鄧杰泓　蔡陽(yáng)　何建煒　周澤宇　呂游

摘要：為延長(zhǎng)Trombe墻系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，充分利用太陽(yáng)能，文章提出光伏驅(qū)動(dòng)型光催化Trombe墻模型，研究系統(tǒng)在夏熱冬暖地區(qū)全年運(yùn)行狀況，對(duì)系統(tǒng)發(fā)電量，凈化空氣量，總節(jié)約能量變化情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，全年總發(fā)電量為1250.16kWh，全年總凈化空氣量為104209.02m3，全年總節(jié)約能量為1440.01kWh，冬夏兩季系統(tǒng)運(yùn)行性能平均值與全年平均值相比波動(dòng)在20%以內(nèi)，系統(tǒng)具有全年運(yùn)行的可行性。本研究為光伏驅(qū)動(dòng)型光催化Tromb墻系統(tǒng)在夏熱冬暖地區(qū)全年運(yùn)行提供理論和基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Trornb墻；光伏驅(qū)動(dòng)；光催化；節(jié)能潛力；夏熱冬暖

中圖分類(lèi)號(hào)：X22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

建筑能耗約占全球能源消耗的40%，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適性的需求會(huì)導(dǎo)致建筑能耗的持續(xù)增加，Trombe墻作為簡(jiǎn)單、高效、低維護(hù)成本的被動(dòng)式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，成為用作降低建筑能耗的主要技術(shù)。

傳統(tǒng)Trombe墻已經(jīng)有大量學(xué)者進(jìn)行研究，為進(jìn)一步降低建筑能耗，有學(xué)者研究?jī)?yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以此提高系統(tǒng)性能。林嬡等搭建了外置式和內(nèi)置式光伏Tromb墻并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，外置式系統(tǒng)的綜合效率要比內(nèi)置式系統(tǒng)的綜合效率高4.81%。張樹(shù)坤等對(duì)Trombe墻通道內(nèi)浮力誘導(dǎo)氣流流動(dòng)的特性進(jìn)行深入分析，結(jié)果表明：Trombe墻系統(tǒng)的換氣量隨太陽(yáng)輻射的增大而增大，建筑下層的換氣量比上層增加40%以上。還有學(xué)者研究復(fù)合墻體，討論復(fù)合Trombe墻的節(jié)能潛力。Luo等提出了光伏熱電墻（BIPVTE）模型，對(duì)中國(guó)夏熱冬暖地區(qū)6個(gè)城市的BIPVTE節(jié)能潛力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，安裝了BIPVTE，每年可以節(jié)約能源29.19kWh/m2～62.94kWh/m2。Yu等5研究了不同季節(jié)情況下光催化Trombe墻的各項(xiàng)性能并根據(jù)所建立的模型對(duì)合肥市進(jìn)行了季節(jié)節(jié)能分析和經(jīng)濟(jì)分析，在供暖季節(jié)可以降低熱負(fù)荷309.9MJ/m2和產(chǎn)生凈化空氣量4764.9m3/m2。

文章提出光伏驅(qū)動(dòng)型光催化Trombe墻，對(duì)系統(tǒng)在夏熱冬暖地區(qū)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)全年運(yùn)行性能進(jìn)行分析，討論系統(tǒng)發(fā)電量，凈化空氣量，總節(jié)約能量的變化情況，為系統(tǒng)在夏熱冬暖地區(qū)全年運(yùn)行提供理論和基礎(chǔ)。

1 物理和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

光伏驅(qū)動(dòng)型光催化Trombe墻的物理模型如圖1所示，該系統(tǒng)由五個(gè)部分組成：光伏板、光催化涂層、空氣流道、紫外光燈、小風(fēng)扇、墻體。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)光照射到光伏板上，光伏板發(fā)電，當(dāng)發(fā)電功率大于紫外光燈的啟動(dòng)功率時(shí)，紫外光燈開(kāi)啟光催化涂層在紫外光的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始催化降解流道空氣中的甲醛，再由流道底部的小風(fēng)扇將凈化后的空氣輸送到室內(nèi)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

在模型建立過(guò)程中，為簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算，此模型做以下假設(shè)：

（1）模型中所需物性參數(shù)皆為常數(shù)；

（2）墻體為絕熱邊界，不參與傳熱；

（3）Trombe墻的所有表面都是粗糙表面和灰體表面。

1.2.1 能量平衡分析

對(duì)光伏板，室外環(huán)境空氣在光伏板表面形成對(duì)流進(jìn)行能量交換，天空直接輻射到光伏板進(jìn)行能量交換，光伏板吸收太陽(yáng)輻射，光伏板發(fā)電產(chǎn)生電能，平衡方程為式（1）：

式（1）中，h為換熱系數(shù)，W·m-2．K-1；T為溫度，K;αpv為光伏板吸收率；G為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W·m-2；Zpv為光伏板發(fā)電強(qiáng)度，W·m-2。各參數(shù)由以下公式計(jì)算如式（2）-式（5）：

其中，uamb為室外環(huán)境風(fēng)速，m·s-1；σ為玻爾茲曼常數(shù)；εpv為光伏板反射率；ηe為光伏板的額定發(fā)電效率。

1.2.2 質(zhì)量平衡分析

以甲醛為主要污染物進(jìn)行分析，空氣中甲醛與催化劑涂層進(jìn)行對(duì)流傳質(zhì)，流道進(jìn)出口甲醛濃度差形成質(zhì)量變換，平衡方程為式（6）：

ECADR=10800×CADR 式（15）

從式（13）-式（15）可以看出，Esave為總節(jié)約能量，J；Euv為紫外燈消耗的電能，J；ECADR為凈化空氣量等效節(jié)約能量，J，其中，平均10.8kJ的電能能產(chǎn)生1m3的凈化空氣量。

從式（16）可以看出，ηtol為系統(tǒng)總效率，為總節(jié)約能量與光伏板接收太陽(yáng)輻射之比。

1.3 模型驗(yàn)證

文章使用MATLAB對(duì)Wu等的模型進(jìn)行迭代求解，驗(yàn)證文章的光伏和光催化的計(jì)算模型是可靠的，其中驗(yàn)證過(guò)程中所使用工況與Wu等的一致，計(jì)算模型與Wu等的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，如圖2所示，兩者計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)相同，發(fā)電量和凈化空氣量的平均相對(duì)誤差分別為7.62%和1.74%，可以認(rèn)為使用本計(jì)算模型進(jìn)行求解是可靠的。

2 分析與討論

為探究夏熱冬暖地區(qū)光伏驅(qū)動(dòng)型光催化Trombe墻節(jié)能影響，文章使用廣州一年的天氣情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，主要討論冬夏兩季系統(tǒng)節(jié)能量及分析本系統(tǒng)全年運(yùn)行的可行性。文章在仿真計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如下：光伏板高度為1m，寬度為3m，流道寬度為0.05m，室內(nèi)環(huán)境溫度為23℃，室內(nèi)甲醛濃度為900ppb，室外環(huán)境風(fēng)速為1m·s-1，流道內(nèi)空氣流速為0.1m·s-1。廣州一年天氣情況如圖3所示，圖3（a）為廣州365天溫度情況，圖3（b）為廣州365天日累積太陽(yáng)輻射，圖3（c）為夏季和冬季典型一天的溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

2.1 發(fā)電性能

發(fā)電性能如圖4（a）、（b）、（c）所示，圖4（a）為日累積發(fā)電量，圖4（b）為月累積發(fā)電量，圖4（c）為夏季和冬季典型一天的發(fā)電量。

全年總發(fā)電量為1250.16kWh，日平均發(fā)電量為3.426kWh，冬季11月、12月、1月三個(gè)月總發(fā)電量為254.55kWh，日平均發(fā)電量為2.766kWh，總發(fā)電量占全年發(fā)電總量的20.36%，夏季5月、6月、7月三個(gè)月總發(fā)電量為360.18kWh，日平均發(fā)電量為3.915kWh，總發(fā)電量占全年發(fā)電總量的28.81%。冬季日平均發(fā)電量為全年日平均發(fā)電量的80.74%，夏季日平均發(fā)電量為全年日平均發(fā)電量的114.27%。光伏發(fā)電板發(fā)電量與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、光伏板溫度有關(guān)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大，發(fā)電量越大，光伏板溫度越高，發(fā)電量越小。在冬季時(shí)，氣溫較低，有利于光伏板發(fā)電，而此時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也較低，因而總體發(fā)電量較小。在夏季時(shí)，氣溫較高，不利于光伏板發(fā)電，但是此時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高，所以總體發(fā)電量較大，會(huì)大于冬季發(fā)電量，夏季日平均發(fā)電量是冬季的141.54%．

2.2 空氣凈化性能

空氣凈化性能如圖4（d）、（e）、（f）所示，圖4（d）為日累積凈化空氣量，圖4（e）為月累積凈化空氣量，圖4（f）為夏季和冬季典型一天的凈化空氣量。

全年總凈化空氣量為104209.02m3，等效節(jié)約能量為312.63kWh，日平均凈化空氣量為285.51IT13，日平均等效節(jié)約能量為0.858kWh，冬季11月、12月、1月三個(gè)月總凈化空氣量為22797.39m3，等效節(jié)約能量為68.40kWh，日平均凈化空氣量為247.80m3，日平均等效節(jié)約能量為0.744kWh，總等效節(jié)約能量占全年等效節(jié)約能量的21.88%，夏季5月、6月、7月三個(gè)月總凈化空氣量為29753.34m3，等效節(jié)約能量為89.25kWh，日平均凈化空氣量為323.40m3，日平均等效節(jié)約能量為0.969kWh，總等效節(jié)約能量占全年等效節(jié)約能量的28.55%。冬季日平均等效節(jié)約能量為全年日平均等效節(jié)約能量的86.71%，夏季日平均等效節(jié)約能量為全年日平均等效能量的112.94%。凈化空氣量與紫外燈的開(kāi)啟時(shí)間有關(guān)，紫外燈開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)，光催化反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，凈化空氣量越多。在冬季時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低，光照時(shí)間較短，光伏板發(fā)電量滿足紫外燈開(kāi)啟條件的時(shí)間較短，因此凈化空氣量較少。在夏季時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高，光照時(shí)間長(zhǎng)，光伏板發(fā)電量滿足紫外燈開(kāi)啟條件的時(shí)間長(zhǎng)，因而凈化空氣量較多，總體大于冬季時(shí)的凈化空氣量，夏季日平均凈化空氣量是冬季的130.24%。

2.3 總節(jié)約能量和總效率

總節(jié)約能量如圖5所示，圖5（a）為日累積節(jié)約能量，圖5（b）為月累積節(jié)約能量，圖5（c）為夏季和冬季典型一天的節(jié)約能量。

全年總節(jié)約能量為1440.01kWh，總效率為14.11%，日平均節(jié)約能量為3.945kWh。冬季11月、12月、1月三個(gè)月總節(jié)約能量為295.68kWh，總效率為15.28%，日平均節(jié)約能量為3.214kWh，總節(jié)約能量占全年節(jié)約能量的20.53%，夏季5月、6月、7月三個(gè)月總節(jié)約能量為416.06kWh，總效率為13.57%，日平均節(jié)約能量為4.522kWh，總節(jié)約能量占全年節(jié)約能量的28.89%。冬季日平均節(jié)約能量為全年日平均節(jié)約能量的81.47%，夏季日平均節(jié)約能量為全年日平均節(jié)約能量的114.63%。總節(jié)約能量為光伏板發(fā)電量與凈化空氣量的等效節(jié)約能量之和再減去紫外燈的耗電量，在冬季時(shí)，氣溫低，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低，光伏板發(fā)電量低，光催化反應(yīng)時(shí)間短，凈化空氣量少，總節(jié)約能量低，在夏季時(shí)，氣溫高，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高，光伏板發(fā)電量高，光催化反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，凈化空氣量大，總節(jié)約能量高，夏季日平均節(jié)約能量是冬季的140.70%。在夏季光伏板溫度會(huì)偏高，不利于光伏板發(fā)電，與冬季相比，發(fā)電量的增幅與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增幅不成比例，盡管夏季發(fā)電量和空氣凈化量都比冬季高，但夏季系統(tǒng)總效率比冬季系統(tǒng)總效率低，是冬季系統(tǒng)總效率的88.81%。

2.4 可行性分析

通過(guò)比較分析，夏季日平均發(fā)電量為冬季的141.54%，夏季日平均凈化空氣量為冬季的130.24%，夏季日平均總節(jié)約能量為冬季的140.70%，而總效率是冬季的88.81%，冬夏兩季相比，總體變化幅度為40%左右。其次，夏季日平均發(fā)電量為全年日平均發(fā)電量的114.27%，冬季日平均發(fā)電量為全年日平均發(fā)電量的80.74%，夏季日平均凈化空氣量為全年日平均凈化空氣量的112.94%，冬季日平均凈化空氣量為全年日平均凈化空氣量的86.71%，夏季日平均節(jié)約能量為全年日平均節(jié)約能量的114.63%，冬季日平均節(jié)約能量為全年日平均節(jié)約能量的81.47%，與全年平均值相比波動(dòng)在20%以內(nèi)。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)全年運(yùn)行性能在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，本系統(tǒng)具有全年運(yùn)行的可行性。

3 結(jié)論

文章建立了光伏驅(qū)動(dòng)型光催化Trombe墻模型，研究了系統(tǒng)在全年運(yùn)行下發(fā)電性能，空氣凈化性能和總節(jié)約能量的變化情況，并對(duì)系統(tǒng)全年運(yùn)行進(jìn)行可行性分析。主要結(jié)論如下：全年總發(fā)電量為1250.16kWh，日平均發(fā)電量為3.426kWh，冬夏兩季日平均發(fā)電量分別為全年日平均發(fā)電量的80.74%和114.27%。全年總凈化空氣量等效節(jié)約能量為312.63kWh，日平均等效節(jié)約能量為0.858kWh，冬夏兩季日平均等效節(jié)約能量分別為全年日平均等效節(jié)約能量的86.71%和112.94%。全年總節(jié)約能量為1440.01kWh，總效率為14.11%，日平均節(jié)約能量為3.945kWh。冬夏兩季日平均節(jié)約能量分別為全年日平均節(jié)約能量的81.47%和114.63%。冬夏兩季系統(tǒng)運(yùn)行性能平均值與全年平均值相比波動(dòng)在20%以內(nèi)，系統(tǒng)全年運(yùn)行性能在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，本系統(tǒng)具有全年運(yùn)行的可行性。

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（21622417）；新能源電力系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（LAPS23017）；廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2023A1515010681）；廣東省普通高校重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)項(xiàng)目（2022ZDZX1005）