《Case Studies in Construction Materials》：Experimental and numerical investigation of heat transfer, daylighting, and thermal comfort of light-transmitting concrete (LTC) wall
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為解決建筑能耗高、天然采光不足等問題，本文系統研究了嵌入PMMA棒的透光混凝土（LTC）墻體。通過實驗與ANSYS Fluent數值模擬，揭示了其傳熱機制，并驗證了其卓越的季節性熱適應性：夏季，PMMA棒作為隔熱體，能降低約0.5℃的室內平均溫度并穩定夜間環境；冬季，則成為有益熱橋，提升室內熱舒適。此外，LTC墻使室內平均照度提升6.3%–14.8%，將人工照明使用時間推遲約35分鐘，實現夏季14.46%和冬季3.48%的照明節能。該研究為高性能、低能耗圍護結構材料的發展提供了重要參考。
隨著AI應用的強力推動，數據中心的用電量預計將在2030年前翻番。與此同時，建筑運行階段的能耗已超過全球最終能源消耗的30%，其中照明、供暖和制冷是主要耗能環節。長期依賴人工照明不僅加劇能源短缺，還會擾亂人體生物鐘，影響健康。因此，發展高性能、低能耗的建筑圍護材料對于應對能源短缺和環境保護具有重大意義。陽光作為一種“綠色照明”，具有全光譜、無頻閃、無眩光、零污染排放等優點，但城市化進程的加快卻使得建筑的自然采光越來越困難。在此背景下，一種能夠“穿墻透光”的神奇材料——透光混凝土應運而生。它通過將數千根光學纖維、玻璃棒或透明樹脂嵌入混凝土中來制作，在實現光線傳導的同時，保持與普通混凝土相當的力學強度。以往的研究多集中于其機械和光學性能，然而，關于其傳熱機制及其對室內熱環境和舒適度的影響，仍是一個待填補的研究空白。
為了填補這一空白，貴州民族大學的研究團隊對一種由聚甲基丙烯酸甲酯棒和自密實砂漿制備的新型LTC墻體展開了一項綜合性研究。研究人員制備了LTC砌塊，并在大連理工大學實驗樓建造了兩間完全相同的測試房，其中一間安裝LTC墻體，作為對比實驗組。他們通過現場實測與CFD數值模擬相結合的方式，系統評估了LTC墻體的傳熱過程、室內自然光照度、熱舒適度及溫度分布。
在研究方法上，本文整合了實驗測量與CFD（計算流體動力學）數值模擬。關鍵技術包括：1) 材料制備與測試房構建：制備了內含PMMA棒（直徑20mm，體積分數約3.14%）的自密實砂漿LTC砌塊，并砌筑成LTC墻體安裝在測試房窗戶兩側。2) 環境參數測量：使用P-N結無線測試系統（基于CC2530芯片和DS18B20溫度探頭）測量墻體內部溫度分布；采用PC-3氣象站、TR74Ui自記錄儀、RLOG-7730熱舒適分析儀和JTR-04黑球溫度計等設備，分別測量室內外的溫濕度、照度及熱舒適指標。3) 數值模擬分析：利用ANSYS Fluent軟件，建立了包含LTC墻體的三維瞬態傳熱和室內流場模型，采用RNG k-ε湍流模型和三維非穩態導熱方程對熱傳遞過程進行仿真計算，以探究其傳熱機理。
2. 材料與方法
2.1. 原材料
研究選擇了PMMA棒作為透光材料。與塑料光纖和樹脂棒相比，PMMA棒雖然透光率（90%）略低，但在成本（僅為塑料光纖的1/8）和對混凝土抗壓強度影響較小方面具有綜合優勢。自密實砂漿的配合比經過了優化確定，并摻入粉煤灰以降低水化熱，避免開裂。
2.2. LTC砌塊的制備
為了控制PMMA體積分數在3%以內，每個尺寸為100mm×100mm×200mm的砌塊中嵌入了4根直徑為20mm的PMMA棒。制備過程包括準備帶定位擋板的模具、對PMMA棒表面涂覆水基丙烯酸改性劑以增強界面粘結、澆注自密實砂漿、養護和切割拋光。為了增強砌體墻的整體性，砌塊中預埋了縱向和橫向鋼筋。
2.3. 實驗室房間的制備
研究在大連理工大學的兩間相同規格（3m×3m×3m）的測試房中進行。在其中一間房窗戶兩側開孔并砌筑LTC墻體（尺寸為400mm×700mm），形成LTC測試房；另一間則作為普通對照房。
2.4. 測試方法
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墻體溫度測試：通過預埋在LTC砌塊內部的6個DS18B20溫度傳感器，測量墻體不同深度和位置的溫度，以分析其溫度場分布。
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室內熱環境和光環境測試：按照相關標準，在0.8m高的參考平面上布置測點，使用專業儀器連續監測室內空氣溫濕度、照度、黑球溫度及熱舒適參數，并同步記錄室外氣象數據。
2.5. ANSYS Fluent模型的簡化
建立了包含LTC墻體的房間三維物理模型，并設定了相應的控制方程和邊界條件，用于數值模擬分析。
3. 結果與討論
3.1. 光照性能
研究結果顯示，LTC墻體顯著改善了室內自然采光。在夏季和冬季的測試中，裝有LTC墻體的房間，其工作面的平均日間照度比普通房間分別提升了約14.8%和6.3%。這使得開啟人工照明的時間平均推遲了約35分鐘。經計算，在夏季和冬季分別實現了14.46%和3.48%的照明節能。
3.2. 熱環境與熱舒適
LTC墻體表現出強烈的季節性熱適應性：
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夏季：LTC墻體起到了“隔熱體”的作用。日間，PMMA棒較低的導熱性減緩了熱量向室內的傳遞；夜間，其較高的熱容有助于穩定室內溫度，避免快速降溫。最終，LTC房比普通房的室內平均溫度低約0.5℃，夜間溫度波動更小，提供了更涼爽、穩定的環境。
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冬季：PMMA棒則充當了有益的“熱橋”。白天，它能更有效地將太陽輻射熱量傳導至室內；夜間，其儲存的熱量緩慢釋放，有助于維持室內溫度。這使得LTC房的室內平均溫度比普通房高出約0.5℃，顯著提升了冬季的室內熱舒適度。
3.3. 傳熱機理分析
微觀分析進一步解釋了上述現象：在夏季，PMMA棒（導熱系數約0.2 W/(m·K)）的熱阻遠高于周圍的混凝土基體，如同“熱屏障”，阻礙了熱量傳遞。而在冬季，這種較低導熱率的材料在白天吸收太陽輻射熱后，能更長時間地保持溫度，并緩慢向內釋放，形成了有利于保溫的“熱橋”效應。此外，這種復合結構在變溫條件下的變形和應力也較小。
3.4. 溫度分布均勻性
通過對比墻體上不同測點的溫度數據發現，LTC墻體在垂直方向和水平方向上的溫度梯度均小于普通墻體，表明其具有更均勻的溫度分布，這有利于提高圍護結構的熱穩定性和耐久性。
4. 結論
本項實驗與數值模擬相結合的研究，系統評估了LTC墻體在傳熱、采光和熱舒適方面的綜合性能。主要結論如下：
- 1.
節能效益顯著：LTC墻體通過引入更多自然光，能有效減少人工照明使用時間和能耗（夏季節能14.46%，冬季3.48%），并展現出通過被動式太陽能得熱來調節室內溫度的潛力。
- 2.
熱舒適性提升：LTC墻體具備“冬暖夏涼”的季節性自適應能力。夏季可降低室內平均溫度約0.5℃，穩定夜間環境；冬季可提高室內平均溫度約0.5℃，增強熱舒適性。
- 3.
傳熱機理明確：從微觀層面揭示了PMMA棒在夏季作為“熱屏障”、在冬季作為有益“熱橋”的作用機制，并證實了復合結構在變溫條件下具有更優的變形和應力表現。
- 4.
溫度分布更均勻：LTC墻體內部溫度分布更為均勻，有助于提升建筑圍護結構的熱工性能和使用壽命。
這項研究不僅為透光混凝土作為一種新型節能建筑材料的工程應用提供了詳實的實驗數據和理論支撐，也為未來開發兼具美學、采光與高效節能的建筑圍護體系指明了方向。該論文已發表在《Case Studies in Construction Materials》期刊上。
