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摘要：依據以往核電站主控室可居留區的設計經驗，設計了一套適用于某核電項目的空調系統，并利用FLUENT流體力學仿真軟件，對主控室的空調系統進行了數值模擬。結果表明，該空調系統的設計能滿足主控室人員及設備的工作要求，工作區溫度約為20.5℃，風速約為0.1m／s，空氣齡約為250s，PMV約為0，驗證了設計的合理性，有助于指導工程施工。
關鍵詞：核電站；主控室；空調系統；FLUENT；數值研究
0引言
核電站主控室是工作人員監視核電站運行情況和處理事故工況的主要場所，布置有眾多精密電氣設備，因而對房間溫濕度及操作員舒適度有較高的要求，通風與空調系統設計應能保證主控室的可居留性，其設計的合理性就顯得尤為重要。目前，已有部分學者對核電站主控室室內環境進行了研究，并取得了具有參考意義的成果。陳紅軍對某核電站主控室夏季出現低溫高濕的原因進行了分析，通過優化系統設計配置及采取多項改進措施，對主控室內溫濕度進行控制，可滿足所要求的環境條件且保證控制室內操作人員的舒適性［1］。張小靈為提升主控室人員舒適度，研究了送風溫度、輔助加熱量、送風量、送風角度等參數對主控室內氣流組織和人員熱舒適性的影響，提出了4種優化方案并對比分析了各方案對室內熱舒適性的提升效果［2］。鄧少慧采用Airpak軟件對主控室側送側回和上送側回2種氣流組織方式進行了數值模擬計算，得到了2種送風方式的溫度場、速度場、濕度場［3］?，F有成果為核電站主控室設計提供了設計依據，提高了主控室人員的舒適性。核電站主控室的布置隨項目不同而不盡相同，需結合具體工程合理布置通風與空調系統，滿足設備和人員的工作環境要求。本文針對某核電項目的特殊性，參考以往核電主控室成功的設計經驗進行系統設計，并利用FLUENT流體力學仿真軟件進行模擬驗證，保證設計方案的合理性和可行性。
1系統設計
該項目可居留區通風系統由主控室空調系統與主控室人員保障送風系統組成。主控室空調系統在正常運行和事故工況下，對送風進行過濾、冷卻、加熱和加濕處理，并提供足夠的新風量，以保持主控室可居留區內設備運行和人員長期停留所需的環境條件。此外，還需保持主控室可居留區的壓力略高于出入口區的壓力，防止室外空氣滲入。主控室人員保障送風系統在事故工況下自動啟動，對進入主控室空調系統空調機組的新風和回風進行凈化處理。主控室空調系統由2臺100％送風空調機組、1臺排風機、風閥和風管組成。每臺空調機組包括：1臺低效過濾器和1臺中效過濾器、2臺并聯冷卻器（蒸發器）、2臺并聯電動風閥、1臺電加熱器、1臺100％容量的雙速送風機、1臺加濕器、1臺電控柜及其控制系統。主控室人員保障送風系統由2條過濾管路（一用一備）、2條新風管路（一用一備）和1條試驗管路組成。每條管線包括：1臺新風低效過濾器、1臺電加熱器、1臺前置高效空氣過濾器、1臺碘吸附器、1臺后置高效空氣過濾器和1臺送風機等，2條過濾管線之間設有旁通管路，進一步提高了系統可靠性。系統原理圖見圖1。正常工況下，主控室空調系統以新風加回風的方式連續運行，主控室人員保障送風系統停運。應急工況下，主控室人員保障送風系統根據輻射監測系統信號自動啟動，主控室空調系統的正常工況新風口關閉，改由事故工況取風口取風，2個事故工況取風口相對反應堆安全殼呈相反方向布置［4］，提高了主控室通風系統的安全性。此時空調機組進入低速運行模式，制冷機組僅運行1個制冷模塊。主控室作為可居留區的重要房間，其通風系統送風方式采用下送下回，每段風管通過消聲軟管與靜壓箱相連，滿足主控室的噪聲控制要求［5］，風口均勻布置在靜壓箱下。為驗證氣流組織的合理性，以滿足設備運行和人體舒適的要求，下面通過數值模型進行研究。
2數值模擬
2.1物理模型與控制方程
依據主控室建筑作業圖，利用CAD按1∶1建立主控室三維模型，如圖2所示。該主控室長24m、寬11m、高5m。室內布置有大屏幕、操作員工作站、后備盤、火災自動報警三連臺等。大屏幕、后備盤及火災自動報警三連臺高2.00m，操作員工作站高1.14m。通風系統沿墻布置，送風口共14個，靠近南內墻均勻布置，正常工況下總送風量為8000m3／h，回風口共12個，靠近北外墻布置，總回風量為7700m3／h。式（1）～（5）中ρ為流體密度，kg／m3；u，v，w分別為流體在x，y，z方向的速度分量，m／s；μ為流體的動力黏度，Pa•s；p為流體內部壓力，Pa；t為流體溫度，℃；λ為流體的導熱系數，W／（m•℃）；cp為流體的比定壓熱容，J／（kg•℃）。
2.2邊界條件
送風口分為2種規格：1200mm×325mm的共計8個，出口風速為0.41m／s；800mm×325mm的共計6個，出口風速為0.61m／s。送風溫度為17℃，回風設置為壓力出流。大屏幕散熱量約為3.6kW，操作員工作站散熱量約為2.1kW，后備盤散熱量約為3.5kW，火災自動報警三連臺散熱量約為2.1kW，燈光負荷約為2.6kW，共計13.9kW。人員散熱量相比設備散熱量較小，可忽略。北外墻熱流密度設為17.28W／m2，上下樓板熱流密度設為6.96W／m2，忽略其他鄰室內墻的傳熱。
2.3計算方法與網格劃分
在模擬研究中，使用ICEM軟件進行網格劃分，有限體積法用于求解控制方程，壓力－速度耦合方程采用SIMPLE算法；能量、動量和湍流方程采用二階迎風格式求解；輻射方程采用一階迎風格式。當連續性、動量和湍流方程的殘差小于10－3且能量方程殘差小于10－6時，計算結果被認為收斂。在主控室三維模型的基礎上，使用正四面體網格對該三維模型進行網格劃分，送回風口處局部加密，網格無關性的整體網格數量為69.6萬，網格質量良好，主控室網格劃分見圖3。
2.4模擬結果與分析
2.4.1溫度場
主控室的溫度分布如圖4所示。從x＝12m平面的溫度分布云圖可以看出，送風口將溫度1℃的空氣豎直送入室內，冷空氣在回風的作用下流向工作區，從送風口到回風口溫度呈現由低到高的梯度，離送風口較遠的大屏幕區域溫度約為20.8℃，位于回風區域的操作員工作站沿送風氣流方向溫度約為20.2～20.5℃，分布較均勻，能滿足工作人員和設備運行的溫度要求。沿主控室高度方向，從人員坐高所在平面y＝1.2m可以看出，后備盤附近的溫度較低，約為19.7℃人員工作區溫度約為20.5℃，火災自動報警三連臺附近的溫度較高，約為22℃，這主要是由設備遮擋所致。此外，由于靠近南內墻的操作員工作站距送風口較近，附近的溫度也較低，約為20.5℃，后續可通過調整送回風口的相對位置提高操作員所在空間的溫度，避免因溫度較低引起人員不適感的可能。
2.4.2速度場
圖5顯示了主控室的速度分布情況。y＝1.m平面的速度云圖表明室內氣流分布較均勻，人員所在高度的風速約為0.1m／s，滿足舒適性空調的風速要求。送風口送出的冷風自第一排操作員工作站向大屏幕方向速度逐漸衰減，由四周向中心遞減。由圖5b能直觀地看出風速的變化規律，風管內的空氣流速約為4m／s，流經消聲軟管后速度降為2m／s，經過靜壓箱后速度降低至0.91m／s，有效地穩定了氣流，降低了噪聲。送風豎直送到人員工作區后，受沿程阻力和室內物項遮擋的影響，速度進一步降低到滿足多數人員的工作要求。
2.4.3空氣齡
空氣齡是指空氣質點自進入房間至到達室內某點所經歷的時間，反映了室內空氣的新鮮程度，它可以綜合衡量房間的通風換氣效果，是評價室內空氣品質的重要指標。從圖6可以看出，在x＝12m平面，空氣在房間上部停留時間較長，在人員活動區域內停留時間短，空氣齡約為250s，通風系統能滿足室內人員對空氣品質的要求。在y＝1.2m平面，由于墻體的遮擋，空氣在東內墻附近的停留時間明顯比西內墻長。因而在設計時，需重點考慮拐角處的通風換氣，防止產生局部的氣流滯留，避免通風死區。
2.4.4舒適度
作為人體熱舒適的評價指標，PMV反映了人體熱平衡的偏離程度。即人體熱負荷正值越大，人體感覺越熱，反之，人就感覺越冷。圖7顯示了x＝12m和y＝1.2m所在平面，人體穿長褲和短袖時的PMV分布云圖。從圖7a可以看出，由于冷空氣下沉，室內熱感覺自地面至天花板由微冷逐漸變熱?？拷惋L口的第一排總體感覺微冷（PMV為－1、－2），由于室內冷熱空氣相互摻混，從第一排操作員工作站至大屏幕之間從微涼到舒適（PMV為－1、0）。從圖7b可以看出，在人體工作平面上，靠近送風口的第一排操作員工作站的熱感覺整體上為微涼和涼（PMV為－1、－2），靠近大屏幕的區域微熱，但是總的來說，人員所在平面大部分區域是舒適（PMV為0）的熱感覺?？梢娡L系統設計較合理，為改善送風口附近微涼的情況，可在送風口設置折流板或擾流板，防止直吹。
3結語
本研究基于以往主控室可居留區空調系統的成功設計經驗，設計了一套適用于某核電項目的空調系統，并對主控室空調系統了進行數值模擬，驗證了氣流組織的合理性。模擬結果表明，該通風和空調系統的風管能將等量空氣沿送風口均勻送出，房間空氣分布均勻。工作區內溫度約為20.5℃，風速約為0.1m／s，空氣齡約為250s，PMV指數約為0。吊頂下送風下回風的通風方式能滿足設備正常工作和人員舒適性要求，為其他核電項目的設計提供了參考。
作者：劉婧 胡北 林兆娣 單位：中國核電工程有限公司