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)教育部重點實驗室，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、無機械動力、無能源消耗、低運行成本等優(yōu)點.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，并展開了實驗.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，并進行了數(shù)值研究.通過實驗對比發(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，通過實驗和數(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、太陽紫外線強度和溫度對光催化反應(yīng)過程的影響.后來，通過實驗進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)濟性[7].結(jié)果表明，光催化型Trombe墻對于平均太陽輻射強度為631 W/m2和環(huán)境溫度是20.5 ℃的實驗條件下，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，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墻的熱物理機制和性能.然而值得指出的是，為節(jié)約計算資源，Wu等[10]建立的為沒有考慮太陽輻射強度隨時間變化的穩(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模型能方便快捷地對光伏光催化型Trombe墻的性能和功能進行研究.

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的非穩(wěn)態(tài)集總模型，在對該模型進行有效性驗證的基礎(chǔ)上，進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方法，另一方面可以進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，凈化后的熱空氣進入室內(nèi)，達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行分析，因為甲醛的濃度很低，因此，忽略光催化氧化反應(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散[13].

為實現(xiàn)具體的性能分析和評價，計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為全太陽輻射強度，W/m2；Tsky為天空輻射溫度，K，用公式(2)計算[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)驗關(guān)聯(lián)式計算[16]：

(5)

公式中：Pr為普朗特數(shù)；Ra為瑞利數(shù)，用公式(6)計算：

(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為空氣的密度，kg/m3；Aa為流道的截面積，m2；Tin為進口的空氣溫度，K；Tout為出口的空氣溫度，K；Ta為流道進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算[17]：

(10)

公式中：d為流道的水力直徑，m；Ain為流道的進口面積，m2；Aout為流道的出口面積，m2；fin為流道進口的局部阻力系數(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為標準溫度，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)計算[21]：

(17)

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

Sh為舍伍德數(shù)，用公式(18)計算[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.在高紫外線強度的情況下，增加太陽輻射強度幾乎不會導(dǎo)致光催化氧化反應(yīng)速率的進一步增加，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口濃度Cin下的空氣量，單位為m3/h.

累計產(chǎn)生的日凈化空氣量Q為

(26)

除了使用CADR評價光伏光催化型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 模型驗證

本文利用MATLAB R2016a對公式(1)、公式(9)、公式(13)和公式(16)進行聯(lián)立迭代求解.根據(jù)太陽輻射強度、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，然后進一步分析和評價系統(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墻的實驗數(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，并且完成了驗證.本文選擇與Wu等[10]的數(shù)值模擬結(jié)果進行對比來驗證本文模型的可靠性.模型驗證計算過程中使用的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況與文獻[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，隨著太陽輻射強度的變化，兩者的計算結(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，流道進口的甲醛濃度為900 ppb的條件下，當室內(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，太陽輻射強度小于380 W/m2時，系統(tǒng)的出口溫度低于進口溫度，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.這是因為在室外環(huán)境溫度較低，太陽輻射強度較弱時，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和太陽輻射強度的變化表現(xiàn)出相同的變化趨勢.這是因為，隨著太陽輻射強度的增加，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)出與太陽輻射強度的變化相反的趨勢.這是因為隨著太陽輻射強度的增加，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.當室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃時，凈化空氣量都在13：00達到最大值，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%.這是因為光伏板的溫度影響了光伏板的發(fā)電效率，光伏板的溫度越高，電效率越低.在13：00時，太陽輻射強度最大，發(fā)電功率最大，可以達到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，太陽輻射強度較高，系統(tǒng)總效率隨著太陽輻射強度的變化先上升后下降；在16：00之后，太陽輻射強度較低，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，當室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃時，總效率最高分別可以達到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，當太陽輻射強度較低時，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.當室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃時，系統(tǒng)在太陽輻射強度小于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，流道進口的甲醛濃度為900 ppb的條件下，當室外溫度為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，太陽輻射強度小于495 W/m2時，空氣的出口溫度會低于進口溫度，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.這是因為室內(nèi)溫度越高，即進口溫度越高，進出口的溫差越小，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.當室內(nèi)溫度分別為22 ℃、25 ℃和28 ℃時，凈化空氣量都在13：00時達到最大值，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，但是降解功能的運行時間更長，累計產(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度相關(guān).在13：00時，發(fā)電功率達到最大，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，太陽輻射強度較高，系統(tǒng)總效率隨著太陽輻射強度的變化先上升后下降；在16：00之后，太陽輻射強度較低，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，當室內(nèi)溫度分別為22 ℃、25 ℃和28 ℃時，總效率最高分別可以達到53.2%、49.8%和45.9%.

最后，由圖4可以看出，同樣地，當太陽輻射強度較低時，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墻的有效運行時間不利，反而會縮短系統(tǒng)的有效運行時間.當室內(nèi)溫度分別為22 ℃、25 ℃和28 ℃時，系統(tǒng)在太陽輻射強度小于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墻的有效運行時間越短.當室外溫度分別為-5 ℃、0 ℃和5 ℃，相應(yīng)的太陽輻射強度分別小于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%.