雙通道光催化通風(fēng)墻室內(nèi)污染凈化與節(jié)能研究

文章編號(hào)：1674-6139（2025）06-0016-06

中圖分類號(hào)：X501文獻(xiàn)標(biāo)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，F(xiàn)uzhou 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(gè)國(guó)家的各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中起著至關(guān)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(yè)[1]。中國(guó)當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)背景下為建筑物供電的最有前途的技術(shù)之一是太陽(yáng)能利用[2]。對(duì)此中國(guó)提出綠色發(fā)展節(jié)能減排理念，結(jié)合太陽(yáng)能利用技術(shù)對(duì)建筑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高建筑的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展[3]

從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，中國(guó)已經(jīng)建成了多個(gè)單體建筑的太陽(yáng)能供熱采暖工程。傳統(tǒng)Trombe墻（太陽(yáng)能通風(fēng)墻）是集、蓄熱墻式太陽(yáng)能建筑的典型構(gòu)件，具有降低建筑能耗、改善建筑室內(nèi)環(huán)境等效用但也存在著功能單一、熱效率較低等缺點(diǎn)[4-5]。各學(xué)者對(duì)此提出諸多優(yōu)化設(shè)計(jì)。Li等提出一種雙通道型Trombe墻[6]，結(jié)果顯示新型墻熱效率是傳統(tǒng)的1.6～3.4 倍，各性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)Trombe墻。Trombe墻被動(dòng)式通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)污染物進(jìn)行凈化是較為高效的室內(nèi)通風(fēng)凈化模式[7]， Yu 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析有效驗(yàn)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(lái)，對(duì)于Trombe墻性能提升優(yōu)化提出多種路徑方法[9]，而對(duì)于室內(nèi)耦合模型污染物流動(dòng)擴(kuò)散與凈化效果研究基礎(chǔ)較為薄弱。研究結(jié)合雙通道Trombe墻與光伏光催化技術(shù)，針對(duì)夏熱冬暖地區(qū)，建立季節(jié)性室內(nèi)污染物擴(kuò)散模型，評(píng)估凈化與節(jié)能效果，優(yōu)化Trombe墻設(shè)計(jì)，提升室內(nèi)環(huán)境。

1物理和數(shù)學(xué)模型

1. 1 物理模型

太陽(yáng)能雙通道光催化光伏通風(fēng)墻系統(tǒng)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由雙通道型Trombe墻結(jié)構(gòu)與攜帶污染源的室內(nèi)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(nèi)空氣流道、寬 0.24m 實(shí)體墻壁 0.2× 0.2m 攜帶甲醛污染源 、4.0×2.8m 密閉室內(nèi)空間。系統(tǒng)各部件參數(shù)如圖1所示。研究結(jié)合夏熱冬暖地區(qū)氣候條件，對(duì)于雙通道光催化光伏Trombe墻系統(tǒng)的可行性應(yīng)用擴(kuò)展提出兩種不同季節(jié)動(dòng)力模型如圖1所示，并通過(guò)控制閥門的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)各模式流道的調(diào)節(jié)。具體包括：冬季模式，室外閥門關(guān)閉，室內(nèi)閥門開(kāi)啟，流道內(nèi)氣流升溫循環(huán)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的提升達(dá)到采暖效果；夏季模式，室內(nèi)室外閥門皆開(kāi)啟，在Trombe墻的加持下，房間與外界連通可以提升室內(nèi)氣體的流動(dòng)性。

1.2 數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)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(shí)體墻、室內(nèi)空間及各構(gòu)件之間的熱輻射傳遞。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也會(huì)對(duì)室內(nèi)空氣的自然對(duì)流造成影響， k-ε 模型是當(dāng)前一種可用于計(jì)算從層流到湍流不同類型的雙方程流動(dòng)模型，故系統(tǒng)采用 k-ε 流動(dòng)模型對(duì)氣體流動(dòng)進(jìn)行分析。

為方便計(jì)算對(duì)仿真模型做出以下假設(shè)：

（1）系統(tǒng)表面均為漫反射，且初始值為灰體；

（2）模型中所需物性參數(shù)設(shè)為常數(shù)；

（3）光催化涂層厚度忽略不計(jì)，涂層溫度與玻璃蓋板溫度視為相等；（4）玻璃內(nèi)壁光催化涂層均勻分布，不考慮甲醛在催化層中的擴(kuò)散；（5）系統(tǒng)空氣中甲醛濃度較低，光催化層反應(yīng)熱忽略不計(jì)；（6）系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)用單一公式表示： 0

1.2.1 能量平衡分析

根據(jù)系統(tǒng)的傳熱模型，分別對(duì)玻璃板、內(nèi)外流道、光伏板和實(shí)體墻進(jìn)行熱平衡分析[6]

對(duì)玻璃蓋板進(jìn)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(shí)間， s;I 為太陽(yáng)輻射強(qiáng)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(shù)， W/（m²?K）;T_b 為隔熱板溫度，K;h_c，aa 為外流道對(duì)流傳熱系數(shù)， W/（m²?K） ： T_aa 為外流道內(nèi)空氣溫度， K;h_c，amb 為玻璃蓋板與環(huán)境的對(duì)流傳熱系數(shù)， W/（m²?K）;T_amb 為環(huán)境溫度， K;h_r，amb 為玻璃蓋板與環(huán)境輻射換熱系數(shù)， W/（m²?K）;T_sky 為天空溫度， K 且 T_sky=0.0552T_amb^1.5 。

對(duì)外流道進(jìn)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(duì)內(nèi)流道進(jìn)行熱平衡分析如式（3）：

式（3）中， V_ab 為內(nèi)流道空氣流速， m/s 。

S2S（表面對(duì)表面輻射傳熱）模型可以對(duì)不同表面之間的輻射傳熱進(jìn)行計(jì)算分析，因此對(duì)光伏板和實(shí)體墻熱輻射進(jìn)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(fā)射率； N 是指與輻射傳熱相關(guān)的表面計(jì)數(shù)； F_ij 是從表面 i 到表面 j 的輻射視因數(shù)； T_i 是表面 i 的溫度， K;σ （斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)） =5.67×10^-8，W/（m²?K⁴）. 0

1. 2.2 質(zhì)量平衡方程

對(duì)流道內(nèi)甲醛進(jìn)行分析并提出附光催化層外流道的質(zhì)量平衡公式如式（5）：

式（5）中， V_a 為空氣流道內(nèi)流體的體積， m³;u_a 為流道內(nèi)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(nèi)對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)， 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(nèi)釋放污染氣體并累積擴(kuò)散，對(duì)甲醛在室內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散分析如式（6）：

1. 2.3 性能評(píng)價(jià)參數(shù)

通過(guò)系統(tǒng)的濃度和流速分布、不同參數(shù)下系統(tǒng)通風(fēng)量、凈化效果及總效率評(píng)價(jià)雙通道光催化光伏Trombe墻模型的性能效用。

系統(tǒng)總效率 η_tol 為式（7）：

η_tol=η_th+η_HCH0

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

系統(tǒng)的CADQ為式（10）：

為更好研究系統(tǒng)的節(jié)能潛力對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)太陽(yáng)能通風(fēng)墻模型進(jìn)行比對(duì)，設(shè) Q_t 作為節(jié)能優(yōu)化效果的量化指標(biāo)如式（11）：

Q_t=E₀-E₁

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

2 分析與討論

當(dāng)前研究對(duì)于雙通道光伏光催化Trombe墻研究相對(duì)缺失，為驗(yàn)證模型的可行性，參考文獻(xiàn)[6，9]分別對(duì)雙通道Trombe墻和光伏Trombe墻對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。

如圖2（a）所示，以出入口溫度差作為模型的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)雙通道墻模型進(jìn)行校驗(yàn)，隨著外流道寬度變化，系統(tǒng)熱效率呈穩(wěn)定趨勢(shì)，出入口溫度差變化趨勢(shì)相近且誤差不超過(guò) 15% 。

如圖2（b）所示，以流道出口溫度和空氣內(nèi)流速作為模型驗(yàn)證的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在太陽(yáng)光照輻射強(qiáng)度為300～800W/m² 條件下只考慮模型流動(dòng)傳熱進(jìn)行驗(yàn)證，且平均誤差分別為 0.6% 和 15% 。由此可以認(rèn)為模型建模可靠性較好并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步研究。

選擇合適網(wǎng)格在滿足計(jì)算精度要求的同時(shí)可以大幅節(jié)約計(jì)算成本，為確定合適的網(wǎng)格數(shù)量，構(gòu)建五種不同網(wǎng)格進(jìn)行比較分析，如表1所示。設(shè)置條件為：夏熱冬暖地區(qū)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(yáng)光照強(qiáng)度與紫外線強(qiáng)度為2021年廣州1月1日氣候站所獲數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算，雙通道光催化通風(fēng)墻對(duì)室內(nèi)污染物有明顯凈化效果且高達(dá) 70% ，且所得各網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果差異較小，最高不超過(guò) 10.8% ，綜合考慮時(shí)間成本與計(jì)算精度后續(xù)選用網(wǎng)格4387進(jìn)行后續(xù)計(jì)算分析討論。

2.1 系統(tǒng)冬季性能分析

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是影響系統(tǒng)性能重要因素之一。為探究系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能影響，設(shè)置三組流道不同寬高比數(shù)據(jù)（外流道與內(nèi)流道寬度始終相等），探究流道在不同寬度下系統(tǒng)流道通風(fēng)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(nèi)通風(fēng)與污染物凈化效果是評(píng)判系統(tǒng)光催化通風(fēng)凈化性能一大標(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示，系統(tǒng)通風(fēng)量隨著系統(tǒng)流道寬度的增大明顯上升，且在日間通風(fēng)效果較為明顯，在 15～17h 之間達(dá)到峰值，與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)相近，且系統(tǒng)的通風(fēng)量伴隨著系統(tǒng)寬度的提升而不斷增大。此外，系統(tǒng)污染物凈化率隨時(shí)間變化逐漸減?。河捎诔跏紩r(shí)流道未工作，凈化率計(jì)算結(jié)果高達(dá) 100% ，隨著時(shí)間變化凈化率不斷減小，結(jié)果也更具時(shí)效性且最低不低于 70% 0

2.2 系統(tǒng)夏季性能分析

為探究夏季系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能影響，同樣設(shè)置三組流道不同寬高比數(shù)據(jù)，探究流道在不同寬度下系統(tǒng)通風(fēng)凈化效果。

如圖4所示不同寬高比系統(tǒng)通風(fēng)量與凈化量比對(duì)關(guān)系圖。系統(tǒng)通風(fēng)量隨著系統(tǒng)流道寬度的增大明顯上升，且在日間通風(fēng)效果較為明顯，兩者變化趨勢(shì)相近說(shuō)明系統(tǒng)通風(fēng)量與凈化量聯(lián)系緊密。由于系統(tǒng)窗口風(fēng)速設(shè)置初始速度為 0.03m/s ，內(nèi)外強(qiáng)差關(guān)系導(dǎo)致夜間流道內(nèi)氣體保持運(yùn)動(dòng)，當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度逐漸增加時(shí)，系統(tǒng)通風(fēng)量驟然降低而后不斷提升，系統(tǒng)在不同高寬比下總體通風(fēng)量保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。系統(tǒng)凈化量如圖4所示，系統(tǒng)污染物凈化量隨時(shí)間變化與通風(fēng)量變化趨勢(shì)相近：由于系統(tǒng)與室外連通且排風(fēng)效果良好，此時(shí)通風(fēng)量成為凈化量的一大主導(dǎo)因素。此外，當(dāng)流道寬度增大時(shí)，系統(tǒng)凈化效率相應(yīng)減小，但最低不低于 70% ，說(shuō)明此時(shí)在寬流道進(jìn)行光催化凈化反應(yīng)更占優(yōu)勢(shì)。

2.3 系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

為探究雙通道模型較傳統(tǒng)Trombe墻節(jié)能潛力與優(yōu)勢(shì)分析，以 Q_t 作為節(jié)能優(yōu)化效果的量化指標(biāo)即雙通道模型與傳統(tǒng)模型之間節(jié)能量之差。由圖5（a）可知：模型節(jié)能量隨時(shí)間變化而出現(xiàn)起伏且上下幅度相近，系統(tǒng)在冬季模式新模型較舊模型節(jié)能效果不明顯；系統(tǒng)夏季模式在日間時(shí)刻節(jié)能效果有相對(duì)優(yōu)化，適合夏熱冬暖地區(qū)應(yīng)用情況。由此說(shuō)明，文章提出的雙通道型Trombe墻節(jié)能量總體高于傳統(tǒng)Trombe墻。

如圖5（b）所示，兩種工況模式下發(fā)電量較為相近且夏季模式系統(tǒng)發(fā)電量明顯高于冬季模式下系統(tǒng)的發(fā)電量，夏季發(fā)電時(shí)間區(qū)間也高于冬季工作模式，系統(tǒng)發(fā)電量最高可達(dá) 46W/m² ，總體節(jié)能效果十分可觀。此外，對(duì)冬、夏季雙通道模型與傳統(tǒng)模型之間進(jìn)行比對(duì)分析，此處主要對(duì)外流道得熱量作為探討對(duì)象。新模型得熱量均高于傳統(tǒng)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(jié)論

通過(guò)綜合分析耦合得熱量Q、發(fā)電量E和空氣凈化量CADR三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，并考慮流道的高寬比，對(duì)光伏光催化雙通道Trombe墻進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)Trombe墻相比，雙通道型Trombe墻在發(fā)電量方面表現(xiàn)出與氣候特點(diǎn)相符合的波動(dòng)，夏季通風(fēng)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(tǒng)凈化效率最低也能達(dá)到 70% 。不同寬高比的工況模式在各個(gè)季節(jié)的氣候條件下展現(xiàn)出各自的優(yōu)勢(shì)，尤其是流道寬度較高的模型在夏季的整體性能表現(xiàn)最為優(yōu)異。此外，雙通道型光伏光催化Trombe墻在節(jié)能方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)Trombe墻，有效提升了太陽(yáng)能的利用效率，并且具有良好的通風(fēng)凈化性能，有助于改善室內(nèi)環(huán)境，提高環(huán)境舒適度和適居性。

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