝南放置室外陽光充足的區(qū)域，打開空氣泵，通入甲醛氣，分別記錄進(jìn)出口溫度、百葉溫度、進(jìn)出口甲醛濃度、太陽輻照強(qiáng)度、空氣流道內(nèi)的空氣流速。測試儀器的型號與精度列于表1，表2為光熱催化百葉型Trombe墻體的各項(xiàng)參數(shù)。測試時間為9:00-17:00，間隔為1 min，測試地點(diǎn)為江蘇南京的南京工業(yè)大學(xué)（32°03′N，118°37′E）。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖見圖5。

表1 主要實(shí)驗(yàn)測量儀器的精度

表2 墻體的物性參數(shù)

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

首先，分別測試了光熱復(fù)合催化百葉與熱催化百葉的綜合性能，為了減小光熱催化百葉型Trombe墻與熱催化百葉型Trombe墻之間的性能測試的對比誤差，在2022年11月份進(jìn)行了多組測試，選取氣象數(shù)據(jù)最相近的兩天的性能測試結(jié)果。如圖6所示為所取兩天的氣象數(shù)據(jù)，兩天的平均太陽輻照分別為391、385 W/m2，平均環(huán)境溫度分別為19.1、18.5?℃。分別在2022年11月18日、11月24日測試熱催化百葉型Trombe墻和光熱催化百葉型Trombe墻的性能。其次，為了探究百葉翻轉(zhuǎn)角度對墻體綜合性能的影響，分別測試了百葉角度為15°、45°、75°時的墻體綜合性能，取氣象數(shù)據(jù)最相近的三天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為研究對象，氣象數(shù)據(jù)見圖7。

圖6 光熱催化百葉與熱催化百葉實(shí)驗(yàn)兩天的氣象數(shù)據(jù)

圖7 不同百葉翻轉(zhuǎn)角度實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的氣象數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)分析

甲醛的單次通過率定義為

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 性能對比分析

為探究熱催化和光熱復(fù)合催化百葉型通風(fēng)墻實(shí)驗(yàn)性能，分別測試了光熱復(fù)合催化百葉型Trombe墻和熱催化百葉型Trombe墻在百葉翻轉(zhuǎn)角度為45°時，實(shí)際一天中的熱效率、甲醛單次通過率和CADR。

圖8 熱催化百葉和光熱催化百葉進(jìn)出口甲醛濃度

墻體的甲醛凈化性能見圖8。圖中可見，入口甲醛濃度不是恒定的，而是隨太陽輻射而變化。這是由于空氣流道內(nèi)的空氣流速受熱虹吸影響隨太陽輻射而變化。出口甲醛濃度隨著太陽輻照的增強(qiáng)而降低，這是由于太陽輻照的增大使催化劑的活性增強(qiáng)，能夠使更多的甲醛發(fā)生反應(yīng)。熱催化百葉型Trombe墻和光熱催化百葉型Trombe墻的進(jìn)口甲醛濃度范圍分別為0.362 ～ 0.497 mg/m3和0.364 ～ 0.489 mg/m3，出口甲醛濃度范圍分別為0.304 ～ 0.381 mg/m3和0.303 ～ 0.369 mg/m3。

圖9（a）、圖9（b）分別顯示了兩種墻體的甲醛單次通過率和CADR，兩者基本上隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加而增加。這是由于凈化百葉溫度隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加而升高［圖9（c）］，紫外線強(qiáng)度也隨之增加，從而提高了熱/光熱復(fù)合催化劑的甲醛降解效果。同時空氣流道內(nèi)的空氣流速也隨著太陽輻照的增加而增加［圖9（d）］，使空氣流量增加，因此CADR也隨之呈現(xiàn)相同變化趨勢。還可以觀察到，光熱催化百葉的甲醛單次通過率和CADR均高于熱催化百葉。熱催化百葉型Trombe墻和光熱催化百葉型Trombe墻一天的平均甲醛單次通過率分別為21.34%和25.45%，一天總共產(chǎn)生的干凈空氣量分別為193.14 m3/h和230.85 m3/h?？梢钥闯?，光熱催化百葉Trombe墻的甲醛凈化性能明顯高于熱催化百葉型Trombe墻。

墻體的進(jìn)出口溫度見圖10，兩種不同催化百葉型Trombe墻一天的進(jìn)出口溫度差都隨著太陽輻照的增大而增大。熱催化百葉型Trombe墻和光熱催化百葉型Trombe墻一天的平均進(jìn)口溫度分別為18.3?℃和18.5?℃，平均出口溫度分別為24.5?℃和24.3?℃。圖11為兩者的熱效率，熱催化百葉型Trombe墻的日平均熱效率為29.44%，光熱催化百葉型Trombe墻的日平均熱效率為28.93%，后者的熱效率略低于前者，這是由于光熱復(fù)合催化劑的吸收率略低于熱催化劑，在可接受范圍之內(nèi)。

圖10 熱催化百葉和光熱催化百葉進(jìn)出口溫度

綜上所述，熱催化百葉型Trombe墻在凈化過程中只有單一熱催化反應(yīng)，凈化效率有限，而光熱催化百葉型Trombe墻利用了光熱協(xié)同機(jī)理，既有熱催化氧化還原反應(yīng)，又有光催化氧化還原反應(yīng)，可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，具有更高的甲醛凈化效率。但由于光熱復(fù)合催化劑的吸收率略低于熱催化劑，熱催化百葉型Trombe墻的集熱效率更高。

圖11 兩種墻體白天的熱效率

3.2 百葉翻轉(zhuǎn)角度對墻體綜合性能的影響

為探究百葉翻轉(zhuǎn)角度對系統(tǒng)性能的影響，分別測試了15°、45°、75°的百葉角度下的光熱催化百葉型Trombe墻在實(shí)際一天中的熱效率、甲醛單次通過率和CADR。

墻體的采暖性能見圖12，不同百葉翻轉(zhuǎn)角度下的進(jìn)出口溫差和百葉溫度都隨著太陽輻照的增加而增加。三種百葉角度（15°、45°、75°）下的日均進(jìn)出口溫差分別為4.6?℃、5.6?℃、5.3?℃，百葉的日均溫度分別為34.9?℃、39.1?℃、37.2?℃?？梢悦黠@地看出當(dāng)百葉角度為45°時，進(jìn)出口的溫差和百葉的溫度最高，此時的熱效率也最高，如圖12（c）。由于受太陽高度角的影響，在11月份，當(dāng)百葉角度為45°時，能接收太陽輻照的面積更大，系統(tǒng)接收來自太陽光的熱量更多。

圖12 不同百葉翻轉(zhuǎn)角度下的進(jìn)出口溫差（a）、百葉溫度（b）和熱效率（c）

百葉角度對其甲醛凈化性能的影響見圖13。三種百葉角度下的甲醛單次通過率和CADR的趨勢都與太陽輻照相似。由于百葉的溫度隨著太陽輻照的增加而升高，紫外強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，從而提高了光熱復(fù)合催化劑的甲醛凈化效率。且當(dāng)百葉角度為45°時，甲醛單次通過率與CADR最高，此時的平均甲醛單次通過率為28.9%，一天總共能產(chǎn)生205.1 m3干凈空氣。由于百葉角度為45°時，百葉的溫度較高，受太陽輻照的面積較大，使光熱復(fù)合催化劑的甲醛降解效率更高。

綜上所述，墻體的熱性能與甲醛降解性能隨著百葉接受輻照面積的增大而增大，在南京地區(qū)的11月份，當(dāng)百葉角度為45°時，墻體的綜合性能更高。

4 結(jié) 論

為解決Trombe墻夏季過熱、冬季室內(nèi)污染物易積累等問題，提出光熱催化百葉型Trombe墻，開展新型Trombe墻中的光熱復(fù)合催化劑催化甲醛轉(zhuǎn)化的性能研究，進(jìn)一步探究實(shí)際一天中光熱催化百葉型Trombe墻的熱性能和甲醛降解性能，并與熱催化百葉型Trombe對比，得出以下結(jié)論：

（1）墻體性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光熱催化百葉型Trombe墻在采暖月陽光良好的一天中的平均熱效率能達(dá)到28.93%，平均甲醛單次通過率能達(dá)到25.45%，白天總共能產(chǎn)生230.85 m3的干凈空氣。熱催化百葉型Trombe墻的平均熱效率為29.44%，平均甲醛單次通過率為21.34%，共產(chǎn)生193.14 m3的干凈空氣。

（2）相較于熱催化百葉型Trombe墻，光熱催化百葉型Trombe墻的甲醛凈化性能有顯著的優(yōu)勢，而熱催化百葉型Trombe墻具有更高的熱效率。

（3）墻體的綜合性能受百葉翻轉(zhuǎn)角度的影響，百葉受太陽輻照面積越大，墻體的甲醛凈化性能與熱性能越高。在南京的11月份，當(dāng)百葉角度為45°時，相較于其他角度（15°、75°），墻體的綜合性能最佳。

面積，m2

比熱容，J/(kg·K)

甲醛濃度，mg/m3

太陽輻射強(qiáng)度，W/m2

th熱效率，%

反應(yīng)速率，CFU/(s·m3)

溫度，℃

時間，s

CAD干凈空氣量，m3/h

甲醛單次通過率，%

質(zhì)量流量，m3/s

a 空氣

in 入口

out 出口

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Experimental Performance of the Trombe Wall with Thermal Catalysis/Photo-Thermal Synergistically Catalytic Purification Blinds

GU Tao1,2, LI Yulin2, FAN Miaomiao2, LI Niansi2, YU Bendong1,2,?

(1. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 2. College of Urban Construction, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)

Trombe wall is a widely used solar passive heating structure, but problems such as overheating in summer and easy accumulation of indoor pollutants in winter remain. Thermal catalytic purification technology is a green purification technology that degrades indoor pollutants under the action of heat. Solar photothermal composite catalytic technology coupled with photocatalytic technology on the basis of thermal catalysis not only can utilize light energy and thermal energy to drive purification reactions, but also generate synergistic effects to enhance reaction efficiency. Based on this, thermal catalysis and photothermal composite catalysis were respectively applied to Trombe walls, and a novel Trombe wall with purification blinds was proposed. Heating and formaldehyde purification were achieved in winter, purification was achieved in summer and solar radiation can be reflected to the outside to alleviate indoor overheating. The thermal performance and formaldehyde degradation performance of louvered ventilation walls based on thermal catalysis and photothermal composite catalysis technology were compared. Firstly, a photothermal catalytic louvered Trombe wall and an experimental testing system were built, and then the thermal performance and formaldehyde degradation performance of the louvered ventilation wall using thermal catalysis and photothermal composite catalysis technology were tested under actual operating conditions. The results showed that both the Trombe walls with photothermal catalytic blinds and thermal catalytic blinds have good heating performance and formaldehyde purification performance. The former has better formaldehyde purification performance, while the latter has higher heating performance. In November, when the turning angle of blinds was 45°, the thermal efficiency and formaldehyde degradation performance of the Trombe wall with photothermal catalytic blinds are the best.

Trombe wall; heating; solar thermal catalysis; solar photothermal composite catalysis; blinds

2095-560X（2023）04-0348-08

TK519

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.04.007

2023-03-23

2023-04-05

廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（E239kf1001）；江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（BK20221315）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52238004，52278111）

余本東，E-mail：yubendonglns@163.com

顧濤, 李雨林, 樊苗苗, 等. 熱催化和光熱復(fù)合催化百葉型Trombe墻實(shí)驗(yàn)性能探究[J]. 新能源進(jìn)展, 2023, 11(4): 348-355.

： GU Tao, LI Yulin, FAN Miaomiao, et al. Experimental performance of the Trombe wall with thermal catalysis/photo-thermal synergistically catalytic purification blinds[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(4): 348-355.

顧 濤（1999-），男，碩士研究生，主要從事太陽能多功能材料及其在建筑環(huán)境中的應(yīng)用研究。

余本東（1991-），男，博士，教授，主要從事太陽能光電光熱綜合利用研究。