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周期性双波动作用下围护结构热过程研究

王丽娟  
【摘要】: 近百年来,不同专家、学者对围护结构的传热计算进行了大量研究:从稳态计算到非稳态计算;从周期性作用下不稳定计算到动态负荷计算,再到辐射时间序列法计算。计算方法越来越准确,计算内容越来越详细。值得注意的是,在不断改进传热计算方法的同时,也不可忽视室外边界条件的准确性。准确的室外气象参数是建筑能耗精确计算和建筑热环境准确评价的必备条件。但是以往文献提供的室外气象参数要么是恒定值,要么是离散值,恒定值不能反映一天内天气变化情况,而用作数值计算的离散值则输入量大,且不能直接分析气象参数的变化规律。基于此,论文在拟合出室外气象参数函数式的基础上,根据周期性传热机理,研究了室外空气温度和太阳辐射周期性双波动作用下,建筑物围护结构的传热过程。 室外气象参数的拟合。从国家气象局提供的1976-2005年气象数据中,找出典型气象年,从中选取西安、西宁和银川采暖季以及西安夏季,阴天、多云、少云和晴天四种天气对应的气象数据,并将三个城市四种天气下对应的气象数据在各自季节内做平均。然后,用Origin7.5商业软件拟合出四种天气下室外空气温度、法向直射辐射和水平散射辐射的连续函数。结果表明,拟合出的连续函数与原离散数据相关性较好,能反映室外空气温度、法向太阳辐射和水平散射辐射的一般规律。 采用谐波反应法分析围护结构周期性传热特性。首先,对边界条件分解,将扰量用Fourier级数展开为一组以2π/T为基频的正弦函数。其次,得出围护结构的传递矩阵,分别对围护结构导热微分方程中的时间变量和空间变量进行拉氏变换和逆变换,然后分别求解得到围护结构任意部位温度和热流变化与边界状态之间的关系式,并由这两个关系式组成的方程组得出围护结构的传递矩阵。最后,计算围护结构的频率响应——波幅衰减倍数和时间延迟弧度,利用这两个参数计算得到室外空气温度波和太阳辐射扰量在围护结构内表面产生的波动,然后将双波叠加,得到内壁面连续的温度函数,进而用对流换热的方法计算出连续传热量。 在围护结构内侧空气温度恒定,综合温度只考虑空气温度波和太阳辐射波的条件下,论文用实例证明:以双波动为室外条件和以综合温度为室外条件计算的围护结构内表面温度是一样的,故同频率不同相位的波可以直接相加,围护结构的衰减延迟对此类波的叠加并无影响。同时证明,无论是冬季还是夏季,以双波动为室外条件法计算的围护结构内表面温度的平均值和波幅都大于以空气温度为室外条件计算得到的,且波谷出现的时间相对较早。 论文拟合的室外空气温度、法向直射辐射和水平散射辐射函数式,准确度较高,能反映不同城市不同季节四种天气下温度和辐射变化的规律。论文给出的周期性双波作用下围护结构热过程研究方法,除了计算周期性传热量外,还能分别计算出室外空气温度和太阳辐射经围护结构衰减延迟后到达内表面函数的表达形式,便于观察各个计算过程的物理意义。


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