夏熱冬暖地區光伏驅動型光催化墻節能潛力研究

鄧杰泓　蔡陽　何建煒　周澤宇　呂游

摘要：為延長Trombe墻系統的運行時間，充分利用太陽能，文章提出光伏驅動型光催化Trombe墻模型，研究系統在夏熱冬暖地區全年運行狀況，對系統發電量，凈化空氣量，總節約能量變化情況進行分析。結果表明，全年總發電量為1250.16kWh，全年總凈化空氣量為104209.02m3，全年總節約能量為1440.01kWh，冬夏兩季系統運行性能平均值與全年平均值相比波動在20%以內，系統具有全年運行的可行性。本研究為光伏驅動型光催化Tromb墻系統在夏熱冬暖地區全年運行提供理論和基礎。

關鍵詞：Trornb墻；光伏驅動；光催化；節能潛力；夏熱冬暖

中圖分類號：X22 文獻標志碼：A

前言

建筑能耗約占全球能源消耗的40%，人們對室內環境舒適性的需求會導致建筑能耗的持續增加，Trombe墻作為簡單、高效、低維護成本的被動式圍護結構，成為用作降低建筑能耗的主要技術。

傳統Trombe墻已經有大量學者進行研究，為進一步降低建筑能耗，有學者研究優化系統結構以此提高系統性能。林嬡等搭建了外置式和內置式光伏Tromb墻并對其進行對比實驗，通過實驗結果顯示，外置式系統的綜合效率要比內置式系統的綜合效率高4.81%。張樹坤等對Trombe墻通道內浮力誘導氣流流動的特性進行深入分析，結果表明：Trombe墻系統的換氣量隨太陽輻射的增大而增大，建筑下層的換氣量比上層增加40%以上。還有學者研究復合墻體，討論復合Trombe墻的節能潛力。Luo等提出了光伏熱電墻（BIPVTE）模型，對中國夏熱冬暖地區6個城市的BIPVTE節能潛力進行了分析，結果表明，安裝了BIPVTE，每年可以節約能源29.19kWh/m2～62.94kWh/m2。Yu等5研究了不同季節情況下光催化Trombe墻的各項性能并根據所建立的模型對合肥市進行了季節節能分析和經濟分析，在供暖季節可以降低熱負荷309.9MJ/m2和產生凈化空氣量4764.9m3/m2。

文章提出光伏驅動型光催化Trombe墻，對系統在夏熱冬暖地區進行仿真計算，對系統全年運行性能進行分析，討論系統發電量，凈化空氣量，總節約能量的變化情況，為系統在夏熱冬暖地區全年運行提供理論和基礎。

1 物理和數學模型

1.1 物理模型

光伏驅動型光催化Trombe墻的物理模型如圖1所示，該系統由五個部分組成：光伏板、光催化涂層、空氣流道、紫外光燈、小風扇、墻體。系統開始運行時，太陽光照射到光伏板上，光伏板發電，當發電功率大于紫外光燈的啟動功率時，紫外光燈開啟光催化涂層在紫外光的驅動下開始催化降解流道空氣中的甲醛，再由流道底部的小風扇將凈化后的空氣輸送到室內。

1.2 數學模型

在模型建立過程中，為簡化數值計算，此模型做以下假設：

（1）模型中所需物性參數皆為常數；

（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

對光伏板，室外環境空氣在光伏板表面形成對流進行能量交換，天空直接輻射到光伏板進行能量交換，光伏板吸收太陽輻射，光伏板發電產生電能，平衡方程為式（1）：

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

其中，uamb為室外環境風速，m·s-1；σ為玻爾茲曼常數；εpv為光伏板反射率；ηe為光伏板的額定發電效率。

1.2.2 質量平衡分析

以甲醛為主要污染物進行分析，空氣中甲醛與催化劑涂層進行對流傳質，流道進出口甲醛濃度差形成質量變換，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約能量，J，其中，平均10.8kJ的電能能產生1m3的凈化空氣量。

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

1.3 模型驗證

文章使用MATLAB對Wu等的模型進行迭代求解，驗證文章的光伏和光催化的計算模型是可靠的，其中驗證過程中所使用工況與Wu等的一致，計算模型與Wu等的計算結果進行比較驗證，如圖2所示，兩者計算結果變化趨勢相同，發電量和凈化空氣量的平均相對誤差分別為7.62%和1.74%，可以認為使用本計算模型進行求解是可靠的。

2 分析與討論

為探究夏熱冬暖地區光伏驅動型光催化Trombe墻節能影響，文章使用廣州一年的天氣情況對系統進行仿真計算，主要討論冬夏兩季系統節能量及分析本系統全年運行的可行性。文章在仿真計算時，系統結構參數設置如下：光伏板高度為1m，寬度為3m，流道寬度為0.05m，室內環境溫度為23℃，室內甲醛濃度為900ppb，室外環境風速為1m·s-1，流道內空氣流速為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天日累積太陽輻射，圖3（c）為夏季和冬季典型一天的溫度和太陽輻射強度。

2.1 發電性能

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

全年總發電量為1250.16kWh，日平均發電量為3.426kWh，冬季11月、12月、1月三個月總發電量為254.55kWh，日平均發電量為2.766kWh，總發電量占全年發電總量的20.36%，夏季5月、6月、7月三個月總發電量為360.18kWh，日平均發電量為3.915kWh，總發電量占全年發電總量的28.81%。冬季日平均發電量為全年日平均發電量的80.74%，夏季日平均發電量為全年日平均發電量的114.27%。光伏發電板發電量與太陽輻射強度、光伏板溫度有關，太陽輻射強度越大，發電量越大，光伏板溫度越高，發電量越小。在冬季時，氣溫較低，有利于光伏板發電，而此時太陽輻射強度也較低，因而總體發電量較小。在夏季時，氣溫較高，不利于光伏板發電，但是此時太陽輻射強度較高，所以總體發電量較大，會大于冬季發電量，夏季日平均發電量是冬季的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，等效節約能量為312.63kWh，日平均凈化空氣量為285.51IT13，日平均等效節約能量為0.858kWh，冬季11月、12月、1月三個月總凈化空氣量為22797.39m3，等效節約能量為68.40kWh，日平均凈化空氣量為247.80m3，日平均等效節約能量為0.744kWh，總等效節約能量占全年等效節約能量的21.88%，夏季5月、6月、7月三個月總凈化空氣量為29753.34m3，等效節約能量為89.25kWh，日平均凈化空氣量為323.40m3，日平均等效節約能量為0.969kWh，總等效節約能量占全年等效節約能量的28.55%。冬季日平均等效節約能量為全年日平均等效節約能量的86.71%，夏季日平均等效節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啟時間有關，紫外燈開啟時間越長，光催化反應時間越長，凈化空氣量越多。在冬季時，太陽輻射強度較低，光照時間較短，光伏板發電量滿足紫外燈開啟條件的時間較短，因此凈化空氣量較少。在夏季時，太陽輻射強度較高，光照時間長，光伏板發電量滿足紫外燈開啟條件的時間長，因而凈化空氣量較多，總體大于冬季時的凈化空氣量，夏季日平均凈化空氣量是冬季的130.24%。

2.3 總節約能量和總效率

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

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

2.4 可行性分析

通過比較分析，夏季日平均發電量為冬季的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，夏季日平均發電量為全年日平均發電量的114.27%，冬季日平均發電量為全年日平均發電量的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%，夏季日平均節約能量為全年日平均節約能量的114.63%，冬季日平均節約能量為全年日平均節約能量的81.47%，與全年平均值相比波動在20%以內。由此可見，系統全年運行性能在正常范圍內波動，本系統具有全年運行的可行性。

3 結論

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

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助（21622417）；新能源電力系統全國重點實驗室開放課題（LAPS23017）；廣東省基礎與應用基礎研究基金自然科學基金面上項目（2023A1515010681）；廣東省普通高校重點領域專項項目（2022ZDZX1005）