CC BY
23
УДК 699.865:697.1:697.112
ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ЗАЩИЩЕННОСТИ НАСЕЛЕНИЯ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ, СВЯЗАННЫХ С АВАРИЙНЫМ ОТКЛЮЧЕНИЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ
И.Я. Геккель
научный сотрудник лаборатории информационного обеспечения населения и технологий информационной поддержки РСЧС Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: i.gekkelQamchs.ru
И.И. Окунцов
оператор лаборатории информационного обеспечения населения и технологий информационной поддержки РСЧС Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: okun vanQmail.ru
A.B. Рыбаков
доктор технических наук, доцент, начальник лаборатории информационного обеспечения населения и технологий информационной поддержки РСЧС Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск
E-mail: anatoll rubakovQmail.ru
A.A. Глушаченков
доктор исторических наук
заведующий кафедрой (педагогики и психологии) Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: agz.u.s.Qyandex.ru
Аннотация. В статье приведен подход к оценке защищенности населения при чрезвычайных ситуациях, связанных с аварийным отключением теплоснабжения жилых зданий. Представлен алгоритм решения задачи. Особенностью рассматриваемого алгоритма является учет влияния конструктивных характеристик жилых зданий на тепловой режим при нарушении теплоснабжения этого здания в результате отключения отопления. Приведен пример расчета показателя защищенности для комнаты жилого здания с окном и многослойной наружной стеной. Ключевые слова: теплопотери, темп остывания, защищенность, теплоустойчивость, теплоснабжение, тепловая защита здания, показатель защищенности при аварийном отключении отопления.
Цитирование: Геккель И.Я., Рыбаков A.B., Окунцов И.П., Глушаченков A.A. Общая постановка задачи оценки показателя защищенности населения при чрезвычайных ситуациях, связанных с аварийным отключением теплоснабжения жилых зданий // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2019. № 1 (40). С. 86-94.
Повышение уровня централизации теплоснабжения (что характерно для крупных городов) сопровождается двумя опасными факторами - большой масштаб аварийного нарушения процесса теплоснабжения и долгосрочное (сверх допустимого времени) обнаружение и устранение аварий и неисправностей [1].
По данным Федеральной службы государственной статистики (Росстата) на 2015 год (на конец года) в России было зафиксировано 5799 аварий на источниках теплоснабжения, паровых и тепловых сетях [2]. В связи с этим существует угроза обеспечению сохранности жизни и здоровья людей при аварии в
системе теплоснабжения в холодный (отопительный) период года.
С точки зрения возникновения аварийных ситуаций в системе теплоснабжения России в настоящее время существует несколько нерешенных проблем [3]:
высокий уровень износа коммунальной инфраструктуры (теплопроводных сетей);
низкий (по сравнению с мировым уровнем) КПД оборудования, большие потери тепла, воды, перерасход топлива и энергии.
Опыт эксплуатации в крупнейших городах систем теплоснабжения показал, что ежегодно на 100 км двухтрубных тепловых сетей
приходится от 20 до 40 сквозных повреждений труб, из них 90% на подающих трубопроводах. Среднее время восстановления поврежденного участка теплосети при этом (в зависимости от диаметра и конструкции его) составляет от 5 до 50 ч. и более, а полное восстановление может потребовать несколько суток [4].
Так, 26 января 2017 года в 13.05 (мск) на Пензенской ТЭЦ-1 в турбинном отделении котлотурбинного цеха станции произошла авария с выбросом и повреждением кровли здания главного корпуса и дальнейшим её частичным обрушением на площади 600 м2 [1].
В 13.47 (мск) 26 января 2017 г. при запуске резервного турбогенератора произошло три порыва на теплотрассах в двух административных районах г. Пензы: один порыв на теплотрассе диаметром 800 мм и два порыва на теплотрассе 700 мм. Без теплоснабжения остались 471 жилой дом с населением более 75000 человек и 31 социально-значимый объект (12 школ, 12 детских садов, 7 лечебных учреждений) в Железнодорожном, Ленинском и Октябрьском районах г. Пензы.
Из-за длительного отсутствия теплоснабжения жилых зданий и социальных объектов потребовался дорогостоящий ремонт, общий ущерб превысил 50 млн рублей [1].
В ряде статей [5] был рассмотрен подход к оценке влияния конструктивных особенностей жилого здания на темпы его остывания при отключении теплоснабжения. В качестве методики применялся подход, основанный на применении программного комплекса Solid Works Flow Simulation. Из полученных результатов следует вывод, что за счет выбора характеристик конструктивных элементов жилого здания можно влиять на величину показателя защищенности. Вместе с тем, в настоящее время отсутствует научно-методический аппарат оценки защищенности населения от чрезвычайных ситуаций, связанных с аварийным отключением теплоснабжения жилых зданий. В связи с износом системы теплоснабжения и ежегодным увеличением числа аварий в ней решение такой задачи становится особенно актуальной.
В настоящей статье предложена формулировка задачи формирования оценки защищенности населения от
чрезвычайных ситуаций, связанных с нарушением теплоснабжения.
Основное требование к микроклимату в жилом помещении - поддержание условий, благоприятных для находящихся в них людей. При изменении температуры воздуха внутри помещения система переходит в напряжение, это сказывается на самочувствии, работоспособности и здоровье человека [6].
При аварийном отключении системы теплоснабжения жилого здания важно знать, что темпы снижения температуры внутреннего воздуха в здании до допустимой величины часто выше времени устранения аварии [3].
В законодательстве прописаны сроки, в которые должны быть устранены аварии системы отопления. Зависят они от того, какая температура стоит в помещении жилого здания. В настоящее время максимальный срок устранения аварии составляет 16 часов (температура в жилом помещении 12 °С и выше), а
минимальный - 4 часа (температура не менее °
Рассмотрим помещение жилого здания, для которого характерны:
ограждающие элементы конструкции; набор возможных мер по изменению характеристик конструктивных элементов;
затраты, связанные с выполнением мероприятий по изменению характеристик объекта, а также применению дополнительных (резервных) источников теплоснабжения.
Оценка защищенности населения от чрезвычайных ситуаций, связанных с отключением теплоснабжения, может быть проведена на основе показателя защищенности кг, учитывающего характеристики конструктивных элементов жилого здания и представленного в общем виде:
кг = /(Д£, До, ^о, Синф, с), (1)
где Дí = ¿в—¿н _ температурный перепад между температурой внутреннего воздуха (¿в) и температурой наружного воздуха (£н), °С;
Д0 - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м2-°С)/Вт. Данная величина обратно пропорциональна теплопоте-рям через один квадратный метр наружной конструкции при температурном перепаде °
ро _ площадь наружной ограждающей конструкции, м2;
Синф - инфильтрация наружного воздуха через ограждающую конструкцию, кг/(ч • м2);
с - теплоемкость элемента здания, Дж/°С.
Данная величина характеризует аккумулирующую способность конструкции.
Для определения аналитической функции кг (1) возьмем за основу подход для расчета коэффициента теплоаккумуляции помещения р [8, 9]. Коэффициент теплоаккумуляции помещения представляет собой отношение суммарной теплоемкости помещения к сумме коэффициентов теплопотерь помещения инфильтрацией и теплопередачей:
£ =
Си
нт/п + яинф
/3600,
(2)
где Сп - суммарная теплоемкость помещения, °
Нт/П - коэффициент тепловых потерь по°
Ншф - коэффициент тепловых потерь по°
Суммарная теплоемкость помещения определяется по формуле:
Си 'У ^ сг • mí,
(3)
где Сг - удельная теплоемкость г-го элемента, °
т^ - масс а г-го элемента, кг. Коэффициент тепловых потерь помещения теплопередачей определяется выражением:
Н,
£
Foi Roi
(4)
где Roi - сопротивление теплопередаче г-го фрагмента ограждающей конструкции, (м2 С)/Вт.
F0i ~ площадь г-го фрагмента наружной
2
2
Коэффициент тепловых потерь помещения инфильтрацией выражается следующей формулой:
Для определения показателя защищенности кг помимо величин, фигурирующих в определении коэффициента теплоаккумуляции помещения (2), необходимо ещё учесть и перепад температуры между внутренним и наружным воздухом ДЪ. Фактический перепад температуры между внутренним и наружным воздухом будет уменьшаться по мере остывания помещения, что значительно усложнит расчет. Однако если принять температуру внутреннего воздуха (¿в) постоянной и равной нормируемой температуре в помещении, а температуру наружного воздуха равной температуре холодной пятидневки по СП 131.13330.2012 [10], тогда мы получим постоянный перепад температур ДЪ, характеризующий климатические характеристики района. Таким образом, вместо коэффициентов теплопотерь помещения необходимо определить теплопотери помещения. Также вместо суммарной теплоемкости помещения Сп рационально использовать изменение внутренней энергии помещения Ди.
Величина теплопотерь посредством теплопередачи через ограждающую конструкцию определяется следующим выражением:
Qt/п = JT-)Aí Вт.
(6)
Величина теплопотерь посредством инфильтрации через ограждающую конструкцию определяется зависимостью:
Сн • (СИнфгРог) у-,
VhhcJ> = 3~6
(7)
В свою очередь, значения кг можно выразить через уравнение теплового баланса:
kz —
AU
/3600,
/п + ^инф
где Ди - изменение внутренней тепловой энергии рассматриваемого объекта, которое определяется по формуле:
Я,
инф
^Н • Ху (^ИНí^iFoi)
(5)
3600
где сн - теплоемкость наружного воздуха. Дж/(кг С).
AU — ^ °í • mí • (ht - tzi) Дж, (9)
где toi ~ средняя начальная температура г-го элемента, °С;
.......... средняя конечная температура г-го
элемента в момент времени х, момент времени, когда температура воздуха опустится до критической.
Физический смысл показателя защищенности кг заключается в нахождении времени остывания здания через изменение внутренней тепловой энергии помещения и теп-лопотери этого помещения. Показатель защищенности в дальнейшем можно использовать для оценки риска при аварийном отключении отопления, а также выбора мер но предотвращению угрозы населению в аварийной ситуации .
В качестве примера рассмотрим помещение многоэтажного здания, одна стена
которого наружная, а остальные внутренние. Помещение имеет следующие внутренние размеры: глубина 5 м, ширина 3,5 м высота 2,8 м. Рассмотрим два варианта наружной стены: из газобетонных блоков со слоем штукатурки и такую же стену, но утепленную ми-нераловатными плитами. Конструкция стен представлена на рисунке 1. В наружной стене имеется окно размерами 1,9x1,52 м с сопротивлением теплопередачи 0,35 (м2 С)/Вт. Перекрытия монолитные железобетонные, внутренние стены выполнены из газобетонных блоков толщиной 150 мм. Рассматриваемое помещение представлено на рисунке 2.
Рисунок 1 Конструкция наружной стены: а) неутепленный вариант, б) утепленный вариант
В анализируемой модели приняты следующие граничные условия: внешняя поверхность наружной стены и окна имеет коэффициент теплоотдачи 23 Вт/(м2 С) [11] и температуру окружающей среды -25 °С. Теплопередача на остальных наружных поверхностях модели не учитывается ввиду рядового расположения помещения в здании. Инфильтрация наружного воздуха принята для окна 6кг/(ч-м2), а для наружной стены -0,5 кг/(ч ■ м2). Рассчитаем показатель защищенности здания для неутепленного варианта помещения, сопротивление теплопередаче наружных стен которого соответствует требованиям СНиП П-3-79* и составляет 1,03 м2 С/Вт (что соответствует санитарно-гигиеническим требованиям применительно для климатических условий г. Москвы).
Таблица 1 - Расчет изменения внутренней тепловой энергии помещения
Элемент Удельная теплоемкость, ДЖ/°С Масса, кг *о,°с ^ ,°С Аи Дж
Плита перекрытия (верхняя) 840 10355 20 19.82 1565676
Плита перекрытия (нижняя) 840 10355 20 19.7 2609460
Задняя стенка 840 882 20 19.4 444528
Боковые стенки 840 2594 20 19.4 1307376
Наружная стена (Газобетон) 840 1392 15.55 13.61 2268403
Наружная стена (Минераловатные плиты) 840 129.6 -6.61 -7.51 97978
Радиатор 482 61 70 20.91 1443344
Вода в радиаторе 4180 17.5 70 21.33 3560211
Воздух внутри комнаты 1010 58.8 20 16 237552
Итого 13534527
остальные примем за константу. Мероприятия по повышению сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции К0 должны не только обеспечивать защищенность населения при чрезвычайных ситуациях, связанных с отключением теплоснабжения, но и приводить к уменьшению объемов потребляемой зданиями энергии и быть окупаемыми.
Одним из способов повышения защищенности здания путем повышения сопротивления теплопередаче является дополнительное утепление наружных ограждающих конструкций (стен, кровли, чердачных перекрытий, окон, наружных дверей и пр.). Повышение уровня теплоизоляции ограждающих
Рассчитаем величину тепловых потерь посредством теплопередачи через ограждающую конструкцию по формуле (6):
8 062 2 888 От/п = (81062 + 20888) ■ 45 = 725,85 В т. (10)
Рассчитаем величину тепловых потерь посредством инфильтрации через ограждающую конструкцию по формуле (7):
^инф
_ 1,011 ■ 45 ■ (6 ■ 2,888 + 0,5 ■ 8,062) = 3,6
= 269,87 В т.
Расчет Аи приведен в таблице 1.
= (И)
Рассчитаем кг по формуле (10): 13534527
кг = т-г-= 3,78 ч 12
* (725,85 + 269,87) ■ 3600 ' 1 ;
В настоящее время на территории Российской Федерации реализуется государственная программа проведения капитальных ремонтов в существующих зданиях. Важно, чтобы эта программа коррелировала с программой энергосбережения, так как 95% зданий в России не соответствуют современным нормативным требованиям по тепловой защите, то есть они морально устарели. Поэтому в качестве изменяемого параметра рассмотрим Ка,
конструкции приводит к уменьшению так называемых трансмиссионных потерь тепловой энергии.
Рассчитаем показатель защищенности для утепленного варианта. Приведенное сопротивление наружной стены с утеплением из мине-раловатных плит составляет 3,272 м2-°С/Вт, что соответствует современным требования СП 50.13330.2012 [11]. Такую конструкцию можно рассматривать как один из возможных вариантов реновации зданий с низким сопротивлением теплопередачи наружных стен.
Рассчитаем величину тепловых потерь посредством теплопередачи через ограждающую конструкцию по формуле (6):
8 062 2 888 От/п = + ■ 45 = 482,18 В т. (13)
Рассчитаем величину тепловых потерь посредством инфильтрации через ограждающую конструкцию по формуле (7):
^инф -
1,011 ■ 45 ■ (6 ■ 2,888 + 0,5 ■ 8,062)
3,6
= 269,87 В т.
= (14)
Рассчитаем кг по формуле (10) с учетом проведенных мероприятий по утеплению наружных стен нашей модели:
к? —
13534527
(482,18 + 269,87) ■ 3600
— 5,00 ч. (15)
Из полученных расчетов видно, что только утепление стены позволяет повысить показатель защищенности здания на 32%, а помимо этого значительный ресурс повышения показателя защищенности кроется в установке современных окон с высоким сопротивлением теплопередачи и низкой инфильтрацией наружного воздуха.
Также оба этих варианта были смоделированы в программном комплексе SolidWorks Flow Simulation, результаты представлены на графике (рисунок 3).
Рисунок 3 График остывания помещения с неутепленной и утепленной стеной, полученный в
программном комплексе SolidWorks Flow Simulation
Согласно результатам, полученным в программном комплексе SolidWorks Flow Simulation, воздух внутри рассматриваемого утепленного помещения опускается до 16 °С за 7,04 часа, а неутепленного - за 4,1 часа. Разница с полученным kz обусловлена неизменяемым в ходе расчета перепадом температур, а также неравновесным состоянием модели на начальный период времени.
В работе приведен подход по оценке защищенности здания при чрезвычайных ситуациях, связанных с аварийным отключением системы теплоснабжения.
Особенностью рассматриваемого порядка расчета является учет:
климатических условий региона;
конструктивных особенностей жилого здания;
различных способов повышения защищенности жилого здания.
В дальнейшем такой подход позволит осуществлять выбор мероприятий по повышению защищенности жилого здания с учетом вклада независимых друг от друга управляемых параметров. Эта особенность может быть использована при обосновании комплекса мероприятий по повышению защищенности населения при чрезвычайных ситуациях, связанных с аварийным отключением теплоснабжения.
Литература
1. Методические рекомендации по работе органов управления и сил РСЧС по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, связанных с нарушением теплоснабжения населенных пунктов, потенциально-опасных и социально-значимых объектов на территории субъектов Российской Федерации. - М.:2017. 48 с.
2. Акимов В.А., Соколов К).II. Риски аварий в сфере жилищно-коммунального хозяйства России / МЧС России. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), - 2013, - 344 с.
3. Жилищное хозяйство в России. 2016: Стат. сб./ Росстат. - М., 2016. - 63 с.
4. Рыбаков A.B., Геккель И.Я., Окунцов И.И. О влиянии конструктивных характеристик жилых зданий на обеспечение защиты населения при чрезвычайных ситуациях, связанных с нарушением теплоснабжения // Сборник статей по материалам VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций». - 2018. - С.542-546.
5. СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях».
6. Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 № 354 (ред. от 23.02.2019) // «О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов» (вместе с «Правилами предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов»).
7. Бурцев В.В., Васин A.C., Байтингер ILM. Математическая модель регулирования объекта теплопо-требления// Ползуновский вестник. - 2004. № 1. - С. 174-177.
8. Петров Д.Ю. Работа системы отопления и тепловой режим здания при отключении теплоснабжения// диссертация кандидата технических наук : 05.23.03 / Московский государственный строительный университет. - Москва, 2013. 167 с.
9. «СП 131.13330.2012. Свод правил. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*» (утв. Приказом Минрегиона России от 30.06.2012 № 275).
10. Свод правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 2302-2003« (утв. приказом Министерства регионального развития РФ от 30 июня 2012 г. № 265).
11. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М. 2001. 472 с.
12. Горшков A.C., Немова Д.В. Формула энергоэффективности // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 7 (12). С. 49-63.
GENERAL PROBLEM STATEMENT OF THE ASSESSMENT OF THE POPULATION SECURITY INDICATION UNDER EMERGENCY SITUATIONS ASSOCIATED WITH EMERGENCY SHUTDOWN OF HEAT SUPPLY OF HOUSES
Ivan GEKKEL
Researcher Head of the Laboratory of Information
Support for the Population and Information
Support Technologies of the ESIA FGBBU
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow Region, Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: i.gekkel®amchs.ru
Anatoly RYBAKOV
D.(Technical), associate professor,
Head of the Information Laboratory providing
population and technology information support RSChS
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow Region, Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: anatoll rubakovQmail.ru
Ivan OKUNTSOV
Operator Head of the Laboratory of Information Support for the Population and Information Support Technologies of the ESIA FGBBU Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md. Novogorsk E-mail: okun vanQmail.ru
Alexey GLUSHACHENKOV
D. (Technical)
Head of Department (Pedagogy and Psychology) Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md. Novogorsk
E-mail: v.kazakovQamchs.ru
Abstract. The article presents an approach to assessing the security of the population in emergency situations related to emergency shutdown of heating supply for residential buildings. An algorithm for solving the problem. A feature of the considered algorithm is to take into account the influence of the constructive characteristics of residential buildings on the thermal regime in the event of a breakdown in the heat supply of this building as a result of a heating shutdown. An example is given of the calculation of the security indicator for a room in a residential building with a window and a multi-layer outer wall.
Keywords: heat loss, cooling rate, security, heat resistance, heat supply, thermal protection of a building, indicator of security during emergency shutdown of heating.
Citation: Gekkel I. Ya., Rybakov A.V., Okuntsov I.I. Glushachenkov A.A. General problem statement of the assessment of the population security indication under emergency situations associated with emergency shutdown of heat supply of houses // Scientific and educational problems of civil protection. 2019. No. 1 (40). pp. 86-94.
References
1. Methodical recommendations on the work of governing bodies and forces of the Russian Emergencies and Emergency Situations for the prevention and elimination of emergencies associated with the violation of heat supply of settlements, potentially dangerous and socially important facilities in the territories of the Russian Federation. - M.: 2017.
2. Akimov, VA, Sokolov, Yu.I. Risks of accidents in the sphere of housing and communal services of Russia / EMERCOM of Russia. M .: FSBI VNII GOCHS (FC), 2013, 344 p.
3. Housing in Russia. 2016: Stat. Sat. / Rosstat. - M., 2016. - 63 p.
4. Rybakov A.V., Gekkel I.Ya., Okuntsov I.I. On the Influence of the Constructive Characteristics of Residential Buildings on Ensuring the Protection of the Population in Emergency Situations Related to Heating Disturbances - 2018. - P.542-546.
5. SanPiN 2.1.2.2645-10 "Sanitary and epidemiological requirements for living conditions in residential buildings and premises".
6. Government Decree of 06.05.2011 N 354 (ed. 02/23/2019) "On the provision of utility services to owners and users of premises in apartment buildings and residential buildings" (along with the "Rules for the provision of utility services to owners and users of premises in apartment buildings and residential buildings")
7. Burcev V.V., Basin A.S., Bajtinger N.M. Mathematical model of regulation of heat consumption object // Polzunovskij vestnik. - 2004. № 1. - P. 174-177.
8. Petrov D.Yu. Work of system of heating and a thermal mode of a building at heat supply shut-off // dissertation of candidate of technical sciences: 05.23.03 / Moscow State University of Civil Engineering. - Moscow 2013.
9. "SP 131.13330.2012. Set of rules. Construction climatology. Updated version of SNiP 23-01-99 * "(approved by the Order of the Ministry of Regional Development of Russia dated 30.06.2012 N 275).
10. The code of rules of the joint venture "Thermal protection of buildings. Updated edition of SNiP 23-022003" (approved by order of the Ministry of Regional Development of the Russian Federation dated June 30, 2012 N 265).
11. Sokolov E.Ya. Heat and heat networks. M. 2001.
12. Gorshkov A.S., Nemova D.V. Energy Efficiency Formula // Construction of Unique Buildings and Structures. 2013. No. 7 (12). P. 49-63.
