核电站主控制室不同气流组织下热环境研究

赵春凤

上海核工程研究设计院

当今社会，清洁能源的利用是应对目前世界上能源紧缺的重要措施。核电作为清洁能源之一，受到各国家广泛重视，截至2008年，已有439座核反应机组在商业运转中，约提供全球16%的电力[1]。我国目前在运15座核电机组，在建26台，装机容量4000万千瓦左右，预计在2020年达7000万千瓦，需求非常大[2]。目前，公众对发展核电最主要的顾虑是安全问题，2011年日本9级地震诱发的福岛核电站事故，引发新一轮的核担忧，在一定程度上影响了核电的发展。除了特大地质灾害外，由于人的失误使核电厂的运行受到影响的事件占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场所，使操纵员能在核电站的全运行寿期内、包括应急运行期间对核电站实施监控并在事故工况下将核电站引至安全停堆状态[4]。采用合理的HVAC策略，创造出适合工作人员和设备正常工作要求室内热环境，对于提高人员工作效率，降低人因失误，提高设备的可靠性具有重要价值。本文采用数值计算的方法对核电站内主控制室正常工况下的热舒适性进行模拟分析，比较不同送风方式下主控制室内的热舒适性。本文的方法和研究结果对于其他类似或工业用控制室的气流组织具有借鉴价值。

1 主控制室物理模型

主控制室示意图如图1所示[4～5]，主控制室几何模型如图2所示，本主控制室的选择不针对具体堆型，仅用来对核电站主控室热负荷下室内热环境进行研究。其中主要的热源为室内人员，显示屏幕，电子设备以及屋顶灯光设备等，热源大小如表1所示。主控制室尺寸为10.36m×5m×11.15m，两种工况下的送排风位置如图所示，分别是上送风和侧送风，送风口大小分别为0.3m×0.3m 和 0.6m×0.15m，送风温度为 20℃，送风速度2.67m/s，总的换气次数为6次；排风口大小都为1m×0.4m。

图1 主控制室示意图

图2 简化物理模型

表1 主要热源功率列表

2 计算模型

对主控制室热环境采用计算流体力学方法（CFD），应用CFD商用软件FLUENT进行模拟。网格划分采用结构化网格，经过网格独立性检验，最终确定划分网格总数为52.83万。主要计算了主控制室内的流场、温度场，通过对人员活动区温度场的比较，比较两种送风方式下的热环境特性。流场、温度场计算由连续性方程、动量方程、能量方程以及湍流模型联合求解，连续性方程、动量方程和能量方程可用式（1）统一描述[6]，其中各参数的物理含义见表2所示。

式中：ρ 为空气密度；V 为速度矢量；Гφ，eff为等效扩散系数；ui为三维速度场中各速度分量，i=1，2，3；T 为空气温度；μ为空气运动粘滞系数；μi为湍流粘滞系数；λ为空气导热系数。

表2 控制方程各参数物理意义

为了简化计算，室内湍流粘滞系数的确定采用Chen零方程模型[7]，室内零方程模型是在室内空气自然对流和混合对流的直接数值模拟 DNS（Directly Numerical Simulation）结果的基础上提出的湍流模型，对于房间内非等温流动的Rayleigh数范围（2.6～3.0×1010），可以认为涡黏系数正比于流体密度、当地速度和距壁面最近距离，比例系数由直接数值模拟的结果拟合而得：

式中：ρ为流体密度；ν为当地时均速度；L为当地距壁面最近的距离，取0.03874。

用此模型预测室内空气流态、空气温度分具有一定的准确度，所需内存少，效率较高。

3 计算结果及讨论

3.1 流场比较

通过计算，在送风口横截面上，两种送风方式下的流场如图3所示。从图中可以看出，上送风风口下面的风速较大，超过了0.6m/s，对人而言有较为严重的吹风感。而侧送风由于射流的作用，人员基本上处于回流区，主控制室中央区域流速较不是很大，即便是风口所在截面，2.0m以下的风速也基本上小于0.3m/s。图4为1.5m高的位置上的速度等值线图，从中可以明确的看出，侧送风较上送风而言，人员呼吸区的速度分布更为均匀，人员的吹风感较弱。

图3 两种送风方式下送风口截面流速分布

图4 高度为1.5m的横截面上的速度分布图

3.2 温度场比较

两种送风方式下的温度场模拟结果如图5和图6所示。图5为送风口横截面的温度示意图，可以看出，两种送风方式风口横截面处的温度均较为均匀，人员所处位置的温度基本为23～27℃之间，由于上送风所送冷空气直接进入空间下部，天花板处的热源所释放热量对其影响较小，因此，天花板整体温度偏高，但室内温度相对较低；而侧送风在空气流动过程中与天花板进行对流换热，一部分热量带入了天花板下部，因此天花板附近除了个别区域外，整体温度较高，而室内温度分布也较为不均匀，热源附近温度由于风速较小，对流换热较差，因此温度较高。整体而言，这两种送风方式的温度场对人的影响不是太大。图6为高度1.5m的人员呼吸区温度分布，从中也可以看出侧送风的温度分布并不均匀，但主要体现在热源附近的温度差异较大，而人员周围的温度仍然维持在27℃以下。图7为人员附近沿高度方向的温度分布，从中可以看出，由于侧送风人员处于回流区，风速较小，对流换热较差，因此在人员垂直方向上温差较大，人员附近普遍温度较上送风时高，而且沿着高度温度逐渐降低。

图5 送风口截面温度分布图

图6 高度为1.5m的横截面上的温度分布图

图7 中心人员身体周围沿高度方向的温度分布

4 结论

在相同送风量和送风温度的条件下，通过模拟计算得到了两种不同送风方式的主控制室热环境，通过比较发现：

1）两种送风方式均能有效地保证室内热环境，大部分区域满足室内人员的热舒适要求。

2）上送风局部区域特别是风口正下方的风速较大，人员会有较强的吹风感，这些区域如果安排工作人员，会造成工作人员的不舒适；但上送风可以减少将天花板负荷带入室内，如果房间顶部散热量较大时，上送风方式是一种较好的选择。

3）侧送风时，人员处于回流区，风速较小，整个工作区速度比较均匀。风速较低导致换热能力较弱，因此温度场分布较不均匀，热源附近温度偏高，但整体而言，人员活动区温度基本满足国家相关规范的要求。

[1]张之华,叶茂,罗昕,等.日本福岛核事故的思考与警示[J].原子能科学技术,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,黄曙东,张力.核电厂主控制室人因工程设计分析[J].南华大学学报(自然科学版).2005,19(2):58-61

[4]丁莹.AP1000核电站主控制室先进性探讨[A].见:中国核学会2007年学术年会论文集[C].武汉,2007

[5]Daryl Harmon,Steve Kerch,David Peffer.AP1000核电厂先进控制室[J].核电,AP1000先进核电技术专刊:72-76

[6]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,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