摘要：依据以往核电站主控室可居留区的设计经验，设计了一套适用于某核电项目的空调系统，并利用FLUENT流体力学仿真软件，对主控室的空调系统进行了数值模拟。结果表明，该空调系统的设计能满足主控室人员及设备的工作要求，工作区温度约为20.5℃，风速约为0.1m／s，空气龄约为250s，PMV约为0，验证了设计的合理性，有助于指导工程施工。
关键词：核电站；主控室；空调系统；FLUENT；数值研究
0引言
核电站主控室是工作人员监视核电站运行情况和处理事故工况的主要场所，布置有众多精密电气设备，因而对房间温湿度及操作员舒适度有较高的要求，通风与空调系统设计应能保证主控室的可居留性，其设计的合理性就显得尤为重要。目前，已有部分学者对核电站主控室室内环境进行了研究，并取得了具有参考意义的成果。陈红军对某核电站主控室夏季出现低温高湿的原因进行了分析，通过优化系统设计配置及采取多项改进措施，对主控室内温湿度进行控制，可满足所要求的环境条件且保证控制室内操作人员的舒适性［1］。张小灵为提升主控室人员舒适度，研究了送风温度、辅助加热量、送风量、送风角度等参数对主控室内气流组织和人员热舒适性的影响，提出了4种优化方案并对比分析了各方案对室内热舒适性的提升效果［2］。邓少慧采用Airpak软件对主控室侧送侧回和上送侧回2种气流组织方式进行了数值模拟计算，得到了2种送风方式的温度场、速度场、湿度场［3］。现有成果为核电站主控室设计提供了设计依据，提高了主控室人员的舒适性。核电站主控室的布置随项目不同而不尽相同，需结合具体工程合理布置通风与空调系统，满足设备和人员的工作环境要求。本文针对某核电项目的特殊性，参考以往核电主控室成功的设计经验进行系统设计，并利用FLUENT流体力学仿真软件进行模拟验证，保证设计方案的合理性和可行性。
1系统设计
该项目可居留区通风系统由主控室空调系统与主控室人员保障送风系统组成。主控室空调系统在正常运行和事故工况下，对送风进行过滤、冷却、加热和加湿处理，并提供足够的新风量，以保持主控室可居留区内设备运行和人员长期停留所需的环境条件。此外，还需保持主控室可居留区的压力略高于出入口区的压力，防止室外空气渗入。主控室人员保障送风系统在事故工况下自动启动，对进入主控室空调系统空调机组的新风和回风进行净化处理。主控室空调系统由2台100％送风空调机组、1台排风机、风阀和风管组成。每台空调机组包括：1台低效过滤器和1台中效过滤器、2台并联冷却器（蒸发器）、2台并联电动风阀、1台电加热器、1台100％容量的双速送风机、1台加湿器、1台电控柜及其控制系统。主控室人员保障送风系统由2条过滤管路（一用一备）、2条新风管路（一用一备）和1条试验管路组成。每条管线包括：1台新风低效过滤器、1台电加热器、1台前置高效空气过滤器、1台碘吸附器、1台后置高效空气过滤器和1台送风机等，2条过滤管线之间设有旁通管路，进一步提高了系统可靠性。系统原理图见图1。正常工况下，主控室空调系统以新风加回风的方式连续运行，主控室人员保障送风系统停运。应急工况下，主控室人员保障送风系统根据辐射监测系统信号自动启动，主控室空调系统的正常工况新风口关闭，改由事故工况取风口取风，2个事故工况取风口相对反应堆安全壳呈相反方向布置［4］，提高了主控室通风系统的安全性。此时空调机组进入低速运行模式，制冷机组仅运行1个制冷模块。主控室作为可居留区的重要房间，其通风系统送风方式采用下送下回，每段风管通过消声软管与静压箱相连，满足主控室的噪声控制要求［5］，风口均匀布置在静压箱下。为验证气流组织的合理性，以满足设备运行和人体舒适的要求，下面通过数值模型进行研究。
2数值模拟
2.1物理模型与控制方程
依据主控室建筑作业图，利用CAD按1∶1建立主控室三维模型，如图2所示。该主控室长24m、宽11m、高5m。室内布置有大屏幕、操作员工作站、后备盘、火灾自动报警三连台等。大屏幕、后备盘及火灾自动报警三连台高2.00m，操作员工作站高1.14m。通风系统沿墙布置，送风口共14个，靠近南内墙均匀布置，正常工况下总送风量为8000m3／h，回风口共12个，靠近北外墙布置，总回风量为7700m3／h。式（1）～（5）中ρ为流体密度，kg／m3；u，v，w分别为流体在x，y，z方向的速度分量，m／s；μ为流体的动力黏度，Pa•s；p为流体内部压力，Pa；t为流体温度，℃；λ为流体的导热系数，W／（m•℃）；cp为流体的比定压热容，J／（kg•℃）。
2.2边界条件
送风口分为2种规格：1200mm×325mm的共计8个，出口风速为0.41m／s；800mm×325mm的共计6个，出口风速为0.61m／s。送风温度为17℃，回风设置为压力出流。大屏幕散热量约为3.6kW，操作员工作站散热量约为2.1kW，后备盘散热量约为3.5kW，火灾自动报警三连台散热量约为2.1kW，灯光负荷约为2.6kW，共计13.9kW。人员散热量相比设备散热量较小，可忽略。北外墙热流密度设为17.28W／m2，上下楼板热流密度设为6.96W／m2，忽略其他邻室内墙的传热。
2.3计算方法与网格划分
在模拟研究中，使用ICEM软件进行网格划分，有限体积法用于求解控制方程，压力－速度耦合方程采用SIMPLE算法；能量、动量和湍流方程采用二阶迎风格式求解；辐射方程采用一阶迎风格式。当连续性、动量和湍流方程的残差小于10－3且能量方程残差小于10－6时，计算结果被认为收敛。在主控室三维模型的基础上，使用正四面体网格对该三维模型进行网格划分，送回风口处局部加密，网格无关性的整体网格数量为69.6万，网格质量良好，主控室网格划分见图3。
2.4模拟结果与分析
2.4.1温度场
主控室的温度分布如图4所示。从x＝12m平面的温度分布云图可以看出，送风口将温度1℃的空气竖直送入室内，冷空气在回风的作用下流向工作区，从送风口到回风口温度呈现由低到高的梯度，离送风口较远的大屏幕区域温度约为20.8℃，位于回风区域的操作员工作站沿送风气流方向温度约为20.2～20.5℃，分布较均匀，能满足工作人员和设备运行的温度要求。沿主控室高度方向，从人员坐高所在平面y＝1.2m可以看出，后备盘附近的温度较低，约为19.7℃人员工作区温度约为20.5℃，火灾自动报警三连台附近的温度较高，约为22℃，这主要是由设备遮挡所致。此外，由于靠近南内墙的操作员工作站距送风口较近，附近的温度也较低，约为20.5℃，后续可通过调整送回风口的相对位置提高操作员所在空间的温度，避免因温度较低引起人员不适感的可能。
2.4.2速度场
图5显示了主控室的速度分布情况。y＝1.m平面的速度云图表明室内气流分布较均匀，人员所在高度的风速约为0.1m／s，满足舒适性空调的风速要求。送风口送出的冷风自第一排操作员工作站向大屏幕方向速度逐渐衰减，由四周向中心递减。由图5b能直观地看出风速的变化规律，风管内的空气流速约为4m／s，流经消声软管后速度降为2m／s，经过静压箱后速度降低至0.91m／s，有效地稳定了气流，降低了噪声。送风竖直送到人员工作区后，受沿程阻力和室内物项遮挡的影响，速度进一步降低到满足多数人员的工作要求。
2.4.3空气龄
空气龄是指空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间，反映了室内空气的新鲜程度，它可以综合衡量房间的通风换气效果，是评价室内空气品质的重要指标。从图6可以看出，在x＝12m平面，空气在房间上部停留时间较长，在人员活动区域内停留时间短，空气龄约为250s，通风系统能满足室内人员对空气品质的要求。在y＝1.2m平面，由于墙体的遮挡，空气在东内墙附近的停留时间明显比西内墙长。因而在设计时，需重点考虑拐角处的通风换气，防止产生局部的气流滞留，避免通风死区。
2.4.4舒适度
作为人体热舒适的评价指标，PMV反映了人体热平衡的偏离程度。即人体热负荷正值越大，人体感觉越热，反之，人就感觉越冷。图7显示了x＝12m和y＝1.2m所在平面，人体穿长裤和短袖时的PMV分布云图。从图7a可以看出，由于冷空气下沉，室内热感觉自地面至天花板由微冷逐渐变热。靠近送风口的第一排总体感觉微冷（PMV为－1、－2），由于室内冷热空气相互掺混，从第一排操作员工作站至大屏幕之间从微凉到舒适（PMV为－1、0）。从图7b可以看出，在人体工作平面上，靠近送风口的第一排操作员工作站的热感觉整体上为微凉和凉（PMV为－1、－2），靠近大屏幕的区域微热，但是总的来说，人员所在平面大部分区域是舒适（PMV为0）的热感觉。可见通风系统设计较合理，为改善送风口附近微凉的情况，可在送风口设置折流板或扰流板，防止直吹。
3结语
本研究基于以往主控室可居留区空调系统的成功设计经验，设计了一套适用于某核电项目的空调系统，并对主控室空调系统了进行数值模拟，验证了气流组织的合理性。模拟结果表明，该通风和空调系统的风管能将等量空气沿送风口均匀送出，房间空气分布均匀。工作区内温度约为20.5℃，风速约为0.1m／s，空气龄约为250s，PMV指数约为0。吊顶下送风下回风的通风方式能满足设备正常工作和人员舒适性要求，为其他核电项目的设计提供了参考。
作者：刘婧 胡北 林兆娣 单位：中国核电工程有限公司