趙春鳳

上海核工程研究設(shè)計(jì)院

當(dāng)今社會(huì)，清潔能源的利用是應(yīng)對(duì)目前世界上能源緊缺的重要措施。核電作為清潔能源之一，受到各國家廣泛重視，截至2008年，已有439座核反應(yīng)機(jī)組在商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)中，約提供全球16%的電力[1]。我國目前在運(yùn)15座核電機(jī)組，在建26臺(tái)，裝機(jī)容量4000萬千瓦左右，預(yù)計(jì)在2020年達(dá)7000萬千瓦，需求非常大[2]。目前，公眾對(duì)發(fā)展核電最主要的顧慮是安全問題，2011年日本9級(jí)地震誘發(fā)的福島核電站事故，引發(fā)新一輪的核擔(dān)憂，在一定程度上影響了核電的發(fā)展。除了特大地質(zhì)災(zāi)害外，由于人的失誤使核電廠的運(yùn)行受到影響的事件占70%[3]。主控制室的作用是提供符合抗震要求又具可居留性的場所，使操縱員能在核電站的全運(yùn)行壽期內(nèi)、包括應(yīng)急運(yùn)行期間對(duì)核電站實(shí)施監(jiān)控并在事故工況下將核電站引至安全停堆狀態(tài)[4]。采用合理的HVAC策略，創(chuàng)造出適合工作人員和設(shè)備正常工作要求室內(nèi)熱環(huán)境，對(duì)于提高人員工作效率，降低人因失誤，提高設(shè)備的可靠性具有重要價(jià)值。本文采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)核電站內(nèi)主控制室正常工況下的熱舒適性進(jìn)行模擬分析，比較不同送風(fēng)方式下主控制室內(nèi)的熱舒適性。本文的方法和研究結(jié)果對(duì)于其他類似或工業(yè)用控制室的氣流組織具有借鑒價(jià)值。

1 主控制室物理模型

主控制室示意圖如圖1所示[4～5]，主控制室?guī)缀文Ｐ腿鐖D2所示，本主控制室的選擇不針對(duì)具體堆型，僅用來對(duì)核電站主控室熱負(fù)荷下室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行研究。其中主要的熱源為室內(nèi)人員，顯示屏幕，電子設(shè)備以及屋頂燈光設(shè)備等，熱源大小如表1所示。主控制室尺寸為10.36m×5m×11.15m，兩種工況下的送排風(fēng)位置如圖所示，分別是上送風(fēng)和側(cè)送風(fēng)，送風(fēng)口大小分別為0.3m×0.3m 和 0.6m×0.15m，送風(fēng)溫度為 20℃，送風(fēng)速度2.67m/s，總的換氣次數(shù)為6次；排風(fēng)口大小都為1m×0.4m。

圖1 主控制室示意圖

圖2 簡化物理模型

表1 主要熱源功率列表

2 計(jì)算模型

對(duì)主控制室熱環(huán)境采用計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD），應(yīng)用CFD商用軟件FLUENT進(jìn)行模擬。網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，最終確定劃分網(wǎng)格總數(shù)為52.83萬。主要計(jì)算了主控制室內(nèi)的流場、溫度場，通過對(duì)人員活動(dòng)區(qū)溫度場的比較，比較兩種送風(fēng)方式下的熱環(huán)境特性。流場、溫度場計(jì)算由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及湍流模型聯(lián)合求解，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程可用式（1）統(tǒng)一描述[6]，其中各參數(shù)的物理含義見表2所示。

式中：ρ 為空氣密度；V 為速度矢量；Гφ，eff為等效擴(kuò)散系數(shù)；ui為三維速度場中各速度分量，i=1，2，3；T 為空氣溫度；μ為空氣運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；μi為湍流粘滯系數(shù)；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

表2 控制方程各參數(shù)物理意義

為了簡化計(jì)算，室內(nèi)湍流粘滯系數(shù)的確定采用Chen零方程模型[7]，室內(nèi)零方程模型是在室內(nèi)空氣自然對(duì)流和混合對(duì)流的直接數(shù)值模擬 DNS（Directly Numerical Simulation）結(jié)果的基礎(chǔ)上提出的湍流模型，對(duì)于房間內(nèi)非等溫流動(dòng)的Rayleigh數(shù)范圍（2.6～3.0×1010），可以認(rèn)為渦黏系數(shù)正比于流體密度、當(dāng)?shù)厮俣群途啾诿孀罱嚯x，比例系數(shù)由直接數(shù)值模擬的結(jié)果擬合而得：

式中：ρ為流體密度；ν為當(dāng)?shù)貢r(shí)均速度；L為當(dāng)?shù)鼐啾诿孀罱木嚯x，取0.03874。

用此模型預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣流態(tài)、空氣溫度分具有一定的準(zhǔn)確度，所需內(nèi)存少，效率較高。

3 計(jì)算結(jié)果及討論

3.1 流場比較

通過計(jì)算，在送風(fēng)口橫截面上，兩種送風(fēng)方式下的流場如圖3所示。從圖中可以看出，上送風(fēng)風(fēng)口下面的風(fēng)速較大，超過了0.6m/s，對(duì)人而言有較為嚴(yán)重的吹風(fēng)感。而側(cè)送風(fēng)由于射流的作用，人員基本上處于回流區(qū)，主控制室中央?yún)^(qū)域流速較不是很大，即便是風(fēng)口所在截面，2.0m以下的風(fēng)速也基本上小于0.3m/s。圖4為1.5m高的位置上的速度等值線圖，從中可以明確的看出，側(cè)送風(fēng)較上送風(fēng)而言，人員呼吸區(qū)的速度分布更為均勻，人員的吹風(fēng)感較弱。

圖3 兩種送風(fēng)方式下送風(fēng)口截面流速分布

圖4 高度為1.5m的橫截面上的速度分布圖

3.2 溫度場比較

兩種送風(fēng)方式下的溫度場模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5為送風(fēng)口橫截面的溫度示意圖，可以看出，兩種送風(fēng)方式風(fēng)口橫截面處的溫度均較為均勻，人員所處位置的溫度基本為23～27℃之間，由于上送風(fēng)所送冷空氣直接進(jìn)入空間下部，天花板處的熱源所釋放熱量對(duì)其影響較小，因此，天花板整體溫度偏高，但室內(nèi)溫度相對(duì)較低；而側(cè)送風(fēng)在空氣流動(dòng)過程中與天花板進(jìn)行對(duì)流換熱，一部分熱量帶入了天花板下部，因此天花板附近除了個(gè)別區(qū)域外，整體溫度較高，而室內(nèi)溫度分布也較為不均勻，熱源附近溫度由于風(fēng)速較小，對(duì)流換熱較差，因此溫度較高。整體而言，這兩種送風(fēng)方式的溫度場對(duì)人的影響不是太大。圖6為高度1.5m的人員呼吸區(qū)溫度分布，從中也可以看出側(cè)送風(fēng)的溫度分布并不均勻，但主要體現(xiàn)在熱源附近的溫度差異較大，而人員周圍的溫度仍然維持在27℃以下。圖7為人員附近沿高度方向的溫度分布，從中可以看出，由于側(cè)送風(fēng)人員處于回流區(qū)，風(fēng)速較小，對(duì)流換熱較差，因此在人員垂直方向上溫差較大，人員附近普遍溫度較上送風(fēng)時(shí)高，而且沿著高度溫度逐漸降低。

圖5 送風(fēng)口截面溫度分布圖

圖6 高度為1.5m的橫截面上的溫度分布圖

圖7 中心人員身體周圍沿高度方向的溫度分布

4 結(jié)論

在相同送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的條件下，通過模擬計(jì)算得到了兩種不同送風(fēng)方式的主控制室熱環(huán)境，通過比較發(fā)現(xiàn)：

1）兩種送風(fēng)方式均能有效地保證室內(nèi)熱環(huán)境，大部分區(qū)域滿足室內(nèi)人員的熱舒適要求。

2）上送風(fēng)局部區(qū)域特別是風(fēng)口正下方的風(fēng)速較大，人員會(huì)有較強(qiáng)的吹風(fēng)感，這些區(qū)域如果安排工作人員，會(huì)造成工作人員的不舒適；但上送風(fēng)可以減少將天花板負(fù)荷帶入室內(nèi)，如果房間頂部散熱量較大時(shí)，上送風(fēng)方式是一種較好的選擇。

3）側(cè)送風(fēng)時(shí)，人員處于回流區(qū)，風(fēng)速較小，整個(gè)工作區(qū)速度比較均勻。風(fēng)速較低導(dǎo)致?lián)Q熱能力較弱，因此溫度場分布較不均勻，熱源附近溫度偏高，但整體而言，人員活動(dòng)區(qū)溫度基本滿足國家相關(guān)規(guī)范的要求。

[1]張之華,葉茂,羅昕,等.日本福島核事故的思考與警示[J].原子能科學(xué)技術(shù),2012,46(S):904-907

[2]Yang bo.China Nuclear Energy Development[Z].http://www.iaea.org/nuclearenergy/nuclearknowledge/schools/NEM-school/2012/Japan/PDFs/week1/3-3_Yang_ChinaNuclearEnergyDevelo pment.pdf

[3]戴立操,黃曙東,張力.核電廠主控制室人因工程設(shè)計(jì)分析[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2005,19(2):58-61

[4]丁瑩.AP1000核電站主控制室先進(jìn)性探討[A].見:中國核學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].武漢,2007

[5]Daryl Harmon,Steve Kerch,David Peffer.AP1000核電廠先進(jìn)控制室[J].核電,AP1000先進(jìn)核電技術(shù)專刊:72-76

[6]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001

[7]Chen Q Y,Xu W R.A zero-equation turbulence model for indoor airflow simulation[J].Energy and Buildings,1998,28(2):137-144