透光混凝土建筑室內(nèi)環(huán)境光熱效應(yīng)實驗研究

廖文生 陳 濱 周 智

透光混凝土建筑室內(nèi)環(huán)境光熱效應(yīng)實驗研究

廖文生 陳 濱 周 智

（大連理工大學(xué) 大連 116024）

透光混凝土由光纖、樹脂、有機(jī)玻璃等透光性材料與普通混凝土制備而成，具有通透自然光的特點，不僅可以提高建筑整體采光水平，降低人工照明能耗，而且可以在一定程度上降低建筑窗墻比，避免由于窗戶的增加引起的冷風(fēng)滲透、冷熱橋等現(xiàn)象。對光纖、樹脂和有機(jī)玻璃三種常見的導(dǎo)光體材料進(jìn)行透光率測試，長度為200mm的三種導(dǎo)光體材料的透光率分別為18.27%、9.84%和12.96%，兼顧導(dǎo)光體材料的經(jīng)濟(jì)性和施工工藝繁雜性因素，確定有機(jī)玻璃作為本文透光混凝土砌塊導(dǎo)光體材料，并對制備的透光混凝土砌塊進(jìn)行抗壓強度和凍融循環(huán)實驗，結(jié)果表明導(dǎo)光體與混凝土基體界面接觸面積增加是影響其力學(xué)性能和耐久性下降的重要因素。以此為理論依據(jù)結(jié)合配筋砌體施工工藝，確定透光混凝土砌塊最佳尺寸并搭建透光混凝土建筑實驗平臺，從建筑系統(tǒng)的視角出發(fā)，在大連地區(qū)特定光熱氣候條件下，對透光混凝土建筑所營造的室內(nèi)光熱環(huán)境進(jìn)行分析評價。結(jié)果表明：導(dǎo)光體體積摻雜比為12.56%，南向改造面積為0.56m2的透光混凝土實驗房在冬夏兩季、晴天和陰天兩種不同天氣工況下，室內(nèi)照度水平分別增加62.1lux、86.6lux、22.4lux、28.5lux；室內(nèi)照度均勻度分別提升2.38%、4.25%、1.32%、3.13%；人工照明時間分別減少3.48%、14.46%、2.95%、7.21%；并對不同時間段透光混凝土墻體對室內(nèi)熱舒適影響效果進(jìn)行了實證分析。

透光混凝土；室內(nèi)環(huán)境；光熱環(huán)境效應(yīng)；實驗研究

0 引言

根據(jù)世界能源組織（International Energy Agency）統(tǒng)計，到2020年世界能源需求將比1990年高50%以上[1]。建筑物的能耗在總能耗中具有舉足輕重的地位。研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)，開發(fā)高性能、低能耗、多功能、工廠化的新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料以及構(gòu)造構(gòu)件對于緩解能源壓力、改善環(huán)境質(zhì)量、提升人民幸福指數(shù)顯得格外重要。未來，我國隨著城鎮(zhèn)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)建筑土地的資源將越來越匱乏，建筑群體間的互相遮擋將無可避免，尤其對于超高層建筑附近的建筑群以及地下室而言，如何使室內(nèi)獲得良好的自然采光顯得尤為重要。為此透光混凝土技術(shù)應(yīng)運而生，它利用透光性材料將室外綠色環(huán)保的自然光傳輸?shù)绞覂?nèi)，從而提高建筑采光水平、降低室內(nèi)照明能耗，徹底顛覆傳統(tǒng)墻體給人們沉悶、密實陰暗的感覺。

透光混凝土概念是由匈牙利的建筑師Aron losonczi[2]在2002年率先提出，隨后便引起眾多學(xué)者的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者針對不同類型的透光混凝土展開大量的力學(xué)性能、耐久性研究，并對這些性能指標(biāo)的影響因素進(jìn)行分析[3-5]。也有部分學(xué)者從透光混凝土透光、節(jié)能的視角出發(fā)，對如何提高透光混凝土的透光性能、透光混凝土面板的最佳傾斜角度、熱工性能以及透光混凝土降低的人工照明能耗等進(jìn)行研究，確定透光混凝土的環(huán)保節(jié)能效果[6-9]。然而目前國內(nèi)外學(xué)者針對透光混凝土對建筑室內(nèi)光熱環(huán)境影響的研究較少，且大多是通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。

本文旨在通過對透光混凝土砌塊的力學(xué)性能、耐久性和透光性能實驗研究的基礎(chǔ)上，搭建透光混凝土建筑實驗平臺，對透光混凝土建筑光熱環(huán)境效應(yīng)、舒適性、節(jié)能等進(jìn)行研究。

1 實驗概述

1.1 透光混凝土砌塊研制

透光混凝土是由混凝土基體和導(dǎo)光體兩部分復(fù)合而成的功能性建材，本研究對光纖、樹脂和有機(jī)玻璃三種常見的導(dǎo)光體材料進(jìn)行如圖1所示的透光率測試，長度為200mm的三種導(dǎo)光體材料的透光率分別為18.27%、9.84%和12.96%，兼顧導(dǎo)光體材料的經(jīng)濟(jì)性和施工工藝繁雜性因素，確定有機(jī)玻璃作為本文透光混凝土砌塊導(dǎo)光體材料?；炷粱w采用自密實混凝土漿體，借鑒現(xiàn)有自密實混泥凝土材料配比的成功經(jīng)驗和自己多次配比嘗試最終配備出表1所示的和易性較好的自密實混凝土漿體。隨后按照標(biāo)準(zhǔn)化制備工藝制備出如圖2所示的透光混凝土砌塊，并參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性和耐久性實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行如圖3所示的力學(xué)性能和耐久性研究，結(jié)果表明透光混凝土砌塊的力學(xué)性能和耐久性隨導(dǎo)光體體積摻雜比的增加而下降，導(dǎo)光體與混凝土基體界面接觸面積影響其下降的重要因素[11]。為此以導(dǎo)光體相同體積摻雜比，界面面積盡可能小、導(dǎo)光體尺寸盡可能大的原則，兼顧為了保證透光混凝土砌塊高層砌筑過程穩(wěn)定性而采用的配筋砌體的施工工藝，最終確定了如圖4所示的透光混凝土砌塊尺寸。

表1 自密實混凝土基體配比

圖1 導(dǎo)光體透光率測試

圖2 自行制備的透光混凝土砌塊

圖3 力學(xué)性能及耐久性實驗

Fig.3 Mechanical properties and durability test

圖4 透光混凝土砌塊尺寸

1.2 實驗平臺

實驗平臺位于大連地區(qū)，由透光混凝土實驗房和對比房組成，如圖5所示。實驗房和對比房建筑尺寸均為3m×3m×3.5m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)依據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計。相對于對比房，在南外墻窗間墻位置增加了尺寸為0.4m×0.7m的兩塊透光混凝土墻體構(gòu)件外，實驗房與對比房的其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造均相同。另外，依據(jù)Ecotect模擬計算確定透光混凝土構(gòu)件的最小墻體改造面積和最佳改造位置[11]。

圖5 實驗平臺

1.3 測試方法

測試參數(shù)包括室外氣象參數(shù)、室內(nèi)工作面照度和室內(nèi)溫度、透光混凝土墻體內(nèi)表面溫度以及室內(nèi)舒適性等。所有測試儀器如表2所示。測試儀器根據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[12]、GB/T 50785-2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》[13]以及ASHRAE55-2013[14]規(guī)范要求進(jìn)行布置，測點布置如圖6所示。于2018年7月～2019年1月分別對夏季和冬季兩個季節(jié)進(jìn)行了連續(xù)兩周的測試，測試場景如圖7所示。

表2 測試儀器

圖6 測點布置

圖7 測試場景圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 光環(huán)境效應(yīng)分析

2.1.1 室內(nèi)光環(huán)境改善效果

圖8 透光混凝土引起的室內(nèi)照度增值逐時變化

圖8表示安裝透光混凝土構(gòu)件的實驗房分別在冬夏季晴天和陰天室內(nèi)照度水平相比對比房的照度增加值逐時變化。對比房位于實驗房東側(cè)，晴天受建筑方位的影響，日出后一段時間對比房室內(nèi)照度高于實驗房。透光混凝土對室內(nèi)照度的作用效果如圖9所示。當(dāng)在南向墻體設(shè)置的透光混凝土構(gòu)件，有機(jī)玻璃導(dǎo)光體摻雜比為12.56%、面積為0.56m2時，在冬夏兩季晴天室內(nèi)平均照度分別增加62.1lx和86.6lx，陰天分別增加22.4lx和28.5lx，且晴天室內(nèi)照度的平均值和波動范圍遠(yuǎn)高于陰天。

圖9 不同天氣工況下室內(nèi)逐時照度誤差棒

透光混凝土構(gòu)件對室內(nèi)采光水平的影響效果在關(guān)注其“量”大小的同時更應(yīng)關(guān)注其“質(zhì)”的好壞，為了評價室內(nèi)采光質(zhì)量的好壞，本實驗采用室內(nèi)照度均勻度進(jìn)行評價，以一天為例，不同天氣條件下照度均勻度改善效果如圖10所示。冬夏兩季透光混凝土墻體使室內(nèi)晴天照度均勻度分別提升2.38%和4.25%；陰天照度均勻度分別提升1.32%和3.13%，且陰天室內(nèi)照度均勻度明顯高于晴天，夏季高于冬季，這主要是由于冬夏季太陽高度角不同所致。

圖10 不同天氣工況下室內(nèi)逐時照度均勻度誤差棒

2.1.2 節(jié)能

以正常校園辦公作息時間8:00-22:00為例，根據(jù)《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）[13]規(guī)定，辦公室內(nèi)工作面照度不低于300lx，當(dāng)室內(nèi)照度低于300lx時，室內(nèi)需采用燈光照明以彌補自然采光的不足。由圖11可知，冬夏兩季，晴天開燈時間分別延遲12min和35min，節(jié)能3.48%和14.46%；陰天開燈時間分別延遲13min和28min，節(jié)能2.95%和7.21%。

圖11 不同天氣工況下室內(nèi)照度逐時變化

2.2 舒適性

圖12是利用熱成像原理對典型時刻透光混凝土墻體表面溫度場進(jìn)行可視化描述，透光混凝土墻體內(nèi)部的導(dǎo)光體以及四周銜接處有冷熱橋現(xiàn)象，其保溫性能有待提高。假設(shè)人員活動代謝率=135W/m2、冬夏季服裝熱阻分別為2clo和0.5clo、外部活動量=0W/m2，利用熱舒適儀采集的數(shù)據(jù)對不同工況下室內(nèi)舒適性進(jìn)行評價，結(jié)果如圖13所示。日間透光混凝土墻體內(nèi)表面溫度明顯高于周圍墻體內(nèi)表面溫度、透光混凝土墻體四周有熱橋現(xiàn)象以及透光混凝土透過的太陽光增加室內(nèi)的輻射得熱等綜合因素使冬夏季室內(nèi)升高，隨著室外溫度的降低，夜間透光混凝土墻體表面溫度低于四周墻體以及四周的冷橋現(xiàn)象使冬夏季室內(nèi)降低。透光混凝土墻體構(gòu)件對室內(nèi)舒適度的影響效果如圖14所示，冬夏季，室內(nèi)平均在晴天日間分別提升0.09和0.01，夜間分別降低0.01和0.03；陰天日間分別提升0.03和0.01，夜間分別降低0.02和0.01。

圖12 典型時刻透光混凝土墻體表面溫度場可視化描述

圖13 冬夏季室內(nèi)環(huán)境PMV逐時變化

圖14 不同天氣工況下實驗房和對比房室內(nèi)環(huán)境平均PMV誤差棒

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本研究通過搭建透光混凝土建筑實驗平臺，主要得到以下研究結(jié)論：

（1）200mm厚的光纖、樹脂、有機(jī)玻璃棒三種導(dǎo)光體材料的透光率分別為18.27%、9.84%和12.96%。

（2）透光混凝土砌塊材料的抗壓強度和耐久性隨導(dǎo)光體摻雜比的增加而下降，導(dǎo)光體和混凝土基體的界面面積的增加是導(dǎo)致抗壓強度和耐久性下降的重要因素。

（3）透光混凝土墻體的改造改善了室內(nèi)采光質(zhì)量，冬夏季，晴天室內(nèi)平均照度分別增加62.1lx和86.6lx，照度均勻度分別提升2.38%和4.25%；陰天平均照度分別增加22.4lx和28.5lx，照度均勻度分別提升1.32%和3.13%；

（4）冬夏季，節(jié)省人工照明能耗晴天分別為3.48%和14.46%，陰天分別為2.95%和7.21%；

（5）透光混凝土墻體在冬季日間和夏季夜間一定程度上提高了室內(nèi)舒適性，在冬季夜間和夏季日間室內(nèi)舒適性略有降低。

3.2 展望

目前基于透光混凝土的研究仍處于初步探索階段，受制備工藝和材料成本的限制，距透光混凝土大規(guī)模市場化推廣應(yīng)用還有一定距離。本研究尚有很多不足、可改進(jìn)以及進(jìn)一步研究的地方如下：

（1）對南向透光混凝土墻體所營造的室內(nèi)光熱環(huán)境效果進(jìn)行分析，未與其他方位進(jìn)行對比分析。

（2）針對不同天氣工況下透光混凝土建筑的室內(nèi)光熱環(huán)境進(jìn)行短周期檢測和研究，缺乏長周期檢測。

（3）僅對透光混凝土的燈光照明節(jié)省進(jìn)行分析，缺乏建筑整體能耗分析研究。

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Experimental Study on Indoor Photothermal Effect of Light-transmitting Concrete Building

Liao Wensheng Chen Bin Zhou Zhi

( Dalian University of Technology, Dalian, 116024 )

Characterized by transparent natural light, Light-transmitting concrete made of translucent materials such as optical fiber, resin, and plexiglass with normal concrete, not only can improve lighting level of buildings, but also reduces their energy consumption for artificial lighting, reducing window-wall ratio and avoiding occurrences of cold air infiltration, cold and hot bridge by the increase of windows. In this paper, three typical light conductive materials (optical fiber, resin and organic glass) are tested with lengths of 200mm, which their transmittances are 18.27%, 9.84% and 12.96%, respectively. Considering the economy of light conductive materials and its complicated construction technology, this research selects the organic glass as the transmittance material for Light-transmitting concrete block, tested by Compressive strength and freeze-thaw cycling experiment. The results show that the increase of contact area between light conductivity and concrete matrix is an important factor affecting the decline of its mechanical properties and durability. The optimal size of Light-transmitting concrete block is determined to construct the experimental platform of translucent concrete building based on the theory upon with reinforced masonry construction process. From the perspective of building system, the indoor light and thermal environment in Light-transmitting concrete building is analyzed and evaluated under specific light and thermal climatic in Dalian. The results show that under the conditions of winter, summer, sunny and cloudy in the Light-transmitting concrete experimental room of which south reconstruction area is 0.56m2with light conductive volumetric doping ratio 12.56% , indoor illumination level increases by 62.1lux, 86.6 lux, 22.4 lux and 28.5 lux; Indoor illumination uniformity increased by 2.38%, 4.25%, 1.32%, and 3.13%; and artificial lighting time decreased by 3.48%, 14.46%, 2.95%, and 7.21%, respectively. It also analyzes the effect of Light-transmitting concrete wall on indoor thermal comfort in various time empirically.

Transparent concrete; Indoor environment; Photothermal environmental effect; Experimental study

TU113.5

A

1671-6612（2020）02-139-07

國家自然科學(xué)基金項目“寒冷地區(qū)居住室內(nèi)環(huán)境關(guān)聯(lián)健康影響表征模型研究”（51578103）；

“十三五”重點研發(fā)計劃課題“村鎮(zhèn)建筑需求適應(yīng)性被動太陽能供暖技術(shù)研究”（2018YFD1100701-02）

廖文生（1993.03-），男，碩士研究生，E-mail：1458044124@qq.com

陳 濱（1960.11-），女，博士，教授，E-mail：chenbin@dlut.edu.cn

2019-03-30