停暖事故下北京板式居住建筑最大应急保障时长研究

王禹，刘兰斌，涂壤

摘 要：为帮供热公司在停暖事故发生后制定抢修方案提供定量参考，本研究选取北京板式居住建筑为研究对象，运用DeST模拟不同楼层数、单元数、初始室内温度、围护结构保温性能的建筑停暖事故，定义三种最大应急保障时长，分析停暖后不同位置热用户降温差别，确定不同影响因素下建筑最大应急保障时长。研究结果表明：最大应急保障时长与建筑单元数、楼层数关系较小;停暖事故发生后，停暖事故下顶层边侧用户降温速度最快，底层中部用户降温最慢;建筑16℃最大应急保障时长为1～9 h;5℃最大应急保障时长为21～65 h;0℃最大应急保障时长为82～143 h。

关键词：应急保障;停暖事故;居住建筑;模拟

中图分类号：TU241 文献标识码：A     文章编号：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

随着集中供热规模的不断扩大[1]，管网使用年限的不断增加，停暖事故发生频率增加、影响面积扩大等问题不断凸显[2]。停暖事故给居民正常生活带来不便，严重停暖事故甚至威胁人身财产安全[3-4]。停暖事故下建筑内哪些位置供热质量最先不达标，管道热水多长时间发生冻结，不同因素对冷却过程的影响趋势及程度如何，这些都是供热公司迫切需要解决研究的问题。确定最不利状况下建筑降温至特定温度所需的时长，能为热力公司停暖事故抢修提供定量参考，做到心中有数。

国内外学者从供热管网可靠性[5]及停暖工况房间热过程两方面入手对停暖事故进行分析，战泰文（1995）等探讨了间断供热状态下房间冷却过程[6]，杨进（2007）得出房间间断供热时降低到指定温度所需时间公式[7]：

由于建筑停暖热过程计算过于复杂，式（1）假设围护结构内部温度与室内空气温度一致，忽略临室传热对室温的影响，假设室外温度恒定不变，方法存在较大局限性。本文采用计算机模拟的方法，用建筑热环境模拟软件（DeST-h）对建筑中所有房间停暖后室温进行逐小时动态模拟。DeST采用状態向量空间法进行计算，其计算准确性得到实测数据验证[8]并应用于大量实际工程中。

以北京板式居住节能建筑为例，以最低供暖室内设计温度16℃、值班供暖房间温度5℃、管道冻结温度0℃作为典型温度，停暖事故下首个热用户降温至16、5、0℃所需的时间作为建筑的3种最大应急保障时长，记作τ16、τ5、τ0，以建筑中20%住户降温至3个典型温度所需时间作为辅助评价指标，记作τ16，20%、τ5，20%、τ0，20%。

1 研究对象及参数设置

1.1 研究对象

文章以北京一板式住宅为研究对象，在DeST中完成建筑建模，该建筑共6层，4个单元，一梯两户，单元长14.4 m，宽14.48 m，楼层高2.9 m，物理模型如图1所示;用户位置分布及命名如图2所示，用户命名格式为A-B，A表示楼层，B表示户号。

1.2 影响因素分析及参数设置

（1）最大应急保障时长影响因素分析。停暖事故发生后，建筑室温受3部分影响：建筑内部的热源情况、围护结构热工特性以及室外气候条件。停暖事故下的建筑传热物理模型如图3所示。

对于整栋建筑来说，失热量主要为外围护结构传热和冷风渗透失热，外墙稳态传热方程为

式（2）中，K为围护结构综合传热系数，W/（m2·℃）;F为建筑外表面积，m2;t为室内外温差，℃;cp为空气的定压比热容，1 kJ/（kg·k）;ρ为空气密度，1.2 kg/m3;G为冷风渗透量，m3/h;A为建筑面积，m2;V为建筑体积，m3;H为建筑高度，m;S为体形系数;N为换气次数，次/h。

对于板式建筑，体形系数表达式可为：

式（3）中，S为体形系数;L为建筑横截面周长;X为单元数量，个;a为单元长度;b为单元进深;I为建筑层数;h为楼层高度。

由式（2）、（3）可知，停暖事故下建筑最大应急保障时长与单元数量、建筑层数、围护结构综合传热系数、室内外温度和冷风渗透量相关，下面将针对不同因素进行分析研究。

（2）最不利工况参数设置。选取供暖季最冷日、最冷时作为停暖事故发生时刻，此时，设置室内灯光、人员、设备热扰为0，只有冷风渗（透以换气次数形式加入各房间）。换气次数计算结果如表1所示。

体形系数随单元数量、楼层数量变化曲线如图4所示。单元数量大于4后，增加单元数量对体形系数的影响小于1%;楼层数大于16层后增加楼层数对体形系数的影响小于1%。选取2、4个单元，6、16层楼的4类典型板式建筑，体形系数如表2所示。

设定初始室内温度为18、20、22和24℃这4种工况;以不同年代居住建筑节能设计标准中的限值为参考，建立不同围护结构保温性能的建筑，如表3所示。

2 不同因素对最大应急保障时长的影响

针对4类典型板式建筑进行停暖模拟，最大应急保障时长结果如图5所示。

单元数量、楼层数量对τ16、τ16，20%、τ5、τ0影响小于2 h，建筑总户数随单元数量、楼层数量的增加而增加，顶、边用户相对于内部用户来说增加比例较少，τ5，20%、τ0，20%所包含的建筑内部住户比例增加，导致对应时长增加。后续研究中只选取4单元6层板式居住建筑进行最大应急保障时长影响因素分析。

对计算对象（48个用户）供暖期停暖事故下的室内温度进行逐时模拟计算，对所有热用户降温到典型温度所需时间进行统计，结果如图6、图7所示。

图6是图2对应位置用户的τ16、τ5、τ0;图7横坐标零点代表停暖发生时刻，纵坐标代表室温低于16、5、0℃的住户占总用户数量的比例。由图6可知，热用户呈现由外至内、由上至下的冷却趋势，中、底部的住户拥有更少的外围护结构，更少的热负荷增加了最大应急保障时长。

由图7可知，对于16℃不达标曲线，停暖事故刚发生时室内、外温差较大，整体降温迅速，1 h内均降至16℃;对于5℃不达标曲线，位置因素造成的热用户降温速度差别开始显现，不达标住户占比呈现阶段性增长，停暖后21 h出现首个低于5℃用户，33 h低于5℃的住户达到总数的20%;对于0℃不达标曲线，室内外温差进一步减小，室温受外温影响加大，随外温的波动而波动，停暖后68 h出现首个低于0℃用户，82 h低于0℃的住户达到总数的20%。

改变室内温度、围护结构保温性能，结果如图8所示。

同围护结构保温性能的住宅，初始室内温度每增加2℃，τ16基本为1 h不变，τ5增加3～13 h，τ0增加4～20 h，建筑围护结构综合传热系数越小，提升初始室内温度所增加的最大应急保障时长越多;同室内初始温度的住宅，提高围护结构保温性能对τ16影响较小，基本保持为1 h;对于τ5、τ0，初始室内温度越高，提升围护结构保温性能延长的最大应急保障时长越长。

3 结语

本文以6层板式建筑为例，利用DeST 建立典型住宅模型，模拟得到不同条件下北京板式住宅最大应急保障时长。

（1）不同单元数量、楼层数量的板式住宅τ16、τ5、τ0基本一致，停暖事故下顶层边侧用户降温速度最快，底层中部用户降温最慢。

（2）对于北京板式住宅，建筑在温度16℃时，最大应急保障时长大多为1 h，5℃最大应急保障时长为21～65 h，0℃最大应急保障时长为82～143 h，热力公司应在管道冻结前抢修完毕。

参考文献

[1]国家统计局. 年度数据城市概况[EB/OL]. http：//data.stats.gov.cn/easyquery.htm？cn=C01

[2]付 瑶. 北京地区集中供热一次管网事故分析及评价方法[D]. 北京. 北京建筑大学，2016.

[3]李昱林. 某市热力管网金属波纹膨胀节泄露事故原因分析[J]. 甘肅科技纵横，2019，048（03）：30-32.

[4]单立军. 浅谈供热输配金属管网腐蚀与防护[J]. 区域供热，2019（02）：14-18.

[5]毛 丁. 单热源供热管网当量区设计模型与方法研究[D]. 哈尔 滨：哈尔滨工业大学，2019.

[6]战泰文，邹平华. 供暖房间冷却问题的研究及热网的间断（或限额） 供热[J]. 区域供热，1995，6：13-19.

[7]杨 进. 枝状热网的可靠性研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[8]张晓亮，谢晓娜，燕 达，等. 建筑环境设计模拟分析软件DeST：第3讲建筑热环境动态模拟结果的验证[J]. 暖通空调，2004，34（09）：37-50.