基于3D打印的被動式墻體熱工構(gòu)造的研究

張寶泉，寧文軍，魏艷玲，吳晨，黃世巖

（大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧 大連116000）

1 引言

3D打印建筑是近5年才出現(xiàn)的新興事物，縱觀全球3D打印建筑，仍處于研究階段[1]。在夏熱冬冷地區(qū)和熱帶地區(qū)，已經(jīng)出現(xiàn)試驗性的3D打印建筑，但在寒冷地區(qū)還沒有實用的，可以滿足節(jié)能要求的3D打印建筑。

本研究擬對幾種適用于3D打印建造的構(gòu)造形式，運用ANSYS軟件模擬研究其熱工性能及打印與保溫一體化建造的可能性，并采用非傳統(tǒng)保溫墻體，在大連地區(qū)建造實用的3D打印建筑[2]。

2 材料及墻體構(gòu)造特性計算

材料及墻體構(gòu)造特性計算主要包括：

3）衰減倍數(shù)V0：圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)空氣溫度穩(wěn)定，外側(cè)受室外綜合溫度諧波作用，室外綜合溫度諧波波幅與圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度波幅的比值。

式中，e為自然對數(shù)的底，e=2.718 28；ΣD為多層維護結(jié)構(gòu)D之和；ai，ae分別為內(nèi)，外表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；S1，S2，…，Sn為從內(nèi)到外各層材料蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）；Y1，Y2，…，Yn為從內(nèi)到外各層材料外表面蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）。

4）延遲時間ξ0：圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)空氣溫度穩(wěn)定，外側(cè)受室外綜合溫度諧波作用，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度諧波最大值出現(xiàn)的時間與室外綜合溫度諧波最大值出現(xiàn)的時間的差值。

式中，Yi、Ye分別為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）；Rk為空氣間層熱阻（m2·K/W）；Yki為空氣間層內(nèi)表面蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）。

5）蓄熱系數(shù)和表面蓄熱系數(shù)S：周期熱作用下，物體表面溫度升高或降低1℃時，在1h內(nèi)，1m2表面積貯存或釋放的熱量。S=A0/A1，其中：A0為材料表面的熱流波振幅；A1為表面溫度波振幅。

3 數(shù)學(xué)模型

墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱的計算模擬過程中，其假設(shè)條件如下：（1）各層材料為均質(zhì)，且各向同性；（2）熱物性不隨溫度變化；（3）保溫材料、砂漿與主體墻緊密接觸；（4）無內(nèi)部熱源和質(zhì)量源。

3.1 物理模型

取表1的構(gòu)造4以圖1所示外墻構(gòu)造作為圍護結(jié)構(gòu)瞬態(tài)傳導(dǎo)熱分析以及對流換熱分析的模型（已進行實地試驗性打印），與混凝土空心砌塊墻進行對比分析，其中墻體厚度和保溫材料的位置由墻體構(gòu)造決定。冬季白天，太陽能集熱墻吸收太陽輻射能量加熱墻體，導(dǎo)致空氣間層內(nèi)氣體溫度升高，產(chǎn)生熱壓，通過上、下風(fēng)口實現(xiàn)與室內(nèi)的對流循環(huán)加熱，提高室溫[3]。

圖1墻體構(gòu)造簡圖

3.2 數(shù)學(xué)描述

采用一維瞬態(tài)導(dǎo)熱模型，邊界條件如下：墻體兩側(cè)均為第三類邊界條件，內(nèi)隔墻、屋頂和地面均設(shè)為絕緣材料，材料的熱工參數(shù)如表2所示。根據(jù)寒冷地區(qū)的氣候特點取ai=8.7W/（m2·K），ae=23W/（m2·K）；冬季室內(nèi)溫度恒定為291.15 K；室外溫度變化取大連市冬季大寒日的室外綜合溫度進行擬合，如圖2所示。

表1 4種組合墻體構(gòu)造

表2材料的熱工參數(shù)

圖2擬合曲線與實際溫度曲線圖

4 ANSYS模擬分析

4.1 不同構(gòu)造墻體的內(nèi)、外壁面溫度分析

根據(jù)圖3可知,構(gòu)造1為傳統(tǒng)混凝土空心砌塊外保溫墻體，構(gòu)造2、3、4均可用于3D打印構(gòu)造墻體。其外壁面溫度波峰值分別為273.6K、273.0K、273.0K、272.8K，外壁面溫度波谷值分別為267.0K、268.0K、267.5K、267.3K，外壁面平均溫度分別為270.3K、270.5K、270.25K、270.05K；內(nèi)壁面溫度差分別為0.7K、0.23K、0.21K、0.1K。

綜上可知，在同一溫度波連續(xù)作用下，4種保溫墻體構(gòu)造的外壁面溫度波幅不同，平均溫度略有微差，均有良好的熱工性能；適用于3D打印的墻體內(nèi)壁面溫度變化穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)墻體。

圖3 4種構(gòu)造墻體內(nèi)外壁面溫度

4.2 構(gòu)造特性指標分析

表3表明，傳熱系數(shù)：構(gòu)造4與構(gòu)造3大于構(gòu)造2與構(gòu)造1；熱惰性指標：構(gòu)造4＞構(gòu)造3與構(gòu)造2＞構(gòu)造1；溫度波衰減度：構(gòu)造4＞構(gòu)造1＞構(gòu)造3＞構(gòu)造2；延遲時間：構(gòu)造4＞構(gòu)造3＞構(gòu)造2＞構(gòu)造1。

表3不同組合墻體構(gòu)造特性

綜上可知，在同一溫度波連續(xù)作用下，各構(gòu)造指標特性分析：構(gòu)造4的熱工性能均優(yōu)于其他構(gòu)造，構(gòu)造2與構(gòu)造3差別較小，增加封閉空氣間層對保溫性能影響較低，開放的空氣間層對提高墻體熱工性能起著明顯的作用。

4.3 封閉與開放的通風(fēng)口內(nèi)壁面溫度及自然對流狀況分析

構(gòu)造3、構(gòu)造4的材料和構(gòu)造相同，不同的是構(gòu)造4空氣間層厚度由20mm加到50mm，空氣間層內(nèi)壁各層上下設(shè)有通風(fēng)口，熱惰性指標相同。如圖4所示，構(gòu)造4空氣間層與室內(nèi)空氣自然對流速率分別為11.36mm/s、1.42mm/s。對比圖3c和圖3d，構(gòu)造3墻體的內(nèi)壁面溫度高于構(gòu)造4墻體；構(gòu)造3空氣間層與室內(nèi)空氣自然對流速率均可近似忽略不計。

綜上可知，在同一溫度波連續(xù)作用下，內(nèi)壁面設(shè)有上下通風(fēng)口的構(gòu)造墻體較普通3D打印構(gòu)造墻體有明顯的空氣自然對流；內(nèi)壁面溫度較低，熱穩(wěn)定性更好，因此，構(gòu)造4比構(gòu)造3更節(jié)能[4]。

圖4構(gòu)造4墻體自然對流圖

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

研究基于大連冬季大寒日全天溫度實測數(shù)據(jù)，將室外綜合溫度隨時間的變化規(guī)律和太陽能輻射量變化規(guī)律分別擬合為簡諧波規(guī)律；基于3D打印的構(gòu)造4蓄熱能力遠遠大于其他3種構(gòu)造，周期性溫度波衰減越快，熱穩(wěn)性較好，延遲時間變長，使具有明顯的節(jié)能效果；根據(jù)“特朗勃”墻的原理，具有通風(fēng)口的構(gòu)造4通過被動式太陽能集熱的熱壓作用，形成室內(nèi)空氣流動，通過合理控制通風(fēng)口的開閉，不僅為室內(nèi)補充熱能，同時減少熱能損失；運用ANSYS軟件模擬分析和計算，實現(xiàn)墻體保溫與構(gòu)造一體化設(shè)計[5]。

5.2 展望

傳統(tǒng)的外保溫墻體仍然是寒冷地區(qū)節(jié)能的中堅力量，將會與3D打印一體化的夾心保溫墻體保持相當(dāng)長的時期內(nèi)共存的局面?；?D打印被動式墻體熱工構(gòu)造與滿足3D打印的建筑材料研究也將是3D打印建筑研究主要方向，適應(yīng)綠色節(jié)能建筑的發(fā)展需求，推進建筑3D打印時代的來臨[6]。