雙通道光催化通風墻室內污染凈化與節能研究

文章編號：1674-6139（2025）06-0016-06

中圖分類號：X501文獻標志碼：B

Indoor Pollution Purification and Energy Saving Analysis of Dual - channel Photocatalytic Ventilation Wall

Huang Ruonan’，He Jianwei1，Cai Yang1，2，Dong Minghao1，Zhao Fuyun ³ （1.International Energy College，Jinan University，Zhuhai 519O70，China; 2.State KeyLaboratory of Photocatalysis on Energy and Environment，Fuzhou 35O116，China; 3.School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 43OO72，China）

AbstractInvieoftsadanagsoftraioalsolaentilationallitglefuctionndlotalencyual chaelpotooocioallisroddisotluodeid thispaper，thidoorlltantfoddiusionodelouplingsoaalanelpotoatalyticentilionwalldidoiot isconstructedndeifueofttilioallontetiliondpufoofidorltatsifte condionsinwinterandsummerisanalyzed.Theresultsshowthattheventilationandpurificationperformanceofthemodelinwinterand summerhas been improved to differentdegrees.Thepurification eficiencyof thesystemmodel is more than 70% in winter，the indoor pollutantconcentratiooftsisoughlyeducedtoetercetinterndthpurifiatioctoftesumeodelisoeo nenthaninwinter.Inwnterandsummer，thetheraleficiencyofthedoublechanlwallcanreachtwotothreetimesthatoftetraditionalsinglecaelntlioallodeeeseachfullonsdersttizaioofldngeesvingdidorofortd providesreferenceandbasis forimproving theperformanceof solarventilationwalland improving theindoorenvironment.

Keordsdaleloatalyclaoall;tliduriaiodotalont；eott

前言

能源在一個國家的各種經濟活動中起著至關重要的作用，世界上 80% 以上能源是由化石燃料提供的，其中 30%～40% 用于建筑行業[1]。中國當前能源結構背景下為建筑物供電的最有前途的技術之一是太陽能利用[2]。對此中國提出綠色發展節能減排理念，結合太陽能利用技術對建筑進行優化設計，提高建筑的節能優勢，實現建筑的可持續發展[3]

從實際應用來看，中國已經建成了多個單體建筑的太陽能供熱采暖工程。傳統Trombe墻（太陽能通風墻）是集、蓄熱墻式太陽能建筑的典型構件，具有降低建筑能耗、改善建筑室內環境等效用但也存在著功能單一、熱效率較低等缺點[4-5]。各學者對此提出諸多優化設計。Li等提出一種雙通道型Trombe墻[6]，結果顯示新型墻熱效率是傳統的1.6～3.4 倍，各性能明顯優于傳統Trombe墻。Trombe墻被動式通風結構對室內污染物進行凈化是較為高效的室內通風凈化模式[7]， Yu 等通過實驗分析有效驗證了光催化型Trombe墻良好的集熱性能和甲醛降解性能[8] 。

近年來，對于Trombe墻性能提升優化提出多種路徑方法[9]，而對于室內耦合模型污染物流動擴散與凈化效果研究基礎較為薄弱。研究結合雙通道Trombe墻與光伏光催化技術，針對夏熱冬暖地區，建立季節性室內污染物擴散模型，評估凈化與節能效果，優化Trombe墻設計，提升室內環境。

1物理和數學模型

1. 1 物理模型

太陽能雙通道光催化光伏通風墻系統整體系統結構由雙通道型Trombe墻結構與攜帶污染源的室內模型耦合組成，主要部件包括 0.004×3m 光催化玻璃板、 ?0.2m 外空氣流道、 0.06×3m 光伏板 ?0.08m 內空氣流道、寬 0.24m 實體墻壁 0.2× 0.2m 攜帶甲醛污染源 、4.0×2.8m 密閉室內空間。系統各部件參數如圖1所示。研究結合夏熱冬暖地區氣候條件，對于雙通道光催化光伏Trombe墻系統的可行性應用擴展提出兩種不同季節動力模型如圖1所示，并通過控制閥門的開閉實現各模式流道的調節。具體包括：冬季模式，室外閥門關閉，室內閥門開啟，流道內氣流升溫循環實現室內溫度的提升達到采暖效果；夏季模式，室內室外閥門皆開啟，在Trombe墻的加持下，房間與外界連通可以提升室內氣體的流動性。

1.2 數學模型

太陽能光催化雙通道型Trombe墻傳熱模型包括玻璃蓋板、光伏板、流道空氣、實體墻、室內空間及各構件之間的熱輻射傳遞。系統結構與太陽輻射強度也會對室內空氣的自然對流造成影響， k-ε 模型是當前一種可用于計算從層流到湍流不同類型的雙方程流動模型，故系統采用 k-ε 流動模型對氣體流動進行分析。

為方便計算對仿真模型做出以下假設：

（1）系統表面均為漫反射，且初始值為灰體；

（2）模型中所需物性參數設為常數；

（3）光催化涂層厚度忽略不計，涂層溫度與玻璃蓋板溫度視為相等；（4）玻璃內壁光催化涂層均勻分布，不考慮甲醛在催化層中的擴散；（5）系統空氣中甲醛濃度較低，光催化層反應熱忽略不計；（6）系統內氣體均視為理想氣體，不參與輻射換熱；（7）甲醛光催化氧化降解反應用單一公式表示： 0

1.2.1 能量平衡分析

根據系統的傳熱模型，分別對玻璃板、內外流道、光伏板和實體墻進行熱平衡分析[6]

對玻璃蓋板進行熱平衡分析如式（1）：

式（1）中 ρ_g 為玻璃蓋板密度， kg/m³;δ_g 為玻璃蓋板厚度， m;c_g 為玻璃蓋板比熱容， J/（kg?K） ; T_g 為玻璃板溫度， K;t 為時間， s;I 為太陽輻射強度， W/m² ：α_g 為玻璃蓋板吸收率； h_r，bg 為玻璃蓋板和光伏板之間的輻射換熱系數， W/（m²?K）;T_b 為隔熱板溫度，K;h_c，aa 為外流道對流傳熱系數， W/（m²?K） ： T_aa 為外流道內空氣溫度， K;h_c，amb 為玻璃蓋板與環境的對流傳熱系數， W/（m²?K）;T_amb 為環境溫度， K;h_r，amb 為玻璃蓋板與環境輻射換熱系數， W/（m²?K）;T_sky 為天空溫度， K 且 T_sky=0.0552T_amb^1.5 。

對外流道進行熱平衡分析如式（2）：

式（2）中 ，ρ_a 為空氣的密度， kg/m³ c_a 為空氣比熱容， J/（kg?K） ： d_a 為外流道厚度， m;V_aa 為外流道空氣流速， m/s 。

對內流道進行熱平衡分析如式（3）：

式（3）中， V_ab 為內流道空氣流速， m/s 。

S2S（表面對表面輻射傳熱）模型可以對不同表面之間的輻射傳熱進行計算分析，因此對光伏板和實體墻熱輻射進行熱分析如式（4）：

式（4）中， J_i 和 J_j 分別表示表面 χ_i 和 j 的有效輻射， W/m² 表示表面 χ_i 的發射率； N 是指與輻射傳熱相關的表面計數； F_ij 是從表面 i 到表面 j 的輻射視因數； T_i 是表面 i 的溫度， K;σ （斯蒂芬-玻爾茲曼常數） =5.67×10^-8，W/（m²?K⁴）. 0

1. 2.2 質量平衡方程

對流道內甲醛進行分析并提出附光催化層外流道的質量平衡公式如式（5）：

式（5）中， V_a 為空氣流道內流體的體積， m³;u_a 為流道內空氣的流速， m/s;A_a 為空氣流道的橫截面積， m² C_out 為空氣流道出口處甲醛濃度， mol/m³ ： C_in 為空氣流道入口處甲醛濃度， mol/m³ h_?m 為空氣流道內對流傳質系數， m/s;C_v 為出入口甲醛濃度的平均值， mol/Ωm³ 。

攜甲醛污染源在室內釋放污染氣體并累積擴散，對甲醛在室內進行擴散分析如式（6）：

1. 2.3 性能評價參數

通過系統的濃度和流速分布、不同參數下系統通風量、凈化效果及總效率評價雙通道光催化光伏Trombe墻模型的性能效用。

系統總效率 η_tol 為式（7）：

η_tol=η_th+η_HCH0

式（7）中， v 為流道通風量， m³/s ；式（8）為系統熱效率，式（9）為系統的凈化效率。

系統的CADQ為式（10）：

為更好研究系統的節能潛力對節能效果進行分析，與傳統太陽能通風墻模型進行比對，設 Q_t 作為節能優化效果的量化指標如式（11）：

Q_t=E₀-E₁

式（11）中， E₀ 為新模型的節能量， V;E₁ 為傳統模型的節能量，V;其中發電量 E 可以表示為式（12）：

2 分析與討論

當前研究對于雙通道光伏光催化Trombe墻研究相對缺失，為驗證模型的可行性，參考文獻[6，9]分別對雙通道Trombe墻和光伏Trombe墻對模型進行校驗。

如圖2（a）所示，以出入口溫度差作為模型的檢驗標準，對雙通道墻模型進行校驗，隨著外流道寬度變化，系統熱效率呈穩定趨勢，出入口溫度差變化趨勢相近且誤差不超過 15% 。

如圖2（b）所示，以流道出口溫度和空氣內流速作為模型驗證的檢驗標準，在太陽光照輻射強度為300～800W/m² 條件下只考慮模型流動傳熱進行驗證，且平均誤差分別為 0.6% 和 15% 。由此可以認為模型建模可靠性較好并在此基礎上進行下一步研究。

選擇合適網格在滿足計算精度要求的同時可以大幅節約計算成本，為確定合適的網格數量，構建五種不同網格進行比較分析，如表1所示。設置條件為：夏熱冬暖地區冬季氣候的冬季采暖模型，空氣入口溫度與大氣溫度相同，甲醛污染源的初始濃度為5.67E-05mol/m³ ，太陽光照強度與紫外線強度為2021年廣州1月1日氣候站所獲數據。經計算，雙通道光催化通風墻對室內污染物有明顯凈化效果且高達 70% ，且所得各網格計算結果差異較小，最高不超過 10.8% ，綜合考慮時間成本與計算精度后續選用網格4387進行后續計算分析討論。

2.1 系統冬季性能分析

系統結構是影響系統性能重要因素之一。為探究系統參數對系統運行性能影響，設置三組流道不同寬高比數據（外流道與內流道寬度始終相等），探究流道在不同寬度下系統流道通風凈化效果，三組模型流道高寬比分別為20、10、15且流道高度恒為 2.6m 。

室內通風與污染物凈化效果是評判系統光催化通風凈化性能一大標準。如圖3所示，系統通風量隨著系統流道寬度的增大明顯上升，且在日間通風效果較為明顯，在 15～17h 之間達到峰值，與太陽輻射強度變化趨勢相近，且系統的通風量伴隨著系統寬度的提升而不斷增大。此外，系統污染物凈化率隨時間變化逐漸減小：由于初始時流道未工作，凈化率計算結果高達 100% ，隨著時間變化凈化率不斷減小，結果也更具時效性且最低不低于 70% 0

2.2 系統夏季性能分析

為探究夏季系統參數對系統運行性能影響，同樣設置三組流道不同寬高比數據，探究流道在不同寬度下系統通風凈化效果。

如圖4所示不同寬高比系統通風量與凈化量比對關系圖。系統通風量隨著系統流道寬度的增大明顯上升，且在日間通風效果較為明顯，兩者變化趨勢相近說明系統通風量與凈化量聯系緊密。由于系統窗口風速設置初始速度為 0.03m/s ，內外強差關系導致夜間流道內氣體保持運動，當太陽光照強度逐漸增加時，系統通風量驟然降低而后不斷提升，系統在不同高寬比下總體通風量保持增長趨勢。系統凈化量如圖4所示，系統污染物凈化量隨時間變化與通風量變化趨勢相近：由于系統與室外連通且排風效果良好，此時通風量成為凈化量的一大主導因素。此外，當流道寬度增大時，系統凈化效率相應減小，但最低不低于 70% ，說明此時在寬流道進行光催化凈化反應更占優勢。

2.3 系統節能潛力分析

為探究雙通道模型較傳統Trombe墻節能潛力與優勢分析，以 Q_t 作為節能優化效果的量化指標即雙通道模型與傳統模型之間節能量之差。由圖5（a）可知：模型節能量隨時間變化而出現起伏且上下幅度相近，系統在冬季模式新模型較舊模型節能效果不明顯；系統夏季模式在日間時刻節能效果有相對優化，適合夏熱冬暖地區應用情況。由此說明，文章提出的雙通道型Trombe墻節能量總體高于傳統Trombe墻。

如圖5（b）所示，兩種工況模式下發電量較為相近且夏季模式系統發電量明顯高于冬季模式下系統的發電量，夏季發電時間區間也高于冬季工作模式，系統發電量最高可達 46W/m² ，總體節能效果十分可觀。此外，對冬、夏季雙通道模型與傳統模型之間進行比對分析，此處主要對外流道得熱量作為探討對象。新模型得熱量均高于傳統模型得熱量，夏季模式新模型得熱量在四種模型中較高但均在合理范圍。因此，工況模式也是影響雙通道性能的重要因素。

3結論

通過綜合分析耦合得熱量Q、發電量E和空氣凈化量CADR三個關鍵指標，并考慮流道的高寬比，對光伏光催化雙通道Trombe墻進行了深入研究。研究結果表明，與傳統Trombe墻相比，雙通道型Trombe墻在發電量方面表現出與氣候特點相符合的波動，夏季通風量和凈化性能顯著提高，凈化率最高可提升 30% ，而在冬季，系統凈化效率最低也能達到 70% 。不同寬高比的工況模式在各個季節的氣候條件下展現出各自的優勢，尤其是流道寬度較高的模型在夏季的整體性能表現最為優異。此外，雙通道型光伏光催化Trombe墻在節能方面明顯優于傳統Trombe墻，有效提升了太陽能的利用效率，并且具有良好的通風凈化性能，有助于改善室內環境，提高環境舒適度和適居性。

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