基于3D打印的被動式墻體熱工構造的研究

張寶泉，寧文軍，魏艷玲，吳晨，黃世巖

（大連大學建筑工程學院，遼寧 大連116000）

1 引言

3D打印建筑是近5年才出現的新興事物，縱觀全球3D打印建筑，仍處于研究階段[1]。在夏熱冬冷地區和熱帶地區，已經出現試驗性的3D打印建筑，但在寒冷地區還沒有實用的，可以滿足節能要求的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，并采用非傳統保溫墻體，在大連地區建造實用的3D打印建筑[2]。

2 材料及墻體構造特性計算

材料及墻體構造特性計算主要包括：

3）衰減倍數V0：圍護結構內側空氣溫度穩定，外側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構內表面溫度波幅的比值。

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

4）延遲時間ξ0：圍護結構內側空氣溫度穩定，外側受室外綜合溫度諧波作用，圍護結構內表面溫度諧波最大值出現的時間與室外綜合溫度諧波最大值出現的時間的差值。

式中，Yi、Ye分別為圍護結構內、外表面蓄熱系數，W/（m2·K）；Rk為空氣間層熱阻（m2·K/W）；Yki為空氣間層內表面蓄熱系數，W/（m2·K）。

5）蓄熱系數和表面蓄熱系數S：周期熱作用下，物體表面溫度升高或降低1℃時，在1h內，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 數學模型

墻體非穩態傳熱的計算模擬過程中，其假設條件如下：（1）各層材料為均質，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）無內部熱源和質量源。

3.1 物理模型

取表1的構造4以圖1所示外墻構造作為圍護結構瞬態傳導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，導致空氣間層內氣體溫度升高，產生熱壓，通過上、下風口實現與室內的對流循環加熱，提高室溫[3]。

圖1墻體構造簡圖

3.2 數學描述

采用一維瞬態導熱模型，邊界條件如下：墻體兩側均為第三類邊界條件，內隔墻、屋頂和地面均設為絕緣材料，材料的熱工參數如表2所示。根據寒冷地區的氣候特點取ai=8.7W/（m2·K），ae=23W/（m2·K）；冬季室內溫度恒定為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種組合墻體構造

表2材料的熱工參數

圖2擬合曲線與實際溫度曲線圖

4 ANSYS模擬分析

4.1 不同構造墻體的內、外壁面溫度分析

根據圖3可知,構造1為傳統混凝土空心砌塊外保溫墻體，構造2、3、4均可用于3D打印構造墻體。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，在同一溫度波連續作用下，4種保溫墻體構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打印的墻體內壁面溫度變化穩定，熱穩定性明顯優于傳統墻體。

圖3 4種構造墻體內外壁面溫度

4.2 構造特性指標分析

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

表3不同組合墻體構造特性

綜上可知，在同一溫度波連續作用下，各構造指標特性分析：構造4的熱工性能均優于其他構造，構造2與構造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 封閉與開放的通風口內壁面溫度及自然對流狀況分析

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

綜上可知，在同一溫度波連續作用下，內壁面設有上下通風口的構造墻體較普通3D打印構造墻體有明顯的空氣自然對流；內壁面溫度較低，熱穩定性更好，因此，構造4比構造3更節能[4]。

圖4構造4墻體自然對流圖

5 總結與展望

5.1 總結

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

5.2 展望

傳統的外保溫墻體仍然是寒冷地區節能的中堅力量，將會與3D打印一體化的夾心保溫墻體保持相當長的時期內共存的局面。基于3D打印被動式墻體熱工構造與滿足3D打印的建筑材料研究也將是3D打印建筑研究主要方向，適應綠色節能建筑的發展需求，推進建筑3D打印時代的來臨[6]。