住宅非供暖楼梯间管道防冻问题探讨
杨枫光 1 薛彩芹 1 史向鹏 1 赵达姗 2 孙文博 3 陈紫光 4 吴玉琴 1 单世永 1
1中国中轻国际工程有限公司 2北京中航泰达环保科技股份有限公司
3中国公安部物证鉴定中心
4中国建筑科学研究院有限公司建筑环境与能源研究院
摘 要： 住宅楼梯间是否供暖涉及到楼梯及走道的管道防冻问题。本研究基于建筑热工设计理论， 对住宅的楼梯 间进行传热过程分析。结合呼和浩特地区某住宅实际情况， 分析楼梯间热环境， 发现通过户间传热可以使楼梯间 维持在5益以上。并采用单一变量控制法研究楼梯间长度、 楼层数、 窗户尺寸分别对楼梯间热环境的影响， 探讨住 宅楼梯间管道防冻的问题， 为住宅非供暖楼梯间管道防冻的建筑设计提供参考。 关键词： 住宅 非供暖楼梯间 管道 防冻 设计措施
Discussion on Antifreeze Problem of Pipeline in
Non­heating Staircases of Residential Buildings
YANG Feng­guang 1 ,XUE Cai­qin 1 ,SHI Xiang­peng 1 ,ZHAO Da­shan 2
, SUN Wen­bo 3 ,CHEN Zi­guang 4 ,WU Yu­qing 1 ,SHAN Shi­yong
1
1China Light Industry International Engineering Co.,Ltd. 2Beijing ZHTD Environmental Protection Technology Co.,Ltd. 3Institute of forensic Science,Ministry of Public Security
4Institute of Building Environment and Energy Efficiency,China Academy of Building Research
Abstract: Whether the residential staircases are heated or not is related to the frost protection of the pipelines of staircases and its aisles.This research based on the theory of building thermal design,analyzes the heat transfer process of the staircases.Combined with the actual situation of a residential building in Hohhot,the thermal environment of the staircases is analyzed,and it is found that the staircases can be maintained above 5 益by heat transfer between the non­heating staircases with heating room.The single variable control method is used to study the influence of the length, the number of floors and the window size of the staircases on its thermal environment,and to explore the antifreeze problem of the pipeline in the residential staircase,so as to provide reference for the frost protection of the pipelines in the non­heating staircase of the residence.
Keywords:residential buildings,the non­heating staircases,pipelines,the frost protection,design measures
收稿日期： 2020­11­23
作者简介： 杨枫光 （1992~）， 男， 硕士， 工程师； 北京市朝阳区白家庄东里42号 2号楼603 （100026）； E­mail:****************
0 引言
住宅建筑高度不大于21m ， 可采用敞开楼梯间 [1]
。
此时水暖井和电井可设置在楼梯间走道，
当走道聚集 了暖通及给排水专业管道时， 楼梯间不采暖会导致管 道防冻问题的产生。
第41 卷第 2 期 2022 年2 月
建 筑 热 能 通 风 空 调
Building Energy &Environment Vol.41No.2 Feb.2022.75~78
文章编号： 1003­0344 （2022） 2­075­5
关于楼梯间是否供暖，从设计规范的角度而言，
对楼梯间采暖的要求在降低
[2­3]
。且以往的研究均从节 能和热计量的角度出发， 认为采用加强建筑物整体保
温、 外门设置门斗等手段， 住宅的楼梯间可以不供
暖
[4­7]
， 但并未对从管井接至户内的管道防冻问题进行 探讨。本文在前人的研究成果之上， 基于建筑热工设 计理论， 对住宅的楼梯间进行传热过程分析。并结合 呼和浩特地区某住宅实际情况，分析楼梯间热环境， 探讨楼梯间管道防冻的问题， 为住宅非供暖楼梯间管 道防冻的设计提供参考。
1 材料与方法
住宅楼梯间不供暖，在室外温度过低的情况下， 楼梯间的温度如果低于0益，给排水管道会有冻裂的
危险。 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》 [8]
规 定， 严寒或寒冷地区设置供暖的公共建筑， 在非使用 时间内， 室内温度应保持在0 益以上。 当房间蓄热量不 能满足要求时， 应按保证室内温度5 益设置值班供暖。 严寒地区，还要考虑居住建筑的公共部分的防冻措
施， 主要是为了防止水管和其他用水设备发生冻裂的 现象。
由此， 本文将结合实际案例， 按照室内温度为5益 计算楼梯间及其走道的供暖热负荷， 并计算楼梯间与
供暖区域相邻隔墙的户间传热量，
以及楼梯间走道供 暖管道的散热量， 将供暖热负荷 Q r  与Q h  及Q g  进行对 比， 可表示为式
（1）， 通过判断 Q 是否大于0， 来确认楼 梯间在非供暖情况下是否能维持在5 益。
（1）
式中， Q h  为楼梯间与采暖房间的户间传热量，
W ； Q g  为 供暖管道的散热量， W ； Q r  为楼梯间供热负荷， W 。 1.1 工程概况
本项目位于呼和浩特市， 为住宅建筑， 共地上四 层。建筑高度为12.85m ， 层高为3.0m 。图1为该住宅 的首层楼梯间平面图。图 2为二层楼梯间平面图， 三 至四层的楼梯间平面图与二层相同。
根据 《公共建筑节能设计规范》 [9]
呼和浩特市属于 严寒 C  区，
其室外气象参数按照 《民用建筑供暖通风 与空气调节设计规范》
[8]
“呼和浩特地区” 选用， 如表1。 住宅的围护结构热工性能按 《严寒和寒冷地区居住建
筑节能设计》 [3]
标准要求选用， 具体如表 2。 本工程采用 集中供暖系统， 供回水温度为 65/40 益， 末端采用散热 器供暖。
图1 首层楼梯间平面图
图2 二层楼梯间平面图
表1 呼和浩特市室外气象参数渊冬季冤
表2 住宅围护结构主要热工性能参数
1.2 楼梯间传热过程分析
本项目的楼梯间及走道的东、
西墙与卧室和客厅 g  h r
Q Q Q Q  --
= 序号 气象条件 数值 1 冬季采暖室外计算温度 ­17.0℃ 2 冬季通风室外计算温度 ­11.6℃ 3
冬季空调室外计算温度 ­20.3℃ 4 冬季空气调节室外计算相对湿度
58% 5 冬季大气压力 901.2hPa 6 冬季最多风向及频率 C 50%，NNW9%
7
冬季室外最多风向的平均风速
4.2m/s
围护结构部位
传热系数/W/(m 2
∙K)
屋面 0.35 外窗    2.0 外墙 0.36 地面 0.17 非供暖楼梯间户门    1.50 楼梯间隔墙
1.18
2022年
建 筑 热 能 通 风 空 调 ·76·
相邻， 同时楼梯间的南墙毗邻室外， 楼梯间的北侧有 电梯， 如图 3。冬季， 卧室和客厅的室内设计温度为 18益， 卧室和客厅的散热器通过对流换热的方式将热 量传递给空气， 空气通过对流换热的方式将热量传递 给墙体， 墙体通过导热的方式将热量从室内侧传递到 楼梯间侧。楼梯间侧墙体一方面再通过对流换热的方 式， 将热量传递给楼梯侧的空气， 空气再通过对流换 热的方式， 将热量传递给其他各个墙体。另一方面通 过辐射换热的方式将热量传递给楼梯间各个墙体。被 加热的墙体则通过导热的方式将热量传至室外。其 次， 楼梯间有外窗和单元外门， 外门则还需考虑开启 时的冷风侵入耗热量， 外门窗则需要考虑冷风渗透耗 热量。
图3 楼梯间传热过程示意图
1.3住宅楼梯间热负荷
楼梯间的供热负荷 Q r，主要由围护结构耗热量 Q1，冷风渗透耗热量Q2及冷风侵入耗热量 Q3三部分 组成， 本文主要参考 《供热空调设计手册》 [10]来计算楼 梯间热负荷。
1.3.1 围护结构基本耗热量
（2） 式中： Q 1为通过供暖房间某一面围护结构的温差传热 量， W； k i为围护物的传热系数， W/(m 2· K)； F为该面围 护物的散热面积， m 2； t n为室内空气计算温度， 益； t w为 供暖室外计算温度， 益； a i为温差修正系数。
1.3.2 通过门窗缝隙的冷风渗透耗热量
通过门窗缝隙的冷风渗透耗热量可按照式 （3） 计 算， 其中的房间冷风渗透体积流量按照式 （4） ~（6） 计 算， 考虑了热压与风压联合作用， 且室外风速随高度 增加的计算方法 [10]。
（3） 式中， C p为干空气的定压质量比热容，取 1.0056kJ/ (kg· K)； 籽w为室外采暖计算温度下的空气密度， 取 1.379kg/m 3； V 为房间冷风渗透体积流量， m 3 /h。
（4） 式中， l f为房间某朝向上的可开启门窗缝隙的长度， m； L 0为理论渗透风量， m 3/(m· h)； m 为渗风压差的综合修 正系数； b 为外窗、
门缝隙的渗风指数， 取0.67。
（5）
式中， a 1为外门窗缝隙的渗风系数， m 3/（m· h·Pab） ； v0
为冬季室外最多风向下的平均风速， m/s； 籽w为室外采
暖计算温度下的空气密度， kg/m 3。b 为外窗、 门缝隙的
渗风指数， 取0.67。
（6）
式中， c r为热压系数， 取 1.0； c f为风压差系数， 取 0.7； n
为在纯风压作用下渗透风量的朝向修正系数， 北向为
0.2； b 为外窗、 门缝隙的渗风指数， 取0.67。 C为作用于
外门、 窗缝隙两侧的有效热压差与有效风压差之比； C h
为外门窗缝隙所在高度的高度修正系数。
1.3.3 外门开启冷风侵入耗热量
本建筑的单元外门由于无门斗设计， 且为一道门，
因此其外门开启的冷风侵入耗热量 Q 3为外门基本耗
热量的65n%， 其中n为建筑的层数 [11]。
1.4供暖房间与楼梯间的户间传热量
从楼梯间的传热过程分析可以得出， 卧室及客厅
的热量会通过隔墙传至楼梯间， 户间传热量Q h可按照
式 （2） 计算。
2结果与讨论
2.1计算结果
在计算的过程中， 楼梯间的温度取值为 5益， 其中
门窗按照单层钢窗计算， 每层窗户底部高度距离本层
建筑完成面900mm。本计算将楼梯间看成一个整体，
并做出以下假设： 1）忽略电梯构造对北墙传热系数削
减的影响， 认为楼梯间北墙直接与室外接触。2） 由于
楼梯间的供暖管道设置了保温层， 其散热量较小， 因此
忽略供暖管道的散热量。计算结果见表3， 可以得出，
本工程在理论计算下， 户间传热量能使楼梯间维持在
5益， 因此楼梯间的给排水管道将不会冻裂。
表3 楼梯间热负荷计算值及户间传热量
( )
1 n i
w
i
Q k t t a
F
=-
( )
0.278
w w
p n
C V t t
f r
=×-
( )
f
b
V l L m水管防冻
× ×
= å
( )
00
1
2 2
w
b
L a r n
=×
( )
1
h
f
r
b
m c c n C C
=×D+×
计算项 负荷/W
围护结构基本耗热量Q 1 1068.3
通过门窗缝隙的冷风渗透耗热量 Q2 89.7
Q r
外门开启冷风侵入耗热量 Q 3 857.0
供暖房间与楼梯间的户间传热量Q h 2215.9
Q Q Q Q
--
= 200.9
杨枫光等： 住宅非供暖楼梯间管道防冻问题探讨
第 41 卷第 2 期 ·77·
2.2 楼梯间建筑特征参数对Q 的影响
2.2.1 模型建立
整理式 （1） ~ （6） 可得式 （7）， 在计算的过程中发 现， 对 Q  的计算影响较大的参数可以分为两类， 一类 为楼梯间的建筑特征参数， 如楼梯间长度、 宽度， 门窗 尺寸，
楼层数等。另一类为楼梯间的热工性能参数， 如 门窗、 屋面、 外墙、 隔墙的传热系数。由此， 尝试采用计 算应用单一变量控制法， 在各围护结构热工性能参数 一定的情况下， 分别探究楼梯间长度、 层数、 门窗尺寸 等特征参数变化， 对楼梯间室内内热环境的影响。计 算工况如表4。 （7） 式中： Q h  楼梯间的户间传热量， W ， 计算方法同式 （1）； Q m  为外门的基本耗热量，
W 。 表4 计算工况
2.2.2 楼梯间长度对Q 的影响分析
图4反映了对应表4中Case1计算条件下楼梯间 长度变化对户间传热量与热负荷差值的影响规律。计
算结果表明， 对于层高为 3m  的住宅， 楼梯间长度为 8.0m 时，
楼梯间冬季温度能维持在5 益。随着楼梯间 长度增加， 户间传热量与热负荷差值由负转正， 主要 是由于与供暖房间的隔墙面积增加， 楼梯间的温度能 得到改善。
图4 楼梯间长度对Q 值的影响
2.2.3 层数对Q 的影响分析
图5反映了对应表4中Case2计算条件下楼层数 变化对户间传热量与热负荷差值的影响规律。计算结
果表明， 对于层高为 3m  的住宅， 楼层低于 3 层时， 在 室外供暖设计参数情况下， 楼梯间冬季温度不能维持 在5 益。 随着楼层数增加， 户间传热量与热负荷差值越
来越大， 主要是由于楼层高度的增加， 与供暖房间的相
邻隔墙面积增加， 楼梯间的热环境能得到改善， 对水管 防冻是有利的。
图5 楼层数对Q 值的影响
2.2.4 窗户尺寸对Q 的影响分析
图6反映了对应表4 中Case3计算条件下窗户尺 寸变化对户间传热量与热负荷差值的影响规律。计算 结果表明， 对于层高为 3m  的住宅， 窗高为 1.5m  时， 随着窗户宽度增加， 户间传热量与热负荷差值越来越 小， 主要是由于外窗的缝隙长度增加， 通过外窗冷风渗 透的风量增加， 另一方面， 外窗面积增
加， 通过外窗的 基本耗热量也会增加， 使得楼梯间温度达不到 5益， 进 而影响水管及其他用水设备冻裂。
图6 窗户宽度对Q 值的影响
从 Case1­3 的计算结果以及拟合曲线可以看出， 相较于窗户尺寸， 楼梯间长度、
楼层数与非供暖楼梯 间的温度呈正相关关系， 因此要求建筑设计人员合理
设计楼梯间的建筑特征参数，
避免过大的外窗， 但外窗 可开启面积需满足 《建筑防烟排烟技术标准》 [12]
要求。
3 结论与展望
1）
通过对呼和浩特地区某住宅楼梯间的热环境分 析， 采用合理的建筑特征参数设计， 可以不供暖， 使楼 梯间温度维持在5益以上，保证水管及用水设备不被
( ) ( ) 0.2780.65 w w h i i n i w p n m Q Q k F t t a C V t t n Q  r  =-× - ---× å 计算 工况 楼层 高度/m 楼梯间 长度/m 层数 门窗尺寸 (宽*高)/m  Case1 3 5~10 4 0.8*1.5 Case2 3 8.3 1~6 0.8*1.5 Case3
3
8.3
4
0.8~2.2*1.5
（下转55页）
2022年
建 筑 热 能 通 风 空 调 ·78·
205­214.
[30]M Elnour,N Meskin,M.Al­Naemi.Sensor data validation and
fault diagnosis using Auto­Associative Neural Network for
HVAC systems[J].Building Engineering,2020,27.
[31]S M Namburu,M S Azam,J Luo.Pattipati. Data­driven modelin­
g,fault diagnosis and optimal sensor selection for HVAC chillers [J].IEEE Trans.Autom.Sci.Eng, 2007,4(3):469­473.
[32]S Wang,J Qin.Sensor fault detection and validation of VAV ter­
minals in air conditioning systems[J].Energy Convers and Mana­ gement,2005,46:2482­2500.
[33]W Y Lee,J M House,N H Kyong.Subsystem level fault diagnos­
is of a building’ s air­handling unit using general regression neur­ al networks[J].Appl.Energy,2004,77(2):153­170.
[34]S Wang,J Xing,Z Jiang.Decentralized Optimization for a Novel
Control Structure of HVAC System[J].Mathematical Problems in Engineering,2016.
[35]S Wang,J Xing,Z Jiang.A novel sensors fault detection and self­
correction method for HVAC systems using decentralized swarm intelligence algorithm[J].International Journal of Refrigeration,
2019, 106:54­64.
[36]V Reppa,P Papadopoulos,M M Polycarpou.A Distributed Arch­
itecture for HVAC Sensor Fault Detection and Isolation[J].IEEE
Trans.Control Syst.Technol.,2015,23(4):1323­1337.
[37]G Li.An improved decision tree­based fault diagnosis method for
practical variable refrigerant flow system using virtual sensor­ba­ sed fault indicators[J].Applied Thermal Engineering,2018, 129: 1292­1303.
[38]P M Van Every,M Rodriguez,C B Jones.Advanced detection of
HVAC faults using unsupervised SVM novelty detection and Ga­
ussian process models[J].Energy and Building,2017,149: 216­ 224.
[39]Y Yan,P B Luh,K R Pattipati.Fault Diagnosis of Components
and Sensors in HVAC Air Handling Systems with New Types of Faults[J].IEEE Access,2018,6:21682­21696.
[40]王少华.绿建筑智能控制系统[J].科技视界,2019,(34):117­
118.
[41]秦艳丽.光伏发电在智能绿建筑中的应用研究[J].电气时代,
2018,(1):70­72.
[42]苏晨，冯建成，史雄.基于ZigBee的室内植物墙控制系统设计
[J].传感器与微系统,2020,39(6):119­122.
[43]Wang J,Liu J,Li C.Optimal scheduling of gas and electricity co­
nsumption in a smart home with a hybrid gas boiler and electric heating system[J].Energy,2020,204: 117951.
[44]Phangbertha L N,Fitr A Purnamasari,I Muliono Y. Smart socket
for electricity control in home environment[J].Procedia Comput­ er Science,2019,157:465　472.
[45]黄熙程.智能家居的发展应用及挑战[J].科技传播,2019,11(2):
117­118.
冻裂。
2） 采用单一变量控制法， 分析了楼梯间长度及楼 层数， 窗户尺寸对楼梯间室内温度的影响， 相较于窗 户尺寸， 楼梯间长度、 楼层数与非供暖楼梯间的温度 呈正相关关系， 因此要求建筑设计人员， 合理设计楼 梯间的建筑特征参数， 并避免过大的外窗。
3） 由于影响楼梯间温度的因素众多， 甚至各影响 因素是耦合作用的，本文的计算结果有一定的局限 性， 下一步将对不同地区的住宅楼梯间热环境进行分 析， 得出更方便适用的结论。
参考文献
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50016­2014建筑设计
防火规范[S].北京：中国计划出版社,2014.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ26­95民用建筑设计
标准[S].北京：中国计划出版社,1995.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ26­2018严寒和寒冷
地区居住建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社,
2018. [4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50096­2011住宅设计
规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.
[5]刘岩松.多层住宅楼梯间采暖问题探析[J].建筑热能通风空调,
2001,(1):66­68.
[6]狄育慧， 刘加平等.住宅楼梯间采暖的若干问题探析[J].西安工
程科技学院学报,2006,(5):576­578.
[7]肖浩.住宅建筑楼梯间供暖问题探讨[J].暖通空调,1999,29(5):
22­23.
[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50736­2012民用建筑
供暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社, 2012.
[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50189­2015公共建筑
节能设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2015.
[10]陆耀庆.供热空调设计手册第二版[M].北京：中国建筑工业出
版社,2012.
[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.全国民用建筑工程设计
技术措施暖通空调?动力(2009版)[M].北京：中国计划出版社, 2009.
[12]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB51251­2017建筑防烟
排烟技术标准[S].北京：中国计划出版社,2017.
（上接78页） 吴晓等： 人工智能在暖通空调中的最新应用与展望
第 41 卷第 2 期 ·55·