夏热冬暖地区光伏驱动型光催化墙节能潜力研究

邓杰泓　蔡阳　何建炜　周泽宇　吕游

摘要：为延长Trombe墙系统的运行时间，充分利用太阳能，文章提出光伏驱动型光催化Trombe墙模型，研究系统在夏热冬暖地区全年运行状况，对系统发电量，净化空气量，总节约能量变化情况进行分析。结果表明，全年总发电量为1250.16kWh，全年总净化空气量为104209.02m3，全年总节约能量为1440.01kWh，冬夏两季系统运行性能平均值与全年平均值相比波动在20%以内，系统具有全年运行的可行性。本研究为光伏驱动型光催化Tromb墙系统在夏热冬暖地区全年运行提供理论和基础。

关键词：Trornb墙；光伏驱动；光催化；节能潜力；夏热冬暖

中图分类号：X22 文献标志码：A

前言

建筑能耗约占全球能源消耗的40%，人们对室内环境舒适性的需求会导致建筑能耗的持续增加，Trombe墙作为简单、高效、低维护成本的被动式围护结构，成为用作降低建筑能耗的主要技术。

传统Trombe墙已经有大量学者进行研究，为进一步降低建筑能耗，有学者研究优化系统结构以此提高系统性能。林嫒等搭建了外置式和内置式光伏Tromb墙并对其进行对比实验，通过实验结果显示，外置式系统的综合效率要比内置式系统的综合效率高4.81%。张树坤等对Trombe墙通道内浮力诱导气流流动的特性进行深入分析，结果表明：Trombe墙系统的换气量随太阳辐射的增大而增大，建筑下层的换气量比上层增加40%以上。还有学者研究复合墙体，讨论复合Trombe墙的节能潜力。Luo等提出了光伏热电墙（BIPVTE）模型，对中国夏热冬暖地区6个城市的BIPVTE节能潜力进行了分析，结果表明，安装了BIPVTE，每年可以节约能源29.19kWh/m2～62.94kWh/m2。Yu等5研究了不同季节情况下光催化Trombe墙的各项性能并根据所建立的模型对合肥市进行了季节节能分析和经济分析，在供暖季节可以降低热负荷309.9MJ/m2和产生净化空气量4764.9m3/m2。

文章提出光伏驱动型光催化Trombe墙，对系统在夏热冬暖地区进行仿真计算，对系统全年运行性能进行分析，讨论系统发电量，净化空气量，总节约能量的变化情况，为系统在夏热冬暖地区全年运行提供理论和基础。

1 物理和数学模型

1.1 物理模型

光伏驱动型光催化Trombe墙的物理模型如图1所示，该系统由五个部分组成：光伏板、光催化涂层、空气流道、紫外光灯、小风扇、墙体。系统开始运行时，太阳光照射到光伏板上，光伏板发电，当发电功率大于紫外光灯的启动功率时，紫外光灯开启光催化涂层在紫外光的驱动下开始催化降解流道空气中的甲醛，再由流道底部的小风扇将净化后的空气输送到室内。

1.2 数学模型

在模型建立过程中，为简化数值计算，此模型做以下假设：

（1）模型中所需物性参数皆为常数；

（2）墙体为绝热边界，不参与传热；

（3）Trombe墙的所有表面都是粗糙表面和灰体表面。

1.2.1 能量平衡分析

对光伏板，室外环境空气在光伏板表面形成对流进行能量交换，天空直接辐射到光伏板进行能量交换，光伏板吸收太阳辐射，光伏板发电产生电能，平衡方程为式（1）：

式（1）中，h为换热系数，W·m-2．K-1；T为温度，K;αpv为光伏板吸收率；G为太阳辐射强度，W·m-2；Zpv为光伏板发电强度，W·m-2。各参数由以下公式计算如式（2）-式（5）：

其中，uamb为室外环境风速，m·s-1；σ为玻尔兹曼常数；εpv为光伏板反射率；ηe为光伏板的额定发电效率。

1.2.2 质量平衡分析

以甲醛为主要污染物进行分析，空气中甲醛与催化剂涂层进行对流传质，流道进出口甲醛浓度差形成质量变换，平衡方程为式（6）：

ECADR=10800×CADR 式（15）

从式（13）-式（15）可以看出，Esave为总节约能量，J；Euv为紫外灯消耗的电能，J；ECADR为净化空气量等效节约能量，J，其中，平均10.8kJ的电能能产生1m3的净化空气量。

从式（16）可以看出，ηtol为系统总效率，为总节约能量与光伏板接收太阳辐射之比。

1.3 模型验证

文章使用MATLAB对Wu等的模型进行迭代求解，验证文章的光伏和光催化的计算模型是可靠的，其中验证过程中所使用工况与Wu等的一致，计算模型与Wu等的计算结果进行比较验证，如图2所示，两者计算结果变化趋势相同，发电量和净化空气量的平均相对误差分别为7.62%和1.74%，可以认为使用本计算模型进行求解是可靠的。

2 分析与讨论

为探究夏热冬暖地区光伏驱动型光催化Trombe墙节能影响，文章使用广州一年的天气情况对系统进行仿真计算，主要讨论冬夏两季系统节能量及分析本系统全年运行的可行性。文章在仿真计算时，系统结构参数设置如下：光伏板高度为1m，宽度为3m，流道宽度为0.05m，室内环境温度为23℃，室内甲醛浓度为900ppb，室外环境风速为1m·s-1，流道内空气流速为0.1m·s-1。广州一年天气情况如图3所示，图3（a）为广州365天温度情况，图3（b）为广州365天日累积太阳辐射，图3（c）为夏季和冬季典型一天的温度和太阳辐射强度。

2.1 发电性能

发电性能如图4（a）、（b）、（c）所示，图4（a）为日累积发电量，图4（b）为月累积发电量，图4（c）为夏季和冬季典型一天的发电量。

全年总发电量为1250.16kWh，日平均发电量为3.426kWh，冬季11月、12月、1月三个月总发电量为254.55kWh，日平均发电量为2.766kWh，总发电量占全年发电总量的20.36%，夏季5月、6月、7月三个月总发电量为360.18kWh，日平均发电量为3.915kWh，总发电量占全年发电总量的28.81%。冬季日平均发电量为全年日平均发电量的80.74%，夏季日平均发电量为全年日平均发电量的114.27%。光伏发电板发电量与太阳辐射强度、光伏板温度有关，太阳辐射强度越大，发电量越大，光伏板温度越高，发电量越小。在冬季时，气温较低，有利于光伏板发电，而此时太阳辐射强度也较低，因而总体发电量较小。在夏季时，气温较高，不利于光伏板发电，但是此时太阳辐射强度较高，所以总体发电量较大，会大于冬季发电量，夏季日平均发电量是冬季的141.54%．

2.2 空气净化性能

空气净化性能如图4（d）、（e）、（f）所示，图4（d）为日累积净化空气量，图4（e）为月累积净化空气量，图4（f）为夏季和冬季典型一天的净化空气量。

全年总净化空气量为104209.02m3，等效节约能量为312.63kWh，日平均净化空气量为285.51IT13，日平均等效节约能量为0.858kWh，冬季11月、12月、1月三个月总净化空气量为22797.39m3，等效节约能量为68.40kWh，日平均净化空气量为247.80m3，日平均等效节约能量为0.744kWh，总等效节约能量占全年等效节约能量的21.88%，夏季5月、6月、7月三个月总净化空气量为29753.34m3，等效节约能量为89.25kWh，日平均净化空气量为323.40m3，日平均等效节约能量为0.969kWh，总等效节约能量占全年等效节约能量的28.55%。冬季日平均等效节约能量为全年日平均等效节约能量的86.71%，夏季日平均等效节约能量为全年日平均等效能量的112.94%。净化空气量与紫外灯的开启时间有关，紫外灯开启时间越长，光催化反应时间越长，净化空气量越多。在冬季时，太阳辐射强度较低，光照时间较短，光伏板发电量满足紫外灯开启条件的时间较短，因此净化空气量较少。在夏季时，太阳辐射强度较高，光照时间长，光伏板发电量满足紫外灯开启条件的时间长，因而净化空气量较多，总体大于冬季时的净化空气量，夏季日平均净化空气量是冬季的130.24%。

2.3 总节约能量和总效率

总节约能量如图5所示，图5（a）为日累积节约能量，图5（b）为月累积节约能量，图5（c）为夏季和冬季典型一天的节约能量。

全年总节约能量为1440.01kWh，总效率为14.11%，日平均节约能量为3.945kWh。冬季11月、12月、1月三个月总节约能量为295.68kWh，总效率为15.28%，日平均节约能量为3.214kWh，总节约能量占全年节约能量的20.53%，夏季5月、6月、7月三个月总节约能量为416.06kWh，总效率为13.57%，日平均节约能量为4.522kWh，总节约能量占全年节约能量的28.89%。冬季日平均节约能量为全年日平均节约能量的81.47%，夏季日平均节约能量为全年日平均节约能量的114.63%。总节约能量为光伏板发电量与净化空气量的等效节约能量之和再减去紫外灯的耗电量，在冬季时，气温低，太阳辐射强度低，光伏板发电量低，光催化反应时间短，净化空气量少，总节约能量低，在夏季时，气温高，太阳辐射强度高，光伏板发电量高，光催化反应时间长，净化空气量大，总节约能量高，夏季日平均节约能量是冬季的140.70%。在夏季光伏板温度会偏高，不利于光伏板发电，与冬季相比，发电量的增幅与太阳辐射强度的增幅不成比例，尽管夏季发电量和空气净化量都比冬季高，但夏季系统总效率比冬季系统总效率低，是冬季系统总效率的88.81%。

2.4 可行性分析

通过比较分析，夏季日平均发电量为冬季的141.54%，夏季日平均净化空气量为冬季的130.24%，夏季日平均总节约能量为冬季的140.70%，而总效率是冬季的88.81%，冬夏两季相比，总体变化幅度为40%左右。其次，夏季日平均发电量为全年日平均发电量的114.27%，冬季日平均发电量为全年日平均发电量的80.74%，夏季日平均净化空气量为全年日平均净化空气量的112.94%，冬季日平均净化空气量为全年日平均净化空气量的86.71%，夏季日平均节约能量为全年日平均节约能量的114.63%，冬季日平均节约能量为全年日平均节约能量的81.47%，与全年平均值相比波动在20%以内。由此可见，系统全年运行性能在正常范围内波动，本系统具有全年运行的可行性。

3 结论

文章建立了光伏驱动型光催化Trombe墙模型，研究了系统在全年运行下发电性能，空气净化性能和总节约能量的变化情况，并对系统全年运行进行可行性分析。主要结论如下：全年总发电量为1250.16kWh，日平均发电量为3.426kWh，冬夏两季日平均发电量分别为全年日平均发电量的80.74%和114.27%。全年总净化空气量等效节约能量为312.63kWh，日平均等效节约能量为0.858kWh，冬夏两季日平均等效节约能量分别为全年日平均等效节约能量的86.71%和112.94%。全年总节约能量为1440.01kWh，总效率为14.11%，日平均节约能量为3.945kWh。冬夏两季日平均节约能量分别为全年日平均节约能量的81.47%和114.63%。冬夏两季系统运行性能平均值与全年平均值相比波动在20%以内，系统全年运行性能在正常范围内波动，本系统具有全年运行的可行性。

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（21622417）；新能源电力系统全国重点实验室开放课题（LAPS23017）；广东省基础与应用基础研究基金自然科学基金面上项目（2023A1515010681）；广东省普通高校重点领域专项项目（2022ZDZX1005）