樹脂透光混凝土制品的制備及其節(jié)能效果研究*

周　智，高錫鵬，申　娟，李忠華，陽(yáng)環(huán)宇

(1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024; 2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)

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樹脂透光混凝土制品的制備及其節(jié)能效果研究*

周智1,2，高錫鵬1，申娟1，李忠華1，陽(yáng)環(huán)宇1

(1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024; 2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)

新型建筑材料的發(fā)展是推動(dòng)綠色節(jié)能建筑發(fā)展的重要引擎，本文根據(jù)樹脂材料的透光特性，設(shè)計(jì)了1種新型樹脂透光混凝土制品，借助Autodesk Ecotect Analysis軟件對(duì)使用該樹脂透光混凝土制品的某實(shí)驗(yàn)室采光情況和光控照明裝置的關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行了分析，以評(píng)估該型樹脂透光混凝土制品的節(jié)能效果。結(jié)果表明，使用該透光混凝土制品后，房間內(nèi)平均采光系數(shù)可提升30%，采光均勻度提升51%，自然采光時(shí)間內(nèi)人工照明裝置的關(guān)閉時(shí)間由23%增加至39%，節(jié)能效果明顯。

樹脂透光混凝土制品；透光性能；Autodesk Ecotect Analysis；節(jié)能效果

0　引　言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市建設(shè)用地資源日益緊缺，使得新生建筑物趨向于超高層和高密集度的方向發(fā)展[1]。重巒疊嶂的建筑群會(huì)影響建筑的自然采光，尤其對(duì)于進(jìn)深很大的巨型建筑和不能朝陽(yáng)的房間,即使天氣晴朗,室內(nèi)也昏暗陰沉,無(wú)形之中增加了人工照明的電能損耗[2]。為了節(jié)約照明能耗，透光混凝土應(yīng)運(yùn)而生。

最早的研究始于2003年，匈牙利建筑師AronLosonczi首次提出了光纖透光混凝土的概念，通過(guò)在傳統(tǒng)的鋼筋混凝土中加入導(dǎo)光的光纖束,實(shí)現(xiàn)了混凝土的透明特性，既節(jié)約電能又有裝飾效果[3]。然而，將光纖作為導(dǎo)光體的成本昂貴，且光纖的布設(shè)工藝復(fù)雜，阻礙了透明混凝土的規(guī)?；a(chǎn)及推廣制造應(yīng)用。鑒于此，意大利水泥集團(tuán)在2010年研發(fā)出了1種用透明樹脂做導(dǎo)光體的新型透光混凝土[4]，即將預(yù)先成型的樹脂埋置在細(xì)石混凝土中，以達(dá)到透光效果。隨后，意大利水泥集團(tuán)將其產(chǎn)品化，并應(yīng)用在了上海世博會(huì)上的意大利館中，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5]。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)對(duì)樹脂透明混凝土的研究較為遲緩。2011年，比亞迪股份有限公司提出了1種樹脂透明混凝土的生產(chǎn)工藝[6]，即先在半硬化的混凝土中打孔，后澆筑樹脂。2014年，南昌大學(xué)的王信剛提出了1種先利用模具預(yù)制導(dǎo)光體，后將其埋置于混凝土中的方法[7]。上述方法均能實(shí)現(xiàn)樹脂透明混凝土的生產(chǎn)，但導(dǎo)光體的成型工藝較為粗糙，生產(chǎn)效率較低，且質(zhì)量得不到保障，難以形成制品，從而不易對(duì)其透光性能做出較系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。此外，從視覺(jué)角度，透明樹脂具有與玻璃相同的透光效果，且相對(duì)于光纖透明混凝土能較容易地獲得高感光面積比。如果能夠高效地制得樹脂透光混凝土制品且獲悉其透光性能，將會(huì)推動(dòng)樹脂透光混凝土在建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，進(jìn)而減少人工照明時(shí)間，有效節(jié)省電能。

鑒于此，本文通過(guò)透光率實(shí)驗(yàn)研究了透明樹脂材料的透光特性，進(jìn)而根據(jù)其特性設(shè)計(jì)出具有合理結(jié)構(gòu)形式的透明混凝土制品，同時(shí)應(yīng)用AutodeskEcotect Analysis軟件對(duì)大連理工大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室的采光情況進(jìn)行模擬，對(duì)比其外墻在應(yīng)用樹脂透光混凝土制品前后的采光效果，分析了應(yīng)用樹脂透光混凝土制品對(duì)人工照明時(shí)間的影響。

1　透明樹脂材料透光性能研究

樹脂透光混凝土制品以透明樹脂作為導(dǎo)光體，透明樹脂的透光率直接決定樹脂透光混凝土制品的透光性能。現(xiàn)有透光率較好的透明樹脂包括不飽和聚酯樹脂和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。其中，PMMA由于流動(dòng)溫度高于100℃，導(dǎo)光體的成型對(duì)加工環(huán)境條件要求較高[8]，而不飽和聚酯樹脂在常溫下即可成型，且成型后透光率與PMMA相近。因此，本文選用不飽和聚酯樹脂生產(chǎn)導(dǎo)光體，將導(dǎo)光單元設(shè)計(jì)為柱狀分支，并對(duì)柱狀的透明樹脂制品進(jìn)行一系列透光性能測(cè)試。

1.1實(shí)驗(yàn)裝置介紹

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)以LED強(qiáng)光燈作為光源，采用Newport 2832-C雙通道光功率計(jì)以及兩個(gè)818-SL探頭分別測(cè)量試件的入射及透射光功率。其中，818-SL探頭感光面積為1 cm2，可以探測(cè)400～1 100 nm范圍的波長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算透射光功率與入射光功率之比獲得材料的透光率。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)探頭調(diào)零。利用雙通道光功率計(jì)所測(cè)得的光功率計(jì)算透光率的前提是兩個(gè)通道的初始狀態(tài)完全一致，因此需要在測(cè)試之前對(duì)兩個(gè)探頭在同等光源條件下進(jìn)行調(diào)零設(shè)置。

(2)放置試件及探頭。將兩個(gè)探頭一前一后置于試件兩側(cè)，探頭感光面均朝向光源一側(cè)且感光面要與試件的前后兩平面(兩透光側(cè)面)平行，為了避免入射探頭遮擋光線，需將入射探頭置于入射面的一側(cè)。

圖1　透光率測(cè)試裝置

(3)定位光源。透光率的計(jì)算是通過(guò)透射光功率與入射光功率之比獲得的，而兩探頭沿光線入射方向不在同一直線上，因此需保證到達(dá)探頭的光線近似為平行光。前期測(cè)試表明，若光源置于兩探頭的垂直平分線上，且光源離探頭距離超過(guò)2 m時(shí)，所測(cè)透光率趨于穩(wěn)定，如圖2所示。因此，本文在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將光源定位于兩探頭的垂直平分線上，距探頭約3 m處。

圖2　光源與探頭間距離對(duì)透光率的影響

Fig 2 Effect of distance between the light sources and the sensor on the transmission

1.2不同波長(zhǎng)光線透光率研究

選取截面直徑為22 mm、長(zhǎng)度分別為20，60和105 mm的圓柱棒，采用上述裝置及步驟分別測(cè)量不同波長(zhǎng)下的入射功率及透射功率，進(jìn)而求得不同波長(zhǎng)條件下試件的透光率，其分布規(guī)律如圖3-5所示。由圖3和4可知，在400～1 000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，隨著波長(zhǎng)的增加(電磁波頻率減小)，入射及透射光功率值均呈減小趨勢(shì)，這與光量子假說(shuō)結(jié)論是一致的。但在1 000～1 200 nm范圍內(nèi)，由于LED強(qiáng)光燈有近70%的輻射是紅外線，且波長(zhǎng)為1 100 nm的波段處輻射能量最強(qiáng)[9]，光功率急劇增大。雖然各波長(zhǎng)段光功率值有差異，但入射光與透射光的變化規(guī)律一致性較好。此外，圖5更清晰地顯示：在可見光范圍內(nèi)，各波長(zhǎng)范圍透光率基本一致，而1 000 nm以外的紅外光透過(guò)率則明顯提高。

圖3　不同長(zhǎng)度試件可見光入射光功率與波長(zhǎng)的關(guān)系

Fig 3 Relationship between wavelength and incident optical power of specimens with different length

圖4　不同長(zhǎng)度試件可見光透射功率與波長(zhǎng)的關(guān)系

Fig 4 Relationship between wavelength and transmitted light power of specimens with different length

圖5　不同長(zhǎng)度試件可見光透光率與波長(zhǎng)的關(guān)系

Fig 5 Relationship between wavelength and light transmittance of specimens with different length

1.3柱狀透明樹脂制品透光率隨長(zhǎng)度的衰減規(guī)律

樹脂不同于光纖，光線在樹脂內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)全反射，因此透光率會(huì)隨著制品長(zhǎng)度(厚度)的增加而降低。為了探究這種衰減規(guī)律，進(jìn)而為導(dǎo)光分支長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)提供足夠參考，本文測(cè)量了一系列不同長(zhǎng)度、不同截面尺寸的樹脂棒的透光率(此處的透光率為各波長(zhǎng)的總透光率，即試件不同波長(zhǎng)透射光功率之和與入射光功率之和的比值)，并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到圖6所示的結(jié)果。

圖6　試件透光率隨長(zhǎng)度的衰減規(guī)律

Fig 6 Effect of specimen length on the light transmittance

由圖6可知，樹脂棒的透光率最高可達(dá)93%，且隨長(zhǎng)度的增加而衰減，當(dāng)試件長(zhǎng)度超過(guò)100 mm時(shí)，透光率將低于60%，因此，在應(yīng)用該類樹脂制作透光混凝土制品時(shí)，制品不宜過(guò)厚。圖6所示試件透光率與試件截面尺寸雖沒(méi)有明顯的規(guī)律，但在制作試件過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，截面尺寸越小，試件質(zhì)量越不穩(wěn)定，透光率波動(dòng)較大，因此導(dǎo)光分支截面不宜太小。本文中，為使透光混凝土制品有較高的透光率，同時(shí)盡可能地保證其材料均質(zhì)的特性，所設(shè)計(jì)的導(dǎo)光體分支長(zhǎng)度為20 mm，導(dǎo)光分支直徑為15 mm。由圖6可知，該種尺寸的導(dǎo)光體透光率約為87%。

2　樹脂透光混凝土制品的研制

樹脂透光混凝土是通過(guò)將預(yù)制的樹脂類導(dǎo)光體埋置在水泥基體中而得到的，如圖7所示，其工藝流程包括導(dǎo)光體設(shè)計(jì)及母模制作、模具制作、導(dǎo)光體成形和埋入水泥基體4步，其中，樹脂導(dǎo)光體的預(yù)制是樹脂透明混凝土的核心環(huán)節(jié)。

圖7　樹脂透光混凝土制品模型

2.1導(dǎo)光體設(shè)計(jì)

依據(jù)上述透明樹脂材料透光性能研究的結(jié)論，本文中所研制透光混凝土制品為200 mm×200 mm×20 mm的薄板，導(dǎo)光體的導(dǎo)光分支截面直徑為15 mm。同時(shí)，為了將各導(dǎo)光體分支連為一個(gè)整體，在中間設(shè)置了厚度為6 mm的連接部。由于該種透明樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)低于0.2 W/(m·K)，可作保溫材料使用，連接部的存在可保證該混凝土良好的熱工性能。

2.2模具制作

硅膠模具具有耐腐蝕、抗撕拉性強(qiáng)、仿真精度高、便于樹脂類制品脫模等特點(diǎn)[10-11]，是制作樹脂導(dǎo)光體的首選。本文采用自主研發(fā)的裝置及方法，可在硅膠模具的任意位置設(shè)置分模線，即便是較復(fù)雜形式的導(dǎo)光體，脫模也極為方便。同時(shí)，硅膠模具韌性好，在脫模的過(guò)程中對(duì)模具損耗小，可重復(fù)使用，降低了樹脂導(dǎo)光體的生產(chǎn)成本。圖8為自主設(shè)計(jì)的裝置及制作完成的硅膠模具。

圖8　模具制作裝置及硅膠模具

2.3導(dǎo)光體成型

本例所選用樹脂需與固化劑和促進(jìn)劑混合使用，而試劑配比會(huì)決定樹脂制品的透光效果、固化時(shí)間以及制品強(qiáng)度，因此需通過(guò)試配確定最佳配比。在硅膠模具制作完成后，只需將配制好的液態(tài)樹脂沿其中的一孔緩緩倒入，由于硅膠模具內(nèi)部為連通器構(gòu)造(上端開口，底部聯(lián)通)，在灌注樹脂時(shí)模具各孔樹脂液面會(huì)同步上升。待導(dǎo)光體完全固化后，將導(dǎo)光體置于混凝土模具中澆筑水泥砂漿，養(yǎng)護(hù)后將兩導(dǎo)光側(cè)面打磨光滑并拋光，樹脂透明混凝土便制作完成，該種透光混凝土制品整體透光率為25%左右，實(shí)體圖如圖9、10所示。

圖9　樹脂透光混凝土制品

圖10　光源下的樹脂透光混凝土制品

Fig 10 Resin translucent concrete product under the light

3　樹脂透光混凝土制品的節(jié)能效果研究

為了評(píng)估上述制品的節(jié)能效果，本文以大連理工大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，利用AutodeskEcotect Analysis軟件模擬該實(shí)驗(yàn)室在采用該透光混凝土制品前后的采光情況，同時(shí)對(duì)兩者進(jìn)行了光控照明節(jié)能分析。

3.1模型建立

該實(shí)驗(yàn)室開間6.9 m、進(jìn)深7.5 m、高3.6 m，位于整棟建筑的四樓東側(cè)，面朝東開有兩個(gè)2.1 m×2.1 m的鋁合金窗，窗臺(tái)高度0.9 m，窗距外墻面0.3 m，東側(cè)無(wú)遮擋建筑。

為了便于建模，本文做了如下3點(diǎn)簡(jiǎn)化：

(1)因?qū)嶒?yàn)室內(nèi)部布置較為簡(jiǎn)潔，實(shí)驗(yàn)儀器較少，因此不考慮室內(nèi)存放物的影響。

(2)在屋頂處設(shè)置一外伸0.3 m的坡屋頂，以模擬窗距外墻面0.3 m的效果。

(3)以窗的概念模擬混凝土制品的導(dǎo)光分支，相當(dāng)于每塊透光混凝土上裝有64扇透光率為87%的小窗戶，同時(shí)將圓形的導(dǎo)光分支按等面積轉(zhuǎn)化為方形，以便于建模。

圖11(a)和(b)分別為未使用和使用透光混凝土制品的模型。圖11(b)中使用了209塊樹脂透光混凝土制品，因此在該模型東側(cè)墻中插入2個(gè)鋁合金窗和13 376個(gè)樹脂窗。計(jì)算前在計(jì)算平面上劃分網(wǎng)格，本例中計(jì)算平面取室內(nèi)高0.8 m處，為避免墻面反射影響，網(wǎng)格四周距墻邊1 m。

圖11　實(shí)驗(yàn)室模型

3.2數(shù)值求解

3.2.1模型有效性評(píng)估

為了研究利用該軟件求解結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先對(duì)比了該實(shí)驗(yàn)室不同區(qū)域全陰天條件下[12]4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)測(cè)平均采光系數(shù)與軟件模擬計(jì)算系數(shù)，取樣點(diǎn)分布如圖12所示，位于房間東南角，共計(jì)32個(gè)點(diǎn)，4個(gè)時(shí)間點(diǎn)為10:00、11:00、14:00和15:00。圖13所示為計(jì)算結(jié)果曲線。由圖13可知，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果在部分取樣點(diǎn)上數(shù)值雖稍有差異，但總體變化規(guī)律一致，即這種誤差不會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生質(zhì)的影響，因此可以用該軟件進(jìn)行后續(xù)分析。

圖12　采光系數(shù)測(cè)點(diǎn)分布示意圖

Fig 12 Measuring points distribution diagram of daylight factor

圖13　實(shí)測(cè)采光系數(shù)與模擬采光系數(shù)對(duì)比圖

Fig 13 Comparison diagram of measuring daylight factor and simulated daylight factor

3.2.2改善采光效果分析

利用如圖11所示的模型分別模擬某實(shí)驗(yàn)室在使用樹脂透光混凝土?xí)r與未使用時(shí)的采光情況，通過(guò)對(duì)比兩者的采光系數(shù)及采光均勻度來(lái)評(píng)估樹脂透光混凝土的節(jié)能效果，模擬結(jié)果如圖14所示。

圖14　某實(shí)驗(yàn)室采光系數(shù)分布圖(%)

由圖14可知，未使用透光混凝土?xí)r，該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采光系數(shù)>2%的節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)數(shù)的7%，即在全陰天情況下有7%的區(qū)域可以不使用人工照明而能達(dá)到使用要求，最小采光系數(shù)為0.64%，平均值為1.31%，采光均勻度為0.49；而使用樹脂透光混凝土后，室內(nèi)采光系數(shù)>2%的節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)數(shù)的21%，最小采光系數(shù)為1.26%，平均值提升至1.70%，采光均勻度為0.74。

綜上所述，樹脂透光混凝土制品的使用不僅可以大幅提升室內(nèi)采光系數(shù)，而且對(duì)采光均勻度也有明顯改善。因此，該型樹脂透光混凝土制品可以顯著改善室內(nèi)采光水平。

3.2.3光控照明節(jié)能分析

根據(jù)我國(guó)最新頒布的建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，教育類建筑的側(cè)面采光系數(shù)不應(yīng)低于3%，照明度不低于450Lux[13]，高于該實(shí)驗(yàn)室天然光采光能力，因此需要安裝人工輔助照明設(shè)施。透光混凝土制品的使用雖然不能使該實(shí)驗(yàn)室在正常采光時(shí)間段內(nèi)完全脫離人工照明，但可以有效縮短照明裝置的開啟時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)其節(jié)能作用。

光控照明節(jié)能分析是通過(guò)比較照明裝置關(guān)閉時(shí)間占自然采光時(shí)間的比率大小來(lái)評(píng)估節(jié)能效果[14]，可方便地利用Autodesk Ecotect Analysis的高級(jí)采光分析功能實(shí)現(xiàn)。本節(jié)即通過(guò)對(duì)比使用樹脂透光混凝土前后該實(shí)驗(yàn)室的光控照明節(jié)能分析結(jié)果來(lái)評(píng)估樹脂透光混凝土的節(jié)能效果。

如圖15(a)所示，在未使用透光混凝土?xí)r，如果采用開關(guān)式光控照明設(shè)備，在計(jì)算照度450Lux的情況下，將會(huì)有23%左右的自然采光時(shí)間可以關(guān)閉人工照明設(shè)備；使用透光混凝土后，自然采光時(shí)間內(nèi)關(guān)閉照明設(shè)備的時(shí)間可以提升至39%，節(jié)能效果明顯。

圖15　光控照明節(jié)能分析圖

Fig 15 Optical control of lighting energy-saving analysis diagram

4　結(jié)　論

本文首先研究了不飽和聚酯樹脂材料固化后的透光特性，同時(shí)根據(jù)其特性設(shè)計(jì)了具有特定形式的導(dǎo)光體，其次應(yīng)用自主設(shè)計(jì)的裝置和方法制備出了樹脂透光混凝土制品，最后應(yīng)用AutodeskEcotect Analysis軟件分析了該型混凝土制品的節(jié)能效果。在此過(guò)程中，得到如下結(jié)論：

(1)不飽和聚酯樹脂材料在100 mm厚度以內(nèi)具有優(yōu)異的透光性能，透光率可高達(dá)93%，當(dāng)厚度超過(guò)100 mm時(shí)，透光率低于60%，因此，不飽和聚酯樹脂可用于生產(chǎn)透光混凝土的導(dǎo)光體，但制品厚度不宜超過(guò)100 mm。

(2)硅膠模具具有耐腐蝕，抗撕拉性強(qiáng)，仿真精細(xì)高，便于樹脂類制品脫模等特點(diǎn)，因此在選用樹脂材料生產(chǎn)導(dǎo)光體時(shí)，優(yōu)選硅膠模具。

(3)樹脂透光混凝土制品的節(jié)能效果可借助AutodeskEcotect Analysis軟件模擬實(shí)現(xiàn)，借用窗的定義將每個(gè)導(dǎo)光單元嵌入進(jìn)模型中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)使用樹脂透光混凝土制品的房間建模。

(4)樹脂透光混凝土制品的使用可顯著改善房間的采光情況。以本文為例，使用透光混凝土制品代替普通外墻后，房間內(nèi)平均采光系數(shù)可提升30%，采光均勻度提升51%，進(jìn)而可縮短人工照明裝置的啟用時(shí)間。

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[13]GB/T 50033-2013.Standard for daylighting design of buildings [S].

GB/T 50033-2013.建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[14]Autodesk,lnc.The application of Autodesk Ecotect Analysis on green building[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011:200-228.

Autodesk,lnc.Autodesk Ecotect Analysis綠色建筑分析應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011:200-228.

Preparation and energy-saving effect evaluation of resin translucent concrete product

ZHOU Zhi1,2,GAO Xipeng1,SHEN Juan1,LI Zhonghua1,YANG Huanyu1

(1.School of Civil Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology, Dalian 116024,China)

Development of new building materials is an important engine to promote the development of green energy efficient building.Based on the light transmission properties of the resin material,we designed a new type of resin translucent concrete products.In order to evaluate the energy saving effect of this type of resin translucent concrete products,we analyzed the lighting conditions and turn-off time of illumination devices of a laboratory that used the resin translucent concrete products with the help of Autodesk Ecotect Analysis software.The results show that after using the light-transmitting concrete products,the average daylight factor of the room can be increased by 30%; lighting uniformity upgrade 51%; the close time of artificial lighting devices within the natural light service period increased from 23% to 39%.

resin translucent concrete products; transmittance properties; Autodesk Ecotect Analysis; energy saving effect

1001-9731(2016)09-09017-06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB013705)

2015-08-05

2016-03-11 通訊作者：周智，E-mail:zhouzhi@dlut.edu.cn

周智(1973-)，男，湖南道縣人，教授，從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、FRP工程加固及綠色建筑等研究。

TU528

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.09.004