常規(guī)島主廠房通風(fēng)換氣方案的研究

謝良珊，劉 剛，楊其才，馮 震

（東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

隨著核能在中國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略中的地位的不斷提升，我國(guó)核電廠的數(shù)量和容量必將大幅度提高.核電站常規(guī)島主廠房的通風(fēng)換氣方式最初是參照火電廠汽機(jī)房的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由于汽機(jī)房一般為大空間建筑，且廠房?jī)?nèi)散發(fā)的熱濕負(fù)荷較大，為滿(mǎn)足人員的熱舒適性要求，宜選擇機(jī)械通風(fēng)方式.核電站常規(guī)島主廠房與火電廠汽機(jī)房在結(jié)構(gòu)類(lèi)型和設(shè)備特性等方面的差異較大.如何合理地引進(jìn)自然風(fēng)，獲得既節(jié)約能源又安全運(yùn)行的通風(fēng)方案是常規(guī)島主廠房通風(fēng)設(shè)計(jì)的重要改進(jìn)方向.

影響自然通風(fēng)的因素很多，如室外風(fēng)速、風(fēng)向、通風(fēng)溫度、太陽(yáng)輻射、室內(nèi)熱源大小和分布以及建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等.關(guān)于自然通風(fēng)機(jī)理的研究已經(jīng)比較成熟，文獻(xiàn)[1-2]提出了“Emptying Filling Box”通風(fēng)模型，對(duì)自然通風(fēng)的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3]運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了自然通風(fēng)作用下建筑物對(duì)氣流的影響.到目前為止，研究室內(nèi)氣流分布規(guī)律的常用方法有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞模擬及數(shù)值模擬3種方法，由于數(shù)值模擬比其他2種方法具有更多的優(yōu)越性，近年來(lái)成為研究室內(nèi)氣流流動(dòng)規(guī)律的主要方法之一.文獻(xiàn)[4-5]對(duì)熱壓和風(fēng)壓共同作用下的自然通風(fēng)效果進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究和理論分析；文獻(xiàn)[6]分別運(yùn)用大渦模擬和κ－ε湍流模型模擬了室內(nèi)的流場(chǎng)分布，并對(duì)2種方法得到的通風(fēng)效果進(jìn)行了比較；文獻(xiàn)[7-8]采用雷諾平均法（RANS）論證了水電站地下廠房采用自然通風(fēng)模式的可行性，分析了影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的主要因素；文獻(xiàn)[9]采用Airpak軟件對(duì)某火電廠汽機(jī)房的通風(fēng)氣流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，解決了機(jī)房氣流組織不均勻的問(wèn)題.由于數(shù)值模擬法獲得的數(shù)值解總存在一定誤差，為了確保模擬結(jié)果的可靠性，有必要對(duì)試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行比較分析.文獻(xiàn)[8，10-11]介紹了建模的方法，分別建立了1∶18～1∶25的縮小比例模型，并成功地驗(yàn)證了數(shù)值法在模擬大空間廠房氣流組織的可靠性.

本文以某核電站常規(guī)島的主廠房為研究對(duì)象，針對(duì)半地下式、多層大空間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立物理模型，采用Realizableκ－ε湍流模型，對(duì)不同條件下的通風(fēng)換氣方案進(jìn)行數(shù)值模擬.鑒于該工程尚未完工，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，搭建了1∶20試驗(yàn)臺(tái)對(duì)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試.為了提高計(jì)算效率和精度，仿真計(jì)算使用了東華大學(xué)研究生動(dòng)態(tài)測(cè)試與并行計(jì)算試驗(yàn)基地提供的集群式并行機(jī).

圖1 常規(guī)島主廠房數(shù)值模擬模型及風(fēng)口位置Fig.1 The simulated model in main power house for conventional island and the vents’location

1 概 況

常規(guī)島主廠房采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其數(shù)值模擬模型及風(fēng)口位置如圖1所示.建筑由3部分組成：地下層、夾層（0m層）、運(yùn)轉(zhuǎn)層.工程擬建設(shè)2臺(tái)容量為106kW級(jí)的壓水堆核電機(jī)組，主廠房通風(fēng)采用側(cè)面進(jìn)風(fēng)、頂部排風(fēng)的氣流組織形式，地下層進(jìn)風(fēng)由高于地面的3處地溝進(jìn)風(fēng)窗引入，其他各層進(jìn)風(fēng)分別從兩側(cè)的進(jìn)風(fēng)百葉流入，空氣與室內(nèi)熱源進(jìn)行換熱、換濕后，由主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層和除氧器間的屋頂排至室外.

參考相關(guān)設(shè)計(jì)資料，核電站常規(guī)島主廠房的設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度為當(dāng)?shù)叵募就L(fēng)室外計(jì)算干球溫度.為滿(mǎn)足人員舒適性及生產(chǎn)工藝性的要求，工作地帶的允許溫升不超過(guò)3～5K；汽機(jī)房和除氧器間的排風(fēng)溫度不允許超過(guò)進(jìn)風(fēng)溫度8～10K.參考了多個(gè)廠家相同類(lèi)型發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)并修正，得到該主廠房的總散熱負(fù)荷為5.42MW，其中汽機(jī)房4.80 MW，除氧器間占0.62MW.主廠房具體參數(shù)如表1所示.

表1 主廠房具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of the main power house

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算方法的確定

數(shù)值模擬計(jì)算擬選擇雷諾平均法（RANS）中的湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)κ－ε湍流模型由文獻(xiàn)[12]提出，通過(guò)引入湍動(dòng)能κ和湍動(dòng)能耗散率ε，將湍流的脈動(dòng)值與時(shí)均值等變量聯(lián)系起來(lái)，解決了Navier-Stokes時(shí)均方程組不能封閉的問(wèn)題.而文獻(xiàn)[13]研究認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)κ－ε湍流模型對(duì)時(shí)均應(yīng)變率特別大的情形，有可能導(dǎo)致負(fù)的正應(yīng)力出現(xiàn)，為了避免這類(lèi)違背湍流定律的現(xiàn)象出現(xiàn)，將湍動(dòng)黏度表達(dá)式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Cμ與應(yīng)變率聯(lián)系起來(lái)，提出了可實(shí)現(xiàn)對(duì)正應(yīng)力進(jìn)行約束的Realizableκ－ε模型.結(jié)合各種湍流模型的特點(diǎn)及應(yīng)用情況，利用 Fluent 6.3軟件選擇了 Realizableκ－ε模型處理雷諾應(yīng)力項(xiàng)，選擇基于壓力的分離隱式求解器，并采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)壓力和速度的耦合，考慮到對(duì)于室內(nèi)散熱產(chǎn)生的熱浮升力的重要作用，選擇了專(zhuān)門(mén)適用于體積力流動(dòng)的加權(quán)體積力（Body Force Weighted）插值格式，其他方程均使用二階迎風(fēng)格式.由于研究的室內(nèi)氣流組織屬于黏性、不可壓縮的低速湍流流動(dòng)，滿(mǎn)足Boussinesq假設(shè)，因此本文選取的輸運(yùn)方程[14]如下：

2.2 物理模型和邊界條件

選擇非結(jié)構(gòu)化處理能力較強(qiáng)的GAMBIT前處理器建立物理模型，不考慮配電室，水處理采樣室及油室等附屬空間，簡(jiǎn)化后建筑物的幾何尺寸為x×y×z＝71.6m×41.5m×108m.為保證網(wǎng)格密度和網(wǎng)格質(zhì)量，采用了分區(qū)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與整體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)物理模型及其子模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整得到主廠房總網(wǎng)格數(shù)約為250萬(wàn).

本文主要研究主廠房?jī)?nèi)部氣流的通風(fēng)換氣模式，重點(diǎn)探討自然通風(fēng)作用下室外風(fēng)壓對(duì)熱壓的增抑作用，以及自然進(jìn)風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)效果.邊界條件的取法可參考文獻(xiàn)[15-17]，具體設(shè)置如下：

入口邊界條件 設(shè)定速度進(jìn)口或壓力進(jìn)口條件；

出口邊界條件 選擇壓力出口條件；

固壁面條件 按照壁面性質(zhì)不同分別給定無(wú)滑移的壁面邊界條件、對(duì)流熱邊界條件和輻射邊界條件.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的圖紙，按1∶20的比例尺進(jìn)行建模，試驗(yàn)臺(tái)以木結(jié)構(gòu)代替原型的鋼混圍護(hù)結(jié)構(gòu)，各層進(jìn)風(fēng)窗活動(dòng)設(shè)置，內(nèi)部散熱設(shè)備用鐵皮進(jìn)行包皮處理，散熱源用電熱帶代替，各層散熱量可由模擬熱源的熱量控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，汽機(jī)房與除氧器間機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)采用同程式布管，如圖2所示.研究主廠房?jī)?nèi)的氣流分布狀況，需要測(cè)量排風(fēng)管總風(fēng)量和通風(fēng)口的風(fēng)量、風(fēng)速、壓力及溫度.本試驗(yàn)臺(tái)在每個(gè)樓層工作面及出入口設(shè)置了22個(gè)典型的取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)的具體位置如圖3所示.為了能連續(xù)地監(jiān)測(cè)主廠房?jī)?nèi)氣流的溫度場(chǎng)，安裝了如圖4所示的溫度自動(dòng)采集系統(tǒng)，取樣數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)可由該系統(tǒng)自動(dòng)完成.

4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比較

由于條件限制，試驗(yàn)只測(cè)量通風(fēng)模式為自然進(jìn)風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合時(shí)的氣流分布情況.通過(guò)調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)的頻率及風(fēng)閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)汽機(jī)房和除氧器間的排風(fēng)量與散熱量對(duì)應(yīng)成比例.試驗(yàn)表明當(dāng)模擬熱源和風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行至160min時(shí)，系統(tǒng)的熱不平衡率小于5%，此時(shí)可認(rèn)為試驗(yàn)測(cè)量的條件與數(shù)值模擬的環(huán)境基本一致.數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量采集22個(gè)典型取樣點(diǎn)的溫度結(jié)果及誤差如圖5所示.

圖5 數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量的溫度值比較Fig.5 Comparison of the computed temperature with the measured data

由圖5可知，數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)吻合較好，其中，最小溫度偏差在17取樣點(diǎn)，誤差為0.05K，最大溫度偏差在20取樣點(diǎn)，誤差為0.93K，所有取樣點(diǎn)的相對(duì)誤差均小于5%.由此說(shuō)明本文確立的數(shù)值模型與設(shè)置的邊界條件是合理的，運(yùn)用數(shù)值法模擬常規(guī)島主廠房室內(nèi)熱環(huán)境的氣流組織是可行的.

5 通風(fēng)換氣方案

5.1 數(shù)值模擬工況介紹

核電站所在地區(qū)的夏季氣象參數(shù)如表2所示.在該氣象條件下設(shè)置計(jì)算模型的邊界條件和相關(guān)參數(shù)，分別對(duì)下列4種工況進(jìn)行模擬計(jì)算：工況1為風(fēng)壓?jiǎn)为?dú)作用；工況2為熱壓?jiǎn)为?dú)作用；工況3為風(fēng)壓與熱壓聯(lián)合作用；工況4為自然進(jìn)風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)共同作用.

表2 當(dāng)?shù)叵募練庀髤?shù)Table 2 Local meteorological parameters in summer

5.2 結(jié)果與分析

輸出的計(jì)算結(jié)果包括主廠房?jī)?nèi)部空間的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及壓力等氣流分布狀況.限于篇幅，僅列出各層的通風(fēng)換氣量，如表3所示，表4為各層面平均溫度及排風(fēng)溫度，圖6為工況2～4水平面溫度的比較，主廠房的溫度場(chǎng)分布如圖7所示.

表3 各層的通風(fēng)換氣量Table 3 Ventilating rate in every layer kg／s

圖6 工況2～4水平面溫度的比較Fig.6 Comparison of temperatures in horizontal plane in condition 2～4

表4 各層面平均溫度及排風(fēng)溫度Table 4 Area-averaged air temperatures in working zones and the exhaust temperature K

圖7 主廠房的溫度場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of temperature in main power house

由表3可知，工況1地下層和除氧器間的通風(fēng)量為負(fù)值，其他工況下除氧器間的通風(fēng)量也均為負(fù)值，說(shuō)明該處的進(jìn)風(fēng)窗處于排風(fēng)狀態(tài)；比較工況2和3，熱壓?jiǎn)为?dú)作用時(shí)的總排風(fēng)量比熱壓與風(fēng)壓聯(lián)合作用時(shí)的排風(fēng)風(fēng)量大，說(shuō)明風(fēng)壓抑制了熱壓作用下的通風(fēng)換氣；進(jìn)一步比較工況1～3可知，各樓層工況1與2的通風(fēng)量之和也不等于工況3對(duì)應(yīng)樓層的通風(fēng)量，通風(fēng)量的分布特點(diǎn)說(shuō)明，在地下層風(fēng)壓對(duì)氣流流動(dòng)的阻礙效應(yīng)明顯，而在運(yùn)轉(zhuǎn)層風(fēng)壓與熱壓共同推動(dòng)氣流流動(dòng).

由表4可知，工況2地下層和夾層工作面的溫度能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，而運(yùn)轉(zhuǎn)層及以上均不滿(mǎn)足要求，其中排風(fēng)溫度達(dá)317.3K；工況3除了除氧器間的溫度大于設(shè)計(jì)值311K外，其他各層的溫度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，排風(fēng)溫度為314.0K達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).此外，由圖6可知，主廠房自下而上溫度呈上升趨勢(shì)，廠房?jī)?nèi)部各層空間溫度上升趨勢(shì)更明顯，當(dāng)高度達(dá)到17.5 m左右后，溫度不再出現(xiàn)下降現(xiàn)象，溫度梯度也趨于緩和.

分析模擬計(jì)算的結(jié)果可知，在采用自然進(jìn)風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)模式下，隨著屋頂排風(fēng)機(jī)出口壓力值不斷增大，地下層的通風(fēng)換氣量增加較慢，夾層與運(yùn)轉(zhuǎn)層的通風(fēng)量增加較快，除氧器間的通風(fēng)量反而減小；當(dāng)出口壓力值達(dá)到45Pa時(shí)，夾層與運(yùn)轉(zhuǎn)層的總通風(fēng)量增幅達(dá)70%.由圖7可知，各層工作面溫度在307.7～309.7K之間，各層工作面的溫度分布均勻，無(wú)過(guò)熱區(qū)域出現(xiàn)，完全滿(mǎn)足主廠房?jī)?nèi)的熱舒適性要求.

6 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用雷諾平均法（RANS）探討了某核電站常規(guī)島主廠房的通風(fēng)換氣方案，利用CFD軟件模擬了4種不同條件下的氣流分布狀況，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較.結(jié)果表明，兩種方法獲得的取樣點(diǎn)溫度基本保持一致，通過(guò)分析得到如下結(jié)論：

（1）模擬結(jié)果和測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性，驗(yàn)證了該核電站常規(guī)島主廠房氣流組織的數(shù)值模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的；

（2）在典型氣象條件下模擬計(jì)算的結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明在核電站常規(guī)島主廠房中采用自然進(jìn)風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)換氣方案是可行的；

（3）室外風(fēng)壓對(duì)熱壓增強(qiáng)或抑制自然通風(fēng)的規(guī)律，對(duì)核電廠主廠房乃至其他廠房通風(fēng)模式的優(yōu)化設(shè)計(jì)與節(jié)能運(yùn)行具有指導(dǎo)作用.

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