新冠疫情下核電廠主控室空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行措施★

劉文斌 周 濤

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096; 2.核熱工標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)隊(duì)，江蘇 南京 210096)

2019年12月底以來(lái)，一種新型冠狀病毒肺炎爆發(fā)，在短短時(shí)間內(nèi)由武漢蔓延至全國(guó)各個(gè)地區(qū)。在身為核電廠核心的主控室中，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行，加速了空氣在各個(gè)區(qū)域之間的流動(dòng)，在使用時(shí)間長(zhǎng)、室內(nèi)相對(duì)封閉的區(qū)域中，存在較大的感染的隱患，可能對(duì)核電站的安全運(yùn)行造成重大影響。對(duì)于主控室，黃東山等[1]提出采用集中式空氣凈化配置方案。而在疫情期間，殷婷[2]認(rèn)為中央空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該盡可能的全新風(fēng)運(yùn)行。關(guān)于一次回風(fēng)工況轉(zhuǎn)換到全新風(fēng)運(yùn)行工況，王季樓等[3]提出了需要注意的三個(gè)問(wèn)題為新風(fēng)管道能否滿足要求，冷水機(jī)組需要提供更多的冷量，空調(diào)機(jī)組的換熱能力。但是未考慮到疫情下室內(nèi)回風(fēng)可能會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生健康上的影響。以某核電廠主控室為例，從確保主控室新風(fēng)安全性的角度入手，進(jìn)行主控室空調(diào)系統(tǒng)研究。對(duì)反應(yīng)堆主控室人員健康及核電站的安全運(yùn)行有著重要的理論意義和工程價(jià)值。

1 研究對(duì)象

1.1 幾何模型

某核電廠主控室[4]如圖1所示。

從圖1可以看到，主控室根據(jù)不同房間類型分為1個(gè)公共控制室、 2個(gè)主控制室、2個(gè)計(jì)算機(jī)房、2個(gè)管廊間、1個(gè)走廊，2個(gè)配電柜間。其中，主控室體積(長(zhǎng)×寬×高)為14.95×12.15×4.5。以之為例，進(jìn)行研究。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2.1室外設(shè)計(jì)參數(shù)

全廠的室外計(jì)算參數(shù)宜采用統(tǒng)一的原則或者標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考慮,對(duì)于核電廠的室外參數(shù)可基于GB 50019—2015[5]標(biāo)準(zhǔn)選取。由此查得連云港市室外氣象參數(shù)如表1所示。

表1 連云港市室外空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2.2室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)GB 50736—2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]。夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為22 ℃～28 ℃，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度為40%～65%。室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 計(jì)算公式

2.1 負(fù)荷計(jì)算公式

1)外墻的冷負(fù)荷計(jì)算公式。

CLQ=KFΔtτ-ε

(1)

其中，CLQ為逐時(shí)冷負(fù)荷，W；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為墻體的面積，m2；τ為計(jì)算時(shí)間，h；ε為圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面受到周期為24 h諧性溫度波作用，溫度波傳到內(nèi)表面的時(shí)間延遲，h；τ-ε為溫度波的作用時(shí)間，即溫度波作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的時(shí)間，h；Δtτ-ε為作用時(shí)刻下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷計(jì)算溫差，簡(jiǎn)稱負(fù)荷溫差。

2)空調(diào)新風(fēng)冷負(fù)荷計(jì)算公式。

Q=GW(iW-in)

(2)

其中，GW為新風(fēng)量，kg/s；iW為室外空氣焓值，kJ/kg；in為室內(nèi)空氣焓值，kJ/kg。

3)電子設(shè)備冷負(fù)荷計(jì)算公式。

Q=1 000n1n2n3N

(3)

其中，Q為電子設(shè)備散熱量，W；N為電子設(shè)備的安裝功率，kW；n1為安裝系數(shù)，是電子設(shè)備設(shè)計(jì)軸功率與安裝功率之比，一般可取0.7～0.9；n2為負(fù)荷功率，是電子設(shè)備小時(shí)的平均實(shí)耗功率與設(shè)計(jì)軸功率之比；n3為同時(shí)使用系數(shù)，是房間內(nèi)電子設(shè)備同時(shí)使用的安裝功率與總功率之比。

4)照明設(shè)備冷負(fù)荷計(jì)算公式。

照明設(shè)備散熱量屬于穩(wěn)定得熱，一般得熱量是不隨時(shí)間變化的。根據(jù)照明燈具的類型和安裝方式的不同，其得熱量為：

白熾燈：

Q=1 000N

(4)

熒光燈：

Q=1 000n1n2N

(5)

其中，N為照明燈具所需功率，kW；n1為鎮(zhèn)流器消耗功率系數(shù)，在明裝熒光燈的鎮(zhèn)流器裝在空調(diào)房間內(nèi)時(shí)，取n1=1.2；在暗裝熒光燈鎮(zhèn)流器設(shè)在頂棚內(nèi)時(shí)，取n1=1.0；n2為燈罩隔熱系數(shù)，在熒光燈罩上部有小孔(下部為玻璃板)，可利用自然通風(fēng)散熱與熒光燈頂棚內(nèi)時(shí)，取n2=0.5～0.6；在熒光燈罩無(wú)通風(fēng)孔時(shí)，則視頂棚內(nèi)通風(fēng)情況，n2=0.6～0.8。

5)人體散熱冷負(fù)荷計(jì)算公式。

人體散熱與性別、年齡、衣著、勞動(dòng)強(qiáng)度及周圍環(huán)境條件等多種因素有關(guān)。實(shí)際計(jì)算中，人體散熱可以以成年男子為基礎(chǔ)，乘以考慮了各類人員組成比例的系數(shù)，稱群集系數(shù)。人體散熱量為：

Q=qnn′

(6)

其中，q為不同室溫和勞動(dòng)性質(zhì)時(shí)成年男子散熱量，W；n為室內(nèi)全部人數(shù)；n′為群集系數(shù)。

2.2 新風(fēng)管道風(fēng)速計(jì)算公式

氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)道送/回風(fēng)口及閥門時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的再生噪聲，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行限制。采用假定流速法，對(duì)風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行設(shè)定，主管道風(fēng)速控制在4 m/s～6 m/s范圍內(nèi)，支管風(fēng)速控制在3 m/s～5 m/s以內(nèi)。除必須設(shè)置的防火閥和調(diào)試用的手動(dòng)平衡閥外，盡量減少末端調(diào)節(jié)用風(fēng)閥。

(7)

其中，Q為送風(fēng)量，m3/h；V為風(fēng)速，m/s；a，b均為風(fēng)管尺寸，mm。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

夏季冷負(fù)荷采用冷負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算逐時(shí)負(fù)荷，根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 冷負(fù)荷計(jì)算表 W

由表3可看出，墻體存在蓄熱，有著一定的衰減度，故最大冷負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)刻較晚。燈光夜晚使用較多，照明最大冷負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)刻也較晚，20點(diǎn)時(shí)最大。人體、設(shè)備、新風(fēng)負(fù)荷等呈現(xiàn)出中間大，兩頭小的趨勢(shì)，最大時(shí)刻出現(xiàn)在16時(shí)左右。房間的最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在16時(shí)，為3 kW，總濕負(fù)荷為1.54 kg/h。

3.2 三種全空氣系統(tǒng)處理計(jì)算分析

1)15%新風(fēng)比運(yùn)行時(shí)空氣處理過(guò)程。

在新風(fēng)比為15%時(shí)，一次回風(fēng)空調(diào)過(guò)程焓濕圖見圖2。

從圖2得到，對(duì)于一次回風(fēng)系統(tǒng)，組合式空調(diào)器處理總新風(fēng)量為330 m3/h，按照新風(fēng)比15%計(jì)算，則需要送入主控室內(nèi)的新風(fēng)量為49.5 m3/h。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度25 ℃, 相對(duì)濕度55%，室外干球溫度32.7 ℃,濕球溫度27.8 ℃,新風(fēng)比為15%,送風(fēng)溫度15 ℃,采用露點(diǎn)送風(fēng)。只考慮一個(gè)主控室，通過(guò)查圖計(jì)算,送風(fēng)焓值為32.8 kJ/kg,一次回風(fēng)(15%新風(fēng)比)混合點(diǎn)焓值為57 kJ/kg,室外焓值為89.2 kJ/kg。一次回風(fēng)(15%新風(fēng)比)系統(tǒng)送風(fēng)時(shí)冷源需提供的冷量為49.5×1.162×(57-32.8)/3 600=0.39 kW。

2)40%新風(fēng)比運(yùn)行時(shí)空氣處理過(guò)程。

在新風(fēng)比為40%時(shí)，一次回風(fēng)空調(diào)過(guò)程焓濕圖見圖3。

從圖3得到，按照新風(fēng)比40%計(jì)算，則需要送入主控室內(nèi)的新風(fēng)量為132 m3/h； 一次回風(fēng)(40%新風(fēng)比)系統(tǒng)送風(fēng)時(shí)冷源需提供的冷量132×1.162×(62.1-32.5)/3 600=1.26 kW。

3)全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)空氣處理過(guò)程。

全新風(fēng)空調(diào)過(guò)程焓濕圖如圖4所示。

從圖4得到，按照全新風(fēng)送風(fēng)，則送風(fēng)量為330 m3/h。全新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行送風(fēng)時(shí)冷源需提供的冷量330×1.134×(89.2-32.8)/3 600=5.65 kW。在送風(fēng)量不變的條件下，空調(diào)系統(tǒng)改用40%新風(fēng)比運(yùn)行送風(fēng)消耗的冷量將是原有冷量的3.32倍，改用全新風(fēng)運(yùn)行送風(fēng)消耗的冷量將是原有冷量的14.8倍。全新風(fēng)運(yùn)行送風(fēng)需要的冷量已經(jīng)超過(guò)一般冷水機(jī)組的運(yùn)行能力。因此需要對(duì)表冷器等進(jìn)行改造，提高制冷量。

3.3 新風(fēng)管道風(fēng)速對(duì)比分析

根據(jù)式(7)進(jìn)行計(jì)算，得到主干管尺寸設(shè)計(jì)以及管內(nèi)流速情況如表4所示。

表4 風(fēng)管尺寸及空氣流速表

從表4得到，增大新風(fēng)比和采用全新風(fēng)運(yùn)行會(huì)使得原風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速增大，但是尚未超出太多。因此，出于安全考慮，最好改用全新風(fēng)運(yùn)行。東南大學(xué)錢華等[12]在“呼吸道傳染病空氣傳播的感染概率的預(yù)測(cè)模型”一文中提到除特別極端的案例，通風(fēng)都能夠有效降低感染率，大的通風(fēng)量不僅能夠快速稀釋感染者所呼出的飛沫核從而降低感染率，而且能夠快速移除室內(nèi)污染物使得室內(nèi)污染物濃度能夠快速下降。此外，為防止風(fēng)速過(guò)大，造成能量損失和噪聲，可對(duì)風(fēng)管進(jìn)行局部改造，如增設(shè)靜壓箱，風(fēng)管局部加粗，增加消音措施等。對(duì)于其他改造方案，若必須采用空調(diào)回風(fēng)時(shí)，按最大新風(fēng)量運(yùn)行時(shí)，新回風(fēng)比宜大于40%，且應(yīng)加裝凈化消毒裝置。

4 結(jié)論

疫情期間，從確保主控室新風(fēng)安全性的角度入手，通過(guò)計(jì)算比較全新風(fēng)工況運(yùn)行和一次回風(fēng)工況運(yùn)行設(shè)備冷量和新風(fēng)管道能否滿足，得出主控室空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的措施：

1)對(duì)于主控室空調(diào)系統(tǒng)，采用全新風(fēng)運(yùn)行，減小感染幾率。2)如果未能開窗(如本項(xiàng)目)，應(yīng)在外墻的適當(dāng)位置設(shè)置相應(yīng)風(fēng)量的排風(fēng)扇，或啟用排煙風(fēng)機(jī)。3)空調(diào)系統(tǒng)啟用前應(yīng)進(jìn)行清洗、消毒，并經(jīng)衛(wèi)生學(xué)評(píng)價(jià)合格，同時(shí)，應(yīng)確保新風(fēng)來(lái)源清潔，新風(fēng)應(yīng)直接取自室外，禁止從機(jī)房、樓道和天棚吊頂內(nèi)取風(fēng)?？照{(diào)系統(tǒng)內(nèi)定時(shí)噴灑霧化稀釋的消毒劑。