基于数字孪生的暖通管网压力波动与消防喷淋误喷风险预警

引言：随着城市化进程的加速，大型建筑如商业综合体、医院、写字楼等不断涌现，建筑内部的暖通系统和消防喷淋系统作为保障室内环境舒适度和消防安全的关键设施，其稳定运行至关重要。暖通管网负责调节室内温度和湿度，而消防喷淋系统则在火灾发生时及时喷水灭火。然而，在实际运行过程中，暖通管网压力波动可能会对消防喷淋系统产生干扰，导致误喷现象的发生，不仅会造成水资源浪费，还可能对建筑内的人员和财产安全构成威胁。

一、数字孪生技术概述

数字孪生利用数据和仿真过程，在虚拟空间映射实体装备的全生命周期。在建筑管理中，它构建虚拟模型，实时交互实际数据，实现对建筑运行的全面感知和预测。

数字孪生技术的优势包括：实时获取和更新运行数据，提供实时设施状态；可视化展示结构和状态，辅助分析和决策；基于数据预测未来趋势和潜在故障，实现预防和维护。

二、暖通管网压力波动对消防喷淋误喷风险的影响机制

2.1 暖通管网压力波动原因

暖通管网压力波动可能由多种因素引起，如水泵启停、阀门调节、用户用水量变化等。水泵启停会导致管网内水流速度和压力突然变化，产生水锤现象，对管网和设备造成冲击。阀门调节会改变管网的阻力特性，从而影响管网压力分布。用户用水量变化也会引起管网压力的波动，特别是在用水高峰期和低谷期，压力波动更为明显。

2.2 消防喷淋系统误喷原理

消防喷淋系统通常采用闭式喷头，在正常情况下，喷头内的玻璃球或易熔元件处于密封状态，阻止水流通过。当发生火灾时，环境温度升高，玻璃球内的液体膨胀或易熔元件熔化，使玻璃球破裂，水从喷头喷出进行灭火。然而，如果暖通管网压力波动过大，可能会导致消防喷淋系统的管道内压力异常升高，超过喷头的开启压力，从而引发误喷。

2.3 压力波动与误喷风险的关系

暖通管网压力波动幅度和频率与消防喷淋误喷风险密切相关。压力波动幅度越大，超过喷头开启压力的可能性就越高，误喷风险也就越大。同时，压力波动频率过高也会增加喷头误动作的概率。此外，消防喷淋系统的管道布局、喷头选型等因素也会影响压力波动对误喷风险的作用效果。

三、基于数字孪生的风险预警系统架构设计

3.1 系统总体架构

基于数字孪生的暖通管网压力波动与消防喷淋误喷风险预警系统主要由物理层、数据采集层、数据传输层、数字孪生模型层、风险评估与预警层和应用层组成。

3.2 各层功能设计

物理层：包括暖通管网、消防喷淋系统等实际物理设备，是整个系统的监测对象。

数据采集层：在暖通管网和消防喷淋系统的关键部位安装压力传感器、流量传感器、温度传感器等，实时采集管网压力、流量、温度等数据，并将数据转换为电信号。

数据传输层：采用有线或无线通信技术，如以太网、ZigBee、LoRa 等，将采集到的数据传输至数字孪生模型层。

数字孪生模型层：根据暖通管网和消防喷淋系统的实际结构和运行参数，构建虚拟模型。利用实时采集的数据驱动虚拟模型，实现对物理实体的实时映射和仿真分析。通过模拟不同工况下管网压力的变化情况，预测消防喷淋系统的运行状态。

风险评估与预警层：基于数字孪生模型的仿真结果，结合历史数据和专家经验，建立风险评估模型。对暖通管网压力波动可能导致的消防喷淋误喷风险进行评估，当风险超过设定的阈值时，及时发出预警信息。

应用层：为管理人员提供友好的操作界面，展示暖通管网和消防喷淋系统的实时运行状态、风险评估结果和预警信息。管理人员可以通过界面进行参数设置、模型更新、预警处理等操作。

四、关键技术实现

4.1 数据采集与传输技术

选择合适的传感器是数据采集的关键。压力传感器应具有高精度、高稳定性和快速响应的特点，能够准确测量管网压力的变化。流量传感器和温度传感器也应根据实际需求进行选择，确保采集到的数据准确可靠。在数据传输方面，根据建筑设施的规模和布局，选择合适的通信技术。对于小型建筑，可以采用有线以太网进行数据传输；对于大型建筑或布线困难的区域，可以采用无线通信技术，如 ZigBee 或 LoRa，实现数据的稳定传输。

4.2 模型构建与仿真技术

构建暖通管网和消防喷淋系统的数字孪生模型需要综合考虑管网的拓扑结构、管道参数、设备特性等因素。可以采用流体动力学仿真软件，如 Fluent 、ANSYS 等，建立管网的水力模型和热力模型。通过输入实时采集的数据，对模型进行动态仿真，模拟管网内流体的流动和压力变化情况。同时，结合消防喷淋系统的工作原理，建立喷淋系统的仿真模型，分析压力波动对喷头开启的影响。

4.3 风险评估与预警技术

风险评估模型可以采用模糊综合评价法、神经网络法等方法。模糊综合评价法能够处理模糊和不确定的信息，将多个影响因素进行综合评价，得出风险等级。神经网络法具有强大的非线性映射能力，可以通过学习历史数据，自动建立风险评估模型。当风险评估结果超过设定的阈值时，系统通过短信、邮件、声光报警等方式向管理人员发出预警信息，提醒管理人员及时采取措施进行处理。

五、案例分析

5.1 案例背景

以某大型商业综合体为例，该建筑总面积为 10 万平方米，包含购物中心、写字楼、酒店等多种功能区域。建筑内设有复杂的暖通管网和消防喷淋系统。为保障建筑的安全运行，引入基于数字孪生的暖通管网压力波动与消防喷淋误喷风险预警系统。

5.2 系统实施与运行

在暖通管网和消防喷淋系统的关键部位安装了 200 余个传感器，实时采集管网压力、流量、温度等数据。通过无线通信网络将数据传输至数字孪生模型层，构建了建筑设施的虚拟模型。经过一段时间的运行，系统成功监测到多次暖通管网压力波动事件，并准确预测了可能引发的消防喷淋误喷风险。

5.3 效果评估

通过对实际运行数据的分析，该系统在以下几个方面取得了显著效果：一是提高了风险预警的准确性，误报率和漏报率均控制在较低水平；二是实现了对暖通管网和消防喷淋系统的实时监测和可视化展示，方便管理人员及时了解设施的运行状态；三是为管理人员提供了科学的决策依据，能够提前采取措施预防消防喷淋误喷事件的发生，有效保障了建筑内的人员和财产安全。

结论

本文介绍了基于数字孪生技术的暖通管网压力波动与消防喷淋误喷风险预警系统。系统架构设计和关键技术实现被详细讨论，并通过案例证明了其有效性和可靠性。该系统实时监测压力变化，准确预测误喷风险，确保建筑安全。随着技术进步，系统应用前景广阔，可扩展至其他建筑风险预警管理，并结合大数据、人工智能提升智能化和风险评估准确性。

参考文献

[1] 李仲博 . 基于数字孪生的城镇供热系统按需精准调控技术研究与应用[D]. 浙江大学 ,2023.

[2] 李哲. 变流量空调系统数字孪生平台开发与应用[D]. 大连理工大学,2022.