基于3D打印的被动式墙体热工构造的研究

2020-08-11张宝泉宁文军魏艳玲吴晨黄世岩

工程建设与设计 2020年14期

关键词：热工内壁围护结构

张宝泉，宁文军，魏艳玲，吴晨，黄世岩

（大连大学建筑工程学院，辽宁大连116000）

1 引言

3D打印建筑是近5年才出现的新兴事物，纵观全球3D打印建筑，仍处于研究阶段[1]。在夏热冬冷地区和热带地区，已经出现试验性的3D打印建筑，但在寒冷地区还没有实用的，可以满足节能要求的3D打印建筑。

本研究拟对几种适用于3D打印建造的构造形式，运用ANSYS软件模拟研究其热工性能及打印与保温一体化建造的可能性，并采用非传统保温墙体，在大连地区建造实用的3D打印建筑[2]。

2 材料及墙体构造特性计算

材料及墙体构造特性计算主要包括：

3）衰减倍数V0：围护结构内侧空气温度稳定，外侧受室外综合温度谐波作用，室外综合温度谐波波幅与围护结构内表面温度波幅的比值。

式中，e为自然对数的底，e=2.718 28；ΣD为多层维护结构D之和；ai，ae分别为内，外表面换热系数，W/（m2·K）；S1，S2，…，Sn为从内到外各层材料蓄热系数，W/（m2·K）；Y1，Y2，…，Yn为从内到外各层材料外表面蓄热系数，W/（m2·K）。

4）延迟时间ξ0：围护结构内侧空气温度稳定，外侧受室外综合温度谐波作用，围护结构内表面温度谐波最大值出现的时间与室外综合温度谐波最大值出现的时间的差值。

式中，Yi、Ye分别为围护结构内、外表面蓄热系数，W/（m2·K）；Rk为空气间层热阻（m2·K/W）；Yki为空气间层内表面蓄热系数，W/（m2·K）。

5）蓄热系数和表面蓄热系数S：周期热作用下，物体表面温度升高或降低1℃时，在1h内，1m2表面积贮存或释放的热量。S=A0/A1，其中：A0为材料表面的热流波振幅；A1为表面温度波振幅。

3 数学模型

墙体非稳态传热的计算模拟过程中，其假设条件如下：（1）各层材料为均质，且各向同性；（2）热物性不随温度变化；（3）保温材料、砂浆与主体墙紧密接触；（4）无内部热源和质量源。

3.1 物理模型

取表1的构造4以图1所示外墙构造作为围护结构瞬态传导热分析以及对流换热分析的模型（已进行实地试验性打印），与混凝土空心砌块墙进行对比分析，其中墙体厚度和保温材料的位置由墙体构造决定。冬季白天，太阳能集热墙吸收太阳辐射能量加热墙体，导致空气间层内气体温度升高，产生热压，通过上、下风口实现与室内的对流循环加热，提高室温[3]。

图1墙体构造简图

3.2 数学描述

采用一维瞬态导热模型，边界条件如下：墙体两侧均为第三类边界条件，内隔墙、屋顶和地面均设为绝缘材料，材料的热工参数如表2所示。根据寒冷地区的气候特点取ai=8.7W/（m2·K），ae=23W/（m2·K）；冬季室内温度恒定为291.15 K；室外温度变化取大连市冬季大寒日的室外综合温度进行拟合，如图2所示。

表1 4种组合墙体构造

表2材料的热工参数

图2拟合曲线与实际温度曲线图

4 ANSYS模拟分析

4.1 不同构造墙体的内、外壁面温度分析

根据图3可知,构造1为传统混凝土空心砌块外保温墙体，构造2、3、4均可用于3D打印构造墙体。其外壁面温度波峰值分别为273.6K、273.0K、273.0K、272.8K，外壁面温度波谷值分别为267.0K、268.0K、267.5K、267.3K，外壁面平均温度分别为270.3K、270.5K、270.25K、270.05K；内壁面温度差分别为0.7K、0.23K、0.21K、0.1K。

综上可知，在同一温度波连续作用下，4种保温墙体构造的外壁面温度波幅不同，平均温度略有微差，均有良好的热工性能；适用于3D打印的墙体内壁面温度变化稳定，热稳定性明显优于传统墙体。

图3 4种构造墙体内外壁面温度

4.2 构造特性指标分析

表3表明，传热系数：构造4与构造3大于构造2与构造1；热惰性指标：构造4＞构造3与构造2＞构造1；温度波衰减度：构造4＞构造1＞构造3＞构造2；延迟时间：构造4＞构造3＞构造2＞构造1。

表3不同组合墙体构造特性

综上可知，在同一温度波连续作用下，各构造指标特性分析：构造4的热工性能均优于其他构造，构造2与构造3差别较小，增加封闭空气间层对保温性能影响较低，开放的空气间层对提高墙体热工性能起着明显的作用。

4.3 封闭与开放的通风口内壁面温度及自然对流状况分析

构造3、构造4的材料和构造相同，不同的是构造4空气间层厚度由20mm加到50mm，空气间层内壁各层上下设有通风口，热惰性指标相同。如图4所示，构造4空气间层与室内空气自然对流速率分别为11.36mm/s、1.42mm/s。对比图3c和图3d，构造3墙体的内壁面温度高于构造4墙体；构造3空气间层与室内空气自然对流速率均可近似忽略不计。

综上可知，在同一温度波连续作用下，内壁面设有上下通风口的构造墙体较普通3D打印构造墙体有明显的空气自然对流；内壁面温度较低，热稳定性更好，因此，构造4比构造3更节能[4]。

图4构造4墙体自然对流图

5 总结与展望

5.1 总结

研究基于大连冬季大寒日全天温度实测数据，将室外综合温度随时间的变化规律和太阳能辐射量变化规律分别拟合为简谐波规律；基于3D打印的构造4蓄热能力远远大于其他3种构造，周期性温度波衰减越快，热稳性较好，延迟时间变长，使具有明显的节能效果；根据“特朗勃”墙的原理，具有通风口的构造4通过被动式太阳能集热的热压作用，形成室内空气流动，通过合理控制通风口的开闭，不仅为室内补充热能，同时减少热能损失；运用ANSYS软件模拟分析和计算，实现墙体保温与构造一体化设计[5]。