劉 超 王軍民 張 峰

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,深圳)

0 引言

在我國(guó),對(duì)于一般的工業(yè)建筑,暖通系統(tǒng)使用的室外空氣計(jì)算參數(shù)在GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的4.2節(jié)中有著明確清晰的規(guī)定。對(duì)于核電廠這一特殊工業(yè)建筑,國(guó)內(nèi)存在多種引進(jìn)技術(shù)路線,在“引進(jìn)-消化-吸收”過(guò)程中,特別是核島暖通系統(tǒng),由于涉及核電廠安全功能,其所使用的室外空氣計(jì)算參數(shù)不可避免地使用、借鑒了原引進(jìn)國(guó)的相關(guān)要求。如GB/T 50674—2013《核電廠工程氣象技術(shù)規(guī)范》5.7.2節(jié)的安全參數(shù)及正常參數(shù)相關(guān)條款[2],便來(lái)源于美國(guó)用戶要求文件(URD)標(biāo)準(zhǔn)[3]79。而NB/T 20331—2015《核電廠設(shè)計(jì)廠址參數(shù)技術(shù)規(guī)定》[4],則基于國(guó)內(nèi)非能動(dòng)(AP1000)和能動(dòng)(CEPR)三代電廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),分別給出了2套參數(shù),對(duì)于非能動(dòng)機(jī)組的參數(shù),也是依據(jù)URD標(biāo)準(zhǔn)編制的。對(duì)比URD原文及國(guó)內(nèi)上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[2,4],發(fā)現(xiàn)對(duì)于室外空氣計(jì)算參數(shù)的定義還存在較多不一致之處,且對(duì)于這些標(biāo)準(zhǔn)條款,國(guó)內(nèi)在編制時(shí)并無(wú)詳細(xì)的條文說(shuō)明進(jìn)行解釋,導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在使用時(shí)出現(xiàn)了一些分歧和困惑。為便于設(shè)計(jì)人員更好地理解URD中室外空氣計(jì)算參數(shù)的內(nèi)涵,筆者對(duì)URD標(biāo)準(zhǔn)中的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了溯源研究,以期厘清概念,統(tǒng)一認(rèn)識(shí),便于在設(shè)計(jì)時(shí)更好地選用空氣計(jì)算參數(shù),用于核島暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 美國(guó)用戶要求文件(URD)

1.1 URD參數(shù)介紹

美國(guó)用戶要求文件(URD)是由美國(guó)電力研究所(EPRI)在美國(guó)核管會(huì)(NRC)的支持下制定的一套用于輕水堆的設(shè)計(jì)導(dǎo)向性文件。1990年發(fā)布了第1版完整的URD;2014年12月,包括小堆要求在內(nèi)的URD第13版發(fā)布。URD中給出了0、1%及5%不保證率3擋參數(shù),并給出了包絡(luò)的設(shè)計(jì)溫度參數(shù),見(jiàn)表1[3]79。

表1 URD中設(shè)計(jì)溫度要求

URD中對(duì)于不同類型的暖通系統(tǒng)所應(yīng)采用的室外空氣計(jì)算溫度進(jìn)行了規(guī)定,如核安全相關(guān)的暖通系統(tǒng)應(yīng)采用不保證0的值進(jìn)行設(shè)計(jì),但是URD中并未對(duì)上述參數(shù)的定義進(jìn)行說(shuō)明[3]92。

1.2 URD參數(shù)待明確的幾個(gè)問(wèn)題

在AP1000的實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí),一般僅使用了0不保證率和1%不保證率2擋參數(shù),前者一般被稱為安全參數(shù),后者一般被稱為正常參數(shù)[5]。國(guó)內(nèi)在編制核電廠暖通系統(tǒng)使用的氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),均參考了URD中安全與正常2類參數(shù)的定義。

表2摘錄了我國(guó)GB/T 50674—2013、NB/T 20331—2015標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于夏季使用的安全參數(shù)和正常參數(shù)的定義及URD中相應(yīng)參數(shù)的定義。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)中夏季最高安全及正常參數(shù)的定義

從表2可以看出,由于URD標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于相關(guān)參數(shù)并未進(jìn)行詳細(xì)的解釋說(shuō)明,導(dǎo)致我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于這些參數(shù)的解讀存在一些分歧,主要包括以下幾個(gè)方面。

1) 不保證率問(wèn)題。

目前國(guó)際上主流的ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)[6]、美國(guó)核管會(huì)出版物(NUREG)[7]及我國(guó)的GB 50019—2015標(biāo)準(zhǔn)[1],均是采用年不保證率(如0.4%、1%年不保證率)或類似年不保證率的累年平均每年不保證50 h,但是URD標(biāo)準(zhǔn)原文中對(duì)于不保證率并未明確是年不保證率還是其他水平的不保證率。在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí),轉(zhuǎn)化為最熱4個(gè)月或最冷3個(gè)月的不保證率,類似季節(jié)不保證率的水平。URD中不保證率是如何統(tǒng)計(jì)的,為何還維持類似季節(jié)不保證率的描述方式,是否有特殊考慮,有待研究明確。

2) 對(duì)應(yīng)濕球溫度問(wèn)題。

GB 50019—2015中尚無(wú)對(duì)應(yīng)濕球溫度的定義,從NB/T 20331—2015中的定義看,采用了單點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所有濕球溫度的平均值。ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)[6]提到的平均對(duì)應(yīng)濕球溫度(MCWB)與URD中對(duì)應(yīng)濕球溫度(CWB)是否內(nèi)涵一致,有待進(jìn)一步研究確認(rèn)。此外,URD中的對(duì)應(yīng)濕球溫度是單點(diǎn)的對(duì)應(yīng)濕球溫度還是區(qū)間的對(duì)應(yīng)濕球溫度,是取所對(duì)應(yīng)的濕球溫度的平均值還是取所對(duì)應(yīng)的濕球溫度的最大值,也是不明確的。

針對(duì)上述問(wèn)題,下面逐一進(jìn)行討論。

2 不保證率問(wèn)題

2.1 1%不保證率問(wèn)題

AP1000的設(shè)計(jì)控制文件(design control document,簡(jiǎn)稱AP DCD)中針對(duì)廠址參數(shù)的b條[5],有如下解釋:1%不保證率是季節(jié)不保證率,而不是年不保證率。對(duì)于北半球,夏季是6—9月這4個(gè)月,而冬季是12月到次年2月這3個(gè)月。對(duì)于1%的季節(jié)不保證率換算為年不保證率就是0.4%。

關(guān)于季節(jié)不保證率與年不保證率的換算,在介紹1997版的ASHRAE設(shè)計(jì)手冊(cè)相比1993版相關(guān)變化的文獻(xiàn)[8]中亦明確說(shuō)明了后續(xù)ASHRAE設(shè)計(jì)手冊(cè)采用年不保證率代替季節(jié)不保證率,并給出了不同水平的保證率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,見(jiàn)表3。

表3 ASHRAE設(shè)計(jì)手冊(cè)中不保證率的變化情況

在NRC問(wèn)題單[9]中對(duì)季節(jié)不保證率使用的歷程進(jìn)行了進(jìn)一步的闡述,由于AP600最早使用了季節(jié)不保證率,后來(lái)盡管在20世紀(jì)90年代中期美國(guó)的ASHRAE等暖通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)普遍從季節(jié)不保證率調(diào)整為年不保證率,為保持一致性,AP1000仍沿用AP600中的老舊定義。

2.2 1%不保證率的統(tǒng)計(jì)方法

通過(guò)2.1節(jié)可以明確,URD中1%不保證率是季節(jié)不保證率。季節(jié)不保證率與年不保證率對(duì)于不保證率的統(tǒng)計(jì)方法基本一致,主要在于統(tǒng)計(jì)期限的差異,且2種不保證率可以進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化。以0.4%、1%、2%年不保證率為例,ASHRAE設(shè)計(jì)手冊(cè)給出了如下的定義:年不保證率0.4%、1%、2%的干球溫度或濕球溫度,就是統(tǒng)計(jì)期內(nèi)平均每年(1年按8 760 h)不保證35、88、175 h的干球溫度或濕球溫度[10]。

從上述定義可以看出,對(duì)于ASHRAE年不保證率0.4%的干球溫度,若參照GB 50019—2015中4.2節(jié)的定義,就是累年平均每年不保證35 h的干球溫度,即ASHRAE的0.4%年不保證率或URD中1%季節(jié)不保證率,可以換算為累年平均每年不保證35 h的數(shù)據(jù)。

筆者曾對(duì)ASHRAE年不保證率0.4%的干球溫度與GB 50019—2015中累年平均每年不保證50 h的干球溫度進(jìn)行了對(duì)比[11],部分?jǐn)?shù)據(jù)摘錄見(jiàn)表4。

表4 ASHRAE與GB 50019—2015中參數(shù)對(duì)比 ℃

從表4可以看出,0.4%年不保證率(平均每年不保證35 h)的干球溫度與累年平均每年不保證50 h的干球溫度十分接近,且該數(shù)據(jù)略高于累年平均每年不保證50 h的干球溫度。可見(jiàn),ASHRAE中0.4%年不保證率與GB 50019—2015累年平均每年不保證50 h的不保證水平是相當(dāng)?shù)?2種表達(dá)方式亦可以進(jìn)行等效的轉(zhuǎn)化。

2.3 0不保證率問(wèn)題

關(guān)于0不保證率,URD中注明了“去掉峰值小于2 h的歷史最高值(historical limit excluding peaks<2 hours)”,但是缺少進(jìn)一步的解釋。在AP DCD針對(duì)廠址參數(shù)的a條解釋[5]中,補(bǔ)充了持續(xù)時(shí)間的描述,即去掉持續(xù)時(shí)間小于2 h的峰值(based on historical data and exclude peaks of less than 2 hours duration)?？梢钥闯?在AP1000的設(shè)計(jì)中考慮了持續(xù)時(shí)間的影響,對(duì)于那些持續(xù)時(shí)間小于2 h的峰值數(shù)據(jù),是直接剔除了。在美國(guó)沃格特勒(Vogtle)核電廠的最終安全分析文件中[12]及NRC關(guān)于Vogtle的問(wèn)題單[13]中,對(duì)于0不保證率干球溫度,西屋公司明確指出是持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 h的干球溫度的最高值。

2.4 不保證率問(wèn)題小結(jié)

從上述研究可以看出,URD中1%不保證率實(shí)質(zhì)是季節(jié)不保證率,我國(guó)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)明確為最熱4個(gè)月(夏季)或最冷3個(gè)月(冬季),與URD的原本意圖是一致的。但是,鑒于國(guó)內(nèi)外主流的標(biāo)準(zhǔn)均已采用年不保證率的表達(dá)方式,建議在標(biāo)準(zhǔn)修編時(shí),將參數(shù)的定義由季節(jié)不保證率調(diào)整為年不保證率。

對(duì)于URD中0不保證率,我國(guó)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沿用了1%不保證率中最熱4個(gè)月(夏季)或最冷3個(gè)月(冬季)的描述,但是從URD及AP1000相關(guān)文件,可以發(fā)現(xiàn)并無(wú)要求。另外,如果是累年不保證2 h逐時(shí)干球溫度的統(tǒng)計(jì)方法,是否考慮最熱4個(gè)月(夏季)或最冷3個(gè)月(冬季),對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果是沒(méi)有差異的。

3 對(duì)應(yīng)濕球溫度問(wèn)題

NB/T 20331—2015中對(duì)應(yīng)濕球溫度采用了單點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所有濕球溫度的平均值,而GB/T 50674—2013中對(duì)應(yīng)濕球溫度的定義是不明確的。GB 50019—2015中尚無(wú)對(duì)應(yīng)濕球溫度的定義,國(guó)內(nèi)有較多針對(duì)對(duì)應(yīng)濕球溫度的相關(guān)研究基本是參考了ASHRAE中的區(qū)間平均對(duì)應(yīng)濕球溫度開(kāi)展的[14]。下面對(duì)ASHRAE區(qū)間平均對(duì)應(yīng)濕球溫度及NB/T 20331—2015的單點(diǎn)平均對(duì)應(yīng)濕球溫度進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

3.1 區(qū)間平均對(duì)應(yīng)濕球溫度

ASHRAE的平均對(duì)應(yīng)濕球溫度(MCWB)的實(shí)質(zhì)是區(qū)間平均對(duì)應(yīng)濕球溫度,就是在某個(gè)干球溫度值確定的情況下,將以這個(gè)溫度值為組距中心的一個(gè)組距區(qū)間內(nèi)的所有對(duì)應(yīng)的濕球溫度求平均值[10]。如0.4%年不保證率的干球溫度為35 ℃,在(35±0.5) ℃的這個(gè)干球溫度范圍內(nèi)存在多個(gè)空氣狀態(tài)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的濕球溫度,將這些濕球溫度取平均值就得出了對(duì)應(yīng)的平均濕球溫度。

需要注意的是,ASHRAE中的平均對(duì)應(yīng)濕球溫度是基于聯(lián)合頻率矩陣計(jì)算得出的,以干球溫度為20.5 ℃的對(duì)應(yīng)濕球溫度為例,聯(lián)合頻率矩陣給出的信息見(jiàn)表5。

表5 ASHRAE聯(lián)合頻率矩陣示例

根據(jù)表5,可以通過(guò)式(1)計(jì)算得出以干球溫度20.5 ℃為組距中心的區(qū)間平均對(duì)應(yīng)濕球溫度:

(1)

從上述聯(lián)合頻率矩陣及計(jì)算公式可以看出,這種方法可以不存儲(chǔ)具體的濕球溫度數(shù)據(jù),而只要統(tǒng)計(jì)出出現(xiàn)在某一個(gè)組距范圍內(nèi)的濕球溫度頻次即可。關(guān)于此區(qū)間平均對(duì)應(yīng)濕球溫度的詳細(xì)介紹,可以查閱文獻(xiàn)[15]。

3.2 單點(diǎn)平均對(duì)應(yīng)濕球溫度

NB/T 20331—2015中最高安全溫度對(duì)應(yīng)的濕球溫度是在干球溫度、濕球溫度的歷年資料序列中統(tǒng)計(jì)最高安全溫度所對(duì)應(yīng)的所有濕球溫度的平均值[4],為區(qū)別于ASHRAE的區(qū)間平均對(duì)應(yīng)濕球溫度,此處稱之為單點(diǎn)平均對(duì)應(yīng)濕球溫度。這種統(tǒng)計(jì)方法,若最高安全干球溫度多次出現(xiàn),那么就是將所對(duì)應(yīng)的所有濕球溫度求平均值,但是最高安全干球溫度如果只出現(xiàn)一次,那么其對(duì)應(yīng)的濕球溫度也就是唯一的。根據(jù)溫度的分布規(guī)律,在最高安全干球溫度取值較高時(shí),這個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的次數(shù)應(yīng)該是比較少的,這樣就會(huì)導(dǎo)致此對(duì)應(yīng)濕球溫度的平均值穩(wěn)定性較差,可能存在波動(dòng)。

筆者統(tǒng)計(jì)了幾個(gè)廠址的用于安全級(jí)系統(tǒng)的最高安全對(duì)應(yīng)濕球溫度(采用單點(diǎn)平均對(duì)應(yīng)濕球溫度方法)及GB 50019—2015中用于非安全級(jí)系統(tǒng)的濕球溫度數(shù)據(jù)(見(jiàn)表6),發(fā)現(xiàn)有的項(xiàng)目的單點(diǎn)平均對(duì)應(yīng)濕球溫度比GB 50019—2015得出的濕球溫度還低,意味著這些項(xiàng)目安全級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)比非安全級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)還低。這從側(cè)面說(shuō)明單點(diǎn)平均對(duì)應(yīng)濕球溫度的統(tǒng)計(jì)方法存在一定的缺陷。

表6 不同項(xiàng)目不同方法統(tǒng)計(jì)的濕球溫度 ℃

3.3 URD的對(duì)應(yīng)濕球溫度

NRC關(guān)于Vogtle的問(wèn)題單[13]中明確提出,其對(duì)應(yīng)濕球溫度(CWB)與ASHRAE中的平均對(duì)應(yīng)濕球溫度(MCWB)是不一樣的。URD的0不保證率的對(duì)應(yīng)濕球溫度是去掉持續(xù)時(shí)間少于2 h的溫度后,持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 h的干球溫度所對(duì)應(yīng)的濕球溫度的最高值。1%不保證率的對(duì)應(yīng)濕球溫度與0不保證率的對(duì)應(yīng)濕球溫度取值方法一樣,也是取對(duì)應(yīng)的濕球溫度的最高值,差異之處在于其去掉的是那些排序靠前的1%數(shù)據(jù)。顯然,AP1000中這種對(duì)應(yīng)濕球溫度的取值方法是較為保守的。

不過(guò),在上述問(wèn)題單的附件中[13],西屋公司出于保守考慮,將AP DCD最高正常溫度的對(duì)應(yīng)濕球溫度調(diào)整為與非對(duì)應(yīng)濕球溫度一致。在2008年,西屋公司針對(duì)最高安全溫度及最高正常溫度的對(duì)應(yīng)濕球溫度再次進(jìn)行了修訂[16],修訂后最高安全溫度及最高正常溫度的對(duì)應(yīng)濕球溫度與非對(duì)應(yīng)濕球溫度均一致,在最新版的AP DCD中采用與之一致的數(shù)據(jù)[5]:對(duì)于安全參數(shù),對(duì)應(yīng)濕球溫度與非對(duì)應(yīng)濕球溫度均為30.0 ℃(86.1 ℉);對(duì)于正常參數(shù),對(duì)應(yīng)濕球溫度與非對(duì)應(yīng)濕球溫度均為26.7 ℃(80.1 ℉)。

3.4 對(duì)應(yīng)濕球溫度問(wèn)題小結(jié)

從前述不同標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)中對(duì)應(yīng)濕球溫度的定義可以看出,URD中對(duì)應(yīng)濕球溫度與普遍理解的平均對(duì)應(yīng)濕球溫度有較大差異,其對(duì)應(yīng)濕球溫度既不是單點(diǎn)平均對(duì)應(yīng)濕球溫度,也不是區(qū)間平均對(duì)應(yīng)濕球溫度,而是在獲得某個(gè)范圍內(nèi)的干球溫度后,取其所有對(duì)應(yīng)濕球溫度的最高值。在后續(xù)的演進(jìn)中,西屋公司調(diào)整了對(duì)應(yīng)濕球溫度的統(tǒng)計(jì)方法,采取了非對(duì)應(yīng)濕球溫度的統(tǒng)計(jì)方法,數(shù)值最終與非對(duì)應(yīng)濕球溫度保持了一致。

4 結(jié)論

本文對(duì)URD標(biāo)準(zhǔn)中的室外空氣計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了溯源研究。通過(guò)研究,明確了以下幾點(diǎn):

1) URD標(biāo)準(zhǔn)中的1%不保證率是基于老舊的季節(jié)不保證率,美國(guó)其他標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)調(diào)整為新的年不保證率,1%季節(jié)不保證率可以轉(zhuǎn)化為0.4%年不保證率;對(duì)于ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中的年不保證率,也可以等效轉(zhuǎn)化為GB 50019—2015標(biāo)準(zhǔn)中的累年平均每年不保證的小時(shí)數(shù)。

2) URD標(biāo)準(zhǔn)中的0不保證率,考慮了持續(xù)時(shí)間的影響,其實(shí)質(zhì)是持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 h的干球溫度的最高值。

3) 關(guān)于URD中對(duì)應(yīng)濕球溫度,實(shí)質(zhì)為所有對(duì)應(yīng)濕球溫度的最高值,與ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中區(qū)間對(duì)應(yīng)平均濕球溫度及NB/T 20331—2015中的單點(diǎn)對(duì)應(yīng)平均濕球溫度均不同;在后續(xù)的演進(jìn)中,AP DCD中對(duì)于對(duì)應(yīng)濕球溫度的統(tǒng)計(jì)方法,最終與非對(duì)應(yīng)濕球溫度保持了一致。