停暖事故下北京板式居住建筑最大應(yīng)急保障時(shí)長研究

王禹，劉蘭斌，涂壤

摘 要：為幫供熱公司在停暖事故發(fā)生后制定搶修方案提供定量參考，本研究選取北京板式居住建筑為研究對象，運(yùn)用DeST模擬不同樓層數(shù)、單元數(shù)、初始室內(nèi)溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的建筑停暖事故，定義三種最大應(yīng)急保障時(shí)長，分析停暖后不同位置熱用戶降溫差別，確定不同影響因素下建筑最大應(yīng)急保障時(shí)長。研究結(jié)果表明：最大應(yīng)急保障時(shí)長與建筑單元數(shù)、樓層數(shù)關(guān)系較小;停暖事故發(fā)生后，停暖事故下頂層邊側(cè)用戶降溫速度最快，底層中部用戶降溫最慢;建筑16℃最大應(yīng)急保障時(shí)長為1～9 h;5℃最大應(yīng)急保障時(shí)長為21～65 h;0℃最大應(yīng)急保障時(shí)長為82～143 h。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急保障;停暖事故;居住建筑;模擬

中圖分類號：TU241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0149-05

Research on the Maximum Emergency Guarantee Duration of Beijings Slab Type Residential Buildings under Heat Supply Accident

Wang Yu， Liu Lanbin， Tu Rang

（University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract：To provide quantitative reference for heating companies to formulate emergency repair plans after the heating shutdown accident， Beijing plate residential buildings are selected as the research object in this study， DeST is used to simulate building heating accidents of different floors， units， initial indoor temperature and insulation performance of enclosure structure to define the three maximum emergency support times， analyze the difference in the cooling of thermal users in different locations after the heating shutdown， and determine the maximum emergency guarantee time of the building under different influencing factors. The research results show that the maximum emergency support time is less related to the number of building units and floors， after the accident， the users on the top floor cooled the fastest， and the users in the middle part of the bottom cooled the slowest. The maximum emergency support time of the building 16℃ is 1～9 h， 5℃ is 21～ 65 h， 0℃ is 82～143 h.

Key words：emergency support; heating stop accident; residential building; simulation

0 引言

隨著集中供熱規(guī)模的不斷擴(kuò)大[1]，管網(wǎng)使用年限的不斷增加，停暖事故發(fā)生頻率增加、影響面積擴(kuò)大等問題不斷凸顯[2]。停暖事故給居民正常生活帶來不便，嚴(yán)重停暖事故甚至威脅人身財(cái)產(chǎn)安全[3-4]。停暖事故下建筑內(nèi)哪些位置供熱質(zhì)量最先不達(dá)標(biāo)，管道熱水多長時(shí)間發(fā)生凍結(jié)，不同因素對冷卻過程的影響趨勢及程度如何，這些都是供熱公司迫切需要解決研究的問題。確定最不利狀況下建筑降溫至特定溫度所需的時(shí)長，能為熱力公司停暖事故搶修提供定量參考，做到心中有數(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者從供熱管網(wǎng)可靠性[5]及停暖工況房間熱過程兩方面入手對停暖事故進(jìn)行分析，戰(zhàn)泰文（1995）等探討了間斷供熱狀態(tài)下房間冷卻過程[6]，楊進(jìn)（2007）得出房間間斷供熱時(shí)降低到指定溫度所需時(shí)間公式[7]：

由于建筑停暖熱過程計(jì)算過于復(fù)雜，式（1）假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度與室內(nèi)空氣溫度一致，忽略臨室傳熱對室溫的影響，假設(shè)室外溫度恒定不變，方法存在較大局限性。本文采用計(jì)算機(jī)模擬的方法，用建筑熱環(huán)境模擬軟件（DeST-h）對建筑中所有房間停暖后室溫進(jìn)行逐小時(shí)動態(tài)模擬。DeST采用狀態(tài)向量空間法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算準(zhǔn)確性得到實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證[8]并應(yīng)用于大量實(shí)際工程中。

以北京板式居住節(jié)能建筑為例，以最低供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度16℃、值班供暖房間溫度5℃、管道凍結(jié)溫度0℃作為典型溫度，停暖事故下首個(gè)熱用戶降溫至16、5、0℃所需的時(shí)間作為建筑的3種最大應(yīng)急保障時(shí)長，記作τ16、τ5、τ0，以建筑中20%住戶降溫至3個(gè)典型溫度所需時(shí)間作為輔助評價(jià)指標(biāo)，記作τ16，20%、τ5，20%、τ0，20%。

1 研究對象及參數(shù)設(shè)置

1.1 研究對象

文章以北京一板式住宅為研究對象，在DeST中完成建筑建模，該建筑共6層，4個(gè)單元，一梯兩戶，單元長14.4 m，寬14.48 m，樓層高2.9 m，物理模型如圖1所示;用戶位置分布及命名如圖2所示，用戶命名格式為A-B，A表示樓層，B表示戶號。

1.2 影響因素分析及參數(shù)設(shè)置

（1）最大應(yīng)急保障時(shí)長影響因素分析。停暖事故發(fā)生后，建筑室溫受3部分影響：建筑內(nèi)部的熱源情況、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性以及室外氣候條件。停暖事故下的建筑傳熱物理模型如圖3所示。

對于整棟建筑來說，失熱量主要為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和冷風(fēng)滲透失熱，外墻穩(wěn)態(tài)傳熱方程為

式（2）中，K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）;F為建筑外表面積，m2;t為室內(nèi)外溫差，℃;cp為空氣的定壓比熱容，1 kJ/（kg·k）;ρ為空氣密度，1.2 kg/m3;G為冷風(fēng)滲透量，m3/h;A為建筑面積，m2;V為建筑體積，m3;H為建筑高度，m;S為體形系數(shù);N為換氣次數(shù)，次/h。

對于板式建筑，體形系數(shù)表達(dá)式可為：

式（3）中，S為體形系數(shù);L為建筑橫截面周長;X為單元數(shù)量，個(gè);a為單元長度;b為單元進(jìn)深;I為建筑層數(shù);h為樓層高度。

由式（2）、（3）可知，停暖事故下建筑最大應(yīng)急保障時(shí)長與單元數(shù)量、建筑層數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)、室內(nèi)外溫度和冷風(fēng)滲透量相關(guān)，下面將針對不同因素進(jìn)行分析研究。

（2）最不利工況參數(shù)設(shè)置。選取供暖季最冷日、最冷時(shí)作為停暖事故發(fā)生時(shí)刻，此時(shí)，設(shè)置室內(nèi)燈光、人員、設(shè)備熱擾為0，只有冷風(fēng)滲（透以換氣次數(shù)形式加入各房間）。換氣次數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

體形系數(shù)隨單元數(shù)量、樓層數(shù)量變化曲線如圖4所示。單元數(shù)量大于4后，增加單元數(shù)量對體形系數(shù)的影響小于1%;樓層數(shù)大于16層后增加樓層數(shù)對體形系數(shù)的影響小于1%。選取2、4個(gè)單元，6、16層樓的4類典型板式建筑，體形系數(shù)如表2所示。

設(shè)定初始室內(nèi)溫度為18、20、22和24℃這4種工況;以不同年代居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的限值為參考，建立不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的建筑，如表3所示。

2 不同因素對最大應(yīng)急保障時(shí)長的影響

針對4類典型板式建筑進(jìn)行停暖模擬，最大應(yīng)急保障時(shí)長結(jié)果如圖5所示。

單元數(shù)量、樓層數(shù)量對τ16、τ16，20%、τ5、τ0影響小于2 h，建筑總戶數(shù)隨單元數(shù)量、樓層數(shù)量的增加而增加，頂、邊用戶相對于內(nèi)部用戶來說增加比例較少，τ5，20%、τ0，20%所包含的建筑內(nèi)部住戶比例增加，導(dǎo)致對應(yīng)時(shí)長增加。后續(xù)研究中只選取4單元6層板式居住建筑進(jìn)行最大應(yīng)急保障時(shí)長影響因素分析。

對計(jì)算對象（48個(gè)用戶）供暖期停暖事故下的室內(nèi)溫度進(jìn)行逐時(shí)模擬計(jì)算，對所有熱用戶降溫到典型溫度所需時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6是圖2對應(yīng)位置用戶的τ16、τ5、τ0;圖7橫坐標(biāo)零點(diǎn)代表停暖發(fā)生時(shí)刻，縱坐標(biāo)代表室溫低于16、5、0℃的住戶占總用戶數(shù)量的比例。由圖6可知，熱用戶呈現(xiàn)由外至內(nèi)、由上至下的冷卻趨勢，中、底部的住戶擁有更少的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，更少的熱負(fù)荷增加了最大應(yīng)急保障時(shí)長。

由圖7可知，對于16℃不達(dá)標(biāo)曲線，停暖事故剛發(fā)生時(shí)室內(nèi)、外溫差較大，整體降溫迅速，1 h內(nèi)均降至16℃;對于5℃不達(dá)標(biāo)曲線，位置因素造成的熱用戶降溫速度差別開始顯現(xiàn)，不達(dá)標(biāo)住戶占比呈現(xiàn)階段性增長，停暖后21 h出現(xiàn)首個(gè)低于5℃用戶，33 h低于5℃的住戶達(dá)到總數(shù)的20%;對于0℃不達(dá)標(biāo)曲線，室內(nèi)外溫差進(jìn)一步減小，室溫受外溫影響加大，隨外溫的波動而波動，停暖后68 h出現(xiàn)首個(gè)低于0℃用戶，82 h低于0℃的住戶達(dá)到總數(shù)的20%。

改變室內(nèi)溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，結(jié)果如圖8所示。

同圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的住宅，初始室內(nèi)溫度每增加2℃，τ16基本為1 h不變，τ5增加3～13 h，τ0增加4～20 h，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)越小，提升初始室內(nèi)溫度所增加的最大應(yīng)急保障時(shí)長越多;同室內(nèi)初始溫度的住宅，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能對τ16影響較小，基本保持為1 h;對于τ5、τ0，初始室內(nèi)溫度越高，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能延長的最大應(yīng)急保障時(shí)長越長。

3 結(jié)語

本文以6層板式建筑為例，利用DeST 建立典型住宅模型，模擬得到不同條件下北京板式住宅最大應(yīng)急保障時(shí)長。

（1）不同單元數(shù)量、樓層數(shù)量的板式住宅τ16、τ5、τ0基本一致，停暖事故下頂層邊側(cè)用戶降溫速度最快，底層中部用戶降溫最慢。

（2）對于北京板式住宅，建筑在溫度16℃時(shí)，最大應(yīng)急保障時(shí)長大多為1 h，5℃最大應(yīng)急保障時(shí)長為21～65 h，0℃最大應(yīng)急保障時(shí)長為82～143 h，熱力公司應(yīng)在管道凍結(jié)前搶修完畢。

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