關(guān)于美國URD標準中室外空氣計算參數(shù)的探討

劉 超 王軍民 張 峰

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司,深圳)

0 引言

在我國,對于一般的工業(yè)建筑,暖通系統(tǒng)使用的室外空氣計算參數(shù)在GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[1]的4.2節(jié)中有著明確清晰的規(guī)定。對于核電廠這一特殊工業(yè)建筑,國內(nèi)存在多種引進技術(shù)路線,在“引進-消化-吸收”過程中,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算參數(shù)不可避免地使用、借鑒了原引進國的相關(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],便來源于美國用戶要求文件(URD)標準[3]79。而NB/T 20331—2015《核電廠設(shè)計廠址參數(shù)技術(shù)規(guī)定》[4],則基于國內(nèi)非能動(AP1000)和能動(CEPR)三代電廠的設(shè)計經(jīng)驗,分別給出了2套參數(shù),對于非能動機組的參數(shù),也是依據(jù)URD標準編制的。對比URD原文及國內(nèi)上述2個標準[2,4],發(fā)現(xiàn)對于室外空氣計算參數(shù)的定義還存在較多不一致之處,且對于這些標準條款,國內(nèi)在編制時并無詳細的條文說明進行解釋,導(dǎo)致設(shè)計人員在使用時出現(xiàn)了一些分歧和困惑。為便于設(shè)計人員更好地理解URD中室外空氣計算參數(shù)的內(nèi)涵,筆者對URD標準中的幾個問題進行了溯源研究,以期厘清概念,統(tǒng)一認識,便于在設(shè)計時更好地選用空氣計算參數(shù),用于核島暖通系統(tǒng)設(shè)計。

1 美國用戶要求文件(URD)

1.1 URD參數(shù)介紹

美國用戶要求文件(URD)是由美國電力研究所(EPRI)在美國核管會(NRC)的支持下制定的一套用于輕水堆的設(shè)計導(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)計溫度參數(shù),見表1[3]79。

表1 URD中設(shè)計溫度要求

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

1.2 URD參數(shù)待明確的幾個問題

在AP1000的實際工程設(shè)計時,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]。國內(nèi)在編制核電廠暖通系統(tǒng)使用的氣象參數(shù)標準時,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GB/T 50674—2013、NB/T 20331—2015標準中關(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 不同標準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標準中對于相關(guān)參數(shù)并未進行詳細的解釋說明,導(dǎo)致我國標準中對于這些參數(shù)的解讀存在一些分歧,主要包括以下幾個方面。

1) 不保證率問題。

目前國際上主流的ASHRAE標準[6]、美國核管會出版物(NUREG)[7]及我國的GB 50019—2015標準[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標準原文中對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。在我國標準編制時,轉(zhuǎn)化為最熱4個月或最冷3個月的不保證率,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) 對應(yīng)濕球溫度問題。

GB 50019—2015中尚無對應(yīng)濕球溫度的定義,從NB/T 20331—2015中的定義看,采用了單點對應(yīng)的所有濕球溫度的平均值。ASHRAE標準[6]提到的平均對應(yīng)濕球溫度(MCWB)與URD中對應(yīng)濕球溫度(CWB)是否內(nèi)涵一致,有待進一步研究確認。此外,URD中的對應(yīng)濕球溫度是單點的對應(yīng)濕球溫度還是區(qū)間的對應(yīng)濕球溫度,是取所對應(yīng)的濕球溫度的平均值還是取所對應(yīng)的濕球溫度的最大值,也是不明確的。

針對上述問題,下面逐一進行討論。

2 不保證率問題

2.1 1%不保證率問題

AP1000的設(shè)計控制文件(design control document,簡稱AP DCD)中針對廠址參數(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。對于北半球,夏季是6—9月這4個月,而冬季是12月到次年2月這3個月。對于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)計手冊相比1993版相關(guān)變化的文獻[8]中亦明確說明了后續(xù)ASHRAE設(shè)計手冊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應(yīng)關(guān)系,見表3。

表3 ASHRAE設(shè)計手冊中不保證率的變化情況

在NRC問題單[9]中對季節(jié)不保證率使用的歷程進行了進一步的闡述,由于AP600最早使用了季節(jié)不保證率,后來盡管在20世紀90年代中期美國的ASHRAE等暖通行業(yè)標準普遍從季節(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)計方法

通過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于不保證率的統(tǒng)計方法基本一致,主要在于統(tǒng)計期限的差異,且2種不保證率可以進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化。以0.4%、1%、2%年不保證率為例,ASHRAE設(shè)計手冊給出了如下的定義: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的干球溫度進行了對比[11],部分數(shù)據(jù)摘錄見表4。

表4 ASHRAE與GB 50019—2015中參數(shù)對比 ℃

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?？梢?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?shù)?2種表達方式亦可以進行等效的轉(zhuǎn)化。

2.3 0不保證率問題

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)”,但是缺少進一步的解釋。在AP DCD針對廠址參數(shù)的a條解釋[5]中,補充了持續(xù)時間的描述,即去掉持續(xù)時間小于2 h的峰值(based on historical data and exclude peaks of less than 2 hours duration)。可以看出,在AP1000的設(shè)計中考慮了持續(xù)時間的影響,對于那些持續(xù)時間小于2 h的峰值數(shù)據(jù),是直接剔除了。在美國沃格特勒(Vogtle)核電廠的最終安全分析文件中[12]及NRC關(guān)于Vogtle的問題單[13]中,對于0不保證率干球溫度,西屋公司明確指出是持續(xù)時間超過2 h的干球溫度的最高值。

2.4 不保證率問題小結(jié)

從上述研究可以看出,URD中1%不保證率實質(zhì)是季節(jié)不保證率,我國2個標準明確為最熱4個月(夏季)或最冷3個月(冬季),與URD的原本意圖是一致的。但是,鑒于國內(nèi)外主流的標準均已采用年不保證率的表達方式,建議在標準修編時,將參數(shù)的定義由季節(jié)不保證率調(diào)整為年不保證率。

對于URD中0不保證率,我國2個標準沿用了1%不保證率中最熱4個月(夏季)或最冷3個月(冬季)的描述,但是從URD及AP1000相關(guān)文件,可以發(fā)現(xiàn)并無要求。另外,如果是累年不保證2 h逐時干球溫度的統(tǒng)計方法,是否考慮最熱4個月(夏季)或最冷3個月(冬季),對統(tǒng)計結(jié)果是沒有差異的。

3 對應(yīng)濕球溫度問題

NB/T 20331—2015中對應(yīng)濕球溫度采用了單點對應(yīng)的所有濕球溫度的平均值,而GB/T 50674—2013中對應(yīng)濕球溫度的定義是不明確的。GB 50019—2015中尚無對應(yīng)濕球溫度的定義,國內(nèi)有較多針對對應(yīng)濕球溫度的相關(guān)研究基本是參考了ASHRAE中的區(qū)間平均對應(yīng)濕球溫度開展的[14]。下面對ASHRAE區(qū)間平均對應(yīng)濕球溫度及NB/T 20331—2015的單點平均對應(yīng)濕球溫度進行簡要介紹。

3.1 區(qū)間平均對應(yīng)濕球溫度

ASHRAE的平均對應(yīng)濕球溫度(MCWB)的實質(zhì)是區(qū)間平均對應(yīng)濕球溫度,就是在某個干球溫度值確定的情況下,將以這個溫度值為組距中心的一個組距區(qū)間內(nèi)的所有對應(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) ℃的這個干球溫度范圍內(nèi)存在多個空氣狀態(tài)點,每個點會有一個對應(yīng)的濕球溫度,將這些濕球溫度取平均值就得出了對應(yīng)的平均濕球溫度。

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

表5 ASHRAE聯(lián)合頻率矩陣示例

根據(jù)表5,可以通過式(1)計算得出以干球溫度20.5 ℃為組距中心的區(qū)間平均對應(yīng)濕球溫度:

(1)

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

3.2 單點平均對應(yīng)濕球溫度

NB/T 20331—2015中最高安全溫度對應(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)計最高安全溫度所對應(yīng)的所有濕球溫度的平均值[4],為區(qū)別于ASHRAE的區(qū)間平均對應(yīng)濕球溫度,此處稱之為單點平均對應(yīng)濕球溫度。這種統(tǒng)計方法,若最高安全干球溫度多次出現(xiàn),那么就是將所對應(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,這個數(shù)據(jù)出現(xiàn)的次數(shù)應(yīng)該是比較少的,這樣就會導(dǎo)致此對應(yīng)濕球溫度的平均值穩(wěn)定性較差,可能存在波動。

筆者統(tǒng)計了幾個廠址的用于安全級系統(tǒng)的最高安全對應(yīng)濕球溫度(采用單點平均對應(yīng)濕球溫度方法)及GB 50019—2015中用于非安全級系統(tǒng)的濕球溫度數(shù)據(jù)(見表6),發(fā)現(xiàn)有的項目的單點平均對應(yīng)濕球溫度比GB 50019—2015得出的濕球溫度還低,意味著這些項目安全級系統(tǒng)的設(shè)計基準比非安全級系統(tǒng)的設(shè)計基準還低。這從側(cè)面說明單點平均對應(yīng)濕球溫度的統(tǒng)計方法存在一定的缺陷。

表6 不同項目不同方法統(tǒng)計的濕球溫度 ℃

3.3 URD的對應(yīng)濕球溫度

NRC關(guān)于Vogtle的問題單[13]中明確提出,其對應(yīng)濕球溫度(CWB)與ASHRAE中的平均對應(yīng)濕球溫度(MCWB)是不一樣的。URD的0不保證率的對應(yīng)濕球溫度是去掉持續(xù)時間少于2 h的溫度后,持續(xù)時間超過2 h的干球溫度所對應(yīng)的濕球溫度的最高值。1%不保證率的對應(yīng)濕球溫度與0不保證率的對應(yīng)濕球溫度取值方法一樣,也是取對應(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中這種對應(yīng)濕球溫度的取值方法是較為保守的。

不過,在上述問題單的附件中[13],西屋公司出于保守考慮,將AP DCD最高正常溫度的對應(yīng)濕球溫度調(diào)整為與非對應(yīng)濕球溫度一致。在2008年,西屋公司針對最高安全溫度及最高正常溫度的對應(yīng)濕球溫度再次進行了修訂[16],修訂后最高安全溫度及最高正常溫度的對應(yīng)濕球溫度與非對應(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]:對于安全參數(shù),對應(yīng)濕球溫度與非對應(yīng)濕球溫度均為30.0 ℃(86.1 ℉);對于正常參數(shù),對應(yīng)濕球溫度與非對應(yīng)濕球溫度均為26.7 ℃(80.1 ℉)。

3.4 對應(yīng)濕球溫度問題小結(jié)

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

4 結(jié)論

本文對URD標準中的室外空氣計算參數(shù)進行了溯源研究。通過研究,明確了以下幾點:

1) URD標準中的1%不保證率是基于老舊的季節(jié)不保證率,美國其他標準已經(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;對于ASHRAE標準中的年不保證率,也可以等效轉(zhuǎn)化為GB 50019—2015標準中的累年平均每年不保證的小時數(shù)。

2) URD標準中的0不保證率,考慮了持續(xù)時間的影響,其實質(zhì)是持續(xù)時間超過2 h的干球溫度的最高值。

3) 關(guān)于URD中對應(yīng)濕球溫度,實質(zhì)為所有對應(yīng)濕球溫度的最高值,與ASHRAE標準中區(qū)間對應(yīng)平均濕球溫度及NB/T 20331—2015中的單點對應(yīng)平均濕球溫度均不同;在后續(xù)的演進中,AP DCD中對于對應(yīng)濕球溫度的統(tǒng)計方法,最終與非對應(yīng)濕球溫度保持了一致。