[科普中国]-动态热平衡

基本概念热平衡

热平衡是指同外界接触的物体，其内部温度各处均匀且等于外界温度的状况。在热平衡时，物体各部分以及物体同外界之间都没有热量交换。在热工和化学中，如物体在同一时间内吸收和放出的热量恰好相抵消，也称该物体处于热平衡。

热平衡定律热平衡定律是热力学中的一个基本实验定律，其重要意义在于它是科学定义温度概念的基础，是用温度计测量温度的依据。在热力学中，温度、内能、熵是三个基本的状态函数，内能是由热力学第一定律确定的；熵是由热力学第二定律确定的；而温度是由热平衡定律确定的。所以热平衡定律如第一、第二定律一样也是热力学中的基本实验定律，其重要性不亚于热力学第一、第二定律，但由于人们是在充分认识了热力学第一、第二定律之后才看出此定律的重要性，故英国著名物理学家R.H.否勒称它为热力学第零定律。

热平衡状态在没有外界影响的条件下，热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态。所谓外界影响，是指外界对系统作功或传热。不能把平衡态简单理解为不随时间变化的状态。例如，一金属杆两端分别始终与沸水和冰水接触，热量不断从一端传往另一端，则杆各处温度虽然不同却并不随时间变化，但此杆并不处于平衡态。与单纯静止的力学平衡不同，热平衡态是热动平衡，系统中的分子仍在作无规则热运动，只是平均效果不随时间改变。

动态热平衡当一个物体的热量大量流失的情况下，或者某物体大量获取热量的时候，我们还能不能保持物体的温度不变而处于热的平衡状态呢？

事实上这种情况是存在的，我们只要向物体提供，或吸取等量的热量，就能保持其温度不变。例如一个工人突然走进高达50℃的高温火炉旁，热的辐射使他获得了大量的热量，但人必须维持37℃的体温。这时人体立即有一种反应，即大量出汗，通过水分的蒸发带走热量，将体温维持在37℃。这时他吸收的热量和放出的热量必然是相等的。这种热的平衡我们称为动态的热平衡。

动态热平衡模型建筑围护结构随着社会的发展，人们在关注室内环境的同时，也将目光转向了室外微环境。如何正确分析室外微气候以指导规划设计，是目前非常热的话题。影响室外微气候的因素很多，使得对微气候的研究非常困难。随着计算机技术和数值模拟技术的发展，人们开始将CFD技术应用于建筑区域风环境和热环境的模拟中。室外空气直接吸收太阳辐射的部分很小，主要通过和热表面的对流换热和吸收热表面的长波辐射而引起温度变化。因此，在外环境的研究中，正确可行地获得建筑围护结构外表面的温度，以此作为温度场计算的边界条件是非常重要的。文献1区别于以往仅考虑太阳辐射的静态方法，建立了一个考虑围护结构蓄热和传热、围护结构外表面向外辐射散热、围护结构外表面吸收天空长波辐射以及外表面吸收周围物体辐射热量的动态模型，并用该模型计算了济南夏季某天某单栋建筑各围护结构外表面的温度。

景观水体为解决室外热环境数值模拟研究中水体边界条件设定的问题,文献2借鉴水库和湖泊水温分布的计算方法,并根据室外景观设计中的水体特点,对水面蒸发换热项和对流换热项进行了修正.建立了室外热环境研究中水体温度的动态热平衡模型,编制了水体温度分布的数值计算程序,并使用该程序分析了水面植被遮挡系数、水体深度及水面尺寸等因素对水面温度的影响.数值分析结果表明:由于存在蒸发现象,水面温度一般低于空气温度,而当水面有漂浮植被时,水体表面温度会显著降低;水体表面温度随水体深度的增加而减少,但当水体深度超过4 m后,影响变得较小;水面尺寸对水面温度的影响比较小,只要水体深度设计适当,室外环境中的水体可以获得较低的表面温度.

内燃机整机传统的发动机冷却水系统不能随工况及环境调节冷却系统的散热能力。而目前正在发展的智能型热管理系统，可随时对冷却的强度进行调节，保证被冷却的对象工作在最佳温度范围，并已由试验阶段向产品阶段过渡。建立发动机动态热平衡模型，可以直观地对发动机与冷却系统进行系统分析，为智能型热管理系统的设计与控制策略提供必要的辅助手段。文献3提出了一个基于集总参数法的发动机动态热平衡模型,考虑了发动机燃烧室的传热、发动机主要部件的传热、冷却系统和润滑系统的工作,建立了燃烧气体与发动机部件、各部件之间、部件与冷却液、部件与润滑油、部件与周围空气之间的热耦合计算公式,对一台单缸柴油机的热平衡及主要部件的温度进行了计算,结果证实该模型可用于发动机热平衡的研究.

地源热泵土壤国内外对地埋管地源热泵系统进行了广泛的研究，主要集中在地埋管形式及传热模型、系统模拟仿真、系统实际运行性能、系统技术经济分析等方面，取得了丰硕的研究成果，并进行了许多工程实践。近年来，大家清晰地认识到地埋管地源热泵土壤动态热平衡的问题。文献4在综述地埋管地源热泵研究现状的基础上,分析了土壤热失衡的原因, 提出了“浅层地热能”、“浅层岩土蓄能加浅层地温能才是地源热泵可持续利用的低温热源”、“地源热泵长期有效发展的核心——夏冬季岩土体排取热量的动态平衡”、复合地源热泵等一系列概念，给出了几种解决措施,指出了地埋管地源热泵可持续发展的关键之处.