热催化和光热复合催化百叶型Trombe墙实验性能探究.pdf

第 11 卷 第 4 期 新 能 源 进 展 Vol.11 No.4 2023 年 8 月 ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY Aug.2023 *收稿日期：2023-03-23 修订日期：2023-04-05 基金项目：广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室开放基金项目（E239kf1001）；江苏省自然科学基金面上项目（BK20221315）；国家自然科学基金项目（52238004，52278111）通信作者：余本东，E-mail： 引用本文：顾涛,李雨林,樊苗苗,等.热催化和光热复合催化百叶型 Trombe 墙实验性能探究J.新能源进展,2023,11(4):348-355.Citation：GU Tao,LI Yulin,FAN Miaomiao,et al.Experimental performance of the Trombe wall with thermal catalysis/photo-thermal synergistically catalytic purification blindsJ.Advances in new and renewable energy,2023,11(4):348-355.文章编号：2095-560X（2023）04-0348-08 热催化和光热复合催化百叶型 Trombe 墙实验性能探究*顾 涛1,2，李雨林2，樊苗苗2，李念思2，余本东1,2,（1.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；2.南京工业大学 城市建设学院，南京 210009）摘 要：Trombe 墙是一种应用广泛的太阳能被动采暖结构，但依然存在夏季过热、冬季室内污染物易积累等问题。热催化净化技术是在热的作用下降解室内污染物的绿色净化技术，太阳能光热复合催化技术在热催化的基础上耦合光催化技术，不仅能同时利用光能和热能驱动净化反应，还可产生协同效应来提高反应效率。基于此，将热催化剂和光热复合催化分别应用于 Trombe 墙，学者们提出净化百叶型 Trombe 墙，冬季实现采暖和甲醛净化，夏季实现净化的同时，能够将太阳辐射反射到室外，缓解室内过热。分别比较了基于热催化和光热复合催化技术的百叶型通风墙的热性能和甲醛降解性能。搭建了光热催化百叶型 Trombe 墙和实验测试系统，在实际工况下分别测试了热催化和光热复合催化技术的百叶型通风墙的热性能和甲醛降解性能。研究结果表明，光热催化百叶型 Trombe 墙与热催化百叶型 Trombe 墙都具有较好的采暖性能与甲醛净化性能，前者的甲醛净化性能更好，后者具有较高的采暖性能；在 11 月份，当百叶翻转角度为 45时，光热催化百叶型 Trombe 墙的热效率和甲醛降解性能最佳。关键词：Trombe 墙；采暖；太阳能热催化；太阳能光热复合催化；百叶 中图分类号：TK519 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.2095-560X.2023.04.007 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)Abstract: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.Keywords:Trombe wall;heating;solar thermal catalysis;solar photothermal composite catalysis;blinds 第 4 期 顾 涛等：热催化和光热复合催化百叶型 Trombe 墙实验性能探究 349 0 引 言 随着社会的发展，建筑能耗越来越高，太阳能在建筑上的应用成为研究热点1。传统 Trombe 墙结构简单，可有效利用太阳能进行室内采暖以降低建筑供热能耗，但也存在功能单一、夏季容易过热等问题2-3。为改善 Trombe 墙的热性能，学者们在结构上提出改进，如流化床式 Trombe 墙、透明式 Trombe墙4、呼吸式相变 Trombe 墙5等。为改变 Trombe 墙功能单一的缺点，学者们提出了光伏 Trombe 墙6-8，将光伏模块粘附在玻璃内表面，能同时实现采暖和发电。但以上 Trombe 墙都存在夏季过热、冬季室内污染严重的问题，因 Trombe 墙在冬季采暖模式下，进出口都关闭，导致室内空气不能与室外空气进行循环。为了降低夏季室内温度，提出了百叶型 Trombe墙9-10，在空气流道内的百叶的两面分别涂上高反射率和高吸收率涂层，在夏季，高反射率涂层朝外，能有效减少带进室内的热量。为充分利用太阳能降低建筑采暖能耗和提升室内空气质量，国内学者提出了两种新型零能耗室内空气净化型 Trombe 墙系统：热催化型 Trombe 墙系统11、光催化型 Trombe 墙系统12-13。热催化型 Trombe 墙结合热催化氧化技术，将热催化剂涂覆在 Trombe 墙体的外表面，热催化剂涂层吸收太阳辐射后，能同时加热室内空气和降解甲醛，达到采暖和除醛的作用。单一的光催化或者热催化过程存在净化效率有限、太阳能利用率不高等问题，光热耦合催化过程不仅能同时利用光能和热能驱动净化反应，还可产生协同效应来增强反应效率14。基于此，本文提出光热催化百叶型 Trombe墙系统。该系统将光热复合催化剂涂覆在百叶表面，能充分利用太阳光中的热和各段波长，实现室内采暖和更好的除醛效果。本文的主要研究内容包括：第一，制备不同比例的光热复合催化剂，搭建单通实验台，探究不同比例的光热复合催化材料的催化性能，选择最佳复合比例；第二，搭建催化百叶型 Trombe 墙，在百叶的一面涂上热催化剂或光热复合催化剂，测试热催化百叶型 Trombe 墙和光热催化百叶型 Trombe 墙的甲醛降解性能和热性能并进行对比；第三，探究百叶翻转角度对墙体综合性能的影响。1 系统介绍 光热复合催化百叶型 Trombe 墙系统的基本结构如图 1 所示。在百叶的一面涂上光热复合催化剂。冬季，百叶涂有光热复合催化剂材料的一面朝外，在太阳光照射下，催化剂吸收紫外光启动光催化反应，同时催化剂涂层吸收太阳辐照转换为热能，催化剂涂层温度升高，启动催化剂的热催化反应，含有较高浓度甲醛的室内空气从下风口进入空气流道，在热虹吸的作用下流经空气流道，在太阳光照射下，空气被加热的同时，甲醛分子被涂敷在墙体外表面的光热复合催化剂催化降解，最终干净的温暖空气经由上通风口回到室内。在夏季，百叶光滑的另一面朝外，反射大部分太阳光，减少进入室内的热量，同时朝内的催化剂涂层中的热催化剂与甲醛发生氧化反应将其降解。可以看出，光热复合催化百叶型 Trombe 墙系统是一种能同时实现集热和室内空气净化功能的零能耗系统。图 1 光热催化百叶型 Trombe 墙系统基本结构 Fig.1 Basic structure of the Trombe wall with photothermal catalytic blinds 2 实验部分 2.1 催化剂 研究采用的热催化剂MnOx-CeO2由修饰共沉淀法制备15。光催化剂采用平均粒径为 4 nm、纯度为99%的 TiO2。将热催化剂 MnOx-CeO2和光催化剂TiO2按光催化剂/热催化剂分别为 5%、10%、20%等不同摩尔比例进行机械混合得到光热复合催化剂，将混合后的复合催化剂与去离子水混合，搅拌 30 min，涂覆在表面经过粗糙处理的铝板上，常温干燥 12 h，得到光热复合催化剂涂层。在之前的研究中16，本课题组测试了四种不同比例的光热复合催化剂的甲醛单次通过率，结果如350 新 能 源 进 展 第 11 卷 图 2，得出 10%比例的光热复合催化剂净化效果最好，因此将 10%比例的光热复合催化剂应用到本文提出的光热复合催化百叶型 Trombe 墙。2030405060708020304050607080?20%光热复合催化剂?10%光热复合催化剂?5%光热复合催化剂?热催化剂 MnOx-CeO2甲醛单次通过率/%温度/(a)40060080010001200140020406080 热催化剂 MnOx-CeO2 光催化剂 TiO2 5%光热复合催化剂 10%光热复合催化剂 20%光热复合催化剂吸收率/%波长/nm(b)图 2 不同比例的光热复合催化剂的单次通过率（a）与吸收率（b）Fig.2 Once-through conversion(a)and absorption rate(b)of photothermal composite catalysts with different proportions 从图 2 中光热复合催化剂的全光谱吸收特性可以看出，热催化剂的吸收率显著高于光催化剂，热催化剂和 5%、10%、20%比例的光热复合催化剂的平均吸收率分别为 0.88、0.87、0.86、0.83。由于混入了吸收率较低的光催化剂 TiO2，光热复合催化剂的吸收率略低于热催化剂。2.2 墙体热性能、甲醛降解性能测试 为测试光热催化百叶型 Trombe 墙的采暖效率和甲醛降解性能，搭建了墙体热效率、甲醛净化效率测试实验台。图 3 是光热催化百叶的制作过程。图 4 是光热催化净化百叶型 Trombe 墙的热性能和甲醛降解性能测试的原理图，包括气体产生部分、光热复合催化净化百叶墙体、测量部分。另外，制备了热催化百叶并测试了其采暖和净化效率作为对照组。图 3 光热催化百叶制作过程 Fig.3 Production process of photothermal catalytic blinds 图 4 墙体的热性能和甲醛降解性能测试的原理图 Fig.4 Schematic diagram of thermal performance and formaldehyde degradation performance test of the wall 为了测试墙体实际一天的热效率与甲醛降解效率，将实验台朝南放置室外阳光充足的区域，打开空气泵，通入甲醛气，分别记录进出口温度、百叶温度、进出口甲醛浓度、太阳辐照强度、空气流道内的空气流速。测试仪器的型号与精度列于表 1，表 2 为光热催化百叶型 Trombe 墙体的各项参数。测试时间为 9:00-17:00，间隔为 1 min，测试地点为江苏南京的南京工业大学（3203N，11837E）。实验装置实物图见图 5。表 1 主要实验测量仪器的精度 Table 1 Accuracy of main experimental measuring instruments 仪器 型号 精度 浮子流量计 1 10WB 5-45 L/min 4%浮子流量计 2 30WB 50-500 mL/min 2.5%甲醛检测仪 HCX400-CH2O 5%紫外灯 365 nm 紫外辐射计 ST513 4%电加热板 H380-Pro 热电偶 T-type 0.1 数据采集仪 34970A 太阳辐照仪 TBQ-B 4%风速仪 6501-BG 0.1 m/s 第 4 期 顾 涛等：热催化和光热复合催化百叶型 Trombe 墙实验性能探究 351 表 2 墙体的物性参数 Table 2 Physical parameters of the Trombe wall 主要部件 参数 数值 玻璃盖板 数量 1 厚度/mm 2 高度/mm 1 500 宽度/mm 600 净化百叶（铝板）数量 30 厚度/mm 1 长度/mm 500 宽度/mm 50 百叶之间的间距/mm 50 图 5 实验装置实物图 Fig.5 Physical drawing of the experimental device 首先，分别测试了光热复合催化百叶与热催化百叶的综合性能，为了减小光热催化百叶型Trombe 墙与热催化百叶型 Trombe 墙之间的性能测试的对比误差，在 2022 年 11 月份进行了多组测试，选取气象数据最相近的两天的性能测试结果。如图 6 所示为所取两天的气象数据，两天的平均太阳辐照分别为 391、385 W/m2，平均环境温度分别为 19.1、18.5。分别在 2022 年 11 月 18 日、11 月24 日测试热催化百叶型 Trombe 墙和光热催化百叶型 Trombe 墙的性能。其次，为了探究百叶翻转角度对墙体综合性能的影响，分别测试了百叶角度为 15、45、75时的墙体综合性能，取气象数据最相近的三天的实验数据作为研究对象，气象数据见图 7。09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00-1000100200300400500600 2022-11-18 太阳辐照 2022-11-24 太阳辐照 2022-11-18 环境温度 2022-11-24 环境温度时刻太阳辐照/(W/m2)1020304050环境温度/图 6 光热催化百叶与热催化百叶实验两天的气象数据 Fig.6 Meteorological data for two days of photothermal catalytic blind andthermal catalytic blind experiments 09:0010:3012:0013:3015:0016:3018:00-2000200400600 太阳辐照（75o）太阳辐照（45o）太阳辐照（15o）太阳辐照/(W/m2)时刻1216202428323640环境温度1545 75环境温度/图 7 不同百叶翻转角度实验当天的气象数据 Fig.7 Meteorological data on the day of the experiment with different blinds turning angles 2.3 数据分析 甲醛的单次通过率定义为 inoutin=100%CCC (1)光热复合/热催化百叶型 Trombe 墙的性能评价采用空气采暖效率th、甲醛降解效率和干净空气量（clean air delivery rate,CADR）：aaoutinthm cTTAG (2)inoutinCCC (3)CAD=RQ (4)3 实验结果 3.1 性能对比分析 为探究热催化和光热复合催化百叶型通风墙实验性能，分别测试了光热复合催化百叶型Trombe墙352 新 能 源 进 展 第 11 卷 和热催化百叶型Trombe墙在百叶翻转角度为45时，实际一天中的热效率、甲醛单次通过率和CADR。08:24 09:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:000.300.350.400.450.50热催化百叶进口热催化百叶出口光热催化百叶进口光热催化百叶出口甲醛浓度/(mg/m3)时刻 图 8 热催化百叶和光热催化百叶进出口甲醛浓度 Fig.8 Formaldehyde concentration at import and export for thermal catalytic blinds and photothermal catalytic blinds 墙体的甲醛净化性能见图8。图中可见，入口甲醛浓度不是恒定的，而是随太阳辐射而变化。这是由于空气流道内的空气流速受热虹吸影响随太阳辐射而变化。出口甲醛浓度随着太阳辐照的增强而降低，这是由于太阳辐照的增大使催化剂的活性增强，能够使更多的甲醛发生反应。热催化百叶型Trombe墙和光热催化百叶型Trombe墙的进口甲醛浓度范围分别为0.362 0.497 mg/m3和0.364 0.489 mg/m3，出口甲醛浓度范围分别为0.304 0.381 mg/m3和0.303 0.369 mg/m3。图9（a）、图9（b）分别显示了两种墙体的甲醛单次通过率和CADR，两者基本上随着太阳辐射强度的增加而增加。这是由于净化百叶温度随着太阳辐射强度的增加而升高图9（c），紫外线强度也随之增加，从而提高了热/光热复合催化剂的甲醛降解效果。同时空气流道内的空气流速也随着太阳辐照的增加而增加图9（d），使空气流量增加，因此CADR也随之呈现相同变化趋势。还可以观察到，光热催化百叶的甲醛单次通过率和CADR均高于热催化百叶。热催化百叶型Trombe墙和光热催化百叶型Trombe墙一天的平均甲醛单次通过率分别为21.34%和25.45%，一天总共产生的干净空气量分别为193.14 m3/h和230.85 m3/h。可以看出，光热催化百叶Trombe墙的甲醛净化性能明显高于热催化百叶型Trombe墙。09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00010203040 热催化百叶 光热催化百叶 甲醛单次通过率/%时刻(a)09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:0001020304050 热催化百叶 光热催化百叶CADR/(m3/h)时刻(b)09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:002030405060 热催化百叶 光热催化百叶百叶温度/时刻(c)09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:000.120.130.140.150.160.170.180.19热催化百叶光热催化百叶空气流速/(m/s)时刻(d)图 9 两种墙体的甲醛单次通过率（a）、CADR（b）、百叶温度（c）、空气流速（d）Fig.9 Formaldehyde once-through conversion(a),CADR(b),temperature of blinds(c),and air flow rate(d)of two Trombe walls 第 4 期 顾 涛等：热催化和光热复合催化百叶型 Trombe 墙实验性能探究 353 墙体的进出口温度见图10，两种不同催化百叶型Trombe墙一天的进出口温度差都随着太阳辐照的增大而增大。热催化百叶型Trombe墙和光热催化百叶型Trombe墙一天的平均进口温度分别为18.3 和18.5，平均出口温度分别为24.5 和24.3。图11为两者的热效率，热催化百叶型Trombe墙的日平均热效率为29.44%，光热催化百叶型Trombe墙的日平均热效率为28.93%，后者的热效率略低于前者，这是由于光热复合催化剂的吸收率略低于热催化剂，在可接受范围之内。08:24 09:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:0016202428 热催化百叶进口 热催化百叶出口 光热催化百叶进口 光热催化百叶出口温度/时刻 图 10 热催化百叶和光热催化百叶进出口温度 Fig.10 Temperature at inlet and outlet for thermal catalytic blinds and photothermal catalytic blinds 综上所述，热催化百叶型Trombe墙在净化过程中只有单一热催化反应，净化效率有限，而光热催化百叶型Trombe墙利用了光热协同机理，既有热催化氧化还原反应，又有光催化氧化还原反应，可产生协同效应，具有更高的甲醛净化效率。但由于光热复合催化剂的吸收率略低于热催化剂，热催化百叶型Trombe墙的集热效率更高。09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00010203040 热催化百叶 光热催化百叶 热效率/%时刻 图 11 两种墙体白天的热效率 Fig.11 Thermal efficiency of two Trombe walls at daytime 3.2 百叶翻转角度对墙体综合性能的影响 为探究百叶翻转角度对系统性能的影响，分别测试了15、45、75的百叶角度下的光热催化百叶型Trombe墙在实际一天中的热效率、甲醛单次通过率和CADR。墙体的采暖性能见图12，不同百叶翻转角度下的进出口温差和百叶温度都随着太阳辐照的增加而增加。三种百叶角度（15、45、75）下的日均进出口温差分别为4.6、5.6、5.3，百叶的日均温度分别为34.9、39.1、37.2。可以明显地看出当百叶角度为45时，进出口的温差和百叶的温度最高，此时的热效率也最高，如图12（c）。由于受太阳高度角的影响，在11月份，当百叶角度为45时，能接收太阳辐照的面积更大，系统接收来自太阳光的热量更多。09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:000246810 15 45 7575日均温差45日均温差进出口温差/时刻15日均温差(a)09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:001020304050 15 45 7575日均百叶温度45日均百叶温度15日均百叶温度百叶温度/时刻(b)09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:0001020304050 15 45 75热效率/%时刻(c)图 12 不同百叶翻转角度下的进出口温差（a）、百叶温度（b）和热效率（c）Fig.12 Temperature difference between inlet and outlet(a),temperature of blinds(b),and thermal efficiency(c)of the Trombe wall under different blinds turning angles 百叶角度对其甲醛净化性能的影响见图13。三种百叶角度下的甲醛单次通过率和CADR的趋势都与太阳辐照相似。由于百叶的温度随着太阳辐照的增加而升高，紫外强度也随之增强，从而提高了光354 新 能 源 进 展 第 11 卷 热复合催化剂的甲醛净化效率。且当百叶角度为45时，甲醛单次通过率与CADR最高，此时的平均甲醛单次通过率为28.9%，一天总共能产生205.1 m3干净空气。由于百叶角度为45时，百叶的温度较高，受太阳辐照的面积较大，使光热复合催化剂的甲醛降解效率更高。综上所述，墙体的热性能与甲醛降解性能随着百叶接受辐照面积的增大而增大，在南京地区的11月份，当百叶角度为45时，墙体的综合性能更高。09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:0005101520253035 15 45 75甲醛单次通过率/%时刻(a)09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00-10010203040 15 45 75CADR/(m3/h)时刻(b)图 13 不同百叶翻转角度下的甲醛单次通过率（a）和CADR（b）Fig.13 Formaldehyde once-through conversion(a)and CADR(b)of the Trombe wall under different blinds turning angles 4 结 论 为解决Trombe墙夏季过热、冬季室内污染物易积累等问题，提出光热催化百叶型Trombe墙，开展新型Trombe墙中的光热复合催化剂催化甲醛转化的性能研究，进一步探究实际一天中光热催化百叶型Trombe墙的热性能和甲醛降解性能，并与热催化百叶型Trombe对比，得出以下结论：（1）墙体性能测试实验结果表明，光热催化百叶型Trombe墙在采暖月阳光良好的一天中的平均热效率能达到28.93%，平均甲醛单次通过率能达到25.45%，白天总共能产生230.85 m3的干净空气。热催化百叶型Trombe墙的平均热效率为29.44%，平均甲醛单次通过率为21.34%，共产生193.14 m3的干净空气。（2）相较于热催化百叶型Trombe墙，光热催化百叶型Trombe墙的甲醛净化性能有显著的优势，而热催化百叶型Trombe墙具有更高的热效率。（3）墙体的综合性能受百叶翻转角度的影响，百叶受太阳辐照面积越大，墙体的甲醛净化性能与热性能越高。在南京的11月份，当百叶角度为45时，相较于其他角度（15、75），墙体的综合性能最佳。符号表：A 面积，m2 c 比热容，J/(kgK)C 甲醛浓度，mg/m3 G 太阳辐射强度，W/m2 th 热效率，%r 反应速率，CFU/(sm3)T 温度，t 时间，s RCAD 干净空气量，m3/h 甲醛单次通过率，%m 质量流量，m3/s 下角标：a 空气 in 入口 out 出口 参考文献：1 DAZ J J V,WILBY M R,BELN GONZLEZ A B.Setting up GHG-based energy efficiency targets in buildings:the EcolabelJ.Energy policy,2013,59:633-642.DOI:10.1016/j.enpol.2013.04.021.2 TUN M,UYSAL M.Passive solar heating of buildings using a fluidized bed plus Trombe wall systemJ.Applied energy,1991,38(3):199-213.DOI:10.1016/0306-2619(91)90033-T.3 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