0 引言
为了降低夏季室内温度,提出了百叶型Trombe墙[9,10],在空气流道内的百叶的两面分别涂上高反射率和高吸收率涂层,在夏季,高反射率涂层朝外,能有效减少带进室内的热量。为充分利用太阳能降低建筑采暖能耗和提升室内空气质量,国内学者提出了两种新型零能耗室内空气净化型Trombe墙系统：热催化型Trombe墙系统[11]、光催化型Trombe墙系统[12,13]。热催化型Trombe墙结合热催化氧化技术,将热催化剂涂覆在Trombe墙体的外表面,热催化剂涂层吸收太阳辐射后,能同时加热室内空气和降解甲醛,达到采暖和除醛的作用。单一的光催化或者热催化过程存在净化效率有限、太阳能利用率不高等问题,光热耦合催化过程不仅能同时利用光能和热能驱动净化反应,还可产生协同效应来增强反应效率[14]。基于此,本文提出光热催化百叶型Trombe墙系统。该系统将光热复合催化剂涂覆在百叶表面,能充分利用太阳光中的热和各段波长,实现室内采暖和更好的除醛效果。
本文的主要研究内容包括：第一,制备不同比例的光热复合催化剂,搭建单通实验台,探究不同比例的光热复合催化材料的催化性能,选择最佳复合比例;第二,搭建催化百叶型Trombe墙,在百叶的一面涂上热催化剂或光热复合催化剂,测试热催化百叶型Trombe墙和光热催化百叶型Trombe墙的甲醛降解性能和热性能并进行对比;第三,探究百叶翻转角度对墙体综合性能的影响。
1 系统介绍
光热复合催化百叶型Trombe墙系统的基本结构如图1所示。在百叶的一面涂上光热复合催化剂。冬季,百叶涂有光热复合催化剂材料的一面朝外,在太阳光照射下,催化剂吸收紫外光启动光催化反应,同时催化剂涂层吸收太阳辐照转换为热能,催化剂涂层温度升高,启动催化剂的热催化反应,含有较高浓度甲醛的室内空气从下风口进入空气流道,在热虹吸的作用下流经空气流道,在太阳光照射下,空气被加热的同时,甲醛分子被涂敷在墙体外表面的光热复合催化剂催化降解,最终干净的温暖空气经由上通风口回到室内。在夏季,百叶光滑的另一面朝外,反射大部分太阳光,减少进入室内的热量,同时朝内的催化剂涂层中的热催化剂与甲醛发生氧化反应将其降解。可以看出,光热复合催化百叶型Trombe墙系统是一种能同时实现集热和室内空气净化功能的零能耗系统。
Fig. 1 Basic structure of the Trombe wall with photothermal catalytic blinds图1 光热催化百叶型Trombe墙系统基本结构 |
2 实验部分
2.1 催化剂
研究采用的热催化剂MnOx-CeO2由修饰共沉淀法制备[15]。光催化剂采用平均粒径为4 nm、纯度为99%的TiO2。将热催化剂MnOx-CeO2和光催化剂TiO2按光催化剂/热催化剂分别为5%、10%、20%等不同摩尔比例进行机械混合得到光热复合催化剂,将混合后的复合催化剂与去离子水混合,搅拌30 min,涂覆在表面经过粗糙处理的铝板上,常温干燥12 h,得到光热复合催化剂涂层。
Fig. 2 Once-through conversion (a) and absorption rate (b) of photothermal composite catalysts with different proportions图2 不同比例的光热复合催化剂的单次通过率（a）与吸收率（b） |
从图2中光热复合催化剂的全光谱吸收特性可以看出,热催化剂的吸收率显著高于光催化剂,热催化剂和5%、10%、20%比例的光热复合催化剂的平均吸收率分别为0.88、0.87、0.86、0.83。由于混入了吸收率较低的光催化剂TiO2,光热复合催化剂的吸收率略低于热催化剂。
2.2 墙体热性能、甲醛降解性能测试
Fig. 3 Production process of photothermal catalytic blinds图3 光热催化百叶制作过程 |
Fig. 4 Schematic diagram of thermal performance and formaldehyde degradation performance test of the wall图4 墙体的热性能和甲醛降解性能测试的原理图 |
Table 1 Accuracy of main experimental measuring instruments表1 主要实验测量仪器的精度 |
| 仪器 | 型号 | 精度 |
|---|---|---|
| 浮子流量计1 | 10WB 5-45 L/min | 4% |
| 浮子流量计2 | 30WB 50-500 mL/min | 2.5% |
| 甲醛检测仪 | HCX400-CH2O | 5% |
| 紫外灯 | 365 nm | — |
| 紫外辐射计 | ST513 | 4% |
| 电加热板 | H380-Pro | — |
| 热电偶 | T-type | 0.1 ℃ |
| 数据采集仪 | 34970A | — |
| 太阳辐照仪 | TBQ-B | 4% |
| 风速仪 | 6501-BG | 0.1 m/s |
Table 2 Physical parameters of the Trombe wall表2 墙体的物性参数 |
| 主要部件 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|
| 玻璃盖板 | 数量 | 1 |
| 厚度/mm | 2 | |
| 高度/mm | 1 500 | |
| 宽度/mm | 600 | |
| 净化百叶（铝板） | 数量 | 30 |
| 厚度/mm | 1 | |
| 长度/mm | 500 | |
| 宽度/mm | 50 | |
| 百叶之间的间距/mm | 50 |
Fig. 5 Physical drawing of the experimental device图5 实验装置实物图 |
首先,分别测试了光热复合催化百叶与热催化百叶的综合性能,为了减小光热催化百叶型Trombe墙与热催化百叶型Trombe墙之间的性能测试的对比误差,在2022年11月份进行了多组测试,选取气象数据最相近的两天的性能测试结果。如图6所示为所取两天的气象数据,两天的平均太阳辐照分别为391、385 W/m2,平均环境温度分别为19.1、18.5 ℃。分别在2022年11月18日、11月24日测试热催化百叶型Trombe墙和光热催化百叶型Trombe墙的性能。其次,为了探究百叶翻转角度对墙体综合性能的影响,分别测试了百叶角度为15°、45°、75°时的墙体综合性能,取气象数据最相近的三天的实验数据作为研究对象,气象数据见图7。
Fig. 6 Meteorological data for two days of photothermal catalytic blind and thermal catalytic blind experiments图6 光热催化百叶与热催化百叶实验两天的气象数据 |
Fig. 7 Meteorological data on the day of the experiment with different blinds turning angles图7 不同百叶翻转角度实验当天的气象数据 |
2.3 数据分析
甲醛的单次通过率ε定义为
$\varepsilon \text{=}\frac{{{C}_{\text{in}}}-{{C}_{\text{out}}}}{{{C}_{\text{in}}}}\times 100%$ (1)
光热复合/热催化百叶型Trombe墙的性能评价采用空气采暖效率${{\eta }_{\text{th}}}$、甲醛降解效率$\varepsilon $和干净空气量（clean air delivery rate, CADR）：
${{\eta }_{\text{th}}}=\frac{{{m}_{\text{a}}}\ \ {{c}_{\text{a}}}\ \left( {{T}_{\text{out}}}-{{T}_{\text{in}}} \right)}{AG}$ (2)
$\varepsilon =\frac{{{C}_{\text{in}}}-{{C}_{\text{out}}}}{{{C}_{\text{in}}}}$ (3)
${{R}_{\text{CAD}}}\text{=}Q\varepsilon $ (4)
3 实验结果
3.1 性能对比分析
为探究热催化和光热复合催化百叶型通风墙实验性能,分别测试了光热复合催化百叶型Trombe墙和热催化百叶型Trombe墙在百叶翻转角度为45°时,实际一天中的热效率、甲醛单次通过率和CADR。
墙体的甲醛净化性能见图8。图中可见,入口甲醛浓度不是恒定的,而是随太阳辐射而变化。这是由于空气流道内的空气流速受热虹吸影响随太阳辐射而变化。出口甲醛浓度随着太阳辐照的增强而降低,这是由于太阳辐照的增大使催化剂的活性增强,能够使更多的甲醛发生反应。热催化百叶型Trombe墙和光热催化百叶型Trombe墙的进口甲醛浓度范围分别为0.362 ~ 0.497 mg/m3和0.364 ~ 0.489 mg/m3,出口甲醛浓度范围分别为0.304 ~ 0.381 mg/m3和0.303 ~ 0.369 mg/m3。
Fig. 8 Formaldehyde concentration at import and export for thermal catalytic blinds and photothermal catalytic blinds图8 热催化百叶和光热催化百叶进出口甲醛浓度 |
图9（a）、图9（b）分别显示了两种墙体的甲醛单次通过率和CADR,两者基本上随着太阳辐射强度的增加而增加。这是由于净化百叶温度随着太阳辐射强度的增加而升高[图9（c）],紫外线强度也随之增加,从而提高了热/光热复合催化剂的甲醛降解效果。同时空气流道内的空气流速也随着太阳辐照的增加而增加[图9（d）],使空气流量增加,因此CADR也随之呈现相同变化趋势。还可以观察到,光热催化百叶的甲醛单次通过率和CADR均高于热催化百叶。热催化百叶型Trombe墙和光热催化百叶型Trombe墙一天的平均甲醛单次通过率分别为21.34%和25.45%,一天总共产生的干净空气量分别为193.14 m3/h和230.85 m3/h。可以看出,光热催化百叶Trombe墙的甲醛净化性能明显高于热催化百叶型Trombe墙。
Fig. 9 Formaldehyde once-through conversion (a), CADR (b), temperature of blinds (c), and air flow rate (d) of two Trombe walls图9 两种墙体的甲醛单次通过率（a）、CADR（b）、百叶温度（c）、空气流速（d） |
Fig. 10 Temperature at inlet and outlet for thermal catalytic blinds and photothermal catalytic blinds图10 热催化百叶和光热催化百叶进出口温度 |
Fig. 11 Thermal efficiency of two Trombe walls at daytime图11 两种墙体白天的热效率 |
综上所述,热催化百叶型Trombe墙在净化过程中只有单一热催化反应,净化效率有限,而光热催化百叶型Trombe墙利用了光热协同机理,既有热催化氧化还原反应,又有光催化氧化还原反应,可产生协同效应,具有更高的甲醛净化效率。但由于光热复合催化剂的吸收率略低于热催化剂,热催化百叶型Trombe墙的集热效率更高。
3.2 百叶翻转角度对墙体综合性能的影响
为探究百叶翻转角度对系统性能的影响,分别测试了15°、45°、75°的百叶角度下的光热催化百叶型Trombe墙在实际一天中的热效率、甲醛单次通过率和CADR。
Fig. 12 Temperature difference between inlet and outlet (a), temperature of blinds (b), and thermal efficiency (c) of the Trombe wall under different blinds turning angles图12 不同百叶翻转角度下的进出口温差（a）、百叶温度（b）和热效率（c） |
百叶角度对其甲醛净化性能的影响见图13。三种百叶角度下的甲醛单次通过率和CADR的趋势都与太阳辐照相似。由于百叶的温度随着太阳辐照的增加而升高,紫外强度也随之增强,从而提高了光热复合催化剂的甲醛净化效率。且当百叶角度为45°时,甲醛单次通过率与CADR最高,此时的平均甲醛单次通过率为28.9%,一天总共能产生205.1 m3干净空气。由于百叶角度为45°时,百叶的温度较高,受太阳辐照的面积较大,使光热复合催化剂的甲醛降解效率更高。
Fig. 13 Formaldehyde once-through conversion (a) and CADR (b) of the Trombe wall under different blinds turning angles图13 不同百叶翻转角度下的甲醛单次通过率（a）和CADR（b） |
综上所述,墙体的热性能与甲醛降解性能随着百叶接受辐照面积的增大而增大,在南京地区的11月份,当百叶角度为45°时,墙体的综合性能更高。
4 结论
为解决Trombe墙夏季过热、冬季室内污染物易积累等问题,提出光热催化百叶型Trombe墙,开展新型Trombe墙中的光热复合催化剂催化甲醛转化的性能研究,进一步探究实际一天中光热催化百叶型Trombe墙的热性能和甲醛降解性能,并与热催化百叶型Trombe对比,得出以下结论：
（1）墙体性能测试实验结果表明,光热催化百叶型Trombe墙在采暖月阳光良好的一天中的平均热效率能达到28.93%,平均甲醛单次通过率能达到25.45%,白天总共能产生230.85 m3的干净空气。热催化百叶型Trombe墙的平均热效率为29.44%,平均甲醛单次通过率为21.34%,共产生193.14 m3的干净空气。
（2）相较于热催化百叶型Trombe墙,光热催化百叶型Trombe墙的甲醛净化性能有显著的优势,而热催化百叶型Trombe墙具有更高的热效率。
（3）墙体的综合性能受百叶翻转角度的影响,百叶受太阳辐照面积越大,墙体的甲醛净化性能与热性能越高。在南京的11月份,当百叶角度为45°时,相较于其他角度（15°、75°）,墙体的综合性能最佳。
符号表：
A 面积,m2
c 比热容,J/(kg·K)
C 甲醛浓度,mg/m3
G 太阳辐射强度,W/m2
ηth 热效率,%
r 反应速率,CFU/(s·m3)
T 温度,℃
t 时间,s
RCAD 干净空气量,m3/h
ε 甲醛单次通过率,%
m 质量流量,m3/s
下角标：
a 空气
in 入口
out 出口