光热复合催化Trombe墙性能及百叶角度调控策略研究.pdf
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1、第 12 卷 第 1 期 新 能 源 进 展 Vol.12 No.1 2024 年 2 月 ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY Feb.2024 *收稿日期:2023-07-10 修订日期:2023-09-13 基金项目:建筑能效控制与评估教育部工程研究中心开放课题/主任基金资助项目(AHJZJN-2021-03);江苏省自然科学面上基金项目(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:樊苗苗,顾涛,李念思,等.光热复合催化 Trombe 墙性能及百叶角度调控策略研究J.新能
2、源进展,2024,12(1):40-47.Citation:FAN Miaomiao,GU Tao,LI Niansi,et al.Performance analysis of the photo-thermal composite catalytic Trombe wall and the angle control strategy of blindsJ.Advances in new and renewable energy,2024,12(1):40-47.文章编号:2095-560X(2024)01-0040-08 光热复合催化 Trombe 墙性能及百叶角度调控策略研究*樊苗苗1
3、,2,顾 涛2,李念思2,余本东1,2,(1.安徽建筑大学,建筑能效控制与评估教育部工程研究中心,合肥 230601;2.南京工业大学 城市建设学院,南京 210009)摘 要:太阳能热催化技术利用太阳全光谱产生集热和降解甲醛,太阳能光热复合催化技术是一种可以同时利用光和热产生热量并降解甲醛的高效技术。分别将热催化、光热复合催化百叶技术应用到 Trombe 墙系统,实现采暖的同时,能够利用太阳光降解室内气态污染物。建立热催化、光热复合催化百叶 Trombe 墙传热传质模型并进行实验验证,基于模型探究热催化百叶 Trombe 墙和光热复合催化百叶 Trombe 墙在南京和北京冬至日(9:0017
4、:00)气象参数下百叶全天最佳调控策略。结果表明,建立的传热传质模型预测与实验数据符合度较高。同一百叶 Trombe墙系统,不同地区的最佳百叶角度不同;对于热催化百叶 Trombe 墙,南京全天最佳百叶角度下,产生的热量和干净空气量分别为 5.6 MJ/d、196.7 m3/d,北京分别为 4.6 MJ/d、167.9 m3/d;对于光热复合催化百叶 Trombe 墙,南京全天最佳百叶角度下,产生的热量和干净空气量分别为 6.7 MJ/d、205.6 m3/d,北京分别为 5.4 MJ/d、174.8 m3/d;在全天最佳百叶角度调控策略下,其南京冬至日产生的热量和干净空气量分别为热催化百叶
5、Trombe 墙系统的1.20 倍和 1.05 倍;系统位于北京时,分别为热催化百叶 Trombe 墙系统的 1.17 倍和 1.04 倍。关键词:Trombe 墙;光热复合催化;热催化;净化百叶;采暖;甲醛 中图分类号:TK519;TU18 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.2095-560X.2024.01.005 Performance Analysis of the Photo-Thermal Composite Catalytic Trombe Wall and the Angle Control Strategy of Blinds FAN Miaomiao1,
6、2,GU Tao2,LI Niansi2,YU Bendong1,2,(1.Engineering Research Center of Building Energy Efficiency Control and Evaluation,Ministry of Education,Anhui University of Architecture,Hefei 230601,China;2.College of Urban Construction,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China)Abstract:Solar thermal catalyt
7、ic technology can use the suns full spectrum to generate heat collection and purify formaldehyde.Photo-thermal composite catalytic technology is a highly efficient technology that can use solar light and heat to generate heat and formaldehyde degradation simultaneously.Thermal catalysis and photo-th
8、ermal composite catalytic technology composite blinds were applied to the Trombe wall system,which used sunlight to degrade indoor gaseous pollutants while heating.This paper established the heat and mass transfer model of the Trombe wall with thermal/photo-thermal composite catalytic blinds,and exp
9、erimental verification was carried out.Based on the model,the optimal control strategy of blinds for the Trombe walls was explored under the meteorological parameters of Nanjing and Beijing winter solstice(9:00-17:00).The results demonstrated excellent agreement between the established heat and mass
10、 transfer model predictions and experimental data.Notably,regions require different optimal blind angles for identical Trombe wall systems with blinds.The heat generated and clean air at the best optimal blinds for the Trombe wall with thermal catalytic blinds were 5.6 MJ/d and 196.7 m3/d,respective
11、ly.In Beijing,they were 4.6 MJ/d and 167.9 m3/d,respectively.For the Trombe wall with photo-thermal catalytic blinds system,the heat generated and clean air at the best optimal blinds were 6.7 MJ/d and 205.6 m3/d,respectively.In Beijing,they were 5.4 MJ/d and 174.8 m3/d,respectively.Under the optima
12、l louver angle control strategy,the heat and clean air generated in the winter in Nanjing was 1.20 and 1.05 times that of the Trombe wall with photo-thermal catalytic blinds system,and 1.17 and 1.04 times that of the Trombe wall with thermal catalytic blinds system when the system was located in Bei
13、jing.Keywords:Trombe wall;photo-thermal composite catalytic;thermal-catalytic;purification blind;space heating;formaldehyde 第 1 期 樊苗苗等:光热复合催化 Trombe 墙性能及百叶角度调控策略研究 41 0 引 言 Trombe 墙是一种具有采暖和通风功能的系统,具有结构单一和运行维护成本较低的优点1。然而,传统的 Trombe 墙仍然具有功能单一和太阳能利用效率较低的问题2。为解决上述问题,LEANG 等3在 Trombe 墙中集成了相变材料,提高了墙体的热性能。
14、SHEN 等4提出了一种复合 Trombe 墙系统,该系统采用绝缘墙体,增加了墙体的热阻,减少了传统 Trombe 墙体系统的能量损失。为解决 Trombe 墙夏季过热的问题,STAZI 等5在 Trombe 墙系统通风道内悬挂了百叶卷帘,保证 Trombe 墙系统夏季的热舒适性。HU 等6提出一种具有通风功能的百叶Trombe 墙系统,可以实现夏季降低室内温度和冬季采暖的功能。此外,在气流通道中加入垂直翅片,可以有效提高 Trombe 墙系统对太阳能的利用率7。Trombe 墙在冬季运行模式下容易出现室内空气污染物积累等问题。太阳能热催化技术与光催化技术是太阳能系统中常用的净化技术。热催化氧
15、化(thermal catalytic oxidation,TCO)技术利用太阳全光谱发生热催化氧化反应,具有去除污染物效率高、无二次污染等优点8。将热催化氧化技术集成到Trombe 墙系统中,提出热催化型 Trombe 墙系统,该系统具有净化、采暖和保温的功能9。光催化氧化(photocatalytic oxidation,PCO)技术利用太阳光谱中的紫外部分,反应可在常温常压下进行10。将光催化氧化技术和传统 Trombe 墙系统结合,提出光催化型 Trombe 墙系统10,具有杀菌、降解甲醛和采暖的功能。此外,还可将光/热催化技术与太阳能光伏光热综合利用技术结合在 Trombe 墙系统上
16、,提出光/热催化型光伏光热复合墙系统,能够实现发电、采暖和净化的功能11-12。如图 1 所示,在夏季,将百叶具有高反射材料的一面朝向室外,反射大部分太阳辐射能量;当空气流道温度达到百叶催化涂层的启动温度时,百叶另一面将会发生催化净化反应,因此,系统具有遮阳和净化的功能。在冬季,将具有催化涂层的百叶朝向室外,涂层吸收太阳辐射能量,同时加热流道中的空气,从而实现净化和采暖的功能。然而,单一的催化净化效率不高,太阳能光热复合催化技术不仅可以同时利用太阳光和热驱动光催化反应和热催化反应,而且发生了光热协同效应,提高了降解污染物的效率13。因此,将光热复合催化剂喷涂在百叶型 Trombe 墙系统的百叶
17、上,提出了光热复合催化百叶 Trombe 墙系统,通过调整百叶角度能够提高墙体对太阳能的利用率。图 1 热/光热复合催化百叶 Trombe 墙系统 Fig.1 Trombe wall with thermal/photo-thermal composite catalytic blinds 本文首先建立热催化/光热复合催化百叶 Trombe墙的传热传质模型,并进行实验验证,然后基于模型探究热催化百叶 Trombe 墙和光热复合催化百叶型 Trombe 墙在南京和北京冬至日(9:0017:00)气象参数下百叶全天最佳调控策略,并分析两种百叶型 Trombe 墙在最佳百叶调控策略下的最佳热性能和净
18、化性能。1 系统模型 图 2 为百叶 Trombe 墙系统的传热传质模型。传热模型包括玻璃盖板、净化百叶、空气流道和蓄热墙体四个部分。图 2 百叶 Trombe 墙系统传热传质模型 Fig.2 Heat and mass transfer model of the blinds Trombe wall system 42 新 能 源 进 展 第 12 卷 图 2 中,传质模型为空气流道和净化百叶表面的甲醛的质量传递模型。提出如下假设:将空气流道中的空气流动过程和甲醛降解过程视为一维过程;由于甲醛浓度低,忽略气态甲醛的光热复合催化氧化的催化反应热;所有热物理参数均假定为常数14。对于玻璃盖板,热
19、平衡方程式如下:ge,gegsky,gskygg,aagg,bbggddTmcAhTTAhTTtAhTTAhTTAG (1)1.5skye0.0552TT (2)3gbg,bggbb4211/1/TThF (3)玻璃窗和百叶之间的角系数,可通过以下公式计算15:901sin2F (4)玻璃与空气流道内气流之间的自然对流传热系数和辐射传热系数参考文献16,其经验公式如下:9/169/161/494/921/498/270.6700.68 1010.492/0.3870.825 1010.492/RaNuRaPrRaNu RaPr(5)对于空气流体,考虑了传热和传质过程。这里假设对流热和质量均匀分
20、布在空气流道中。热量和质量平衡方程式如下:ab,abag,agaaTTmcAhTTAhTTmcuty(6)ms0CCuhCCty (7)空气流速的计算基于压力平衡,其表达式如下:a_outa_in22ininoutout/gTTHufA AfA Af H d (8)从主流空气到催化剂传质与催化剂界面处的热催化和光热复合催化反应之间的传质平衡17,表达式如下:HCHOappsms=rKChCC (9)催化反应速率可根据双分子朗缪尔欣谢尔伍德(Langmuir-Hinshelwood,L-H)动力学模型计算,本课题组之前的研究已经验证了该动力学,公式如下18:HCHOHCHOHCHOHCHO2HC
21、HOHCHO1kKCrKC (10)1/3ShNuLe (11)对于净化百叶,由于厚度非常薄,假设每个百叶的温度是均匀的。因此,传热方程表示如下:bb,aatbg,bgbw,bwbgb1d+d +TmcAhTTAhTTtAhTTX GA (12)112112111sincostan1sincostan10XXXhXhXX 时 时(13)sswssinarctancoscoshhaah (14)对于墙体,能量方程表示如下:2ww2TTctx (15)墙体外表面和内表面的边界条件如下:wa,wwaw,bwbgw2www,rwroom0:TxhTThTTGF AxTxhTTx(16)空气采暖热效率为
22、:aaoutinthsolarm cTTSG (17)甲醛的单次通过率计算公式如下:inoutout100%CCC (18)洁净空气输出率(clean air delivery rate,CADR)计算公式如下:CADRQ (19)第 1 期 樊苗苗等:光热复合催化 Trombe 墙性能及百叶角度调控策略研究 43 2 百叶 Trombe 系统性能分析 2.1 实验和模型验证 采用沉淀法制备了热催化剂MnOx-CeO2,光催化剂是粒径为4 nm的TiO219。将光催化剂和热催化剂按照摩尔比为19的比例机械搅拌混合,制成光热复合催化剂。采用喷涂的方法将热催化剂和光热复合催化剂涂在百叶板上,常温干
23、燥12 h。如图3所示,在南京工业大学江浦校区搭建了热催化百叶Trombe墙系统和光热复合催化百叶Trombe墙系统的实验台,分别进行了相关性能探究实验。采用模拟光源为系统提供太阳辐射,光源辐射强度和入口处气体不变。如图3,在系统入口处通入含有一定甲醛浓度的气体,在模拟的太阳光源照射下,热催化百叶Trombe墙系统表面发生热催化反应,净化空气。在系统出口处得到被系统净化后的干净空气,测量出口处甲醛浓度。此外,用实际太阳光替代模拟太阳光,进行了实验。该通风墙面朝南,测试时间为上午9时到下午5时,选择了2022年11月的三天,气象数据相似,平均太阳辐射强度分别为396、386、362 W/m2,平
24、均环境温度均接近18.6。分别于11月20日、24日和25日,在15、45和75三个不同角度下的光热复合催化百叶Trombe墙系统进行实验,来探究系统的热效率和甲醛降解性能。图 3 热/光热复合催化百叶 Trombe 墙系统实验测试装置 Fig.3 Experimental test setup of the blinds Trombe wall system 基于南京工业大学搭建的光热复合催化百叶Trombe墙系统的实验,将实验与模拟的数据进行了对比和计算,如图4,模型计算的结果与实验数据较为吻合。热催化百叶Trombe墙系统出口空气温度和 26283032342628303234 空气出口
25、温度模拟的空气出口温度/实验出口空气温度/(a)热催化百叶 Trombe 墙系统0.300.350.400.450.500.550.600.300.350.400.450.500.550.60 热效率模拟热效率实验热效率 0.320.360.400.440.320.360.400.44 甲醛单次通过率模拟甲醛单次通过率实验甲醛单次通过率热催化百叶 Trombe 墙系统3035404550556030354045505560 CADR模拟 CADR/(m3/h)实验 CADR/(m3/h)(b)0.20.30.40.50.20.30.40.5 甲醛单次通过率 模拟出口空气温度/实验空气出口温度/
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- 光热 复合 催化 Trombe 性能 百叶 角度 调控 策略 研究
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