室內(nèi)外環(huán)境溫度對光伏光催化型Trombe墻性能和功能的影響

吳雙應(yīng)，邱 毅，肖 蘭

(1.重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，重慶 400044)

Trombe墻在過去幾十年己經(jīng)被廣泛研究并應(yīng)用于建筑被動式采暖系統(tǒng)中，它具有結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械動力、無能源消耗、低運(yùn)行成本等優(yōu)點(diǎn).研究表明，Trombe墻的應(yīng)用可以有效減少30%的建筑能耗[1].但是，傳統(tǒng)Trombe墻存在功能單一的問題[1].

為了豐富傳統(tǒng)Trombe墻的功能，有學(xué)者將傳統(tǒng)Trombe墻與光伏發(fā)電技術(shù)結(jié)合，提出了光伏型Trombe墻.Ji等[2]提出了外置式光伏型Trombe墻，并展開了實(shí)驗(yàn).由于外置式光伏型Trombe墻的太陽電池板位于室外，太陽電池板產(chǎn)生的熱量直接散失到了環(huán)境中，同時太陽電池板也遮擋了墻體對太陽輻射的吸收，影響了墻體的采暖通風(fēng)效果.隨后，Xu等[3]提出了內(nèi)置式光伏型Trombe墻，并進(jìn)行了數(shù)值研究.通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)[4]，內(nèi)置式光伏型Trombe墻的采暖通風(fēng)效果優(yōu)于外置式光伏型Trombe墻.但是由于內(nèi)置式光伏型Trombe墻的太陽電池板溫度較高，導(dǎo)致其電效率低于外置式光伏型Trombe墻.此外，Lin等[5]提出了中置式光伏型Trombe墻，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，中置式光伏型Trombe墻的綜合效率高于外置式光伏型Trombe墻.

除了與光伏發(fā)電技術(shù)結(jié)合，Yu等[6]將傳統(tǒng)Trombe墻與光催化氧化技術(shù)結(jié)合，提出了光催化型Trombe墻，探究了室內(nèi)甲醛濃度、濕度、太陽紫外線強(qiáng)度和溫度對光催化反應(yīng)過程的影響.后來，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了光催化型Trombe墻的集熱性能和甲醛降解性能，并分析了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[7].結(jié)果表明，光催化型Trombe墻對于平均太陽輻射強(qiáng)度為631 W/m2和環(huán)境溫度是20.5 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下，系統(tǒng)的日平均空氣集熱效率和日降解的甲醛質(zhì)量分比為35.1%和100 mg/(m2·天).光催化型Trombe墻與傳統(tǒng)Trombe墻相比，既提高了熱效率，還能在整個采暖季節(jié)產(chǎn)生4 764.9 m3/m2的潔凈空氣.此外，Yu等[8]還提出了把傳統(tǒng)Trombe墻與熱催化氧化技術(shù)結(jié)合的熱催化型Trombe墻.結(jié)果表明，在當(dāng)日太陽輻射總能量為7.89 MJ的條件下，熱催化型Trombe墻的熱效率為41.3%，甲醛降解總量為208.4 mg/(m2·天)，在整個采暖季節(jié)的總節(jié)能量可達(dá)97.4 kWh/m2.2019年，Yu等[9]同時將光催化氧化技術(shù)和熱催化氧化技術(shù)與傳統(tǒng)Trombe墻結(jié)合，提出了雙催化型Trombe墻.通過研究發(fā)現(xiàn)，雙催化型Trombe墻的甲醛凈化效率是光催化型Trombe墻的1.99倍、熱催化型Trombe墻的1.43倍；熱效率是光催化型Trombe墻的1.51倍、熱催化型Trombe墻的1.05倍.

綜合光伏型Trombe墻和光催化型Trombe墻的特點(diǎn)，Wu等[10]提出了具有空氣凈化，光伏發(fā)電和通風(fēng)采暖等多種功能的光伏光催化型Trombe墻，并建立了一個基于多物理場耦合的數(shù)值模型來初步研究光伏光催化型Trombe墻的熱物理機(jī)制和性能.然而值得指出的是，為節(jié)約計(jì)算資源，Wu等[10]建立的為沒有考慮太陽輻射強(qiáng)度隨時間變化的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，同時假定墻體壁面為絕熱邊界條件，沒有將室內(nèi)外熱環(huán)境考慮在內(nèi)，從而無法對在不同季節(jié)模式下光伏光催化型Trombe墻的性能變化和功能失效等問題進(jìn)行分析和討論.另一方面，從研究方法上看，目前還缺乏一種簡化的性能分析和評價(jià)模型能方便快捷地對光伏光催化型Trombe墻的性能和功能進(jìn)行研究.

作為筆者前期研究工作的深入和拓展，本文以冬季運(yùn)行模式下的光伏光催化型Trombe墻為對象，在耦合室內(nèi)外熱環(huán)境影響的條件下，首先建立一種簡化的用于性能分析和評價(jià)的非穩(wěn)態(tài)集總模型，在對該模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究不同的室內(nèi)外熱環(huán)境對系統(tǒng)性能和功能的影響.本文的研究一方面可以豐富光伏光催化型Trombe墻的性能分析和評價(jià)方法，另一方面可以進(jìn)一步完善光伏光催化型Trombe墻性能和功能的參數(shù)影響研究.

1 物理和數(shù)學(xué)模型

光伏光催化型Trombe墻的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.整個系統(tǒng)通常安裝在建筑物朝南的墻壁上.光伏光催化型Trombe墻由三部分組成：對紫外光具有高透過率的玻璃蓋板、覆蓋在玻璃蓋板內(nèi)側(cè)的以TiO2為光催化氧化反應(yīng)催化劑的催化劑涂層、太陽電池板.玻璃蓋板與太陽電池板之間是空氣的流道，通過墻壁上下的開口，與室內(nèi)連接.當(dāng)太陽光照射在玻璃蓋板上，太陽光中的紫外光部分透過玻璃蓋板，被催化劑涂層吸收，余下的可見光和紅外光部分則透過催化劑涂層被太陽電池板吸收.催化劑涂層在吸收了紫外光之后，光催化氧化反應(yīng)被激活，開始吸附和降解空氣中的甲醛等有機(jī)物.同時，太陽電池板將吸收到的太陽輻射，一部分轉(zhuǎn)化成電能，另一部分轉(zhuǎn)化成了熱能的形式使電池板的溫度上升.太陽電池板周圍的空氣被電池板加熱，在浮力的作用下在流道內(nèi)上升形成自然對流.流道內(nèi)的空氣可以帶走太陽電池板的熱量，提高電池板的效率.同時，凈化后的熱空氣進(jìn)入室內(nèi)，達(dá)到采暖和空氣凈化的目的.

圖1 光伏光催化型Trombe墻

在模型建立過程中，做以下假設(shè)：

(1)系統(tǒng)內(nèi)的所有表面都是漫反射并且是灰體表面[11]；

(2)模型中所需的物性參數(shù)假設(shè)為常數(shù)[7]；

(3)TiO2催化劑涂層很薄，因此，催化劑涂層的溫度與玻璃蓋板的溫度視為相等[7]；

(4)以空氣中的甲醛為例進(jìn)行分析，因?yàn)榧兹┑臐舛群艿停虼耍雎怨獯呋趸磻?yīng)中的反應(yīng)熱[12]；

(5)TiO2催化劑涂層對可見光和紅外光不吸收[12]；

(6)流道內(nèi)的氣體視為理想氣體，并且不參與輻射換熱[7]；

(7)忽略太陽電池板與墻壁之間的接觸熱阻[10]；

(8)玻璃蓋板內(nèi)表面的TiO2催化涂層是均勻分布的，并且不考慮甲醛在催化層中的擴(kuò)散[13].

為實(shí)現(xiàn)具體的性能分析和評價(jià)，計(jì)算過程中光伏光催化型Trombe墻的有關(guān)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如下：玻璃蓋板的高度H為1 m、寬度D為0.5 m、厚度Wg為0.05 m；流道厚度(間距)Wa為0.05 m；流道進(jìn)出口的高度H1、H2均為0.05 m；太陽電池板的厚度Wpv為0.035 m；墻壁厚度Ww為0.3 m.

1.1 能量平衡分析

對玻璃蓋板，有

(1)

公式中：mg為玻璃蓋板的質(zhì)量，kg；cg為玻璃蓋板的比熱容，J/(kg·K)；Tg為玻璃蓋板溫度，K；Tamb為環(huán)境溫度，K；Ta為流道中空氣的平均溫度，K；Tpv為太陽電池板溫度，K；αg為玻璃蓋板的吸收率；A為玻璃蓋板的面積，m2；I為全太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；Tsky為天空輻射溫度，K，用公式(2)計(jì)算[14]：

(2)

公式中：hamb，g為環(huán)境與玻璃蓋板之間的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，用公式(3)計(jì)算[15]：

hamb，g=5.7+3.8uamb

(3)

公式中：uamb為環(huán)境風(fēng)速，m/s.

hsky，g為天空與玻璃蓋板之間的輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)，用公式(4)計(jì)算[15]：

(4)

公式中，σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；εg為玻璃蓋板的發(fā)射率.

ha，g為流道中空氣和玻璃蓋板之間的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，根據(jù)豎直平板自然對流換熱時的層流和湍流經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算[16]：

(5)

公式中：Pr為普朗特?cái)?shù)；Ra為瑞利數(shù)，用公式(6)計(jì)算：

(6)

公式中：β為空氣的熱膨脹系數(shù)，K-1；ν為動力粘度，m2/s；α為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s.

因此，流道中空氣和玻璃蓋板之間的對流換熱系數(shù)ha，g可以用公式(7)計(jì)算：

(7)

公式中：H為流道的高度，m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K).

hpv，g為玻璃蓋板和太陽電池板之間的輻射換熱系數(shù)，用公式(8)計(jì)算[16]：

(8)

公式中：εpv為太陽電池板的發(fā)射率.

對流道內(nèi)的空氣，有

(9)

公式中：ma為流道內(nèi)空氣的質(zhì)量，kg；ca為空氣的比熱容，J/(kg·K)；ρa(bǔ)為空氣的密度，kg/m3；Aa為流道的截面積，m2；Tin為進(jìn)口的空氣溫度，K；Tout為出口的空氣溫度，K；Ta為流道進(jìn)出口空氣溫度的算術(shù)平均值，K，Ta=(Tin+Tout)/2.

ua為流道內(nèi)空氣的流速，m/s，根據(jù)自然對流條件下空氣流道的阻力平衡計(jì)算[17]：

(10)

公式中：d為流道的水力直徑，m；Ain為流道的進(jìn)口面積，m2；Aout為流道的出口面積，m2；fin為流道進(jìn)口的局部阻力系數(shù)，fin=1.0；fout為流道出口的局部阻力系數(shù)，fout=1.5.

f為流道的沿程阻力系數(shù)，層流時[18]，

f=96Re-1(1-1.202 44χ+0.881 19χ2+0.888 19χ3-1.698 12χ4+0.723 66χ5)

(11)

公式中：χ為流道截面的縱橫比，本文為0.1.

紊流時，流道的沿程阻力系數(shù)f為[17]

f=0.316 4Re-0.25

(12)

對太陽電池板，有

(13)

公式中：mpv為太陽電池板的質(zhì)量，kg；cpv為太陽電池板的比熱容，J/(kg·K)；Troom為室內(nèi)的空氣溫度，K；αpv為太陽電池板的吸收率；τg為玻璃蓋板的透射率.

Epv為太陽電池板產(chǎn)生的電能，W，用式(14)計(jì)算[19]：

Epv=AIτgηe[1-0.004 5(Tpv-Te)]

(14)

公式中：ηe為太陽電池板的電效率；Te為標(biāo)準(zhǔn)溫度，298.15 K.

U為太陽電池板和室內(nèi)環(huán)境之間的熱阻，(m2·K)/W，用公式(15)計(jì)算：

(15)

公式中：δw為墻壁的厚度，m；λw為墻壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；hamb，w為墻壁和室內(nèi)環(huán)境的綜合換熱系數(shù)，取29 W/(m2·K)[20].

1.2 質(zhì)量平衡分析

以甲醛為主要污染物進(jìn)行分析，則流道內(nèi)甲醛的質(zhì)量平衡方程為

(16)

公式中：Va為流道內(nèi)空氣的體積，m3；Cin為甲醛的進(jìn)口濃度，ppb；Cout為甲醛的出口濃度，ppb；C為流道內(nèi)甲醛的平均濃度，ppb，C=(Cin+Cout)/2.

hm為流道內(nèi)的對流傳質(zhì)系數(shù)，m/s，用公式(17)計(jì)算[21]：

(17)

公式中：DHCHO甲醛擴(kuò)散系數(shù)，取18.6×10-6m2/s[22].

Sh為舍伍德數(shù)，用公式(18)計(jì)算[21]：

Sh=NuLe1/3

(18)

公式中：Le為劉易斯數(shù)，Le=α/DHCHO.

Cs為催化劑表面的甲醛濃度，ppb，用公式(19)計(jì)算[23]：

(19)

公式中：kapp為光催化氧化降解甲醛的表觀反應(yīng)系數(shù)，m/s，用公式(20)計(jì)算[7]：

(20)

公式中：k′HCHO為光催化氧化反應(yīng)速率常數(shù)的指數(shù)前因子，(ppb·m)/s；K′HCHO為光催化氧化吸附平衡常數(shù)的指數(shù)前因子，ppb-1；IUV為紫外線強(qiáng)度，W/m2；EHCHO為甲醛對光催化氧化的反應(yīng)活化能，J/mol；HHCHO為甲醛對光催化氧化的吸附熱，J/mol；R為通用氣體常數(shù)，J/(mol·K)；n為冪律系數(shù)，反映了光催化反應(yīng)速率對紫外線的依賴性.在太陽輻射強(qiáng)度分別在100 W/m2～200 W/m2和200 W/m2～600 W/m2的范圍內(nèi)變化的條件下，n為1和0.2.在高紫外線強(qiáng)度的情況下，增加太陽輻射強(qiáng)度幾乎不會導(dǎo)致光催化氧化反應(yīng)速率的進(jìn)一步增加，n為0[24].

光催化氧化反應(yīng)速率r為

r=kapp·Cs

(21)

1.3 性能評價(jià)參數(shù)

熱效率ηth為

(22)

公式中：V為流道內(nèi)的空氣流量，m3/h.

電效率ηe為

(23)

單日產(chǎn)生的發(fā)電量E為

(24)

凈化空氣量CADR為

(25)

從上式可以看出，凈化空氣量CADR表示的是單位時間內(nèi)光伏光催化型Trombe墻能凈化處于初始進(jìn)口濃度Cin下的空氣量，單位為m3/h.

累計(jì)產(chǎn)生的日凈化空氣量Q為

(26)

除了使用CADR評價(jià)光伏光催化型Trombe墻的降解性能外，Yu等[25]還提出等效功耗PHCHO的概念.即，將多功能Trombe墻產(chǎn)生清潔空氣所需要的能量轉(zhuǎn)化為空氣凈化器產(chǎn)生同等清潔空氣量所消耗的電能.因此，等效降解效率ηHCHO為

(27)

根據(jù)Huang等[26]提出的節(jié)能效率，考慮到電能和熱能的不同品位，并結(jié)合Yu等[6-9]對多功能型Trombe墻的評價(jià)方法，光伏光催化型Trombe墻的總效率ηtol可以表示為

(28)

2 模型驗(yàn)證

本文利用MATLAB R2016a對公式(1)、公式(9)、公式(13)和公式(16)進(jìn)行聯(lián)立迭代求解.根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、室內(nèi)溫度、甲醛入口濃度等初始條件，首先計(jì)算出玻璃蓋板溫度、流道內(nèi)空氣平均溫度、太陽電池板溫度、光催化反應(yīng)速率等，然后進(jìn)一步分析和評價(jià)系統(tǒng)的熱性能、電性能和降解性能等.

由于光伏光催化型Trombe墻是一種新型結(jié)構(gòu)，暫時還沒有關(guān)于光伏光催化型Trombe墻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).但Wu等[10]在對光伏光催化型Trombe墻的研究中，已經(jīng)建立了關(guān)于光伏光催化型Trombe墻的數(shù)值模型，并且完成了驗(yàn)證.本文選擇與Wu等[10]的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比來驗(yàn)證本文模型的可靠性.模型驗(yàn)證計(jì)算過程中使用的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況與文獻(xiàn)[10]一致，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)與前文描述的相同，室內(nèi)和室外溫度為20 ℃，環(huán)境風(fēng)速為1 m/s，入口甲醛濃度為900 ppb.值得指出的是，Wu等[10]的模型把光伏光催化型Trombe墻的壁面處假定為絕熱，因此，本文在模型驗(yàn)證過程中，也將壁面的換熱系數(shù)設(shè)為0.為了定量比較，引入平均相對誤差Er為

(29)

本模型與Wu等[10]數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果之間的比較如圖2所示.可以看出，隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化，兩者的計(jì)算結(jié)果具有相同的趨勢，且系統(tǒng)熱效率ηth、凈化空氣量CADR和系統(tǒng)電效率ηe的平均相對誤差分別為3.79%、4.42%和2.17%.因此，本文建立的用于性能分析和評價(jià)的非穩(wěn)態(tài)集總模型和求解方法是可行和可靠的.

圖2 模型計(jì)算結(jié)果對比

3 結(jié)果分析與討論

3.1 室外溫度tamb的影響

在室外環(huán)境風(fēng)速為1 m/s，流道進(jìn)口的甲醛濃度為900 ppb的條件下，當(dāng)室內(nèi)溫度為25 ℃時，不同的室外溫度對光伏光催化型Trombe墻的熱性能、甲醛降解性能、發(fā)電性能和總效率的影響，如圖3所示.

由圖3(a)可以看出，系統(tǒng)的出口溫度tout隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化，先上升后下降.室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃時，出口溫度都在13：00時達(dá)到最大值，分別為33.2 ℃、34.7 ℃和36.5 ℃.系統(tǒng)的熱效率ηth也隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化，先上升后下降.室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃時，系統(tǒng)的熱效率最大分別可以達(dá)到20.5%、26.4%和31.8%.系統(tǒng)的出口溫度和熱效率都隨著室外溫度的上升而上升.值得注意的是，在10：00之前和16：00之后，太陽輻射強(qiáng)度小于380 W/m2時，系統(tǒng)的出口溫度低于進(jìn)口溫度，即室內(nèi)溫度25 ℃，此時流道內(nèi)的空氣不會流動，也就不會起到采暖通風(fēng)的作用.這是因?yàn)樵谑彝猸h(huán)境溫度較低，太陽輻射強(qiáng)度較弱時，系統(tǒng)從外界獲得的能量小于系統(tǒng)向外界散失的能量.此時，隨著室外溫度的下降，相應(yīng)的熱效率也越低.

圖3 室外溫度tamb對光伏光催化型Trombe墻性能和功能的影響(troom=25 ℃)

由圖3(b)可以看出，在10：00到16：00之間，太陽輻射強(qiáng)度大于380 W/m2，流道內(nèi)的空氣開始流動，光伏光催化型Trombe墻開始降解甲醛，向室內(nèi)輸送潔凈空氣.凈化空氣量CADR和太陽輻射強(qiáng)度的變化表現(xiàn)出相同的變化趨勢.這是因?yàn)椋S著太陽輻射強(qiáng)度的增加，流道內(nèi)自然對流加劇，空氣流量增加.然而，降解效率ηHCHO表現(xiàn)出與太陽輻射強(qiáng)度的變化相反的趨勢.這是因?yàn)殡S著太陽輻射強(qiáng)度的增加，流道內(nèi)的空氣流速加快，甲醛與催化劑的接觸和反應(yīng)的時間減少，降解率下降.當(dāng)室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃時，凈化空氣量都在13：00達(dá)到最大值，分別為10.8 m3/h、11.2 m3/h和11.8 m3/h；對應(yīng)時刻的降解效率最小，分別為22.4%、23.6%和24.8%；不同室外溫度下，累計(jì)產(chǎn)生的日凈化空氣量Q分別為46.6 m3/天、62.7 m3/天和65.1 m3/天.

由圖3(c)可以看出，室外溫度對光伏板的發(fā)電性能影響較小.系統(tǒng)的發(fā)電功率EPV和太陽輻射強(qiáng)度具有相同的變化趨勢，先上升后下降.系統(tǒng)發(fā)電效率ηPV與發(fā)電功率的變化呈現(xiàn)相反的變化趨勢，先下降后上升，在13：00時，電效率最低，為6.5%.這是因?yàn)楣夥宓臏囟扔绊懥斯夥宓陌l(fā)電效率，光伏板的溫度越高，電效率越低.在13：00時，太陽輻射強(qiáng)度最大，發(fā)電功率最大，可以達(dá)到25 W，單日發(fā)電量E約為0.2 kW·h.

由圖3(d)可以看出，隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化，系統(tǒng)總效率ηtol表現(xiàn)出先上升后下降然后又上升的變化趨勢.在16：00之前，太陽輻射強(qiáng)度較高，系統(tǒng)總效率隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化先上升后下降；在16：00之后，太陽輻射強(qiáng)度較低，系統(tǒng)獲得的能量小于系統(tǒng)向外界散失的能量，空氣出口溫度小于進(jìn)口溫度，流道內(nèi)的空氣停止流動，熱效率和降解效率降為0，系統(tǒng)總效率與系統(tǒng)電效率呈現(xiàn)相同的規(guī)律.室外溫度越高，光伏光催化型Trombe墻的總效率越高，當(dāng)室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃時，總效率最高分別可以達(dá)到43.4%、49.8%和55.3%.

最后，由圖(3)可以看出，在10：00之前和16：00之后，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度較低時，光伏光催化型Trombe墻的集熱功能和甲醛降解功能失效，只有發(fā)電功能.當(dāng)室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃時，系統(tǒng)在太陽輻射強(qiáng)度小于380 W/m2、300 W/m2和222 W/m2時，熱效率和降解效率降為0，一天之內(nèi)的有效運(yùn)行時間分別為6 h、7 h和7.5 h，即室外環(huán)境溫度越低，光伏光催化型Trombe墻的有效運(yùn)行時間就越短.

3.2 室內(nèi)溫度troom的影響

在室外環(huán)境風(fēng)速為1 m/s，流道進(jìn)口的甲醛濃度為900 ppb的條件下，當(dāng)室外溫度為0 ℃時，不同的室內(nèi)溫度對光伏光催化型Trombe墻的熱性能、甲醛降解性能、發(fā)電性能以及總效率的影響，如圖4所示.

由圖4(a)可以看出，系統(tǒng)的空氣出口溫度tout和熱效率ηth都隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化，先上升后下降.室內(nèi)溫度分別為22 ℃、25 ℃和28 ℃時，出口溫度都在13：00達(dá)到最大值，分別為32.8 ℃、34.7 ℃和36.9 ℃.同樣，在10：00之前和16：00之后，太陽輻射強(qiáng)度小于495 W/m2時，空氣的出口溫度會低于進(jìn)口溫度，流道內(nèi)的空氣不會流動，也就不會起到采暖通風(fēng)的作用.室內(nèi)溫度分別為22 ℃、25 ℃和28 ℃時，系統(tǒng)的最大熱效率分別為29.9%、26.4%和22.4%，呈現(xiàn)出下降的趨勢.這是因?yàn)槭覂?nèi)溫度越高，即進(jìn)口溫度越高，進(jìn)出口的溫差越小，最大溫差分別為10.8 ℃、9.7 ℃和8.9 ℃，熱效率越低.

由圖4(b)可以看出，在10：00到16：00之間，太陽輻射強(qiáng)度大于495 W/m2時，流道內(nèi)的空氣開始流動，光伏光催化型Trombe墻開始降解甲醛，向室內(nèi)輸送潔凈空氣.隨著室內(nèi)溫度的升高，凈化空氣量CADR和甲醛降解效率ηHCHO都有提高.當(dāng)室內(nèi)溫度分別為22 ℃、25 ℃和28 ℃時，凈化空氣量都在13：00時達(dá)到最大值，分別為10.8 m3/h、11.2 m3/h和11.7 m3/h；對應(yīng)時刻的降解效率最小，分別為22.6%、23.6%和24.7%；累計(jì)產(chǎn)生的日凈化空氣量Q分別為58.4 m3/天、57.6 m3/天、52.1 m3/天.室內(nèi)溫度較低時，系統(tǒng)對室內(nèi)甲醛的降解效率雖然下降，但是降解功能的運(yùn)行時間更長，累計(jì)產(chǎn)生的凈化空氣量更多.

由圖4(c)可以看出，室內(nèi)溫度對光伏板的發(fā)電性能影響同樣較小.系統(tǒng)的發(fā)電功率EPV變化依舊與太陽輻射強(qiáng)度相關(guān).在13：00時，發(fā)電功率達(dá)到最大，為25 W，電效率最低，為6.5%，單日發(fā)電量E約為0.2 kW·h.

由圖4(d)可以看出，同樣地，在16：00之前，太陽輻射強(qiáng)度較高，系統(tǒng)總效率隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化先上升后下降；在16：00之后，太陽輻射強(qiáng)度較低，流道內(nèi)的空氣停止流動，熱效率和降解效率降為0，系統(tǒng)總效率與系統(tǒng)電效率呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即又出現(xiàn)上升的趨勢.室內(nèi)溫度越高，光伏光催化型Trombe墻的總效率越低，當(dāng)室內(nèi)溫度分別為22 ℃、25 ℃和28 ℃時，總效率最高分別可以達(dá)到53.2%、49.8%和45.9%.

最后，由圖4可以看出，同樣地，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度較低時，光伏光催化型Trombe墻的集熱功能和甲醛降解功能失效，只有發(fā)電功能.提高室內(nèi)溫度對于延長光伏光催化型Trombe墻的有效運(yùn)行時間不利，反而會縮短系統(tǒng)的有效運(yùn)行時間.當(dāng)室內(nèi)溫度分別為22 ℃、25 ℃和28 ℃時，系統(tǒng)在太陽輻射強(qiáng)度小于300 W/m2、380 W/m2和495 W/m2時，熱效率和降解效率降為0，一天之內(nèi)的有效運(yùn)行時間為7.5 h、7 h和6 h.即，室內(nèi)環(huán)境溫度越低，光伏光催化型Trombe墻的有效運(yùn)行時間越長.

4 結(jié) 論

通過建立光伏光催化型Trombe墻性能分析的非穩(wěn)態(tài)集總模型，研究了在冬季模式下，不同的室內(nèi)外溫度對系統(tǒng)性能和功能的影響.主要結(jié)論如下：

(1)室外環(huán)境溫度越低，光伏光催化型Trombe墻的有效運(yùn)行時間越短.當(dāng)室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃，相應(yīng)的太陽輻射強(qiáng)度分別小于380 W/m2、300 W/m2和222 W/m2時，系統(tǒng)集熱功能和凈化功能失效，有效運(yùn)行時間分別為6 h、7 h和7.5 h.而提高室內(nèi)溫度不利于延長光伏光催化型Trombe墻的有效運(yùn)行時間.

(2)隨著室外溫度下降或室內(nèi)溫度上升，光伏光催化型Trombe墻的熱效率下降，產(chǎn)生的凈化空氣量減少；室內(nèi)或室外溫度的上升都會使光伏光催化型Trombe墻的空氣出口溫度上升，甲醛降解效率提高.

(3)系統(tǒng)的發(fā)電量和電效率主要與太陽輻射強(qiáng)度相關(guān)，室內(nèi)外環(huán)境的溫度對系統(tǒng)的發(fā)電量和電效率影響較小.光伏光催化型Trombe墻的日發(fā)電量可以達(dá)到0.2 kW·h.

(4)隨著室外溫度的下降或室內(nèi)溫度的上升，系統(tǒng)的總效率下降.如室內(nèi)溫度為25 ℃，當(dāng)室外溫度從5 ℃時下降到-5 ℃，系統(tǒng)最大總效率從55.3%減小到43.4%.如室外溫度為0 ℃，當(dāng)室內(nèi)溫度從22 ℃上升到28 ℃時，系統(tǒng)最大總效率從53.2%減小到45.9%.