一级建筑师建筑物理与建筑设备考点复习(六)

　　二、周期性不稳定传热

　　(一)周期性热作用的概念

　　围护结构受到的室内外环境的热作用，都是随时间变化的。这决定着围护结构的温度和传热量也要随着时间而变化。这种传热过程称为不稳定传热。若外界热作用随时间呈现周期性变化，则叫做周期性不稳定传热。当温度随时间的正弦(或余弦)函数作规则变化时，围护结构所受到的热作用为简谐热作用，一般用余弦函数表示。

　　周期性热作用并不是严格按照余弦函数的规律

　　变化的，太阳辐射造成的围护结构表面温度的周期

　　性波动、室外空气的温度波动等都是如此。但经过

　　数学上的级数展开和谐量分析，这种周期性的温度

　　波动情况常用余弦函数的形式描述，见图1―7。此

　　时，温度随时间变化情况表示为：

　　(1-26)

　　式中tτ――τ时刻的温度值，℃;

　　――在一个周期内的平均温度值，℃;

　　At，――在一个周期内的最高温度与平均温度之差，称为温度波幅，℃;

　　T――温度波的周期，h;

　　τ――温度波经历的时间，h;

　　φ――温度波的初始相位角，度。

　　(二)半无限大物体周期性传热的特征

　　半无限大物体，是指物体的一侧为一个平面，而另一侧可以延展到无限远的领域。比如大地的传热问题就是一个典型的半无限大物体传热，见图1―8。半无限大物体在周期性热作用下，其温度波的变化过程具有以下几个基本特征：

　　(1)空气温度te、表面温度θf、物体内部温度θx三者都是以同样的周期(T)波动。

　　(2)从空气温度te到表面温度θf再到物体内部温度θx，温度波幅是依次减小的，即有 Ae>Af>Ax，而在物体的内部，温度波幅Ax又是随着深度x的增加按照指数函数规律减小。

　　(3)从空气温度te到表面温度θf再到物体内部温度θx，在温度波的传播方向上各点的温度波相位是依次向后推延的。

　　(三)有限厚度平壁周期性传热的特征

　　相对于无限大物体来说，有限厚度物体的周期性传热规律会稍微复杂些，见图1―9。一个子壁在室外周期热作用下表现出以下几个特征：

　　(1)空气温度te，外表面温度乱θef、内表面温度θif三者都是以同样的周期(T)波动。

　　(2)从空气温度te到外表面温度θef再到内表面温度θif，温度波幅是依次衰减的，即有Ae>Aef>Aif

　　(3)从室外空气温度te到平壁外表面温度θef再到平壁内表面温度θif，沿着温度波的传播方向，各位置上的温度波相位是依次向后延迟的，即有φe<φef<φif。

　　温度波传递过程中出现的衰减和延迟现象，是由于在平壁升温和降温过程中，材料的热容作用和热量传递中材料层的热阻作用造成的。

　　(四)围护结构周期性传热过程的认识

　　围护结构一般都可以认为是有限厚度的平壁，如果按照室内外空气温度波动情况区分，则当室内空气温度保持恒定时(如空调房间)，围护结构只是外侧受到周期波动的热作用，即单向谐波作用;当室内外的空气温度都做周期波动时(如自然通风房间)，围护结构的两侧都要受到周期波动的热作用，即双向谐波作用。不论在哪种情况之下，整个周期传热过程都可分解成三个单一的传热过程，即单纯的稳定传热过程、单纯的外侧谐波作用过程和单纯的内侧谐波作用过程，对其分别计算，再把各个单一传热过程的计算结果叠加起来，就可得到周期热作用的综合结果。建筑热工设计主要关心的是围护结构内表面温度状况。

　　(1)单纯的稳定传热过程：是在围护结构内、外侧空气平均温度作用下所完成的稳定传热过程，其在内表面上形成的平均温度的计算方法按稳定传热计算;

　　(2)单纯的外侧谐波作用过程：假定室内侧的温度不变，单纯计算因外侧空气温度的波动量引起的内表面温度的波动量;

　　(3)单纯的内侧谐波作用过程：假定室外侧的温度不变，单纯计算因内侧空气温度的波动量引起的内表面温度的波动量。

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