光熱催化百葉型Trombe墻性能的實驗探究

摘要：針對Trombe墻存在夏季過熱、冬季室內(nèi)污染物易積累等問題，提出光熱催化百葉型Trombe墻新系統(tǒng)，在冬季實現(xiàn)采暖和甲醛凈化、夏季實現(xiàn)凈化的同時，能將太陽輻射反射到室外，緩解室內(nèi)過熱。光熱催化百葉能同時利用光能和熱能驅(qū)動催化凈化反應，還可產(chǎn)生協(xié)同效應來增強反應效率。首先探究不同比例的光熱催化劑對甲醛降解性能的影響，并測試不同甲醛濃度、紫外輻照度和催化溫度條件下的甲醛降解性能，揭示太陽輻射作用下的光熱協(xié)同凈化效應；然后搭建光熱催化百葉型Trombe墻實驗測試系統(tǒng)，探究不同太陽輻照度和百葉翻轉(zhuǎn)角度下光熱催化百葉型Trombe墻的熱性能和甲醛降解性能。研究結(jié)果表明：光熱催化劑比例為10%的光熱復合催化劑的除醛效率最佳；太陽輻射使得光熱復合催化劑的活化能降低了14.46%～31.25%，產(chǎn)生了光熱協(xié)同效應；光熱催化百葉型Trombe墻的采暖效率可達到46.21%，每小時產(chǎn)生的干凈空氣量（CADR）最大為81.47 m3/h，且墻體的采暖效率和甲醛凈化效率均隨太陽輻照度和百葉翻轉(zhuǎn)角度的增大而增大。

關鍵詞：Trombe墻；百葉；采暖；凈化；光熱協(xié)同催化

中圖分類號：TK519文獻標志碼：A

0引言

Trombe墻是一種應用廣泛的太陽能被動采暖結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，可有效利用太陽能進行室內(nèi)采暖降低建筑供熱能耗，但存在功能單一、夏季易過熱等問題。為改善Trombe墻的熱性能，學者們提出流化床式Trombe墻、透明式Trombe墻[1]等。為改變Trombe墻功能單一的缺點，有學者提出PVTrombe墻[2]，在玻璃內(nèi)表面粘附PV模塊，能同時實現(xiàn)采暖和發(fā)電。但以上Trombe墻都存在夏季過熱、冬季室內(nèi)污染嚴重的問題，這因為Trombe墻在冬季采暖模式下進出口都關閉，導致室內(nèi)空氣不能與室外空氣進行循環(huán)。

為了降低夏季室內(nèi)溫度，提出百葉型Trombe墻[3-4]，在空氣流道內(nèi)百葉的兩面分別涂上高反射率和高吸收率涂層，在夏季，高反射率涂層朝外能有效減少帶進室內(nèi)的熱量。為充分利用太陽能降低建筑采暖能耗和提升室內(nèi)空氣品質(zhì)，余本東等[5-61提出一種新型零能耗室內(nèi)空氣凈化型Trombe墻系統(tǒng)：熱催化型Trombe墻系統(tǒng)和光催化型Trombe墻系統(tǒng)7]。熱催化型Trombe墻結(jié)合熱催化氧化技術，將熱催化劑涂覆在Trombe墻體的外表面，熱催化劑涂層吸收太陽輻射后，能同時加熱室內(nèi)空氣和降解甲醛，起到采暖和除醛的作用。單一的光催化或熱催化過程存在凈化效率有限、太陽能利用率低等問題，光熱耦合催化過程不僅能同時利用光能和熱能驅(qū)動凈化反應，還可產(chǎn)生協(xié)同效應來增強反應效率[8]。

基于此，本文提出光熱催化百葉型Trombe墻系統(tǒng)。該系統(tǒng)將光熱復合催化劑涂覆在百葉表面，能充分利用太陽光中的熱和各段波長，實現(xiàn)室內(nèi)采暖和更好的除醛效果。首先，制備不同比例的光熱復合催化劑，探究不同比例的光熱復合催化材料的催化性能，選擇最佳復合比例。然后，在不同的甲醛濃度、紫外輻照度和反應溫度下，探究光熱復合催化劑的甲醛降解性能，揭示太陽輻射下的光熱協(xié)同凈化效應。最后，通過實驗探究不同太陽輻照度與百葉翻轉(zhuǎn)角度下光熱催化百葉型Trombe墻的采暖性能和空氣凈化性能。

1系統(tǒng)介紹

光熱催化百葉型Trombe墻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在百葉的一面涂上光熱復合催化劑。冬季，百葉涂有光熱催化劑材料的一面朝外，在太陽光照射下，催化劑吸收紫外光啟動光催化反應，同時催化劑涂層吸收太陽輻射轉(zhuǎn)換為熱能，催化劑涂層溫度升高，啟動催化劑的熱催化反應，含有較高甲醛濃度的室內(nèi)空氣從下風口進入空氣流道，在熱虹吸的作用下流經(jīng)空氣流道，在太陽光照射下，空氣被加熱的同時，甲醛分子被涂敷在墻體外表面的光熱催化劑催化降解，最終干凈、溫暖的空氣經(jīng)由上通風口回到室內(nèi)。在夏季，百葉光滑的另一面朝外，反射大部分太陽光，減少進入室內(nèi)的熱量，同時朝內(nèi)的催化劑涂層中的熱催化劑與甲醛發(fā)生氧化反應將其降解。可看出，光熱催化型Trombe墻系統(tǒng)是一種能同時實現(xiàn)集熱和室內(nèi)空氣凈化功能的零能耗系統(tǒng)。

2實驗部分

2.1催化劑

本文研究中采用的熱催化劑MnO，-CeO？，采用修飾共沉淀法制備9。光催化劑采用平均粒徑為4 nm、純度為99%的TiO？。將熱催化劑MnO，-CeO？和光催化劑TiO？按光催化劑/熱催化劑=5%、10%、20%等不同物質(zhì)的量的比進行機械混合得到光熱復合催化劑，將混合后的復合催化劑與去離子水混合，攪拌30 min，涂覆在表面經(jīng)過粗糙處理的鋁板上，常溫干燥12 h，實驗所需的光熱催化劑涂層就制備完畢。

為了測試復合催化材料的催化性能，對材料進行比表面積和孔容分析測試以及全光譜吸收特性測試，圖2為熱催化劑MnO-CeO？和光熱復合催化劑的全光譜吸收特性測試。MnO-CeO？的平均吸收率為88.13%，10%比例的光熱復合催化劑為85.80%。由于混入了吸收率較低的光催化劑TiO？，光熱復合催化劑在可見光及紅外波段的吸收率略低于熱催化劑，但在波長較低的紫外光范圍內(nèi)復合催化劑的吸收率較高。

2.2催化劑的甲醛降解效率實驗研究

為了測試復合催化材料的甲醛降解效率，搭建復合催化劑單通效率測試實驗臺。圖3為單通性實驗裝置圖，實驗裝置包括氣體產(chǎn)生部分、光熱催化反應部分和氣體濃度檢測部分。

本文實驗中測試不同光熱催化劑比例、甲醛濃度、催化溫度以及紫外輻照度下甲醛的單次通過率。實驗的反應溫度范圍為20～80℃，實驗中3組甲醛初始濃度分別為（300±21）×10-？、（500±30）×10-？、（700±35）×10-？，4組紫外輻照度分別為0、0.5、1.5、2.9 mW/cm2。實驗中光熱催化劑質(zhì)量均為2g，每次實驗均使用新制備的催化劑。在之前的研究中發(fā)現(xiàn)當催化涂層表面流速為4 m/s時單次通過率最高，因此實驗中空氣流量控制為20 L/min[9]

2.3墻體熱性能和甲醛降解性能實驗

為了測試光熱催化百葉型Trombe墻的采暖效率和甲醛降解性能，搭建墻體熱效率及甲醛凈化效率測試實驗臺。圖4為光熱催化百葉的制作過程。圖5為光熱催化凈化百葉型Trombe墻的熱性能和甲醛降解性能測試原理，包括3個部分：氣體產(chǎn)生部分、光熱催化凈化百葉墻體及測量部分。

實驗步驟為：首先打開模擬太陽光燈源，確定太陽輻照度，待進出口溫度穩(wěn)定后，記錄進口溫度、出口溫度、玻璃蓋板溫度、百葉溫度、內(nèi)壁溫度、空氣流道溫度、空氣流道內(nèi)空氣流速；其次打開空氣泵，通入甲醛，通過閥門控制進口甲醛濃度，待出口甲醛濃度穩(wěn)定，分別記錄進出口甲醛濃度。

本文實驗測試了不同百葉翻轉(zhuǎn)角度及太陽輻照度下墻體的采暖效率和甲醛降解效率，實驗中3組太陽輻照度分別為300、600、900 W/m2，3組百葉翻轉(zhuǎn)角度分別為15°、45°、75°，甲醛初始濃度均為300×10-？。

2.4數(shù)據(jù)分析

甲醛的單次通過率ε定義為：

式中：C——進口濃度；C——出口濃度。

催化反應速率r定義為單位BET催化劑表面積的平均反應速率（單位：10-9m/s），表達式為：

式中：Q——空氣體積流量，L/min;A——催化劑表面的總BET面積，m2。

3結(jié)果與分析

3.1光熱復合催化劑的單次通過率實驗結(jié)果

首先對制備的熱催化劑MnO，-CeO？進行單次通過率測試，作為對照組；為了尋找最佳的光熱催化劑混合比例，分別制備光催化劑/熱催化劑比例為5%、10%、20%的光熱混合催化劑，在甲醛濃度為300×10-？，紫外輻照度為2.9 mW/cm2的工況下進行單通實驗，比較不同比例的光熱催化劑在不同溫度下的單次通過率，結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，10%光催化劑的催化效果最好。當催化溫度為40 ℃時，10%光催化劑的單次通過率達到66.67%，顯著高于其他比例；同時反應溫度為60℃時，其單次通過率就已達到峰值。

為了探究溫度、甲醛濃度、紫外輻照度對復合催化劑降解效率的影響，對10%比例的復合催化劑進行正交實驗。圖7為甲醛濃度為300×10-？時不同溫度下甲醛單次通過率與紫外輻照度的關系。圖8為紫外輻照度為2.9 mWcm2時不同溫度下單次通過率與甲醛濃度的關系。可見，單次通過率隨溫度和紫外輻照度的增加而增加，隨甲醛濃度的增加呈降低趨勢。

根據(jù)圖8和式（2）可計算出不同溫度、甲醛濃度、紫外輻照度下的反應速率，部分結(jié)果如圖9所示。

3.2光熱協(xié)同效應的探究

本節(jié)從動力學分析的角度探究復合催化劑降解甲醛過程中的光熱協(xié)同效應[11-12]。首先，選用催化動力學研究中常用的雙分子L-H模型[13-14進行反應速率的擬合，雙分子L-H模型為：

其中，

式中：C，——表面甲醛濃度；ki——表觀反應系數(shù)，m/s;h——外傳質(zhì)系數(shù)，m/s。h和k參考文獻[5，15-16]計算得出。

基于圖7，對不同溫度和紫外輻照度下的r-C數(shù)據(jù)進行非線性擬合，擬合結(jié)果見表1，可看出擬合度均較好。

催化反應中溫度對反應速率的影響通常體現(xiàn)在L-H模型中的反應常數(shù)和吸附常數(shù)上，Arrhenius關系[17-18]可描述溫度對反應常數(shù)和吸附常數(shù)的影響，表達式為：

式中：k'、k？'——指前因子；E？——熱催化氧化甲醛反應的活化能，J/mol;E？——甲醛分子在催化劑表面的吸附熱，J/mol;R——氣體通用常數(shù)，R=8.31 J/（mol·K）;T——空氣的熱力學溫度，K。

將式（5）和式（6）進行對數(shù)化，得：

分別采用式（7）和式（8）對表1中數(shù)據(jù)進行線性擬合，得出斜率和截距可算出參數(shù)k'、E？、k？'、E？，見表2。

對對照組用相同的模型擬合出熱催化劑的活化能E？為8582 J/（mol·K），可看出，光熱復合催化劑的活化能低于熱催化劑，且光熱復合催化劑的活化能隨紫外輻照度的增加而降低，表明紫外線對復合催化劑的凈化效率有明顯提升，使其在甲醛降解過程中表現(xiàn)出顯著的光熱協(xié)同效應，從而有效提升催化劑的甲醛降解效果。

3.3系統(tǒng)性能分析

光熱催化百葉型Trombe墻的性能評價采用空氣采暖效率η，和甲醛降解效率ε[19]：

式中：m。——空氣流道中空氣的質(zhì)量流量，kg/s;c？——空氣的比熱容，J/（kg·K）;T、Tot——Trombe墻的進、出口溫度，℃;A——Trombe墻系統(tǒng)的太陽能接收面積，m2;Gola——太陽輻照度，W/m2;QcADR——系統(tǒng)單位時間所產(chǎn)生的干凈空氣量，m3/h。

圖10為不同百葉翻轉(zhuǎn)角度和太陽輻照度下的空氣熱效率，可看出空氣熱效率隨太陽輻照度的增大而增大。在太陽輻照度較低（如300 W/m2）時，百葉翻轉(zhuǎn)角度對空氣熱效率起著重要作用。在900 W/m2的高太陽輻照度下，空氣熱效率幾乎不隨百葉翻轉(zhuǎn)角度而變化。這是因為在太陽輻照度較高的情況下，當百葉翻轉(zhuǎn)角度較大時，百葉窗吸收的太陽輻射較多。與此同時，更多的太陽能被釋放到環(huán)境中。在3種太陽輻照度下，百葉翻轉(zhuǎn)角度為15°時熱效率分別為21.26%、42.42%和47.35%，45°時分別為35.32%、45.61%和50.61%，75°時分別為40.20%、46.21%和51.37%。

圖11為太陽輻照度分別為300、600和900 W/m2時，不同百葉翻轉(zhuǎn)角度下甲醛的單次通過率和CADR值。由圖11可看出，甲醛的通過率隨百葉翻轉(zhuǎn)角度和太陽輻照度的增大而增大。原因基于以下幾點。隨著百葉翻轉(zhuǎn)角度和太陽輻照度的增大，百葉吸收的熱量和接受的太陽能面積增加，導致熱催化劑的溫度升高以及氣流通道中的空氣流速增大，如圖12所示。一方面，由于熱催化劑溫度的升高，甲醛的熱催化降解性能增強；另一方面，空氣流道中的空氣流速增大，空氣體積流量增加，甲醛負荷增大。因此，盡管空氣體積流量隨百葉翻轉(zhuǎn)角度的增大而增加，并導致甲醛負荷的增大，但熱催化溫度的升高對甲醛降解性能的影響更為重要。

4結(jié)論

為解決Trombe墻夏季過熱、冬季室內(nèi)污染物易積累等問題，本文提出光熱催化百葉型Trombe墻，對新型Trombe墻中光熱復合催化劑的催化甲醛性能進行了研究，并探究了不同太陽輻照度與百葉翻轉(zhuǎn)角度下光熱催化百葉型Trombe墻的熱性能和甲醛降解性能，主要得出以下結(jié)論：

1）凈化效率最佳的光熱復合催化劑比例為10%，且催化劑反應溫度為60℃時，單次通過率就已達到峰值。

2）當紫外輻照度為0.0 mW/cm2時，光熱復合催化劑的活化能低于熱催化劑，且其隨紫外輻照度的增大而降低，表明紫外線對復合催化劑的凈化效率有明顯提升，使其在甲醛降解過程中表現(xiàn)出顯著的光熱協(xié)同效應，從而有效提升催化劑的甲醛降解效果。

3）墻體性能測試實驗結(jié)果表明，光熱催化百葉型Trombe墻的采暖效率可達到46.21%，CADR值最高可達到81.47 m3/h。墻體的熱性能和甲醛降解性能均隨太陽輻照度和百葉翻轉(zhuǎn)角度的增大而增大，且太陽輻照度較低時，百葉翻轉(zhuǎn)角度對墻體熱性能的影響更大。

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EXPERIMENTAL STUDY ON PERFORMANCE OF TROMBE WALLWITHPHOTOTHERMAL CATALYST PURIFICATION BLINDS

Gu Tao1，Che Lei1，Li Niansi1，2，Yu Bendong'

（1.College of Urban Construction，Nanjing UniversityofTechnology，Nanjing210009，China;

2.Department of Thermal Science and Energy Engineering，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China）

Abstract：In order to solve the problems of overheating in summer and easy accumulation of indoor pollutants in winter，a new systemof Trombe wall with photothermal catalyst purfication blinds is proposed，which can realize heating and formaldehyde purification inwinter and purification in summer，and at the same time，it can reflect solar radiation to the outside to alleviate indoor overheating.Photothermal catalytic blinds can simultaneously use light energy and heat energy to drive catalytic purification reaction，and can alsoproduce synergistic effect to enhance reaction efficiency.First the influence of photo/thermal catalyst with different proportions onformaldehyde degradation performance was is explored，and the formaldehyde degradation performance is caried out under dfferentformaldehydeconcentration，UViradiation intensity and catalytic temperature conditions，revealing the photothermal synergisticpurification effect under solar radiation.Then an experimental test system for the Trombe wall with photothermal catalyst purificationblinds is built to explore the thermal performance and formaldehyde degradation performance of the wall under different solar iradiationintensities and turning angles of blinds.The results show that the for maldehyde removal efficiency is the best when the proportion ofphotothermal catalyst was 10%.Solar radiation reduces the activation energy of the photothermal composite catalyst by 14.46%-31.25%，resulting in a photothermal synergistic ffect.The heating fficiency of the Trombe wall with photothermal catalyst purfication blinds canreach 46.21%，and the maximum CADR is 81.47 m3h.Moreover，the heating efficiency and formaldehyde purification efficiency of thewall increase with the increase of solar irradiance and turning angles of blinds.

Keywords：Trombewall;blinds;heating;purification;photothermal synergetic catalysis