一級建筑師建筑物理與建筑設(shè)備考點復習(六)

　　二、周期性不穩(wěn)定傳熱

　　(一)周期性熱作用的概念

　　圍護結(jié)構(gòu)受到的室內(nèi)外環(huán)境的熱作用，都是隨時間變化的。這決定著圍護結(jié)構(gòu)的溫度和傳熱量也要隨著時間而變化。這種傳熱過程稱為不穩(wěn)定傳熱。若外界熱作用隨時間呈現(xiàn)周期性變化，則叫做周期性不穩(wěn)定傳熱。當溫度隨時間的正弦(或余弦)函數(shù)作規(guī)則變化時，圍護結(jié)構(gòu)所受到的熱作用為簡諧熱作用，一般用余弦函數(shù)表示。

　　周期性熱作用并不是嚴格按照余弦函數(shù)的規(guī)律

　　變化的，太陽輻射造成的圍護結(jié)構(gòu)表面溫度的周期

　　性波動、室外空氣的溫度波動等都是如此。但經(jīng)過

　　數(shù)學上的級數(shù)展開和諧量分析，這種周期性的溫度

　　波動情況常用余弦函數(shù)的形式描述，見圖1―7。此

　　時，溫度隨時間變化情況表示為：

　　(1-26)

　　式中tτ――τ時刻的溫度值，℃;

　　――在一個周期內(nèi)的平均溫度值，℃;

　　At，――在一個周期內(nèi)的最高溫度與平均溫度之差，稱為溫度波幅，℃;

　　T――溫度波的周期，h;

　　τ――溫度波經(jīng)歷的時間，h;

　　φ――溫度波的初始相位角，度。

　　(二)半無限大物體周期性傳熱的特征

　　半無限大物體，是指物體的一側(cè)為一個平面，而另一側(cè)可以延展到無限遠的領(lǐng)域。比如大地的傳熱問題就是一個典型的半無限大物體傳熱，見圖1―8。半無限大物體在周期性熱作用下，其溫度波的變化過程具有以下幾個基本特征：

　　(1)空氣溫度te、表面溫度θf、物體內(nèi)部溫度θx三者都是以同樣的周期(T)波動。

　　(2)從空氣溫度te到表面溫度θf再到物體內(nèi)部溫度θx，溫度波幅是依次減小的，即有 Ae>Af>Ax，而在物體的內(nèi)部，溫度波幅Ax又是隨著深度x的增加按照指數(shù)函數(shù)規(guī)律減小。

　　(3)從空氣溫度te到表面溫度θf再到物體內(nèi)部溫度θx，在溫度波的傳播方向上各點的溫度波相位是依次向后推延的。

　　(三)有限厚度平壁周期性傳熱的特征

　　相對于無限大物體來說，有限厚度物體的周期性傳熱規(guī)律會稍微復雜些，見圖1―9。一個子壁在室外周期熱作用下表現(xiàn)出以下幾個特征：

　　(1)空氣溫度te，外表面溫度亂θef、內(nèi)表面溫度θif三者都是以同樣的周期(T)波動。

　　(2)從空氣溫度te到外表面溫度θef再到內(nèi)表面溫度θif，溫度波幅是依次衰減的，即有Ae>Aef>Aif

　　(3)從室外空氣溫度te到平壁外表面溫度θef再到平壁內(nèi)表面溫度θif，沿著溫度波的傳播方向，各位置上的溫度波相位是依次向后延遲的，即有φe<φef<φif。

　　溫度波傳遞過程中出現(xiàn)的衰減和延遲現(xiàn)象，是由于在平壁升溫和降溫過程中，材料的熱容作用和熱量傳遞中材料層的熱阻作用造成的。

　　(四)圍護結(jié)構(gòu)周期性傳熱過程的認識

　　圍護結(jié)構(gòu)一般都可以認為是有限厚度的平壁，如果按照室內(nèi)外空氣溫度波動情況區(qū)分，則當室內(nèi)空氣溫度保持恒定時(如空調(diào)房間)，圍護結(jié)構(gòu)只是外側(cè)受到周期波動的熱作用，即單向諧波作用;當室內(nèi)外的空氣溫度都做周期波動時(如自然通風房間)，圍護結(jié)構(gòu)的兩側(cè)都要受到周期波動的熱作用，即雙向諧波作用。不論在哪種情況之下，整個周期傳熱過程都可分解成三個單一的傳熱過程，即單純的穩(wěn)定傳熱過程、單純的外側(cè)諧波作用過程和單純的內(nèi)側(cè)諧波作用過程，對其分別計算，再把各個單一傳熱過程的計算結(jié)果疊加起來，就可得到周期熱作用的綜合結(jié)果。建筑熱工設(shè)計主要關(guān)心的是圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度狀況。

　　(1)單純的穩(wěn)定傳熱過程：是在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)空氣平均溫度作用下所完成的穩(wěn)定傳熱過程，其在內(nèi)表面上形成的平均溫度的計算方法按穩(wěn)定傳熱計算;

　　(2)單純的外側(cè)諧波作用過程：假定室內(nèi)側(cè)的溫度不變，單純計算因外側(cè)空氣溫度的波動量引起的內(nèi)表面溫度的波動量;

　　(3)單純的內(nèi)側(cè)諧波作用過程：假定室外側(cè)的溫度不變，單純計算因內(nèi)側(cè)空氣溫度的波動量引起的內(nèi)表面溫度的波動量。

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