太陽能光催化熱電型Trombe 墻綜合性能分析

鄧杰泓 蔡 陽,2 何建煒 周澤宇 趙福云

（1.暨南大學(xué)國際能源學(xué)院 珠海 519070；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640；3.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院 武漢 430072）

0 引言

建筑能耗約占全球能源消耗的40%[1]，而人們對室內(nèi)環(huán)境舒適性的需求可能會(huì)導(dǎo)致建筑能耗的繼續(xù)增加。為了有效減少建筑能耗，大量學(xué)者提出使用被動(dòng)式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，利用太陽能來降低建筑的能源負(fù)荷。對已經(jīng)建成的建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)等實(shí)施節(jié)能改造的活動(dòng)，完成改造后的建筑節(jié)能率可以達(dá)到65%[2]。其中Trombe 墻具有成本低、易與建筑立面結(jié)合、供熱量大、提供新鮮空氣等優(yōu)點(diǎn)，因此，其可以降低建筑能耗，減少建筑的能源負(fù)荷。

大量學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行研究并將Trombe 墻應(yīng)用于建筑被動(dòng)式采暖系統(tǒng)中。但傳統(tǒng)Trombe 墻的功能過于單一，大大限制了其發(fā)展和應(yīng)用。為了豐富傳統(tǒng)Trombe 墻的功能，有學(xué)者將傳統(tǒng)Trombe 墻與光催化技術(shù)、熱催化技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、熱電發(fā)電技術(shù)相結(jié)合組成多功能型Trombe 墻。劉珊珊等[3]提出了一種零能耗光催化型Trombe 墻系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其系統(tǒng)的空氣平均集熱效率為26.7%，與傳統(tǒng)型Trombe 墻相比下降20%；系統(tǒng)的甲醛降解效率為20%～40%。Yu 等[4]提出了熱催化Trombe墻，系統(tǒng)可以完全由太陽能驅(qū)動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣凈化和空間供暖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，日空氣熱效率為41.3%，日新風(fēng)總體積和甲醛總降解量為249.2m3·m-2和208.4mg·m-2。吳雙應(yīng)等[5]提出了光伏光催化型Trombe 墻，研究了室內(nèi)外環(huán)境溫度對Trombe 墻的性能和功能的影響，結(jié)果表明，室外溫度的升高和室內(nèi)溫度的降低能夠提高系統(tǒng)性能。為提高對太陽光譜的利用效率，實(shí)現(xiàn)同時(shí)利用光能和熱能，Luo 等[6]提出了光伏熱電型Trombe 墻，對亞熱帶氣候下的墻體性能進(jìn)行數(shù)值研究，從研究結(jié)果可以看出，光伏熱電型Trombe 墻的節(jié)能率接近480%，其他城市每年可節(jié)約29.19kWh·m-2～62.94kWh·m-2的能量。此外，Cai 等[7]探討了光伏熱電耦合系統(tǒng)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光伏系統(tǒng)是造成光伏熱電耦合系統(tǒng)?損失的主要元件，其損失可達(dá)到70%以上。

有學(xué)者在研究建筑被動(dòng)式采暖系統(tǒng)時(shí)，通過優(yōu)化Trombe 墻的結(jié)構(gòu)，來達(dá)到系統(tǒng)更優(yōu)的性能。Pourghorban 等[8]提出了通過改進(jìn)玻璃單元的規(guī)格來提高Trombe 墻的效率的方案，結(jié)果表明，采用先進(jìn)的玻璃裝置的Trombe 墻，供暖時(shí)間縮短48.8%，舒適度改善23.9%，但平均增加了22.7%的冷卻時(shí)間和2.2%的過熱時(shí)間。Islam 等[9]研究出光伏系統(tǒng)與Trombe 墻體系統(tǒng)（PVTW）的集成在建筑熱負(fù)荷調(diào)節(jié)和電能生產(chǎn)方面是有效的。通過增加百葉窗，可以調(diào)節(jié)空氣流通量，提供遮陽。通過在兩種配置的氣隙中安裝一個(gè)帶有最佳角度為60°的百葉窗，可以系統(tǒng)地調(diào)節(jié)測試室內(nèi)的溫度。采用PVTW 配置時(shí)，百葉窗的最高溫度比采用TW配置時(shí)低4.7℃。Hernandez 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，透過透明墻的熱損失約占接收太陽輻射的60%，但系統(tǒng)仍能保持室內(nèi)溫度在35℃以上。在墨西哥兩個(gè)氣候寒冷的城市最冷的日子里，系統(tǒng)最大的能量儲(chǔ)存大約是109MJ，最熱的日子里大約是70MJ，在沒有日照的時(shí)候，由蓄熱墻供應(yīng)能量給室內(nèi)的空氣。

本文將傳統(tǒng)Trombe 墻與光催化技術(shù)結(jié)合，考慮對太陽能全光譜的利用，再與熱電發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，提出了具有空氣凈化、熱電發(fā)電、采暖通風(fēng)等功能的光催化熱電型Trombe 墻。盡管熱電發(fā)電效率比光伏低，但熱電材料處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，熱電材料的性能也在不斷提升，其在太陽能綜合利用方面的潛力是可以預(yù)見的。利用集總參數(shù)法對該耦合模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，討論不同太陽輻射強(qiáng)度、不同流道高度、不同流道寬度對系統(tǒng)運(yùn)行性能和功能的影響。本研究可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其節(jié)能潛力，并對建筑墻體性能提升和污染物凈化提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 物理和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

光催化熱電型Trombe 墻安裝在建筑物朝南的墻壁上，其物理模型如圖1（a）所示。其由五部分組成：玻璃蓋板、TiO2催化劑涂層、空氣流道、集熱板、熱電發(fā)電模塊。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，TiO2涂層吸收太陽輻射中的紫外光，用以光催化降解流道內(nèi)空氣中的甲醛，而沒被利用的可見光和紅外光被集熱板吸收。集熱板將吸收到的太陽輻射，以熱能的形式使集熱板溫度上升，一部分將集熱板周圍的空氣加熱，使流道內(nèi)空氣產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)差，形成自然對流，讓凈化后的熱空氣通過流道出口進(jìn)入室內(nèi)，達(dá)到采暖和凈化空氣的目的；另一部分集熱板作為熱源為熱電模塊提供熱流，熱電模塊冷熱端出現(xiàn)溫差，由塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生電流，為建筑供電。

圖1 光催化熱電型Trombe墻結(jié)構(gòu)示意圖及其簡化模型圖Fig.1 Schematic diagram and simplified model of photocatalytic thermoelectric Trombe wall

1.2 數(shù)學(xué)模型

基于圖1 的物理模型，簡化后的數(shù)學(xué)模型如圖1（b）。整個(gè)系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。其中，本文主要研究流道的高度、寬度以及太陽輻射強(qiáng)度對本系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，故流道高度（玻璃蓋板高度）根據(jù)需要調(diào)整為1m、1.4m、1.8m、2.2m、2.6m、3m；流道間距和進(jìn)出口高度根據(jù)需要調(diào)整為0.02m、0.04m、0.05m、0.06m、0.08m、0.10m。

表1 幾何參數(shù)Table 1 Geometrical parameter

表2 符號(hào)及意義Table 2 Symbols and Meanings

表3 反應(yīng)參數(shù)Table 3 Response parameter

在模型建立的過程中，為簡化數(shù)值計(jì)算，做以下假設(shè)：

（1）Trombe 墻的所有表面都是粗糙表面和灰體表面[11]；

（2）模型中所需的物性參數(shù)皆為常數(shù)[12]；

（3）TiO2涂層只吸收紫外光[13]；

（4）流道內(nèi)的氣體視為理想氣體，只參與對流換熱[12]；

（5）熱電模塊均勻分布，熱電模塊之間的空隙視為絕熱。

1.2.1 能量平衡分析

對玻璃蓋板，室外環(huán)境空氣在玻璃蓋板外表面形成對流進(jìn)行能量交換，天空直接輻射到玻璃蓋板進(jìn)行能量交換，流道內(nèi)空氣在玻璃蓋板內(nèi)表面形成對流進(jìn)行能量交換，集熱板與玻璃蓋板相互輻射進(jìn)行能量交換，玻璃蓋板吸收太陽輻射，其能量平衡方程為：

其中的參數(shù)由公式（2）[14]、公式（3）[15]、公式（4）[15]、公式（5）[16]、公式（6）、公式（7）、公式（8）[16]計(jì)算：

對流道內(nèi)的空氣，流道內(nèi)空氣在玻璃蓋板內(nèi)表面形成對流進(jìn)行能量交換，流道內(nèi)空氣在集熱板表面形成對流進(jìn)行能量交換，流道進(jìn)出口空氣溫度差形成的能量變換，其能量平衡方程為：

其中的參數(shù)由公式（10）[17]、公式（11）[18]（層流）、公式（12）[19]（紊流）計(jì)算：

對集熱板，玻璃蓋板與集熱板相互輻射進(jìn)行能量交換，流道內(nèi)空氣在集熱板表面形成對流進(jìn)行能量交換，熱電模塊與集熱板進(jìn)行熱傳導(dǎo)，其能量平衡方程為：

對墻體，室內(nèi)環(huán)境與墻體進(jìn)行能量交換，保持室內(nèi)溫度不變，熱電模塊與墻體進(jìn)行熱傳導(dǎo)，其能量平衡方程為：

對熱電模塊，一端與集熱板進(jìn)行熱傳導(dǎo)，另一端與墻體進(jìn)行熱傳導(dǎo)，其能量平衡方程為：

1.2.2 質(zhì)量平衡分析

以甲醛為主要污染物進(jìn)行分析，其反應(yīng)過程主要與流道的流速、流道高度、流道寬度、對流傳質(zhì)系數(shù)以及催化反應(yīng)速率等參數(shù)相關(guān)?？諝庵屑兹┡c催化劑表面進(jìn)行對流傳質(zhì)，流道進(jìn)出口甲醛濃度差形成的質(zhì)量變換，其方程為：

其中的參數(shù)由公式（17）[20]、公式（18）、公式（19）[22]、公式（20）[12]、公式（21）[23]計(jì)算：

1.2.3 性能評價(jià)參數(shù)

本文提出得熱量Q的概念來評價(jià)光催化熱電型Trombe 墻的熱性能。得熱量Q，即室內(nèi)空氣在通過系統(tǒng)運(yùn)行后獲得的熱量，也即在冬季供暖模式下，為維持室內(nèi)恒定溫度所減少的建筑能耗。因此，得熱量Q為：

從式（22）可以看出，得熱量Q表示的是一個(gè)小時(shí)內(nèi)室內(nèi)空氣得到的熱量，J·h-1。

熱效率ηth為：

吸附熱力學(xué)的分析有助于了解樹脂吸附后其內(nèi)在能量的變化以及吸附機(jī)制，主要包括焓變（ΔH，k J·mol-1），自由能變化（ΔG，k J·mol-1）和熵變（ΔS，k J·（mol·K）-1）。

從式（24）可以看出，凈化空氣量CADR表示的每小時(shí)產(chǎn)生相對進(jìn)口空氣來講已經(jīng)清除掉100%的甲醛的空氣，m3·h-1。

等效降解效率ηHCHO為：

Yu 等[24]通過空氣凈化器的性能參數(shù)CADR、功率等，計(jì)算出空氣凈化器輸送等量凈化后的空氣所需要的電能，以此來代替系統(tǒng)降解甲醛所消耗的能量。其中，平均10.8kJ 的電能能產(chǎn)生1 m3的清潔空氣量。

引入熱電發(fā)電強(qiáng)度Z來評價(jià)光催化熱電型Trombe 墻的發(fā)電性能。

由式（26）可以看出，熱電發(fā)電強(qiáng)度Z表示每平方米的發(fā)電功率，W·m-2。

發(fā)電效率ηe為：

式中，Pe為所有熱電模塊的發(fā)電功率，W。

總效率為：

1.2.4 模型驗(yàn)證

圖2 模型驗(yàn)證Fig.2 Model validation

2 結(jié)果分析與討論

為實(shí)現(xiàn)太陽能全光譜的利用，研究光催化熱電型Trombe 墻的節(jié)能潛力，討論了不同太陽輻射強(qiáng)度、不同流道高度、不同流道寬度下系統(tǒng)的熱性能、空氣凈化性能以及熱電發(fā)電性能。綜合考慮到不同建筑物墻體的參數(shù)，本文討論的流道高度在1m 到3m 之間，流道寬度在0.02m 到0.10m 之間?？紤]一天24 小時(shí)太陽輻射強(qiáng)度不同，本文討論的太陽輻射強(qiáng)度在100W·m-2到800W·m-2。在本文的研究中，以下參數(shù)不變：室內(nèi)甲醛濃度和入口甲醛濃度為900ppb，室內(nèi)溫度和入口溫度為25℃，室外溫度為0℃，室外環(huán)境風(fēng)速為1m·s-1，熱電發(fā)電模塊數(shù)量為200 個(gè)·m-2。同時(shí)，考慮到催化劑涂層會(huì)降低玻璃蓋板透光率，因此本文在初始化設(shè)定時(shí)已經(jīng)加入催化劑涂層的影響因素，將玻璃蓋板透光率設(shè)定為Yu 等通過實(shí)驗(yàn)測定的催化劑涂層玻璃的透光率0.75[12]。

2.1 流道的高度H 和寬度W 的影響

在本節(jié)中，保持太陽輻射強(qiáng)度為800W·m-2，研究了流道高度H從1m 增加到3m、流道寬度W從0.02m 增加到0.10m 時(shí)的光催化熱電型Trombe墻的熱性能、空氣凈化性能和熱電發(fā)電性能，模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 流道高度和寬度對系統(tǒng)性能的影響Fig.3 Influence of channel height and width on system performance

圖3（a）為得熱量Q隨流道高度H和流道寬度W的變化情況。當(dāng)流道內(nèi)空氣吸收熱量，溫度上升，形成熱壓差，空氣從底部向上流動(dòng)，形成自然對流。隨著H的增大，Q呈上升趨勢，流道高度越高，空氣在流道內(nèi)停留時(shí)間越長，與集熱板換熱時(shí)間越長，到達(dá)出口時(shí)的溫度就越高，進(jìn)而得熱量越大；隨著W的增大，Q呈上升趨勢，當(dāng)流道寬度為0.02m 時(shí)，整體流道截面積較小，導(dǎo)致流速較快，空氣在流道內(nèi)停留時(shí)間較短，換熱時(shí)間短，得熱量小。在H=1m 的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化 到 0.10m 時(shí)，Q從 364.33kJ·h-1上 升 到406.29kJ·h-1，增加了11.52%；而當(dāng)H=3m 的情況下，當(dāng)W從0.02m變化到0.10m時(shí)，Q從925.51kJ·h-1上升到1175.24 kJ·h-1，增加了26.98%。其中，在H=1m，W=0.02m 時(shí)，Q達(dá)到最小值為364.33kJ·h-1；在H=3m ，W=0.10m 時(shí)，Q達(dá) 到 最 大 值 為1175.24kJ·h-1。

圖3（b）為空氣凈化量CADR隨流道高度H和流道寬度W的變化情況。隨著H的增大，CADR呈上升趨勢，流道高度越高，對應(yīng)出口溫度越高，流道內(nèi)空氣流速越快，雖然空氣停留時(shí)間短，甲醛降解略低，但總體空氣凈化量大；當(dāng)H為1m 到2.2m 時(shí)，隨著W的增大，CADR呈下降趨勢，而當(dāng)H為2.6～3m 時(shí)，CADR呈上升趨勢。在H=1m的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m 時(shí)，CADR從9.15m3·h-1下降到8.77m3·h-1，減少了4.14%；而當(dāng)H=3 m 的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m時(shí)，CADR從23.23m3·h-1上升到26.68m3·h-1，增加了14.84%。其中，在H=1m，W=0.08m 時(shí)，CADR達(dá)到最小值為8.76m3·h-1；在H=3m，W=0.04m 時(shí)，CADR達(dá)到最大值為27.30m3·h-1。

圖3（c）為熱電發(fā)電強(qiáng)度Z隨流道高度H和流道寬度W的變化情況。隨著H的增大，Z呈上升趨勢，流道高度越高，集熱板溫度越高，熱電模塊冷熱端溫差越大，發(fā)電強(qiáng)度越大；當(dāng)H為1m 時(shí)，隨著W的增大，Z呈上升趨勢，而當(dāng)H為1.4m 到3m 時(shí)，Z先下降后上升，當(dāng)流道寬度為0.02m 時(shí)，流速較快，集熱板被空氣帶走的熱量少，熱電模塊冷熱端溫差大，發(fā)電強(qiáng)度大。在H=1m 的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m 時(shí)，Z從0.0233W·m-2上升到0.0253W·m-2，增加了8.72%；在H=3m 的情況下，W=0.04m 時(shí)，Z最小為0.0252W·m-2，W=0.02m 時(shí)Z取得最大值為0.0261W·m-2，增加了3.88%。其中，在H=1m，W=0.02m 時(shí)，Z達(dá)到最小值為0.0233W·m-2；在H=3m，W=0.02m 時(shí)，Z達(dá)到最大值為0.0261W·m-2。

圖3（d）為系統(tǒng)總效率ηtol隨流道高度H和流道寬度W的變化情況。隨著H的增大，ηtol呈下降趨勢，流道高度越高，得熱量增長速度跟不上太陽能的增長速度，熱效率就會(huì)越小，而熱效率占總效率的絕大部分，總效率也越??；隨著W的增大，ηtol整體上呈上升趨勢，流道寬度為0.02m 時(shí)，熱效率較小，總效率較小。在H=1m 的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m 時(shí)，ηtol從31.19%上升到33.77%，增加了8.30%；在H=3m 的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m 時(shí)，而ηtol從26.20%上升到32.84%，增加了25.34%。其中，在H=3m，W=0.02m時(shí)，ηtol達(dá)到最小值為26.20%；在H=1m，W=0.06m時(shí)，ηtol達(dá)到最大值為33.92%。

2.2 太陽輻射強(qiáng)度G 和流道高度H 的影響

在本節(jié)中，保持流道寬度為0.05m，研究了太陽輻射強(qiáng)度G從100W·m-2增加到800W·m-2、流道高度H從1m 增加到3m 時(shí)的光催化熱電型Trombe墻的熱性能、空氣凈化性能和熱電發(fā)電性能，模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 太陽輻射強(qiáng)度和流道高度對系統(tǒng)性能的影響Fig.4 Influence of solar radiation intensity and channel height on system performance

圖4（a）為得熱量Q隨太陽輻射強(qiáng)度G和流道高度H的變化情況。隨著G的增大，Q呈上升趨勢，太陽光照強(qiáng)度越大，集熱板表面的溫度越高，流道內(nèi)空氣的溫度也就越高，得熱量越大；隨著H的增大，當(dāng)G=100W·m-2時(shí)，Q小于0 且呈下降趨勢，即H越大，維持室內(nèi)溫度為25℃需要提供更多的熱量，當(dāng)G為200W·m-2到800W·m-2時(shí)，Q呈上升趨勢，流道高度越高，空氣在流道內(nèi)停留時(shí)間越長，與集熱板換熱時(shí)間越長，到達(dá)出口時(shí)的溫度就越高，進(jìn)而得熱量越大。在G=100W·m-2的情況下，當(dāng)H從1m 變化到3m 時(shí)，Q從-3.16kJ·h-1下降到-9.47kJ·h-1，減少了200%；在G=800W·m-2的情況下，當(dāng)H從1m 變化到3m 時(shí)，Q從406.49kJ·h-1上升到1136.47kJ·h-1，增加了179.58%。其中，在G=100W·m-2，H=3m 時(shí)，Q達(dá)到最小值為-9.47kJ·h-1；在G=800W·m-2，H=3m 時(shí)，Q達(dá)到最大值為1136.47kJ·h-1。

圖4（b）為凈化空氣量CADR隨太陽輻射強(qiáng)度G和流道高度H的變化情況。隨著G的增大，CADR呈上升趨勢，太陽輻射強(qiáng)度越大，出口溫度越高，流道內(nèi)流速越快，空氣凈化量越大；隨著H的增大，CADR呈上升趨勢，流道高度越高，對應(yīng)出口溫度越高，流道內(nèi)空氣流速越快，雖然空氣停留時(shí)間短，甲醛降解略低，但總體空氣凈化量大。在G=100W·m-2的情況下，CADR為0，此時(shí)系統(tǒng)不向室內(nèi)送風(fēng)；在G=800W·m-2的情況下，當(dāng)H從1m 變 化 到3m 時(shí)，CADR從8.78m3·h-1上 升 到27.04m3·h-1，增加了207.91%。其中，在G為100W·m-2到300W·m-2時(shí)，CADR都 為0；在G=800W·m-2，H=3m 時(shí)，CADR達(dá)到最大值為27.04m3·h-1。

圖4（c）為熱電發(fā)電強(qiáng)度Z隨太陽輻射強(qiáng)度G和流道高度H的變化情況。隨著G的增大，Z先下降后上升，太陽輻射強(qiáng)度為100W·m-2時(shí)，集熱板一端的溫度較低，熱電模塊產(chǎn)生反向電流，太陽輻射強(qiáng)度越大，熱電模塊冷熱端溫差越大，產(chǎn)生的正向電流越大，發(fā)電強(qiáng)度越大；當(dāng)G為100W·m-2到300W·m-2時(shí)，隨著H的增大，Z不變，當(dāng)G為400W·m-2到800W·m-2時(shí)，Z呈上升趨勢，流道高度越高，集熱板溫度越高，熱電模塊冷熱端溫差越大，發(fā)電強(qiáng)度越大。在G=100W·m-2的情況下，Z為0.0028W·m-2，增量為0；在G=800W·m-2的情況下，當(dāng)H從1m 變化到3m 時(shí)，Z從0.0237W·m-2上升到0.0252W·m-2，增加了6.32%。其中，在G=200W·m-2時(shí)Z達(dá)到最小值為4.72×10-6W·m-2；在G=800W·m-2，H=3m 時(shí)，Z達(dá) 到 最 大 值 為0.0252W·m-2。

圖4（d）為系統(tǒng)總效率ηtol隨太陽輻射強(qiáng)度G和流道高度H的變化情況。隨著G的增大，ηtol總體上呈上升趨勢，太陽輻射強(qiáng)度越大，得熱量越大，熱效率越高，總效率也越高；隨著H的增大，ηtol總體上呈下降趨勢，流道高度越高，得熱量增長速度跟不上太陽能的增長速度，熱效率就會(huì)越小，而熱效率占總效率的絕大部分，總效率也越小。在G=100W·m-2的情況下，當(dāng)H從1m 變化到3m 時(shí)，ηtol為0.00278%，增量為0；在G=800W·m-2的情況下，當(dāng)H從1m 變化到3m 時(shí)，ηtol從33.83%下降到32.05%，減少了5.25%。其中，在G=200W·m-2時(shí)，ηtol達(dá)到最小值為0.00236%；在G=800W·m-2，H=1m 時(shí)，ηtol達(dá)到最大值為33.83%。

2.3 太陽輻射強(qiáng)度G 和流道寬度W 的影響

在本節(jié)中，保持流道高度為1m，研究了太陽輻射強(qiáng)度G從100W·m-2增加到800W·m-2、流道寬度W從0.02m 增加到0.10m 時(shí)的光催化熱電型Trombe 墻的熱性能、空氣凈化性能和熱電發(fā)電性能，模擬結(jié)果如圖5 所示。

圖5 太陽輻射強(qiáng)度和流道寬度對系統(tǒng)性能的影響Fig.5 Influence of solar radiation intensity and channel width on system performance

圖5（a）為得熱量Q隨太陽輻射強(qiáng)度G和流道寬度W的變化情況。隨著G的增大，Q呈上升趨勢，太陽光照強(qiáng)度越大，集熱板表面的溫度越高，流道內(nèi)空氣的溫度也就越高，得熱量越大；隨著W的增大，Q呈上升趨勢，當(dāng)流道寬度為0.02m 時(shí)，整體流道截面積較小，導(dǎo)致流速較快，空氣在流道內(nèi)停留時(shí)間較短，換熱時(shí)間短，得熱量小。在G=100W·m-2的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m時(shí)，Q從-3.44kJ·h-1上 升 到-2.98kJ·h-1，增 加 了13.31%；在G=800W·m-2的情況下，當(dāng)W從0.02m變 化 到0.10m 時(shí)，Q從364.33 kJ·h-1上 升 到406.29kJ·h-1，增 加 了 11.52% 。其 中，在G=100W·m-2，W=0.02m 時(shí)，Q達(dá)到最小 值為-3.44kJ·h-1；在G=800W·m-2，W=0.06m 時(shí)，Q達(dá)到最大值為408.09kJ·h-1。

圖5（b）為凈化空氣量CADR隨太陽輻射強(qiáng)度G和流道寬度W的變化情況。隨著G的增大，CADR呈上升趨勢，太陽輻射強(qiáng)度越大，出口溫度越高，流道內(nèi)流速越快，空氣凈化量越大；當(dāng)G為400W·m-2時(shí)，隨著W的增大，CADR先上升后下降，當(dāng)G為500W·m-2到800W·m-2時(shí)，CADR先下降后上升。在G=100W·m-2的情況下，CADR為0；在G=800W·m-2的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m 時(shí)，CADR從9.15m3·h-1下降到8.77m3·h-1，減少了4.14%。其中，在G為100W·m-2到300W·m-2時(shí)，CADR都為0；在G=800W·m-2，W=0.02m 時(shí)，CADR達(dá)到最大值為9.15m3·h-1。

圖5（c）為熱電發(fā)電強(qiáng)度Z隨太陽輻射強(qiáng)度G和流道寬度W的變化情況。隨著G的增大，Z先下降后上升；當(dāng)G為100W·m-2時(shí)，隨著W的增大，Z呈下降趨勢，當(dāng)G為200W·m-2到800W·m-2時(shí)，Z呈上升趨勢。在G=100W·m-2的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m 時(shí)，Z從0.0032W·m-2下降到0.0026W·m-2，減少了18.42%、；在G=800W·m-2的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m 時(shí)，Z從0.0233W·m-2上升到0.0253W·m-2，增加了8.72%%。其中，在G=200W·m-2，W=0.04m 時(shí)，Z達(dá)到最小值為9.11×10-7W·m-2；在G=800W·m-2，W=0.10m時(shí)，Z達(dá)到最大值為0.0253W·m-2。

圖5（d）為系統(tǒng)總效率ηtol隨太陽輻射強(qiáng)度G和流道寬度W的變化情況。隨著G的增大，ηtol總體上呈上升趨勢，太陽輻射強(qiáng)度越大，得熱量越大，熱效率越高，總效率也越高；隨著W的增大，ηtol總體上呈上升趨勢，流道寬度為0.02m 時(shí)，熱效率較小，總效率較小。在G=100W·m-2的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m 時(shí)，ηtol從0.00315%下降到0.00257%，減少了18.41%；在G=800W·m-2的情況下，當(dāng)W從0.02m 變化到0.10m 時(shí)，ηtol從31.19%上升到33.77%，增加了8.30%。其中，在G=200W·m-2，W=0.04m 時(shí)，ηtol達(dá) 到 最 小 值 為0.000000455%；在G=800W·m-2，W=0.10m 時(shí)，ηtol達(dá)到最大值為33.77%。

2.4 光催化熱電型Trombe 墻綜合節(jié)能分析

在本節(jié)中，保持流道高度為1m，流道寬度為0.05m，討論太陽輻射強(qiáng)度為200W·m-2、400W·m-2、600W·m-2、800W·m-2時(shí)光催化熱電型Trombe 墻不同性能對太陽能的利用效率。為更好地評價(jià)系統(tǒng)對太陽能的利用效率，用常用空調(diào)產(chǎn)生等量制熱量所消耗的電能，代替系統(tǒng)的得熱量，制熱效率設(shè)為90%；用空氣凈化器輸送等量凈化后的空氣所需要的電能，以此來代替系統(tǒng)降解甲醛所消耗的能量；熱電模塊產(chǎn)生的電能則直接計(jì)算。用公式（29）～（32）計(jì)算：

每小時(shí)接收的太陽能為：

得熱量的等效電能為：

產(chǎn)生同等清潔空氣量所消耗的電能為：

熱電模塊發(fā)電產(chǎn)生的電能為：

由圖6 可以看出，在G為200W·m-2時(shí)，系統(tǒng)的總等效電能小于1%，未利用的太陽能接近100%；當(dāng)G為400W·m-2到800W·m-2時(shí)，系統(tǒng)的總等效電能呈上升趨勢，在太陽輻射強(qiáng)度為400W·m-2時(shí)，系統(tǒng)節(jié)約的等效電能約為144kJ，能量轉(zhuǎn)換效率約為20%；在太陽輻射強(qiáng)度為600W·m-2，系統(tǒng)節(jié)約的等效電能約為345.6kJ，能量轉(zhuǎn)化效率為32%；在太陽輻射強(qiáng)度為800W·m-2，系統(tǒng)節(jié)約的等效電能約為547.2kJ，能量轉(zhuǎn)化效率為38%。其中，得熱量的等效電能所占比例最大，其次是產(chǎn)生同等清潔空氣量的等效電能，熱電發(fā)電的電能最小，由于熱電發(fā)電所產(chǎn)生的能量數(shù)量級較小，所以在圖中無法直接表現(xiàn)出來。

圖6 等效能量及比例Fig.6 Equivalent energy and proportion

3 結(jié)論

本文建立了光催化熱電型Trombe 墻性能分析的穩(wěn)態(tài)集總模型，因系統(tǒng)的得熱量較大，其主要在冬季條件下運(yùn)行，以此降低建筑的熱負(fù)荷。研究了不同太陽輻射強(qiáng)度、不同流道高度和寬度下光催化熱電型Trombe 墻的熱性能、空氣凈化性能和熱電發(fā)電性能。主要結(jié)論如下：

（1）隨著太陽輻射強(qiáng)度G的增大，光催化熱電型Trombe 墻的得熱量Q呈上升趨勢，空氣凈化量CADR呈上升趨勢，熱電發(fā)電強(qiáng)度Z先下降后上升，總效率ηtol呈上升趨勢。其中，Q最大可以達(dá)到1136.47kJ·h-1，CADR最大可以達(dá)到27.04m3·h-1，Z最大可以達(dá)到0.0253W·m-2，在總效率ηtol達(dá)到最大值33.92%時(shí)，G=800W·m-2。

（2）隨著流道高度H的增大，光催化熱電型Trombe 墻的得熱量Q總體呈上升趨勢，空氣凈化量CADR呈上升趨勢，熱電發(fā)電強(qiáng)度Z呈上升趨勢，總效率ηtol呈下降趨勢。其中，Q最大可以達(dá)到1175.24kJ·h-1，CADR最大可以達(dá)到27.30m3·h-1，Z最大可以達(dá)到0.0261W·m-2，在總效率ηtol達(dá)到最大值33.92%時(shí)，H=1m。

（3）隨著流道寬度W的增大，光催化熱電型Trombe 墻的得熱量Q呈上升趨勢，除去W=0.02m外，空氣凈化量CADR總體上變化較小，熱電發(fā)電強(qiáng)度Z無明顯變化規(guī)律，總效率ηtol呈上升趨勢。其中，Q最大可以達(dá)到1175.24kJ·h-1，CADR最大可 以 達(dá) 到 27.30m3·h-1，Z最 大 可 以 達(dá) 到0.0261W·m-2，在總效率ηtol達(dá)到最大值33.92%時(shí)，W=0.06m。

（4）隨著太陽輻射強(qiáng)度G的增大，系統(tǒng)的等效電能呈上升趨勢。其中在G=800W·m-2時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率約為38%，每小時(shí)可節(jié)約等效電能約為547.2kJ。