CN113790492A - 一种部分覆盖式光伏与热催化结合的Trombe墙 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种部分覆盖式光伏与热催化结合的Trombe墙，所述Trombe墙包括高透光玻璃板、外侧面附着有热催化剂涂层A的金属吸热板、蛇形管和绝热墙体；所述高透光玻璃板倾斜布置，其上端向室内方向倾斜；所述高透光玻璃板内嵌有若干太阳能光伏电池模块；所述金属吸热板和绝热墙体竖直且相邻布置，所述金属吸热板的外侧面与高透光玻璃板的内侧面之间形成空气流道，金属吸热板的内侧面与安装在绝热墙体内蛇形管紧贴。本发明的有益效果为：本发明所述Trombe墙具有采暖、通风、空气净化、发电以及热水供应等多种功能，并且多种功能之间可相互切换，与传统的太阳能集热墙相比，实现高效、多级利用太阳能的目的。

Description

一种部分覆盖式光伏与热催化结合的Trombe墙
技术领域
本发明涉及太阳能建筑一体化技术领域，具体涉及一种部分覆盖式光伏与热催化结合的Trombe墙。
背景技术
2020年9月，中国在联合国大会上宣布，将力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和，这是中国在巴黎协定之后第一个长期的气候目标，也是第一次提到碳中和。为实现这一目标，需要在节能和减少污染排放等方面继续不懈努力。建筑能耗在中国的能源消耗和碳排放中占据了很大的份额，从建筑物开始建造到结束再到停止使用都会消耗巨大的能量，并且排放出大量的二氧化碳和污染物。另外，近年来人们对居住环境的要求越来越高，室内空调、采暖、通风等实现高质量居住环境的能耗越来越高。而我国土地辽阔，太阳能资源十分丰富，其利用前景十分可观，可以有效地解决人们面对的能源匮乏问题。目前，太阳能建筑一体化技术具有结构简单、成本较低、维护简单等优点，成为建筑行业关注的热点，具有很大的发展潜力。
Trombe墙是一种被动式太阳能采暖结构，这种功能性的墙体结构可以将太阳能转换为热能，从而实现室内的供暖和通风，提升室内舒适性。除此之外，Trombe的输入能量除了太阳能以外没有其它能量输入，因此将Trombe墙应用在建筑上可以有效地降低室内采暖和通风所需的能耗。但是，传统型Trombe墙仅将太阳能转化为热能并且仅用于采暖，太阳能的利用效率相对较低且功能单一。为此有人提出了在Trombe墙内直接外置、中置、内置太阳能光伏电池板，即集光伏发电和采暖通风为一体的Trombe墙结构，从而实现Trombe墙的多功能化，但这些Trombe墙的功能和太阳能利用效果仍有很大的提升潜力，特别是在夏季运行模式时，存在运行经济性较差的问题。
热催化氧化技术通过在太阳光的照射下，热催化剂表面产生的晶格氧具有较强的氧化性，可以有效降解室内的有机污染物，达到净化室内空气的目的。在净化室内空气技术领域方面热催化氧化技术具有较好的应用前景。将太阳能作为驱动热催化氧化反应的能量可以避免额外的能源消耗，降低了空气净化的成本，符合节能减排的要求。
因此，如何提供一种绿色、高效、多级利用太阳能的基于光伏发电技术和热催化氧化技术的多功能太阳能集热墙是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种能量利用率高，且夏季时可回收多余热量的部分覆盖式光伏与热催化结合的Trombe墙。
本发明采用的技术方案为：一种部分覆盖式光伏与热催化结合的Trombe墙，所述Trombe墙设置在朝南的墙体内，且与屋顶和地板之间留有间隙；所述Trombe墙包括高透光玻璃板、外侧面附着有热催化剂涂层A的金属吸热板、蛇形管和绝热墙体；所述高透光玻璃板倾斜布置，其上端向室内方向倾斜；所述高透光玻璃板的顶部与屋顶之间的空间形成室外顶部通风口，高透光玻璃板的底部与地板之间的空间形成室外底部通风口；所述高透光玻璃板内嵌有若干太阳能光伏电池模块，太阳能光伏电池模块的内侧面负载热催化剂涂层C；所述金属吸热板和绝热墙体竖直且相邻布置，所述金属吸热板的外侧面与高透光玻璃板的内侧面之间形成空气流道，金属吸热板的内侧面与安装在绝热墙体内蛇形管紧贴；所述绝热墙体的顶面与屋顶之间的空间形成室内顶部通风口，绝热墙体的底面与地板之间的空间形成室内底部通风口，各通风口均分别与空气流道连通。
按上述方案，所述绝热墙体的顶面和底面均为截面呈二次贝塞尔曲线状的曲面，绝热墙体的顶面向屋顶方向凸起，绝热墙体的底面向地板方向凸起。
按上述方案，所述高透光玻璃板与竖直方向的夹角为4°～6°。
按上述方案，所述金属吸热板的外侧面设有竖直肋片，竖直肋片的上下两端均与金属吸热板平齐，且竖直肋片的制作材料和金属吸热板的制作材料相同；所述竖直肋片的外侧面负载有热催化剂涂层B。
按上述方案，所述蛇形管的侧部通过导热胶与金属吸热板连接以减小接触热阻；蛇形管的上下层之间采用绝热材料填充；蛇形管的进水口位于蛇形管的下端，蛇形管的出水口位于蛇形管的上端。
按上述方案，所述太阳能光伏电池模块阵列布置，太阳能光伏电池模块在高透光玻璃板上的覆盖率为0.5～0.7。
按上述方案，在所述室外顶部通风口的上方设有室外顶部挡板，室外顶部挡板活动连接在屋顶端部；在所述室外底部通风口的下放设有室外顶部挡板，室外底部挡板活动连接在地板上；在所述绝热墙体的顶部内侧活动连接有室内顶部挡板；在所述绝热墙体的底部内侧连接有室内底部挡板；各挡板可翻转，其上下翻转时可打开或关闭对应的通风口。
按上述方案，各热催化剂涂层均为过渡金属氧化物MnOx-CeO2热催化剂涂层，且厚度均为5μm～20μm。
本发明的有益效果为：本发明所述Trombe墙具有采暖、通风、空气净化、发电以及热水供应等多种功能，并且多种功能之间可相互切换，与传统的太阳能集热墙相比，实现高效、多级利用太阳能的目的。具体如下：
1、本发明将太阳能光伏电池模块阵列嵌入高透光玻璃板中，一部分太阳光直接照射在太阳能光伏电池模块上获得电能，太阳能光伏电池模块温度升高，可以加热太阳能光伏电池模块背面的热催化剂涂层，降解空气中的有机物，净化空气；同时部分热能加热空气流道中的空气。
2、本发明在空气流道内侧的竖直肋片和金属吸热板表面均负载了热催化剂涂层，在太阳光的照射下，热催化剂涂层达到启动温度后开始降解空气中的有机污染物，从而达到净化室内空气的目的，提高居住环境的舒适性，且竖直肋片的存在可以提高空气热能和净化的效果。
3、本发明在金属吸热板上连接有竖直肋片，金属吸热板背面紧贴蛇形管，蛇形管的周围用绝热材料填充，可提高不同季节下的太阳能综合利用效率。从高透光玻璃板上透过的太阳光照射在竖直肋片和金属吸热板上，竖直肋片和金属吸热板吸热，一部分热量用于热催化氧化反应，一部分热量用来加热空气流道中的空气，剩余部分热量用来加热蛇形管中的循环水，并且附着在金属吸热板上的竖直肋片可以提升热催化反应效果和加热空气流道内空气的效果。
4、本发明分为夏季运行模式和冬季运行模式。冬季运行模式时，关闭所述室外顶部通风口和所述室外底部通风口，开启所述室内顶部通风口和所述室内底部通风口，关闭蛇形管的进出口，蛇形管内循环水不流动，竖直肋片和金属吸热板吸收的热量主要用来热催化氧化反应和加热空气流道里的空气，加强室内采暖和通风功能，另一部分热量传递给蛇形管内的循环水，在夜晚时蛇形管内的循环水释放热量加热空气流道内的空气实现日夜交替室内供暖，从而实现冬季采暖、通风、净化和发电的功能。夏季运行模式时，开启所述室内底部通风口、所述室内顶部通风口和所述室外顶部通风口，关闭所述室外底部通风口，开启蛇形管的进出口，蛇形管内循环水流动，回收多余的热量，从而实现夏季通风、换气、净化、发电和产生热水的功能，同时通过调整室外顶部挡板和室内顶部挡板的开度可以调节室内通风量的大小和换气次数。
5、本发明中的高透光玻璃板倾斜布置，使得整个空气流道呈上窄下宽的直角梯形形状，一方面改善空气流道内空气的流动状况，增加空气的抽吸力和通风量，另一方面使得空气沿流动方向的流速逐渐增加，增强太阳能光伏电池模块背面的冷却效果，进一步使得上下不同位置处的太阳能光伏电池模块温度均匀；同时，绝热墙体顶面和绝热墙体底面为截面呈二次贝塞尔曲线状的曲面，这一设计与高透光玻璃板倾斜布置结合，可有效减小空气流道进口和出口处拐角的回流漩涡，减小了空气流动阻力，改善了整个空气流道内空气的流动状况，提高了整个系统的性能。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为本实施例的左视图。
图3为图1的A-A剖视图。
其中：1—屋顶；2—室外顶部挡板；3—室外顶部通风口；4—高透光玻璃板；5—太阳能光伏电池模块；6—竖直肋片；7—空气流道；8—室外底部通风口；9—室外底部挡板；10—地板；11—室内顶部通风口；12—绝热墙体顶面；13—室内顶部挡板；14—出水口；15—蛇形管；16—绝热材料；17—绝热墙体；18—热催化剂涂层A；19—金属吸热板；20—热催化剂涂层B；21—热催化剂涂层C；22—进水口；23—室内底部挡板；24—绝热墙体底面；25—室内底部通风口。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种部分覆盖式光伏与热催化结合的Trombe墙，所述Trombe墙设置在朝南的墙体内，且与屋顶1和地板10之间留有间隙；所述Trombe墙包括高透光玻璃板4、外侧面附着有热催化剂涂层A18的金属吸热板19、蛇形管15和绝热墙体17；所述高透光玻璃板4倾斜布置，其上端向室内方向倾斜；所述高透光玻璃板4的顶部与屋顶1之间的空间形成室外顶部通风口3，高透光玻璃板4的底部与地板10之间的空间形成室外底部通风口8；所述高透光玻璃板4内嵌有若干太阳能光伏电池模块5，太阳能光伏电池模块5的内侧面负载热催化剂涂层C21；所述金属吸热板19和绝热墙体17竖直且相邻布置，所述金属吸热板19的外侧面与高透光玻璃板4的内侧面之间形成空气流道7，金属吸热板19的内侧面与安装在绝热墙体17内蛇形管15紧贴；所述绝热墙体17的顶面12与屋顶1之间的空间形成室内顶部通风口11，绝热墙体17的底面24与地板10之间的空间形成室内底部通风口25，各通风口均分别与空气流道7连通。
优选地，所述绝热墙体17的顶面12和底面24均为截面呈二次贝塞尔曲线状的曲面，其中，绝热墙体17的顶面12向屋顶1方向凸起，绝热墙体17的底面24向地板10方向凸起，这一设计减小了空气流道7进口和出口处拐角的回流漩涡，改善了整个空气流道7内空气的流动状况。
优选地，所述高透光玻璃板4与竖直方向的夹角为4°～6°。高透光玻璃板4倾斜布置，整个空气流道7呈上窄下宽的直角梯形形状，一方面改善了空气流道7内空气的流动状况，增强了空气的抽吸力和通风量，另一方面使得空气沿流动方向的流速逐渐增加，提高了太阳能光伏电池模块5背面的冷却效果，进一步使得上下不同位置处的太阳能光伏电池模块5温度均匀。
优选地，如图2所示，所述太阳能光伏电池模块5阵列布置，太阳能光伏电池模块5在高透光玻璃板4上的覆盖率为0.5～0.7。太阳能光伏电池模块5的寿命和发电效率与太阳能光伏电池模块5的温度有关，温度越高效率越低；本发明中，太阳能光伏电池模块5背面的热催化剂涂层C21利用太阳能光伏电池模块5产生的热能进行催化反应，并将产生的热能加热空气流道7中的空气，从而使得太阳能光伏电池模块5的温度降低，可提高太阳能光伏电池模块5的发电效率，延长了太阳能光伏电池模块5的使用寿命。
优选地，所述金属吸热板19的外侧面设有竖直肋片6，竖直肋片6的上下两端均与金属吸热板19平齐，且竖直肋片6的制作材料和金属吸热板19的制作材料相同；所述竖直肋片6的外侧面负载有热催化剂涂层B20。
优选地，所述蛇形管15位于金属吸热板19侧的绝热墙体17内，如图3所示，蛇形管15的侧部通过导热胶与金属吸热板19连接以减小接触热阻；蛇形管15的上下层之间采用绝热材料16填充；蛇形管15的进水口22(也即冷水进口)位于蛇形管15的下端，蛇形管15的出水口14(也即热水出口)位于蛇形管15的上端。
优选地，在所述室外顶部通风口3的上方设有室外顶部挡板2，室外顶部挡板2活动连接在屋顶1端部；在所述室外底部通风口8的下放设有室外顶部挡板2，室外底部挡板9活动连接在地板10上；在所述绝热墙体17的顶部内侧活动连接有室内顶部挡板13；在所述绝热墙体17的底部内侧连接有室内底部挡板23；各挡板可翻转，其上下翻转时可打开或关闭对应的通风口。
本发明中，各热催化剂涂层均为过渡金属氧化物MnOx-CeO2热催化剂涂层，且厚度均为5μm～20μm。在太阳光的照射下，MnOx-CeO2热催化剂涂层表面产生的晶格氧具有比较强的氧化性，可以用于降解室内的有机污染物，达到净化室内空气的目的。
本发明中，所述Trombe墙朝南布置，太阳照射时间长。本发明的工作原理如下：
1、当太阳光照射在高透光玻璃板4上时，一部分太阳光照射在高透光玻璃板4内的太阳能光伏电池模块5上，太阳能光伏电池模块5吸收太阳光后，将小部分太阳辐射能转换为电能，未转换为电能的大部分太阳辐射则转换为热能，使得太阳能光伏电池模块5的温度上升，太阳能光伏电池模块5背面负载的热催化剂涂层C21升温，达到热催化氧化反应的启动温度后，表面会产生具有氧化性的晶格氧，将空气中的有机污染物氧化分解；此外，热催化剂涂层C21升温后多余的热量加热空气流道7中的空气，促进空气流动，达到室内通风的效果；来自外界太阳辐射的另一部分太阳光透过高透光玻璃板4直接照射在表面涂覆有高吸收率的热催化剂涂层的竖直肋片6和金属吸热板19上，竖直肋片6和金属吸热板19以及表面涂覆的热催化剂涂层升温，进行热催化氧化反应，剩余热量一部分用于加热空气流道7中的空气，进一步促进空气流动，另一部分热量则传递给蛇形管15内的循环水。
2、冬季采暖季节，室外顶部挡板2向下翻转关闭室外顶部通风口3，室外底部挡板9向上翻转关闭室外底部通风口8，室内顶部挡板13向下翻转打开室内顶部通风口11，室内底部挡板23向上翻转打开室内底部通风口25，蛇形管15内通入循环水后关闭其冷源进口和冷源出口，循环水不流动，室内空气从室内底部通风口25进入空气流道7，经过加热、净化过后，由室内顶部通风口11进入室内，为室内进行供暖的同时可以净化室内的空气，还能产生电能，夜晚蛇形管15内的循环水还可以释放热量，实现日夜交替长时间供暖。
3、夏季通风季节，室外底部挡板9向上翻转关闭室外底部通风口8，翻转对应的挡板打开室内底部通风口25、室内顶部通风口11和室外顶部通风口3，并打开蛇形管15的进水口22和出水口14，使蛇形管15内的循环水流动；在太阳辐射的作用下，空气流道7中的空气流动，使得室内空气通过室内底部通风口25进入空气流道7，空气流道7中的空气完成传热过程和热催化氧化反应后，一部分空气从室外顶部通风口3排出，另一部分由室内顶部通风口11进入室内，且两部分空气量分别由室外顶部挡板2和室内底部挡板23的开度进行调整，从而达到强化室内通风、调节室内温度的目的。由于蛇形管15内循环水的存在，可以吸收来自金属吸热板19的热量，从而进一步回收空气流道7中空气的热量，实现热水供应。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即刻。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种部分覆盖式光伏与热催化结合的Trombe墙，其特征在于，所述Trombe墙设置在朝南的墙体内，且与屋顶和地板之间留有间隙；所述Trombe墙包括高透光玻璃板、外侧面附着有热催化剂涂层A的金属吸热板、蛇形管和绝热墙体；所述高透光玻璃板倾斜布置，其上端向室内方向倾斜；所述高透光玻璃板的顶部与屋顶之间的空间形成室外顶部通风口，高透光玻璃板的底部与地板之间的空间形成室外底部通风口；所述高透光玻璃板内嵌有若干太阳能光伏电池模块，太阳能光伏电池模块的内侧面负载热催化剂涂层C；所述金属吸热板和绝热墙体竖直且相邻布置，所述金属吸热板的外侧面与高透光玻璃板的内侧面之间形成空气流道，金属吸热板的内侧面与安装在绝热墙体内蛇形管紧贴；所述绝热墙体的顶面与屋顶之间的空间形成室内顶部通风口，绝热墙体的底面与地板之间的空间形成室内底部通风口，各通风口均分别与空气流道连通。
2.如权利要求1所述的Trombe墙，其特征在于，所述绝热墙体的顶面和底面均为截面呈二次贝塞尔曲线状的曲面，绝热墙体的顶面向屋顶方向凸起，绝热墙体的底面向地板方向凸起。
3.如权利要求1所述的Trombe墙，其特征在于，所述高透光玻璃板与竖直方向的夹角为4°～6°。
4.如权利要求1所述的Trombe墙，其特征在于，所述金属吸热板的外侧面设有竖直肋片，竖直肋片的上下两端均与金属吸热板平齐，且竖直肋片的制作材料和金属吸热板的制作材料相同；所述竖直肋片的外侧面负载有热催化剂涂层B。
5.如权利要求1所述的Trombe墙，其特征在于，所述蛇形管的侧部通过导热胶与金属吸热板连接以减小接触热阻；蛇形管的上下层之间采用绝热材料填充；蛇形管的进水口位于蛇形管的下端，蛇形管的出水口位于蛇形管的上端。
6.如权利要求1所述的Trombe墙，其特征在于，所述太阳能光伏电池模块阵列布置，太阳能光伏电池模块在高透光玻璃板上的覆盖率为0.5～0.7。
7.如权利要求1所述的Trombe墙，其特征在于，在所述室外顶部通风口的上方设有室外顶部挡板，室外顶部挡板活动连接在屋顶端部；在所述室外底部通风口的下放设有室外顶部挡板，室外底部挡板活动连接在地板上；在所述绝热墙体的顶部内侧活动连接有室内顶部挡板；在所述绝热墙体的底部内侧连接有室内底部挡板；各挡板可翻转，其上下翻转时可打开或关闭对应的通风口。
8.如权利要求4所述的Trombe墙，其特征在于，各热催化剂涂层均为过渡金属氧化物MnOx-CeO2热催化剂涂层，且厚度均为5μm～20μm。
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