评估3D打印墙的热性能

最近发表在《杂志》上的论文能量已经评估了三维（3D）打印的壁的热性能。

学习：关于3D打印封闭结构的热性能的实验研究。图片来源：kraipet sritong/shutterstock.com

背景

以低成本和快速的建筑过程为特征的增材制造或3D打印在建筑行业越来越重要。增材制造已成为创建整个设备或零件的常见技术，因为它允许快速制作和按需制造。

3D印刷混凝土（3DPC）技术与模块化建筑系统的集成可以为当前的建筑挑战提供可持续的解决方案。当整合并与其他节能技术杂交时，3DPC技术可以增加热舒适度并减少房间的能源消耗。

拓扑优化可用于调整3DPC的热电阻特性。例如，可以在需要低导热率的区域引入腔体以改善绝缘性能。但是，使用数值建模来评估封闭结构的能源效率和拓扑优化。

封闭结构的类型。图片来源：Nemova，D等人，能量

研究

在这项研究中，研究人员研究了3D打印封闭结构的能效和适用性，并确定了最佳配置，以获得具有最合适的热特性的封闭结构。评估了3D打印结构的热电阻系数。创建了数学模型来描述质量和传热过程，并通过将模型与实验结果进行比较来验证所提出的模型。

与仅在监测点上确定这些值的实验相比，数学建模可以确定传热电阻，因为它可以准确地估计积分特性，例如平均表面热通量。

选择了多个封闭的结构进行数值研究。这些结构的空腔的内部结构彼此不同。但是，所有结构在外形方面均相似。所有结构的线性尺寸均相同，不包括结构深度。

用于物理实验的3D打印封闭结构/添加墙板的选择是基于初步数值研究。物理实验设置中使用2020欧洲杯下注官网的测试设备用于研究添加墙面板的热性能，包括第一号气候室，第二位气候室以及温度和磁通密度仪表。在第一号气候室中，受支持的温度范围从-70°C到+100°C，而在第二个气候室中，温度范围为-70°C至+180°C。

3D打印墙板的尺寸为390 mm×680 mm×310 mm，结构的厚度为35 mm。干燥的混合物用于面板的增材制造。干燥混合物中的最大骨料分数尺寸为0.63 mm。总体而言，使用1800千克干燥的混合物准备一个M³结构和0.13-0.16升的水需要混合1千克的干燥混合物。

硬化后使用混合物。24小时后硬化混合物的抗压强度和抗抗拉力强度分别为18 mPa和4 MPa，28天后分别为40 MPa和8 MPa。弹性模量为26 GPA。准备好的面板可以应用于所有气候区域。

墙板的尺寸小于气候室内的内部，并且腔室的其余空间用密码填充。腔室一和两个的温度设置为-24°C（t_寒冷的）和+22°C（t_热的）， 分别。对温度和热通量密度仪表进行编程，以测量和记录一天中每15分钟的温度和热流量值。

ANSYS CFX软件包是一种计算流体动力学（CFD）程序，用于评估3D打印块封闭结构中的热对流和传导。Boussinesq近似用于描述层流配方中的气流，而牛顿 - 里希曼定律则用于描述块外边界上的对流温度。

与加法墙板站在一起。（一个）样品被放置在1号气候室内。（b）样品放在两个气候腔之间，是测试的开始。图片来源：Nemova，D等人，能量

观察

该研究分析了最常见的3D打印封闭结构和新的封闭结构。首次在气候室中测量了3D打印结构的热通量和温度。还成功地进行了具有各种构造配置的3D打印封闭结构的建筑物的能源建模。

在物理实验中，冷室温度t_寒冷的从一开始就在不到40分钟的时间内拨打。在最初的120分钟内，在厚度为0-35 mm的结构/添加剂墙板的侧面观察到温度下降，而在结构内，温度显着降低，厚度为185-255毫米。120分钟后，比较等温线的时间间隔超过两个小时。

实验结构的CFD建模表明，与中间部分的混凝土lintel相比，结构上部的空气在结构的上部更热，而与中部相比，空气在下部的空气更冷。空气和混凝土之间局部温度的差异为15^oC。

另外，从冷或热的一面移动到结构中心时，温度隔离线变得更加弯曲。结构侧面中心的上部和下侧之间的温度差为5^oC。

此外，与结构的固体部分相比，通过空气部件的热通量明显降低。当热通量从100变为70 W/m时，对流还影响了表面热通量分布²当温度梯度因对流而变化时，沿垂直坐标。

在结构中观察到三个冷矩形腔，两个热三角腔和一个矩形腔。所有腔体不包括小三角形洞穴，都导致对混凝土温度的稳定作用，空气温度的显着差异仅在边界层中存在。通过构造的U值的平均热通量为1.18。

边界条件通过颜色和重力方向。图片来源：Nemova，D等人，能量

具有各种配置的3D打印封闭结构的CFD仿真表明，与经验方法相比，由于封闭结构中的对流，可以添加某些耐热性。此外，对流的影响对更不平衡的洞穴分布更强。因此，经验公式不适合工程目的，用于具有隔热的结构，因为它们提供了较低的U值。

由3D打印建筑物的能源消耗，该建筑物由附加封闭结构组成，各种结构配置为3026至8536 kWh。

3D打印封闭结构的热成像显示表面不规则性，导致热不均匀性。需要对不均匀性进行更多研究，以正确确定结构的热物理特性。

总而言之，这项研究的发现有效地证明了3D打印封闭结构的热性能。

资源

Nemova，D.，Kotov，E。，Andreeva，D。等。关于3D打印封闭结构的热性能的实验研究。能量2022。https://www.mdpi.com/1996-1073/15/12/4230

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