一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体
技术领域
本发明属于太阳能利用和建筑环境控制领域，具体涉及一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体。
背景技术
一方面，太阳能利用与建筑相结合的主要形式包括：光伏建筑一体化(BIPV)、光热建筑一体化(BIST)和光伏光热建筑一体化(BIPV-T)等。其中，光伏建筑一体化和光热建筑一体化技术存在功能单一、可调节性差、成本高和太阳能综合利用效率低等问题。在光伏光热建筑一体化技术中，对于光伏-热空气模式，在非采暖季节集热功能处于闲置状态，而且高温会显著影响光伏电池发电效率和使用寿命；对于光伏-热水模式，在寒冷季节，系统内部会出现水冻结从而导致管路或集热器损坏。因此，亟需寻求一种低成本、多功能、全年利用、工作方式灵活可靠的与建筑一体化的高效光伏光热太阳能利用策略和方法。
另一方面，室内空气污染问题越来越受到人们的关注。甲醛净化技术主要包括吸附过滤技术，光催化氧化技术，生物净化技术和热催化净化技术。广泛应用的吸附式空气净化技术只能应急地降低室内污染物含量，吸附饱和后会造成二次污染。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，具有与太阳能结合应用的巨大潜力。吸附技术与催化技术的结合可以提升催化效率，尤其适用于浓度较低室内气态污染的处理。
再者，热除菌杀毒技术是细菌和病毒在高温下失活的过程，是一种安全、有效和环保的方法，广泛应用于制药和饮料工业中微生物的去除。45℃的环境能抑制细菌和病毒DNA和RNA的自我修复。大于55℃环境下，细菌和病毒的DNA和RNA会遭到破坏。巴士消毒法则是在60～82℃的温度下处理30min，所有致病微生物被有效去除。同样，对于SARS病毒，56℃环境下加热30min、70℃加热15min检测不出活性。《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第七版)》指出在56℃加热30min，病毒在30分钟后就可以失活。
因此，本发明将热催化技术、热除菌杀毒技术与太阳能光伏光热技术相结合利用，能实现采暖季发电、被动采暖通风、空气净化和热除菌杀毒功能，实现非采暖季发电、制取生活热水、被动冷却、净化、热除菌杀毒功能；在过渡季节，可根据建筑需求，在发电、热催化降解甲醛和热除菌杀毒的同时，可通过调节通风挡板，灵活实现制备生活热水和被动取暖功能。
发明内容
针对传统Trombe墙存在的功能单一、夏季难以应用的缺点，本发明提出了一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙系统，能有效利用太阳能在采暖季实现发电、被动采暖通风、空气净化和热除菌杀毒功能，非采暖实现季发电、制取生活热水、被动冷却、净化、热除菌杀毒功能。
本发明采用的技术方案如下：一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体，包括玻璃盖板1、封闭空气层2、光伏模块3、水管4、吸热板5、吸附-热催化涂层6、空气流道7、蓄热墙体8、冷水进口9和热水出口10，所述玻璃盖板1位于墙体的最外侧，材质为白玻璃，其在太阳光波段透过率90％以上，用于让更多的太阳辐照透过玻璃盖板进入墙体；所述封闭空气层2位于玻璃盖板1和光伏模块3的中间，用于防止系统向室外环境散热；水管4焊接在吸热板5的背面；光伏模块3用于发电，其标准发电效率达20-30％；水管4用于在非采暖季时获得室内热水，同时带走光伏模块3多余热量；所述空气流道7位于吸热板5和蓄热墙体8的中间，用于通过热虹吸作用在采暖季时加热并净化、除菌室内空气，在非采暖季时对室内空气净化和除菌，同时降低光伏模块和墙体的温度；所述冷水进口9和热水出口10分别位于水管4的上下端，通过控制各通风口处挡板的开闭来实现不同模式切换，通风挡板包括室外通风挡板D1，室内下通风挡板D2和室内上通风挡板D3；通风口包括室外通风口V1，室内下通风口V2和室内上通风口V3，吸热板5背面喷涂吸附-热催化涂层6，吸附-热催化涂层6包括所述吸附材料和热催化材料。
进一步地，打开室内下通风挡板D2和室内上通风挡板D3，关闭室外通风挡板D1和冷水进口9，运行光伏-空气被动采暖模式，太阳辐射作用下，光伏模块产生电力的同时温度升高，热催化层被加热，空气流道中空气被热催化层加热产生自然对流，含有甲醛和细菌病毒的空气被加热到一定温度后，热催化降解甲醛和热除菌杀毒过程发生，干净的热空气流入室内。
进一步地，非采暖季模式下，冷水进口9打开，打开室内下通风挡板D2和室外通风挡板D1，关闭室内上通风挡板D3，运行光伏-热水模式，太阳辐射作用下，光伏模块产生电力，水管中的冷水被循环加热，同时空气流道中空气被热催化层加热温度升高形成自然对流，热催化降解甲醛和热除菌杀毒过程发生，干净空气流入室外，同时水管中的水流和空气流道空气的冷却作用能够减少墙体得热，降低室内冷负荷，因此复合墙体能够实现电能产生、热水供应、通风冷却和空气净化功能。
进一步地，在过渡季节，可根据建筑需求，在发电、热催化降解甲醛和热除菌杀毒的同时，可通过调节室外通风挡板D1，室内下通风挡板D2和室内上通风挡板D3，灵活实现制备生活热水和被动取暖功能。
进一步地，吸附材料为介孔硅胶/活性炭材料，孔径为2-50nm，热催化材料为MnOx-CeO2材料，热催化材料与吸附剂质量比约为1％-5％，采取喷涂-干燥-烧结工艺制备吸附-热催化涂层，干燥温度和时间为80℃和3小时，烧结温度和时间为200℃-300℃和40分钟。
进一步地，通过挡板开度控制，空气流道中空气温度达到50-80℃，停留时间达到2-20s，有效达到典型细菌和病毒的热失活温度和时间，可有效热失活的细菌有大肠杆菌，利斯特氏菌，植物乳杆菌，山夫顿堡抄门菌，酿酒酵母，病毒有SARS、H1N1和COVID-19。
本发明的原理在于：本发明能在采暖季实现发电、被动采暖通风、空气净化和热除菌杀毒功能，在非采暖季实现发电、制取生活热水、被动冷却、净化、热除菌杀毒功能；有效解决了传统Trombe墙功能单一的问题，在传统的冬季采暖功能的基础上，同时能有效利用太阳能对室内空气进行净化和除菌，达到提升室内居住环境，保障人体健康的作用。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、针对传统Trombe墙存在的功能单一、夏季难以应用的缺点，本发明提出了一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙系统，能有效利用太阳能在采暖季实现发电、被动采暖通风、空气净化和热除菌杀毒功能，非采暖实现季发电、制取生活热水、被动冷却、净化、热除菌杀毒功能。此技术有效扩展了Trombe墙的功能和使用季节，对于合理有效利用太阳能减少建筑能耗和提升室内环境具有显著效果。
2、在传统Trombe墙空气流道内增设吸附-热催化涂层，其作用是能利用太阳能实现全年对室内空气净化和除菌功能。吸附材料为介孔硅胶/活性炭材料，孔径为2-50nm，热催化材料为MnOx-CeO2材料，热催化材料与吸附剂质量比约为1％-5％，采取喷涂-干燥-烧结工艺制备吸附-热催化涂层，干燥温度和时间为80℃和3小时，烧结温度和时间为200℃-300℃和40分钟。吸附-热催化涂层结构设计、材料配比合理，能有效利用全年不同太阳辐照强度达到热催化的启动温度，从而使该系统能再全年实现对室内空气的净化和除菌效果。
3、该系统挡板开度可灵活控制，使空气流道中空气温度达到50-80℃，停留时间达到2-20s，有效达到典型细菌和病毒的热失活温度和时间。以应用于青海西宁地区典型气候为例，甲醛入口浓度设定为600ppb，平均甲醛单次通过率为0.35；细菌进口浓度为3000CFU/m3，对于典型细菌(大肠杆菌，利斯特氏菌，植物乳杆菌，山夫顿堡抄门菌，酿酒酵母)，可以保持3-6小时的完全失活，病毒入口浓度设定为1000TCID50/m3，对于典型细菌(非典病毒，新冠病毒，中东呼吸综合征)，可以保持病毒3-6小时的40％-80％的失活。
综上所述，本发明所述的一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙系统，具有很好的市场推广价值。
附图说明
图1为本发明一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体结构示意图；
图2为本发明一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体采暖季工作模式；
图3为本发明一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体非采暖季工作模式；
图4为本发明一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体应用于西宁地区甲醛单次转换率；
图5为本发明一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体应用于西宁地区五种典型细菌单次转换率；
图6为本发明一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体应用于西宁地区三种病毒单次转换率。
上图中序号含义为：1为玻璃盖板，2为封闭空气层，3为光伏模块，4为水管，5为吸热板，6为吸附-热催化涂层，7为空气流道，8为蓄热墙体，9为冷水进口，10为热水出口，D1为室外通风挡板，D2为室内下通风挡板，D3为室内上通风挡板，V1为室外通风口，V2为室内下通风口，V3为室内上通风口。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
本发明一种催化净化-除菌杀毒型多功能光伏被动通风墙体，包括玻璃盖板1、封闭空气层2、光伏模块3、水管4、吸热板5、吸附-热催化涂层6、空气流道7、蓄热墙体8、冷水进口9和热水出口10，同时通过控制各通风口处挡板的开闭来实现不同模式切换，通风挡板包括室外通风挡板D1，室内下通风挡板D2和室内上通风挡板D3；通风口包括室外通风口V1，室内下通风口V2和室内上通风口V3。
参见图1，所述玻璃盖板1位于墙体的最外侧，材质为白玻璃，其在太阳光波段透过率90％以上，主要功能为让更多的太阳辐照透过玻璃盖板进入模块内部以及保护组件。
所述封闭空气层2位于玻璃盖板1和光伏模块3的中间，其主要功能为保温，用于防止系统向室外环境散热。
所述光伏模块3通过层压+焊接的工艺制造，首先将单晶硅PV电池通过乙烯醋酸乙烯酯(EVA)层压在吸热板5上，再通过激光焊接将水管4焊接在吸热板5的背面。光伏模块3的作用为发电，其标准发电效率达20-30％；水管4的主要功能为在非采暖季时获得室内热水，同时带走光伏模块3多余热量；吸热板5的主要功能为增加系统对太阳辐射的吸收，用于加热吸热板背面的吸附-热催化涂层6，达到净化和除菌的温度。
所述吸附-热催化涂层6喷涂在吸热板5背面，吸附材料为介孔硅胶/活性炭材料(孔径2-50nm)，热催化材料为MnOx-CeO2材料，采取喷涂-干燥-烧结工艺制备吸附-热催化涂层；通过挡板开度控制，空气流道中空气温度达到50-80℃，停留时间达到2-20s，有效达到典型细菌和病毒的热失活温度和时间。
所述空气流道7位于吸热板5和蓄热墙体8的中间，其主要功能为通过热虹吸作用在采暖季时加热并净化、除菌室内空气，在非采暖季时对室内空气净化和除菌，同时降低光伏模块和墙体的温度。
所述蓄热墙体8为常规的建筑墙体，可起到隔热、蓄热的作用。
所述冷水进口9和热水出口10分别位于水管4的上下端，其主要功能为作为冷热水的进出口，为非采暖季时为室内提供热水，同时用于给光伏模块降温，提供光伏发电效率。
所述通风挡板包括室外通风挡板D1，室内下通风挡板D2和室内上通风挡板D3分别应用于室外通风口V1，室内下通风口V2和室内上通风口V3处，分别位于系统的外侧顶端和室内墙体的上下两端，通过调节室外通风挡板D1，室内下通风挡板D2，室内上通风挡板D3来控制室外通风口V1，室内下通风口V2，室内上通风口V3的开启与关闭，从而达到有效切换不同季节及功能模式，实现系统的多功能、高效使用的目的。
打开室内下通风挡板D2和室内上通风挡板D3，关闭室外空气挡板D1和冷水进口9，运行光伏-空气被动采暖模式，太阳辐射作用下，光伏模块产生电力的同时温度升高，热催化层被加热，空气流道中空气被热催化层加热产生自然对流，含有甲醛和细菌病毒的空气被加热到一定温度后，热催化降解甲醛和热除菌杀毒过程发生，干净的热空气流入室内。
非采暖季模式下，冷水进口9打开，打开室内空气下通风挡板D2和室外通风挡板D1，关闭室内上通风挡板D3，运行光伏-热水模式，太阳辐射作用下，光伏模块产生电力，水管中的冷水被循环加热，同时空气流道中空气被热催化层加热温度升高形成自然对流，热催化降解甲醛和热除菌杀毒过程发生，干净空气流入室外，同时水管中的水流和空气流道空气的冷却作用能够减少墙体得热，降低室内冷负荷，因此复合墙体能够实现电能产生、热水供应、通风冷却和空气净化功能。
在过渡季节，可根据建筑需求，在发电、热催化降解甲醛和热除菌杀毒的同时，可通过调节室外通风挡板D1，室内下通风挡板D2和室内上通风挡板D3，灵活实现制备生活热水和被动取暖功能。
吸附材料为介孔硅胶/活性炭材料，孔径为2-50nm，热催化材料为MnOx-CeO2材料，热催化材料与吸附剂质量比约为1％-5％，采取喷涂-干燥-烧结工艺制备吸附-热催化涂层，干燥温度和时间为80℃和3小时，烧结温度和时间为200℃-300℃和40分钟。
通过挡板开度控制，空气流道中空气温度达到50-80℃，停留时间达到2-20s，有效达到典型细菌和病毒的热失活温度和时间，可有效热失活的细菌有大肠杆菌，利斯特氏菌，植物乳杆菌，山夫顿堡抄门菌，酿酒酵母，病毒有SARS、H1N1和COVID-19。
实施例1
参见图2，在采暖季节，打开室内上通风挡板D3和室内下通风挡板D2，使室内上通风口V3和室内下通风口V2处于开启状态，关闭室外通风挡板D1，使室外通风口V1处于关闭状态；关闭冷水进口9和热水出口10。太阳光透过玻璃盖板1照射在光伏模块3上，太阳光用于发电供给建筑内用电，剩余太阳辐照热量在吸热板的作用下加热吸附-热催化涂层6至60～80℃，达到热催化材料的启动温度，实现对空气的净化作用；同时室内冷空气通过室内下通风口V2进入系统的空气流道7，空气流道中的空气被吸附-热催化涂层6加热至50℃以上，对空气流道中的含菌空气(肠杆菌，利斯特氏菌，植物乳杆菌，山夫顿堡抄门菌，酿酒酵母等细菌)进行高温热除菌；最终被净化和除菌后的干净空气通过室内上通风口V3回到室内。综上所述，系统在采暖季能实现发电、被动采暖通风、空气净化和热除菌杀毒功能。
实施例2
参见图3，在非采暖季节，打开室内下通风挡板D2和室外通风挡板D1，使室内下通风口V3和室外通风口V1处于开启状态，关闭室内上通风挡板D3，使室内上通风口V1处于关闭状态；打开冷水进口9和热水出口10。太阳光透过玻璃盖板1照射在光伏模块3上，太阳光用于发电供给建筑内用电，剩余太阳辐照热量一部分用于加热水管4得到热水，热水温度约50～80℃，能满足生活热水需要，同时能通过水管给光伏模块降温，提高光伏模块的发电效率；另一部分剩余的热量加热吸热板，吸热板通过热传导方式加热吸附-热催化涂层6至45～70℃，达到热催化材料的启动温度，实现对空气的净化作用；同时室内冷空气通过室内下通风口V2进入系统的空气流道7，空气中的甲醛在吸附-热催化涂层6表面被吸附并进一步净化和热除菌，得到干净空气，同时室内冷空气能有效对光伏模块3和蓄热墙体8降温，减少室内冷负荷；最终被净化的干净空气通过室外通风口V1通入大气环境。综上所述，系统在非采暖季能实现发电、制取生活热水、被动冷却、净化、热除菌杀毒功能。
(1)应用于西宁地区，在平均太阳辐照强度为620.6W/m2和环境温度为18.1℃的情况下，空气出口温度能达到90度左右，流道平均温度为60度以上，空气平均热效率为46％。
参见图4，甲醛入口浓度设定为600ppb，平均甲醛单次转化率为0.35；
参见图5，细菌进口浓度为3000CFU/m3，在12:30左右达到初始热灭活温度(50℃左右)后，细菌开始失活，单次失活率迅速接近1，并保持数小时，在17:00左右迅速下降到0；
参见图6，病毒入口浓度设定为1000TCID50/m3，对于单次通过失活率而言，中东呼吸综合征≈非典＞新冠，前两者的最大单次通过失活率约为90％而新冠病毒则为60。
(2)参见表1，为该系统应用于西宁地区全年的电、热和节能性能情况。
表1
