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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。