《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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为解决建筑能耗高、天然采光不足等问题，本文系统研究了嵌入PMMA棒的透光混凝土（LTC）墙体。通过实验与ANSYS Fluent数值模拟，揭示了其传热机制，并验证了其卓越的季节性热适应性：夏季，PMMA棒作为隔热体，能降低约0.5℃的室内平均温度并稳定夜间环境；冬季，则成为有益热桥，提升室内热舒适。此外，LTC墙使室内平均照度提升6.3%–14.8%，将人工照明使用时间推迟约35分钟，实现夏季14.46%和冬季3.48%的照明节能。该研究为高性能、低能耗围护结构材料的发展提供了重要参考。
随着AI应用的强力推动，数据中心的用电量预计将在2030年前翻番。与此同时，建筑运行阶段的能耗已超过全球最终能源消耗的30%，其中照明、供暖和制冷是主要耗能环节。长期依赖人工照明不仅加剧能源短缺，还会扰乱人体生物钟，影响健康。因此，发展高性能、低能耗的建筑围护材料对于应对能源短缺和环境保护具有重大意义。阳光作为一种“绿色照明”，具有全光谱、无频闪、无眩光、零污染排放等优点，但城市化进程的加快却使得建筑的自然采光越来越困难。在此背景下，一种能够“穿墙透光”的神奇材料——透光混凝土应运而生。它通过将数千根光学纤维、玻璃棒或透明树脂嵌入混凝土中来制作，在实现光线传导的同时，保持与普通混凝土相当的力学强度。以往的研究多集中于其机械和光学性能，然而，关于其传热机制及其对室内热环境和舒适度的影响，仍是一个待填补的研究空白。
为了填补这一空白，贵州民族大学的研究团队对一种由聚甲基丙烯酸甲酯棒和自密实砂浆制备的新型LTC墙体展开了一项综合性研究。研究人员制备了LTC砌块，并在大连理工大学实验楼建造了两间完全相同的测试房，其中一间安装LTC墙体，作为对比实验组。他们通过现场实测与CFD数值模拟相结合的方式，系统评估了LTC墙体的传热过程、室内自然光照度、热舒适度及温度分布。
在研究方法上，本文整合了实验测量与CFD（计算流体动力学）数值模拟。关键技术包括：1) 材料制备与测试房构建：制备了内含PMMA棒（直径20mm，体积分数约3.14%）的自密实砂浆LTC砌块，并砌筑成LTC墙体安装在测试房窗户两侧。2) 环境参数测量：使用P-N结无线测试系统（基于CC2530芯片和DS18B20温度探头）测量墙体内部温度分布；采用PC-3气象站、TR74Ui自记录仪、RLOG-7730热舒适分析仪和JTR-04黑球温度计等设备，分别测量室内外的温湿度、照度及热舒适指标。3) 数值模拟分析：利用ANSYS Fluent软件，建立了包含LTC墙体的三维瞬态传热和室内流场模型，采用RNG k-ε湍流模型和三维非稳态导热方程对热传递过程进行仿真计算，以探究其传热机理。
2. 材料与方法
2.1. 原材料
研究选择了PMMA棒作为透光材料。与塑料光纤和树脂棒相比，PMMA棒虽然透光率（90%）略低，但在成本（仅为塑料光纤的1/8）和对混凝土抗压强度影响较小方面具有综合优势。自密实砂浆的配合比经过了优化确定，并掺入粉煤灰以降低水化热，避免开裂。
2.2. LTC砌块的制备
为了控制PMMA体积分数在3%以内，每个尺寸为100mm×100mm×200mm的砌块中嵌入了4根直径为20mm的PMMA棒。制备过程包括准备带定位挡板的模具、对PMMA棒表面涂覆水基丙烯酸改性剂以增强界面粘结、浇注自密实砂浆、养护和切割抛光。为了增强砌体墙的整体性，砌块中预埋了纵向和横向钢筋。
2.3. 实验室房间的制备
研究在大连理工大学的两间相同规格（3m×3m×3m）的测试房中进行。在其中一间房窗户两侧开孔并砌筑LTC墙体（尺寸为400mm×700mm），形成LTC测试房；另一间则作为普通对照房。
2.4. 测试方法
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墙体温度测试：通过预埋在LTC砌块内部的6个DS18B20温度传感器，测量墙体不同深度和位置的温度，以分析其温度场分布。
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室内热环境和光环境测试：按照相关标准，在0.8m高的参考平面上布置测点，使用专业仪器连续监测室内空气温湿度、照度、黑球温度及热舒适参数，并同步记录室外气象数据。
2.5. ANSYS Fluent模型的简化
建立了包含LTC墙体的房间三维物理模型，并设定了相应的控制方程和边界条件，用于数值模拟分析。
3. 结果与讨论
3.1. 光照性能
研究结果显示，LTC墙体显著改善了室内自然采光。在夏季和冬季的测试中，装有LTC墙体的房间，其工作面的平均日间照度比普通房间分别提升了约14.8%和6.3%。这使得开启人工照明的时间平均推迟了约35分钟。经计算，在夏季和冬季分别实现了14.46%和3.48%的照明节能。
3.2. 热环境与热舒适
LTC墙体表现出强烈的季节性热适应性：
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夏季：LTC墙体起到了“隔热体”的作用。日间，PMMA棒较低的导热性减缓了热量向室内的传递；夜间，其较高的热容有助于稳定室内温度，避免快速降温。最终，LTC房比普通房的室内平均温度低约0.5℃，夜间温度波动更小，提供了更凉爽、稳定的环境。
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冬季：PMMA棒则充当了有益的“热桥”。白天，它能更有效地将太阳辐射热量传导至室内；夜间，其储存的热量缓慢释放，有助于维持室内温度。这使得LTC房的室内平均温度比普通房高出约0.5℃，显著提升了冬季的室内热舒适度。
3.3. 传热机理分析
微观分析进一步解释了上述现象：在夏季，PMMA棒（导热系数约0.2 W/(m·K)）的热阻远高于周围的混凝土基体，如同“热屏障”，阻碍了热量传递。而在冬季，这种较低导热率的材料在白天吸收太阳辐射热后，能更长时间地保持温度，并缓慢向内释放，形成了有利于保温的“热桥”效应。此外，这种复合结构在变温条件下的变形和应力也较小。
3.4. 温度分布均匀性
通过对比墙体上不同测点的温度数据发现，LTC墙体在垂直方向和水平方向上的温度梯度均小于普通墙体，表明其具有更均匀的温度分布，这有利于提高围护结构的热稳定性和耐久性。
4. 结论
本项实验与数值模拟相结合的研究，系统评估了LTC墙体在传热、采光和热舒适方面的综合性能。主要结论如下：
- 1.
节能效益显著：LTC墙体通过引入更多自然光，能有效减少人工照明使用时间和能耗（夏季节能14.46%，冬季3.48%），并展现出通过被动式太阳能得热来调节室内温度的潜力。
- 2.
热舒适性提升：LTC墙体具备“冬暖夏凉”的季节性自适应能力。夏季可降低室内平均温度约0.5℃，稳定夜间环境；冬季可提高室内平均温度约0.5℃，增强热舒适性。
- 3.
传热机理明确：从微观层面揭示了PMMA棒在夏季作为“热屏障”、在冬季作为有益“热桥”的作用机制，并证实了复合结构在变温条件下具有更优的变形和应力表现。
- 4.
温度分布更均匀：LTC墙体内部温度分布更为均匀，有助于提升建筑围护结构的热工性能和使用寿命。
这项研究不仅为透光混凝土作为一种新型节能建筑材料的工程应用提供了详实的实验数据和理论支撑，也为未来开发兼具美学、采光与高效节能的建筑围护体系指明了方向。该论文已发表在《Case Studies in Construction Materials》期刊上。
