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；逐时负荷编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页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234。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10，而日平均温度5的天数为145；寒冷地区最冷月平均温度105，而日平均温度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30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由两部分组成：新风负荷和工程内负荷：(1)工程内负荷包括设备负荷、人员负荷和围护结构传热：(2)因此，(3)3. 工程实例分析图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和围护结构传热量。为简化分析，突出主要矛盾，假设设备负荷、人员负荷始终为最大值6。3.2. 新风负荷逐时新风负荷计算：(4)比较工程所在地分别为沈阳和广州时的逐时新风负荷：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-200kW200kW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-600kW100kW，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WMare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：(5)内边界条件：与工程内空气接触的所有面统称为内边界。(6)外边界条件：地面与工程外空气发生对流换热作用。(7)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。(8)其中，导温系数，m2/h；对流换热系数,W/m2；岩土层温度，；工程内壁面温度，；工程内空气干球温度，取设计值25；工程外空气干球温度，取自典型气象年参数，；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。图 3沈阳地区全年逐时地温分布3.3.2. 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。图 5内边界上节点逐时热流密度在周长为的内边界上，对于节点,时刻热流密度值qi()， 上的平均值。计算内边界上平均热流密度：(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：(10)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。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，计算得到逐时的工程全年动态热负荷。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GB57016-1993S.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GB50038-2005S. 北京: 中国建筑标准设计研究院,2005.8 WMaref, M.C. Swinton，M. K. Kenmare，M. T. Bamberg. Three-dimensional analysis of thermal resistance of exterior basement insulation systems(EIBS)J. Building and Environment，2001，36: 407419.9 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):1518.10 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.2003,6:1014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：15989083376；传真：02584878239；Email:newlewingmail.com,或liuwjiemail2.sysu.edu.cn。第 1 页 共 1 页