新型太阳能光热催化型Trombe墙系统的实验和数值研究

摘要

一方面，传统Trombe墙系统结构简单，维护费用低和无能源消耗等优点，但是存在功能单一、能源利用效率低和冬季夜间热损较大的不足。另一方面，室内空气污染问题越来越受到人们的关注，光催化氧化(photocatalytic oxidation，PCO)净化技术和热催化氧化（thermal catalytic oxidation，TCO）净化技术是两项先进的主动式空气净化技术，光催化氧化净化技术是光催化剂如TiO2在紫外光的驱动下光催化降解室内污染物的技术，热催化氧化净化技术则是热催化剂在热的驱动下热催化降解室内污染物的技术，两种催化技术都具有与太阳能结合应用的巨大潜力。因此，本论文将光/热催化技术与Trombe墙采暖技术有机结合起来，提出光热催化型Trombe墙系统，光催化玻璃和热催化剂涂层分别取代了传统的Trombe墙中的玻璃盖板和吸热涂层，能同时实现采暖和净化功能。该综合系统能实现太阳能的梯级利用，在太阳辐射的作用下，紫外光部分被光催化模块吸收驱动光催化净化反应，剩下的可见光及红外光被热催化模块吸收，热催化模块温度升高驱动热催化净化反应，同时热催化模块加热空气流道中的空气和传导热量给被动墙体实现采暖。本文针对光热催化型Trombe墙系统的性能研究具体开展了以下工作: 1、探究了Trombe墙热空气驱动热催化剂MnOx-CeO2热催化降解甲醛的可行性。选取过渡金属氧化物MnOx-CeO2作为热催化剂进行热催化降解甲醛的动力学研究，探究的甲醛初始浓度和热催化温度范围分别为300～4300ppb和20～100℃。实验结果表明所选的热催化剂对于热催化降解甲醛具有良好的活性，当催化温度为40～80℃和甲醛初始浓度为300ppb时，甲醛单次通过率可以达到30％～60％，并依据实验数据拟合出MnOx-CeO2热催化降解甲醛的动力学模型，结果表明反应速率与甲醛浓度和热催化反应温度的关系符合双分子L-H模型。搭建了室外Trombe墙热空气驱动热催化降解甲醛系统的测试平台，探究了Trombe墙驱动热催化降解甲醛技术的可行性，实验结果发现，在三个实验甲醛浓度下（289ppb，587ppb和1374ppb），系统均能在1个小时内使甲醛初始浓度达到国标浓度(80ppb)以下。 2、设计和制造了热催化剂型Trombe墙系统，搭建了热催化剂型Trombe墙性能测试平台，测试了系统的空气集热性能和甲醛降解性能，并建立了系统热模型，从热的角度评价了该系统综合性能，初步探究了热催化剂型Trombe墙系统应用在合肥地区的节能潜力。实验结果表明系统具有优异的空气集热性能和甲醛降解性能，在太阳辐照量为7.89MJ的条件下，系统的日平均空气集热效率、日产生的干净空气体积和日降解的甲醛质量分别为41.3％，249.2m3/(m2·天)和208.4mg/(m2·天);模拟计算结果表明热催化型Trombe墙在合肥采暖季节总共省去的电力为97.4KW·h/m2;提出光热转换机制、热催化氧化反应机制和太阳光光活化机制的三重机制是热催化型Trombe墙系统在太阳辐射作用下具有较好的热催化氧化活性的主要原因。 3、建立了实验验证的热催化型Trombe墙系统的传热传质模型，应用合肥地区采暖季节的气象数据，研究了墙体蓄热对热催化型Trombe墙系统性能的影响，比较了热催化型Trombe墙系统和传统Trombe墙系统的性能，提出了三明治型热催化型Trombe墙系统，研究了热绝缘层厚度对三明治型热催化型Trombe墙系统的性能的影响。结果表明由于墙体的蓄热，采暖季节产生干净空气总量和空气流道中空气带入室内的总热量分别降低了24.9％和15.8％;与传统的Trombe墙系统的性能相比，热催化型Trombe墙系统对降低室内热负荷的总贡献虽然降低了28.3％，但是可以产生8328.7m3/m2的干净空气;三明治型热催化型Trombe墙系统可以有效地降低室内热波动，相比较于热催化型Trombe墙系统，三明治型热催化型Trombe墙系统在采暖季节产生的总的干净空气量和总的降低的室内热负荷分别增加了20.9％和34.9％，三明治型热催化型Trombe墙系统的热性能与传统的Trombe墙系统相当。 4、选取商业的光催化剂TiO2(P25)作为实验光催化剂，搭建了光催化型Trombe墙实验平台，测试系统的采暖性能和甲醛降解性能，并建立了基于实验数据验证的耦合的动力学、传热和传质模型，基于模型，计算了系统应用于合肥地区采暖季节的节能潜力。实验结果表明对于平均太阳辐射强度为631W/m2和环境温度是20.5℃的实验条件下，系统的日平均空气集热效率、日产生的干净空气体积和日降解的甲醛质量分别为35.1％，164.0m3/(m2·天)和100.0mg/(m2·天);跟传统的Trombe墙系统相比，对于通过空气流道中空气的集热来降低的室内热负荷和通过蓄热墙体加热室内空气来降低的室内热负荷，光催化型Trombe墙系统分别降低了23.9％和增加了45.6％。这是因为玻璃盖板内表面的TiO2涂层同时降低了玻璃盖板的透过率和发射率，白天降低了达到蓄热墙表面的太阳辐射，夜间降低了系统热损。另外，光催化型Trombe墙在整个采暖季节可以产生4764.9m3/m2的干净空气。 5、基于热催化型Trombe墙和光催化型Trombe墙的实验结果和系统模型，比较了两系统的甲醛降解和空气集热性能，并建立了结合热催化型Trombe墙和光催化型Trombe墙的光热催化型Trombe墙的热质模型，计算了光热催化型Trombe墙系统应用在合肥地区的采暖性能和甲醛降解性能。结果表明光热催化型Trombe墙系统充分利用太阳辐射中的紫外部分和余下太阳辐射转换的热能驱动光热催化空气净化技术，在整个采暖季节可以产生9482.2m3/m2的干净空气，远远大于光催化型Trombe墙系统和热催化型Trombe墙系统在采暖季节产生的干净空气量;光热催化型Trombe墙在采暖季节可以节约室内热负荷296.1MJ/m2，其采暖性能与光催化型Trombe墙的采暖性能接近，远远优于热催化型Trombe墙和传统的Trombe墙的采暖性能。 6、提出了光催化型PV/T多功能系统，集发电、净化、采暖和热水供应四个功能于一体，建立了系统传热传质模型，研究了不同TiO2涂覆密度对系统热、电和净化性能的影响，并将该复合系统与传统的两种PV/T系统进行了对比。结果表明TiO2涂覆密度对PC-PV/TAW系统的电、热和甲醛降解性能具有很大的影响。TiO2涂层涂覆密度越大，系统电效率和热效率越低，甲醛降解效率越高;光催化型PV/T系统、PV/T热水热空气系统和PV/T热水系统的电效率分别为0.125、0.144和0.143。然而，当考虑降解甲醛省去的电能时，得出光催化型PV/T系统的电效率为0.174，三种系统的综合热电效率为0.644、0.696和0.677。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1室内污染

1．1．1室内污染来源及主要污染物

1．1．2室内污染物主要防治技术

1．2热催化室内空气净化技术

1．2．1热催化氧化原理

1．2．2热催化降解室内甲醛研究进展

1．3光催化室内空气净化技术

1．3．1光催化氧化原理

1．3．2光催化室内空气净化技术

1．4 Trombe墙技术

1．4．1 Trombe墙运行原理

1．4．2 Trombe墙技术研究进展

1．5本文主要研究内容

第2章MnOx-CeO2热催化降解甲醛性能及Trombe墙热驱动催化降解甲醛的可行性研究

2．1本章导论

2．2实验探究

2．2．1热催化剂制备

2．2．2热催化剂表征

2．2．3活性测试

2．3系统模型

2．3．1扩散传质影响的消除

2．3．2系统模型

2．4结果和讨论

2．4．1催化剂表征结果

2．4．2催化反应动力学

2．4．3 Trombe墙热驱动催化降解甲醛的可行性

2．5小结

第3章热催化剂Trombe墙体的实验及热性能研究

3．1本章导论

3．2系统制造

3．3实验台搭建

3．4实验不确定度分析

3．5数据分析及系统模型

3．5．1评价参数

3．5．2系统热模型

3．6结果与讨论

3．6．1．空气集热性能和甲醛降解性能

3．6．2模型验证

3．6．3参数分析

3．6．4冬季节能潜力初步分析

3．6．5光热协同效应

3．7本章小结

第4章热催化型Trombe墙系统的传热传质及冬季节能潜力分析

4．1本章导论

4．2系统运行原理

4．3系统传热传质模型

4．3．1动力学模型

4．3．2传热传质模型

4．4模型求解

4．4．1模型求解

4．4．2评价参数

4．5结果与讨论

4．5．1动力学模型参数求解

4．5．2墙体热储存对热催化型Trombe墙系统性能的影响

4．5．3热催化型Trombe墙系统与传统Trombe墙系统的性能比较

4．5．4三明治型热催化Trombe墙系统

4．6本章小结

第5章光催化型Trombe墙体性能研究

5．1本章导论

5．2系统制造

5．3实验台搭建

5．4系统模型及评价参数

5．4．1系统模型

5．4．2评价参数

5．4．3模型计算

5．5实验不确定度分析

5．6结果与讨论

5．6．1实验结果

5．6．2模型验证

5．6．3采暖季节节能潜力分析

5．6．4经济性分析

5．7本章小结

第6章光热催化型Trombe墙性能初探

6．1本章导论

6．2系统介绍

6．3系统模型与计算

6．3．1光热催化型Trombe墙系统模型

6．3．2模型计算

6．4结果与讨论

6．4．1三种催化型Trombe墙的性能比较

6．4．2太阳辐射强度的对光热催化反应速率的影响

6．4．3冬季节能潜力分析

6．5本章小结

第7章太阳能梯级利用PV／T系统的性能研究

7．1本章导论

7．2系统介绍

7．2．1 PC-PV／TAW系统的基本描述

7．2．2 PV／TAW系统和PV／TW系统描述

7．2．3光催化玻璃及光谱测试

7．3系统模型

7．3．1 PC-PV／TAW系统建模

7．3．2 PV／TAW系统和PV／TW系统建模

7．3．3计算求解

7．3．4评价参数

7．4结果与讨论

7．4．1 TiO2涂层的光谱特性

7．4．2 TiO2涂层浓度的影响

7．4．3 PC-PV／T系统与两种传统PV／T系统的比较

7．4．4相关损失分析

7．5本章小结

第8章总结与展望

8．1全文工作总结

8．2工作展望

参考文献

附录

在读博士期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢