267北方地区浅埋人防工程热负荷特点研究

刘文杰（1981-），男，博士研究生，主要研究方向为国防工程内部设备和智能化北方地区浅埋人防工程热负荷特点研究刘文杰1,3，缪小平1，丁静2，马喜斌1，潘正华3(1.解放军理工大学，南京210007；2.中山大学工学院，广州510006；3.广州军区空军勘察设计研究院，广州510052)摘要：本文以动态负荷的观点，考察了北方地区浅埋人防工程热负荷特征。采用统计的方法分析了北方四城市(哈尔滨、长春、沈阳和北京)的典型气象年参数。以位于沈阳的某人防工程为例，运用二维数学模型计算了工程围护结构全年8760小时的逐时传热量。计算过程中首先模拟计算了周围岩土层的温度，以该结果作为围护结构传热量计算的初始条件。热负荷的其他组成项中，假定人员和设备负荷为静态值，新风负荷则进行了动态计算。本文所得到的相关结论适用于其他同类工程。关键词：人防工程；浅埋；北方；逐时负荷0.引言我国幅员辽阔，建筑热工设计上可分为五个区[1]：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。本文所指的北方地区包括严寒和寒冷地区。人防工程通常为地下建筑，与普通建筑相比，地下建筑的围护结构具有“保温”的特点，因此其热负荷的计算有其特殊性[2][3][4]。根据工程的埋深，将人防工程分为深埋和浅埋两大类，深埋工程埋设于等温层(地温波幅可忽略不计)以下，它周围的土壤和岩石常年保持地面年平均温度，不受地面温度波动的影响。本文的研究对象为浅埋型工程，该类工程埋设于等温层以上，它周围的的土壤或岩石的自然温度受到地面温度波动的影响。1.北方地区的气候特点严寒地区最冷月平均干球温度cmt≤10℃，而日平均温度dt≤5℃的天数为145；寒冷地区最冷月平均温度10℃≥cmt≥5℃，而日平均温度dt≤5℃的天数介于90与145之间。将北方四城市：长春、哈尔滨、沈阳(严寒)和北京(寒冷)与南方城市典型气象年的逐时气象参数[5]进行统计分析[6]可知：北方地区冬季漫长。其中严寒地区三城市逐时温度ht＜0℃的小时数达到2500，超过全年8760小时总数的28.5%。北方地区夏季的室外温湿度指标较高，但持续不长。严寒地区三城市逐时温度ht30℃的小时数在200以下，占全年8760小时总数不到2.5%。2.人防工程热负荷组成人防工程热负荷dQ由两部分组成：新风负荷oQ和工程内负荷iQ：dioQQQ(1)工程内负荷iQ包括设备负荷eQ、人员负荷pQ和围护结构传热tQ：ieptQQQQ(2)2因此，deptoQQQQQ(3)3.工程实例分析钢筋混凝土厚度500花岗岩地面覆土厚度300oyx图1工程断面示意图以某人防指挥工事为例。该工事位于沈阳地区，为单建式坑道工程，拱形贴壁衬砌结构。工程主体部分长2000.0m(折合支洞长度),宽6.0m，高5.3m，拱高1.5m,埋深1.5m(为浅埋工程),围护结构厚0.5m,覆土厚0.3m，工程周围为花岗岩。围护结构（顶板、墙、壁面）均为钢筋混凝土。相关物性参数见表1，此处为导热系数(W/m·℃)，为密度(kg/m3)，c为比热容(J/kg·℃)。表1材料物性表材料名称c钢筋混凝土1.742500920覆土1.1620001000花岗岩1.61920850工程设计人数n=900，设计新风标准[7]取Gop=30m3/(人·h)室内空气参数取定值：t=25℃，=60%,ii=54.45kj/kg。3.1.人员及设备负荷设计负荷dQ的各组成项中，受到室外气象参数影响变化明显的是新风负荷oQ和围护结构传热量tQ。为简化分析，突出主要矛盾，假设设备负荷eQ、人员负荷pQ始终为最大值[6]。3.2.新风负荷逐时新风负荷计算：3600opooinGQii(4)比较工程所在地分别为沈阳和广州时的逐时新风负荷：30200040006000800010000-800-600-400-2000200400沈阳广州新风负荷/kW时间/h图2全年逐时新风负荷比较工程所在地为广州时，工程的新风负荷在-200kW~200kW之间，冷、热负荷的分布时间各占一半；工程所在地为沈阳时，新风负荷分布区间为-600kW~100kW，全年绝大多情况下属于热负荷。3.3.围护结构传热量3.3.1.传热计算数学模型W·Mare等[8]对地下建筑围护结构的温度场进行了实测与数值模拟，得出结论：地下建筑围护结构温度沿深度方向变化明显，除了墙角周围极小部分区域，在同一墙面上相同深度处各点温度几乎相等。也就是说在室内各处空气温度较为接近的情况下，围护结构相同深度处热流密度基本相等。该文献还对地下建筑围护结构传热分别进行了二维和三维模拟，两者相差不超过7%。这与忻尚杰等[9]的研究是完全一致的：二维与三维计算结果比较接近,如果长宽比大于2则可以简化为无限长拱形断面问题。依上述结论，可以将地下建筑围护结构传热量计算的三维问题简化为二维问题，把三维模型简化为二维模型。控制方程：22,,,,,,txytxytxyxy(5)内边界条件：与工程内空气接触的所有面统称为内边界。,,,aNNNNttxytxyn(6)外边界条件：地面与工程外空气发生对流换热作用。,,aWWtttxyy(7)4沿垂直于工程内壁面的方向一定距离后，岩土层温度变化不明显，文献[10]运用Ansys软件进行模拟，得出的结果表明这一距离取20m是合理的。因此，地面外的其他外边界可以认为是绝热边界。23,28.80xyq(8)其中，a——导温系数，m2/h；——对流换热系数,W/m2·℃；,,txy——岩土层温度，℃；,,NNtxy——工程内壁面温度，℃；,aNNtxy——工程内空气干球温度，取设计值25℃；at——工程外空气干球温度，取自典型气象年参数，℃；,,WWtxy——工程外壁面温度，℃；下标n——工程内边界法线方向；下标N——工程内部；下标W——工程外部。初始条件：初始条件设定为工程投入使用时的岩土层自然温度。此处依据典型气象年逐时干球温度，采用二维地温计算模型[3]模拟得到沈阳地区不同深度处全年的地温分布，取1月1号0时(第8760小时)的计算结果作为围护结构传热量计算初始条件[6]。0200040006000800010000-20-100102030温度oC小时h深度m201684210沈阳图3沈阳地区全年逐时地温分布53.3.2.传热量计算及结果图4网格划分数值模拟过程为全年8760小时,计算输出为各节点逐时温度和热流密度。考察内边界热流密度，将内边界分为弧形顶面、侧面和底面。由图5可知，除弧形顶面节点热流密度值在夏季部分时间为正外，内边界上其余各节点热流密度为负值(向外散热)。在前1000小时内，各个节点热流密度(绝对值)急剧减小，这是由于计算时初始条件设定为岩土层自然温度，而工程内保持恒定25℃，工程投入使用后周围岩土层有一个加热过程，起初岩土层与工程内壁面温差较大，随着岩土层温度不断升高，温差逐渐减小，热流密度随之减小，在1000小时左右岩土层温度趋于稳定，这一过程被称为加热期[3]。本文考察加热期之后，即工程正常使用期动态负荷。0300060009000-80-60-40-200热流密度W/m2小时h节点号1918弧形顶面0300060009000-80-60-40-200热流密度W/m2小时h节点号192734侧面0300060009000-50-40-30-20-100热流密度W/m2小时h节点号353943底面图5内边界上节点逐时热流密度在周长为l的内边界上，对于节点i,时刻热流密度值qi()，il上的平均值iq。计算内边界上平均热流密度：iiiiiiqlql(9)得到平均热流密度后，可计算内边界各部分及整个围护结构动态传热量：,1,2,3jjjQqlsj(10)123QQQQ其中，1为弧形顶面，2为侧面，3为底面;s为工程长度，此处为2000m。60100020003000400050006000700080009000-800-700-600-500-400-300-200-1000100传热量kW小时h弧形顶面侧墙底面总传热量图6围护结构动态传热量围护结构总传热量随时间发生年周期性波动，其波动波形与弧形顶面传热量波动波形类似。年周期性波动波幅大，达到300kW，夏季和冬季传热量数值差别显著。围护结构逐时传热量在全年周期内均为负值。在设定工程内温度恒定为25℃的情况下，该工程全年周期内向外散热。3.4.全年逐时负荷由式(3)，计算得到逐时的工程全年动态热负荷。0100020003000400050006000700080009000-1000-800-600-400-2000200400600800工程负荷kW小时h图7工程全年逐时负荷图7表明，工程全年逐时负荷呈现出年周期性波动和日周期性波动；工程极端冷负荷为600kW,极端热负荷为1000kW。4.小结本文以典型气象年参数为基础，依据动态负荷观点，采用数值模拟方法，探讨了北方地区浅埋人防工程热负荷特点。结果表明，北方地区浅埋型地下工程热负荷受工程外气象参数变化影响，也7呈现出年周期性波动和日周期性波动。工程全年以热负荷为主，夏季为冷负荷，但时间不长；过渡季节和冬季均为热负荷。致谢：感谢国家教育部07-08国内博士生访问学习计划资助，感谢中山大学工学院丁静教授的悉心指导，感谢中山大学热能工程团队在完成本文过程中所提供的帮助。参考文献[1]中华人民共和国国家标准.民用建筑热工设计规范GB57016-1993[S].北京:中国计划出版社1993.[2]黄祥夔，忻尚杰，张茂秀，艾青云.地下工程通风与空气调节[M].南京:解放军工程兵工程学院,1984.[3]忻尚杰.防护工程空气热湿环境系统模拟与分析[M].南京:解放军理工大学,2001.[4]艾青云.地下工程空气调节基础[M].南京:工程兵工程学院,1994.[5]中国气象局气象信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.[6]刘文杰.北方地区防护工程热湿环境分析与计算[D].南京:解放军理工大学,2006.[7]国家人民防空办公室.人民防空地下室设计规范GB50038-2005[S].北京:中国建筑标准设计研究院,2005.[8]W·Maref,M.C.Swinton，M.K.Kenmare，M.T.Bamberg.Three-dimensionalanalysisofthermalresistanceofexteriorbasementinsulationsystems(EIBS)[J].BuildingandEnvironment，2001，36:407～419.[9]忻尚杰，朱培根.浅层地下建筑围护结构传热模拟的一种新方法[J].暖通空调，1997,27(增刊):15～18.[10]袁艳平，程宝义，茅靳丰.浅埋工程围护结构传热简化模型的有限元分析[J].制冷空调与电力机械.2003,6:10～14第一作者基本信息刘文杰，男，1981年1月出生；技术职称：助理工程师；博士研究生，主要研究领域为国防工程内部环境及自动化；通讯地址：南京市海福巷1号解放军理工大学内设教研室，210007；联系电话：[phone]；传真：[phone]；Email:[e-mail],或[e-mail]。