葉宏，張海濤

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系，安徽合肥230027）

周期性環(huán)境條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱物性對系統(tǒng)能耗及目標(biāo)熱控效果的影響

葉宏，張海濤

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系，安徽合肥230027）

研究探討了周期性環(huán)境條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的熱物性對主動(dòng)通風(fēng)式熱控系統(tǒng)的能耗和目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性及空間均勻性等熱控效果的影響?；诤喕Ｐ捅闅v分析了實(shí)際氣象條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)平均功耗及目標(biāo)熱控效果的影響，發(fā)現(xiàn)體積比熱容的影響對材料導(dǎo)熱系數(shù)的取值及進(jìn)風(fēng)溫度與環(huán)境日平均溫度相對高低有很強(qiáng)的依賴性。環(huán)境日平均溫度高于或低于進(jìn)風(fēng)溫度時(shí)，系統(tǒng)平均功耗及目標(biāo)熱控效果的主導(dǎo)因素為導(dǎo)熱系數(shù)。環(huán)境日平均溫度與進(jìn)風(fēng)溫度接近時(shí)，在導(dǎo)熱系數(shù)小于0.1 W/（m·K）的情況下，體積比熱容對系統(tǒng)平均功耗及熱控效果影響較?。坏珜?dǎo)熱系數(shù)高于0.1 W/（m·K）時(shí)，增大體積比熱容可降低系統(tǒng)平均功耗且提高目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性及空間均勻性。

工程熱物理；周期性環(huán)境條件；導(dǎo)熱系數(shù)；體積比熱容；熱控效果；平均功耗

0 引言

太陽輻照和環(huán)境空氣溫度以日為時(shí)間尺度作周期性變化，這一周期性環(huán)境條件是地面建筑物和眾多裝置所處的典型邊界，也是建筑物和裝置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。為降低功耗和提高熱控效果，需深入分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組成以及相關(guān)材料的熱物性，諸如表面輻射性質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)、體積比熱容等眾多因素的影響規(guī)律。當(dāng)前相關(guān)研究的報(bào)道主要集中在建筑領(lǐng)域。

Cabeza等［1］在建筑外墻添加隔熱材料，在被動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)下指出添加隔熱材料后建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度波動(dòng)明顯變小，在主動(dòng)實(shí)驗(yàn)中添加隔熱材料的制冷及采暖平均功耗均小于無隔熱材料的情況，該工作表明了降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的重要作用。Jelle等［2-4］介紹了傳統(tǒng)（如礦棉、聚氨酯、聚苯乙烯和纖維素等）和新型（如真空絕熱板、充氣式面板［5］、氣凝膠［6-7］、相變材料及納米技術(shù)隔熱材料［8］）建筑隔熱材料，指出傳統(tǒng)建筑隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.02～0.05 W/（m·K），新型建筑隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)約為0.004 W/（m·K），并對未來的建筑隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)提出了預(yù)期。Zhang等［9］模擬了主動(dòng)態(tài)時(shí)20多種材料在北京地區(qū)的全年建筑平均功耗，通過對比特定材料的建筑平均功耗定義了建筑外墻的理想材料物性，即較小的導(dǎo)熱系數(shù)和較大的體積比熱容。Perna等［10］研究夏季在建筑內(nèi)部有較高熱負(fù)荷時(shí)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱慣性對建筑內(nèi)表面的溫度及舒適度時(shí)間的影響，通過模擬計(jì)算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)材料不同面熱容時(shí)建筑內(nèi)表面的溫度，表明提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)材料的面熱容有助于降低建筑內(nèi)表面溫度波動(dòng)、延長室溫處于舒適溫度的時(shí)間。Zhou等［11］在正弦周期性環(huán)境溫度變化下，對比了墻板材料為定形相變材料、墻板材料分別為磚塊、泡沫混凝土和發(fā)泡聚苯乙烯時(shí)墻板內(nèi)表面溫度，研究表明在相變區(qū)域內(nèi)相變材料體積比熱容顯著增大，有助于降低墻體內(nèi)表面溫度振幅。Castell等［12］在被動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中評估了相變材料的作用，指出了使用相變材料可更好地降低室內(nèi)空氣溫度振幅和不適度。

由以上分析可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容是眾多研究工作關(guān)注的核心。但已報(bào)道工作的主要研究方式是針對特殊的材料或結(jié)構(gòu)，分析特定環(huán)境條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)在節(jié)能或熱控方面的作用，缺乏一般性規(guī)律的討論，且相關(guān)工作多集中在建筑領(lǐng)域。

本文研究的選題背景是戰(zhàn)略武器的熱防護(hù)問題。戰(zhàn)略武器一般置于圓筒狀防護(hù)設(shè)施中，在轉(zhuǎn)移過程和預(yù)備狀態(tài)中會(huì)暴露于戶外周期性環(huán)境條件下。為保持其可靠性，需要對其溫度水平、溫度分布的均勻性以及溫度隨時(shí)間的穩(wěn)定性進(jìn)行嚴(yán)格控制。這對熱控系統(tǒng)提出了很高的要求，同時(shí)也產(chǎn)生了很大的能耗。作為熱控系統(tǒng)極為重要的組成部分，圍護(hù)結(jié)構(gòu)（即圓筒狀防護(hù)設(shè)施）對系統(tǒng)的能耗水平以及熱控效果具有舉足輕重的影響，這是本文選題的出發(fā)點(diǎn)。研究的目標(biāo)是全面探索圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能對熱控和能耗的綜合影響。

本文以一種主動(dòng)通風(fēng)式熱控系統(tǒng)為對象，探討周期性環(huán)境條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的熱物性對系統(tǒng)平均功耗和目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性及空間均勻性等熱控效果的影響，以期獲得圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的作用規(guī)律。

1 計(jì)算模型

如圖1（a）所示，熱控目標(biāo)長L1為10 m的圓柱體，內(nèi)部材料為特屈兒，半徑r2為1 m.圍護(hù)結(jié)構(gòu)長L2為12 m、半徑r3為1.5 m，主體為隔熱材料，厚（r5-r4）為8 cm，端面結(jié)構(gòu)與側(cè)面一致。二者均由1 mm厚鋁合金包裹。熱控目標(biāo)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成的環(huán)形流道間隙（r3-r2）為5 cm.進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)左端面1.5 m處，出風(fēng)口在距離左端面10.5 m處，風(fēng)口直徑均為0.2 m.系統(tǒng)處于周期性環(huán)境條件下。在前期工作中，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造軟件I-DEAS對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)體仿真建模，所得能耗結(jié)果與北京某研究所提供的針對實(shí)際裝置在嚴(yán)寒地區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，所得目標(biāo)表面縱向最大溫差的誤差小于10%，且目標(biāo)表面平均溫度振幅誤差小于5%，驗(yàn)證了模型預(yù)測結(jié)果的可靠性。

圖1 主動(dòng)通風(fēng)式熱控系統(tǒng)及二維模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of an active ventilated thermal control system and two-dimensional model

考慮到系統(tǒng)的對稱性，且本文關(guān)心的核心問題是圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱物性的影響，為便于探索一般性規(guī)律，將主動(dòng)通風(fēng)式熱控系統(tǒng)簡化為圖1（b）所示的二維模型，其中目標(biāo)長L為10 m，表面為1 mm厚鋁合金，內(nèi)部材料為特屈兒，半徑r2為1 m.圍護(hù)結(jié)構(gòu)長L與目標(biāo)長度相同，均為10 m.主體為隔熱材料，厚（r5-r4）8 cm，上下表面均由一層1 mm厚鋁合金包裹。目標(biāo)上表面與圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面形成的水平流道的高度（r3-r2）為5 cm，從其左端（x=0處）通入恒定溫度及流率的空氣。系統(tǒng)受到太陽輻照G、環(huán)境空氣溫度Ta及天空溫度Tsky等周期性環(huán)境條件影響。

為簡化分析，作如下假定:只考慮x軸及y軸方向的二維傳熱；目標(biāo)端面及底面絕熱，圍護(hù)結(jié)構(gòu)端面絕熱；忽略目標(biāo)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面材料與內(nèi)部材料之間的接觸熱阻；材料具有常物性且各向同性；流體不參與輻射，作x軸方向上一維充分發(fā)展的流動(dòng)。

目標(biāo)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其表面鋁合金內(nèi)部傳熱過程均為導(dǎo)熱，控制方程可統(tǒng)一寫為

式中:T、k、ρ和c分別為相應(yīng)材料的溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容。

目標(biāo)兩端面及底面絕熱，有

目標(biāo)上表面分別與流道中的空氣和圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面進(jìn)行對流和輻射換熱，其邊界條件可寫為

式中:kAl為鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)；hc，o-f為目標(biāo)表面與流道中空氣之間的對流換熱系數(shù)；T（x，r2）為目標(biāo)表面溫度；Tf（x）為流體溫度；q″rad，o-s為目標(biāo)上表面?zhèn)鹘o圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面的輻射熱流密度。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)端面均絕熱:

圍護(hù)結(jié)構(gòu)上表面與環(huán)境空氣對流換熱，與天空輻射換熱，并接受太陽輻照，其邊界條件可表示為

式中:T（x，r6）為圍護(hù)結(jié)構(gòu)上表面溫度；αs為圍護(hù)結(jié)構(gòu)上表面太陽吸收率；圍護(hù)結(jié)構(gòu)上表面與環(huán)境空氣間的對流換熱系數(shù)hc，s-a由下式確定［13］:

式中:v為風(fēng)速（m/s）；hr，s-sky為圍護(hù)結(jié)構(gòu)上表面與天空之間的輻射換熱系數(shù)，可表示為

式中:εs為圍護(hù)結(jié)構(gòu)上表面發(fā)射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面與流道中的空氣對流換熱，且與目標(biāo)表面進(jìn)行輻射換熱，其邊界條件可表示為

式中:hc，s-f為圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面與流道中流體間的對流換熱系數(shù)；T（x，r3）為圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面溫度。

為求得目標(biāo)上表面?zhèn)鹘o圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面的輻射熱流密度q″rad，o-s，將目標(biāo)上表面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面分別均分為N份，求解每個(gè)小表面i的有效輻射密度，積分后獲得目標(biāo)上表面與圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面的輻射換熱熱流密度。對表面i寫出輻射平衡方程，通過表面熱阻傳給表面i的輻射傳熱速率必定等于通過相應(yīng)的一些幾何熱阻而發(fā)生的表面i與所有其他表面的凈輻射換熱速率:

只考慮流體沿流動(dòng)方向的溫度梯度，微元流體控制方程可以寫成:

流動(dòng)為平行平板之間的受迫對流，雷諾數(shù)Re為

式中:P為平板流動(dòng)橫截面的周長；μf為動(dòng)力粘度?？諝獾馁|(zhì)量流率為0.1 kg/s，計(jì)算得Re=10 318，當(dāng)Re＞10 000時(shí)，流體的流動(dòng)達(dá)到完全湍流狀態(tài)，作為初步近似，可采用（14）式［15］計(jì)算無量綱對流傳熱系數(shù):

該式的適用范圍為0.6≤Pr≤160；Re≥10 000；L/Dh≥10.

目標(biāo)上表面和圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面與流體的對流傳熱系數(shù)為hc，o-f=hc，s-f=Nu kf/Dh，式中kf為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，Dh為水力直徑。

計(jì)算中所用到的材料物性見表1.采用外節(jié)點(diǎn)法生成網(wǎng)格，將控制方程離散成隱式三對角矩陣格式，通過高斯-賽德爾迭代可求解溫度場。模型初始溫度設(shè)為20℃.在周期性環(huán)境條件下，當(dāng)相鄰兩次循環(huán)周期第一時(shí)刻所有對應(yīng)節(jié)點(diǎn)溫差小于0.5℃時(shí)，認(rèn)為結(jié)果收斂。為獲得準(zhǔn)確結(jié)果，在模擬計(jì)算中，計(jì)算結(jié)果與所取空間及時(shí)間步長需無關(guān)。經(jīng)過驗(yàn)證，二維模型在x軸方向上目標(biāo)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及流道中空氣網(wǎng)格步長取0.1 m，在y軸方向上，流道中空氣網(wǎng)格步長取50 mm，目標(biāo)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格步長取5 mm，典型氣象日時(shí)間步長為60 s，計(jì)算結(jié)果與空間及時(shí)間步長無關(guān)。

為驗(yàn)證編程計(jì)算結(jié)果的正確性，取了幾組極端條件下的物性，將編程結(jié)果與商業(yè)軟件I-DEAS計(jì)算結(jié)果對比，以驗(yàn)證編程結(jié)果的正確性。圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)取0.01 W/（m·K）、1 W/（m·K）和10 W/（m·K），體積比熱容取104J/（m3·K）和107J/（m3·K），組合得到6種工況。計(jì)算時(shí)設(shè)定流體流率為0.1 kg/s，進(jìn)口溫度為20℃.計(jì)算環(huán)境參數(shù)取南京地區(qū)3月27日典型氣象年數(shù)據(jù)。圖2為圍護(hù)結(jié)構(gòu)取不同導(dǎo)熱系數(shù)及體積比熱容時(shí)I-DEAS與編程結(jié)果對比。從圖中可發(fā)現(xiàn)，編程計(jì)算結(jié)果與I-DEAS的計(jì)算結(jié)果非常接近，最大溫差不超過0.5℃，由此可確認(rèn)編程結(jié)果的可靠性。

常用材料熱物性導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.01～10 W/（m·K），體積比熱容范圍為100～5 000 kJ/（m3·K）［15］，在此范圍內(nèi)遍歷計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)平均功耗及熱控效果。

表1 材料物性Tab.1 Material properties

2 結(jié)果與討論

本文探討了代表性地區(qū)不同季節(jié)典型氣象日［16］圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的熱物性對系統(tǒng)平均功耗和目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性及空間均勻性等熱控效果的影響。代表性地區(qū)不同季節(jié)典型氣象日的環(huán)境參數(shù)如圖3所示。系統(tǒng)平均功耗是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均功耗，不包括外圍供風(fēng)系統(tǒng)及管道的功耗。對于典型氣象日，系統(tǒng)平均功耗可由求得，式中:Tf，i為進(jìn)風(fēng)溫度；Tf，o為出風(fēng)溫度；t為時(shí)間。出風(fēng)溫度大于進(jìn)風(fēng)溫度時(shí)流體對系統(tǒng)冷卻，反之為流體對系統(tǒng)加熱。每個(gè)時(shí)刻流體進(jìn)出風(fēng)溫差絕對值乘以熱容量流率，積分后取平均值得到系統(tǒng)平均功耗，反映了系統(tǒng)1 d平均功耗。目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性用1 d整點(diǎn)時(shí)刻目標(biāo)表面溫度的均方差表示。采用目標(biāo)表面縱向最大溫差表征目標(biāo)表面空間均勻性，取1 d中所有時(shí)刻目標(biāo)表面縱向溫差的最大值。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)熱系數(shù)及體積比熱容時(shí)I-DEAS與編程結(jié)果對比Fig.2 Comparison of I-DEAS and programming results of different thermal conductivities and volumetric heat capacities of the enclosure

圖3 不同典型氣象條件下的氣象數(shù)據(jù)Fig.3 The environmental parameters at different typical meteorological conditions

采用南京3月27日典型氣象日環(huán)境參數(shù)來探討春季溫暖氣候條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有不同物性時(shí)的系統(tǒng)平均功耗及熱控效果。南京3月27日典型氣象日環(huán)境參數(shù)如圖3（a）所示。圖4（a）為不同導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容下的系統(tǒng)平均功耗，圖4（b）為圖4（a）中導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01～0.1 W/（m·K）之間的結(jié)果。從圖4（a）和圖4（b）可以看出，當(dāng)體積比熱容一定時(shí)系統(tǒng)平均功耗隨著導(dǎo)熱系數(shù)的減小而降低，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)系統(tǒng)平均功耗隨著體積比熱容的增大而減小，即導(dǎo)熱系數(shù)越小、體積比熱容越大，系統(tǒng)平均功耗越小。圖4（a）中虛線為系統(tǒng)平均功耗等值線，系統(tǒng)平均功耗一定時(shí)，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的降低，系統(tǒng)平均功耗等值線的斜率越來越小，說明隨著導(dǎo)熱系數(shù)的降低，體積比熱容對系統(tǒng)平均功耗的影響越來越小。由圖4（b）看出，在低導(dǎo)熱系數(shù)條件下，隨著體積比熱容的增大，系統(tǒng)平均功耗等值線斜率越來越小，在體積比熱容增大到一定程度之后系統(tǒng)平均功耗等值線幾乎為一條直線，這時(shí)系統(tǒng)平均功耗主要影響因素為圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01～0.1 W/（m·K）之間時(shí)，體積比熱容的改變對系統(tǒng)平均功耗影響很小，影響系統(tǒng)平均功耗主導(dǎo)因素是導(dǎo)熱系數(shù)。

圖4 南京3月27日系統(tǒng)平均功耗、目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定性及縱向最大溫差與圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容之間的關(guān)系Fig.4 The relations among the average system power consumption，the stability of object surface temperature，the maximum object temperature difference and the thermal conductivity，volumetric heat capacity of the enclosure on March 27th in Nanjing

由圖4（a）和圖4（b）可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)較大時(shí)平均功耗等值線斜率較大，改變體積比熱容對系統(tǒng)平均功耗影響較大。當(dāng)流體物性確定時(shí)，系統(tǒng)平均功耗是由進(jìn)出風(fēng)溫差決定，通過分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)高導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)進(jìn)出風(fēng)溫度變化可以說明系統(tǒng)平均功耗變化規(guī)律。圖5給出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)取9 W/（m·K），體積比熱容分別為1 000 kJ/（m3·K）、3 000 kJ/（m3·K）和5 000 kJ/（m3·K）時(shí)出風(fēng)溫度，圖中虛線為進(jìn)風(fēng)溫度，恒定為20℃.出風(fēng)溫度低于進(jìn)風(fēng)溫度，且處于下降段時(shí)，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)體積比熱容的增大，系統(tǒng)平均功耗降低；當(dāng)處于上升段時(shí)，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)體積比熱容的增大，系統(tǒng)平均功耗增加。出風(fēng)溫度高于進(jìn)風(fēng)溫度時(shí)，在上升段增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)體積比熱容會(huì)使系統(tǒng)平均功耗降低。體積比熱容增大時(shí)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)溫度所圍成的面積減小，說明系統(tǒng)平均功耗隨著體積比熱容的增大而降低。

圖5 南京3月27日圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)為9 W/（m·K）、不同體積比熱容時(shí)出風(fēng)溫度Fig.5 The variation of the outlet temperature with the volumetric heat capacity of enclosure for the thermal conductivity of 9 W/（m·K）on March 27th in Nanjing

圖4（c）和圖4（e）為不同導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容下的目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定性及縱向最大溫差，圖4（d）和圖4（f）分別為圖4（c）和圖4（e）中導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01～0.1 W/（m·K）之間的結(jié)果。由圖4（c）和圖4（e）可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)大于0.1 W/（m·K），目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定性及縱向最大溫差一定時(shí)，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大，目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定性及縱向最大溫差的等值線斜率變大，說明隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大，體積比熱容對目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定性及縱向最大溫差的影響越來越大，即此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱控效果的主導(dǎo)因素為體積比熱容。圖4（d）和圖4（f）中，導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01～0.1 W/（m·K）之間時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱控效果主導(dǎo)因素為導(dǎo)熱系數(shù)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)較大時(shí)增大體積比熱容其熱擴(kuò)散系數(shù)減小，有助于提高目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性及空間均勻性。圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)較小時(shí)，其隔熱能力較強(qiáng)，此時(shí)改變體積比熱容對目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性及空間均勻性影響較小。

圖6為南京秋季9月23日不同導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容下的系統(tǒng)平均功耗及熱控效果。南京秋季9月23日典型氣象日環(huán)境參數(shù)如圖3（b）所示。圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)大于0.1 W/（m·K）時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)增大體積比熱容可降低系統(tǒng)平均功耗且提高目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性及空間均勻性。導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01～0.1 W/（m·K）之間時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)增大體積比熱容對系統(tǒng)平均功耗及表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性及空間均勻性影響較小。對比圖6與圖4，可發(fā)現(xiàn)二者規(guī)律基本相似。出風(fēng)溫度受到環(huán)境條件影響，在南京春秋季環(huán)境條件下，出風(fēng)溫度在進(jìn)風(fēng)溫度附近變化，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.1～10 W/（m·K）時(shí)，固定導(dǎo)熱系數(shù)增大體積比熱容，系統(tǒng)平均功耗降低且目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性及空間均勻性提高。

采用新疆若羌夏季6月21日典型氣象日環(huán)境參數(shù)來探討環(huán)境空氣溫度較高時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)物性對系統(tǒng)平均功耗及熱控效果的影響。新疆若羌夏季6月21日典型氣象日環(huán)境參數(shù)如圖3（c）所示。新疆若羌6月21日不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)及體積比熱容下系統(tǒng)的平均功耗及熱控效果關(guān)系如圖7（a）、圖7（c）和圖7（e）所示，圖7（b）、圖7（d）和圖7（f）為圖7（a）、圖7（c）和圖7（e）導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01～0.1 W/（m·K）之間的結(jié)果。從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)，改變體積比熱容系統(tǒng)平均功耗幾乎不變，系統(tǒng)平均功耗主要受導(dǎo)熱系數(shù)的影響。新疆6月白天環(huán)境溫度較高，通風(fēng)對系統(tǒng)冷卻，此時(shí)出風(fēng)溫度高于進(jìn)風(fēng)溫度。圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)不同體積比熱容的出風(fēng)溫度如圖8所示。由圖8可以看出，出風(fēng)溫度一直高于進(jìn)風(fēng)溫度（20℃），出風(fēng)溫度處于下降段時(shí)，隨著體積比熱容增大，系統(tǒng)平均功耗增大；出風(fēng)溫度處于上升段時(shí)，隨著體積比熱容增大，系統(tǒng)平均功耗降低。出風(fēng)溫度隨著外界環(huán)境條件發(fā)生著周期性變化，改變體積比熱容對出風(fēng)溫度在上升和下降段有不同的影響。在新疆夏季，增大體積比熱容引起的上升段系統(tǒng)功耗的降低量與下降段系統(tǒng)功耗的增加量二者相近，綜合表現(xiàn)為改變體積比熱容時(shí)系統(tǒng)平均功耗變化較小。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)處于不同范圍時(shí)，體積比熱容對目標(biāo)表面溫度場影響不同，導(dǎo)熱系數(shù)大于0.1 W/（m·K），目標(biāo)表面所有溫度穩(wěn)定性等值線及縱向溫差等值線的斜率均隨著體積比熱容的增大而增大，體積比熱容對目標(biāo)表面溫度場影響較大。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01～0.1 W/（m·K）之間時(shí)，隨著體積比熱容的增大，目標(biāo)表面所有溫度穩(wěn)定性等值線及縱向溫差等值線的斜率逐漸變小，說明體積比熱容的影響越來越小。導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)改變體積比熱容對目標(biāo)表面溫度場影響較小，此時(shí)目標(biāo)表面溫度場主要影響因素為導(dǎo)熱系數(shù)。

圖6 南京秋季9月23日系統(tǒng)平均功耗、目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定性及縱向最大溫差與圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容之間的關(guān)系Fig.6 The relations among the average system power consumption，the stability of object surface temperature，the maximum object temperature difference and the thermal conductivity，the volumetric heat capacity of the enclosure on September 23th in Nanjing

圖7 新疆若羌6月21日系統(tǒng)平均功耗、目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定性及縱向最大溫差與圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容之間的關(guān)系Fig.7 The relations among the average system power consumption，the stability of object surface temperature，the maximum object temperature difference and the thermal conductivity，the volumetric heat capacity of the enclosure on June 21th in Ruoqiang，Xinjiang

采用漠河1月11日典型氣象日環(huán)境參數(shù)來探討環(huán)境空氣溫度較低時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)物性對系統(tǒng)平均功耗及熱控效果的影響。漠河1月11日典型氣象日環(huán)境參數(shù)如圖3（d）所示。漠河1月11日不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)及體積比熱容下系統(tǒng)的平均功耗及熱控效果關(guān)系如圖9（a）、圖9（c）和圖9（e）所示，圖9（b）、圖9（d）和圖9（f）為圖9（a）、圖9（c）和圖9（e）導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01～0.1 W/（m·K）之間的結(jié)果。圖9（a）和圖9（b）中，系統(tǒng)平均功耗等值線幾乎為水平線，表明體積比熱容對系統(tǒng)平均功耗影響極小。圖10為漠河冬季1月11日圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)為9 W/（m·K）時(shí)不同體積比熱容出風(fēng)溫度。在漠河冬季環(huán)境溫度較低，由圖10可以看出，出風(fēng)溫度較低，空氣對系統(tǒng)加熱。在出風(fēng)溫度上升段，隨著體積比熱容的增大系統(tǒng)平均功耗增大；在出風(fēng)溫度下降段，隨著體積比熱容的增大系統(tǒng)平均功耗降低。從圖9（a）和圖9（b）可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)改變體積比熱容對全天系統(tǒng)平均功耗影響較小。圖9（c）和圖9（d）表明，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大，體積比熱容對目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定性的影響越來越大。從圖9（e）和圖9（f）可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)體積比熱容對目標(biāo)表面縱向最大溫差有一定的影響，但作用較小，影響目標(biāo)表面溫度空間均勻性的主導(dǎo)因素為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)。

由以上討論可以看出，對于南京春秋季典型氣象日，圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)處于不同范圍時(shí)，體積比熱容對系統(tǒng)平均功耗及目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性和空間均勻性影響作用不同，在高導(dǎo)熱系數(shù)下體積比熱容起主導(dǎo)作用，在低導(dǎo)熱系數(shù)下導(dǎo)熱系數(shù)起主導(dǎo)作用。新疆若羌夏季和黑龍江漠河冬季典型氣象日，圍護(hù)結(jié)構(gòu)體積比熱容對系統(tǒng)平均功耗影響較小，系統(tǒng)平均功耗主要受到導(dǎo)熱系數(shù)的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)增大體積比熱容可提高目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性和空間均勻性。

圖8 新疆6月21日圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)為9 W/（m·K）不同體積比熱容時(shí)出風(fēng)溫度Fig.8 The variation of the outlet temperature with the volumetric heat capacity of the enclosure when the thermal conductivity is 9 W/（m·K）on June 21th in Xinjiang

圖9 漠河冬季1月11日系統(tǒng)平均功耗、目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定性及縱向最大溫差與圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容之間的關(guān)系Fig.9 The relations between the average system power consumption，the stability of object surface temperature，the maximum object temperature difference and the thermal conductivity，the volumetric heat capacity of the enclosure on January 11th in Mohe

圖10 漠河冬季1月11日圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)為9 W/（m·K）不同體積比熱容時(shí)出風(fēng)溫度Fig.10 The variation of the outlet temperature with the volumetric heat capacity of the enclosure when the thermal conductivity is 9 W/（m·K）on January 11th in Mohe

3 結(jié)論

本文將主動(dòng)通風(fēng)式熱控系統(tǒng)簡化為二維模型，在周期性環(huán)境條件下探究圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱物性對系統(tǒng)平均功耗和熱控效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，日環(huán)境空氣溫度在進(jìn)風(fēng)溫度左右（春季和秋季）時(shí)，提高體積比熱容和降低導(dǎo)熱系數(shù)有助于降低系統(tǒng)平均功耗、降低目標(biāo)表面縱向最大溫差和提高其溫度穩(wěn)定性。日環(huán)境溫度高于或低于進(jìn)風(fēng)溫度（高溫或嚴(yán)寒）時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)增大體積比熱容可降低目標(biāo)表面縱向最大溫差且提高其溫度穩(wěn)定性，而系統(tǒng)平均功耗的主要影響因素為導(dǎo)熱系數(shù)。日環(huán)境溫度在進(jìn)風(fēng)溫度左右時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01～0.1 W/（m·K）之間，影響系統(tǒng)平均功耗的主要因素為導(dǎo)熱系數(shù)，改變體積比熱容對系統(tǒng)平均功耗影響較?。粐o(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)大于0.1 W/（m·K）時(shí)，體積比熱容對系統(tǒng)平均功耗起主導(dǎo)作用，導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)增大體積比熱容會(huì)提高目標(biāo)表面溫度時(shí)間穩(wěn)定性和空間均勻性。

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The Influences of Thermophysical Properties of Enclosure on the System Energy Consumption and the Object Thermal Control Effects under Periodic Environmental Conditions

YE Hong，ZHANG Hai-tao
（Department of Thermal Science and Energy Engineering，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，Anhui，China）

The influences of thermophysical properties of an enclosure on the energy consumption of an active ventilated thermal control system and the thermal control effects，such as time stability and space uniformity of the object surface temperature，under periodic environmental conditions are investigated. The effects of the thermal conductivity and volumetric heat capacity of enclosure on the average power consumption of system and the thermal control effects of object are studied based on a simplified model under the actual weather conditions.It is discovered that the influence of the volumetric heat capacity depends on the value of the thermal conductivity，the inlet air temperature as well as the average temperature of ambient air.When the average ambient air temperature is higher or lower than the inlet air temperature，the thermal conductivity becomes a dominant factor.However，when the average ambient air temperature is close to that of the inlet air，the volumetric heat capacity has little effect on the average power consumption and the thermal control effects if the thermal conductivity is less than 0.1 W/（m·K）；if the thermal conductivity is higher than 0.1 W/（m·K），the increase in the volumetric heat capacitycould not only reduce the average power consumption but also enhance the time stability and the space uniformity of the object surface temperature as well.

engineering thermophysics；periodic environmental condition；thermal conductivity；volumetric heat capacity；thermal control effects；average power consumption

TK121

A

1000-1093（2015）09-1710-12

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.016

2015-03-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51576188）

葉宏（1973—），男，副教授。E-mail:hye@ustc.edu.cn