核设施厂房通风系统设计研究

杨少东，赵洲，尹俊植，侯京婧，李昂

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

1 引言

在核设施生产活动过程中，会存在放射性污染物泄漏的风险，构成一个气密性封闭物理空间是防止微粒或气态物质泄漏最有效的办法。但是在工程上，由于设备转运及检修、维护、物料输运及人员出入口等需要，会存在一些结构缝，绝对的物理密封壳体是不需要的，也是不可行的。这就要求厂房通风系统作为核设施安全壳整体中的一部分，共同组成工艺生产流程。通风系统通过保持物理密封屏障内、外的负压差，形成动态密封屏障，为物理密封屏障（静态密封屏障）提供辅助支撑，达到核设施厂房更完善的密封屏障效果。建立在负压梯度基础上的通风系统是核设施物理密封屏障的补充，通风系统设计时，应将最大负压区设置在放射性潜在污染最高的区域，以便在发生泄漏时，保证气流从低污染区流向高污染区。综上，通风密封系统和将内部密封空间完全包围环绕起来的房间或建筑物组合在一起，构成一个完整的密封系统，并保持其密封功能。

核设施厂房通风系统风量大小直接决定了核设施厂房体积及运行成本，传统核设施厂房采用全新风直流系统，通风系统管道庞大，风机及过滤净化设备数量多、造价高，运行期间能耗高。随着社会发展，特别是在我国积极应对气候变化，在“碳达峰、碳中和”双碳战略目标背景下，核设施厂房全新风直流式系统慢慢显示出其设计规模大、造价及运行能耗高的弊端，如何降低核设施厂房通风系统风量已成为核工业科技工作者备受关注的研究热点问题之一。

负压控制是核设施厂房通风系统设计的核心，正确的气流流向是最为重要的安全措施，其保证了核设施厂房内空气流动方向顺序地由非污染区到污染区，由低污染区到高污染区，最终目标是最大限度的减少放射性物质向操作区及环境的泄漏，将放射性物质密封在该放射性区域。

通风系统作为核设施厂房安全壳整体中的一部分时，通风系统设计是非常复杂的。本文就核设施厂房通风系统设计，从通风量计算、负压控制以及通风系统基本配置逐一进行介绍，旨在为工程设计人员提供参考和借鉴。

2 核设施厂房通风量计算方法

核设施室内房间负压通风量计算方法一般有缝隙漏风量法、换气次数法、排除余热余湿法及稀释有害物质法。

2.1 缝隙漏风量法

按保持内部负压，通过结构缝隙渗入的空气量计算法。计算公式可参考通常参考加压送风系统漏风量计算方法：

式中，Lm为维持压差所需的风量，m3/h；A 为漏风面积，m3；ΔP 为静压差，Pa。

核设施厂房因辐射防护安全需要，墙体均采用钢筋混凝土浇筑而成，厚度普遍在600～1000mm，所有穿墙管线孔洞均采用高密度硅酮进行严密封堵，所以理论上通过维护结构渗漏的风量非常小。

核设施室内房间按照该区域操作放射性物料的放射性危害程度进行分级，从高到低分别为红区、橙区、绿区以及白区。红区的特点是在正常操作或事故工况下，都必须防止放射性物质在厂房内部扩散和泄漏到厂房外面去。橙区属于放射性设备和管道等的维修区域，本区人员是不经常停留的，当需要进行检修时，工作人员必须得到允许，才能进入从事检修工作。绿区是工作人员经常停留的，一般是安全的。白区属于非放射性工作区，一般来说进入白区的工作人员不需要更换工作服。

根据核燃料后处理厂通风与空气净化设计规定，

（1）绿区应对相邻白区保持约10～20Pa 的负压；

（2）橙区与绿区的压差应保持20～30Pa 的负压；

（3）红区内的负压值应确保通过任何孔洞和缝隙流向红区气流的平均风速不小于1.0m/s。

2.2 换气次数法

按照核设施房间内具体潜在污染性水平及功能选取换气次数，计算负压通风量。目前大部分核设施厂房基于此方法设计，但对于大空间、情况复杂的场所，计算风量往往巨大，造成风管设计占据大量空间，且通风系统造价及运行成本显著增加。另外，在具有潜在气载放射性的区域，增加换气次数不一定能显著降低操作人员所在局部的气载放射性水平；且应该避免过大的通风量，否则会引起污染物再悬浮，从而提高气载放射性水平，但加大通风量能降低整个区域的平均污染浓度。

2.3 排除余热余湿法

核设施内某些工艺性房间在生产活动过程中，会产生大量余热及余湿，根据消除余热余湿计算方法时，换气量按其在最大值取。

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2.4 稀释有害物质法

对于散发爆炸性气体的设备室，应按将爆炸性气体冲淡到爆炸下限浓度的25%，核算换气量。如室内同时散发几种有害物质时，换气量按其中最大值取。但当数种溶剂（苯及其同系物、醇类或醋酸酯类）的蒸汽或数种刺激性气体（三氧化硫及二氧化硫或氟化氢及其盐类等）同时在室内散发时，换气量按稀释各有害气体所需换气量的总和计算。

3 室内负压控制方式

负压控制是核设施厂房通风系统设计的核心，不同区域之间要维持一定负压，以便在正常和异常工况下，保证在孔洞或事故开口处吸入气流不低于规定平均风速。核设施室内负压控制方式常见的有直接压力控制、余风量控制、自适应风量控制及余压阀控制4 种方式。

3.1 直接压力控制

直接压力控制，也叫直接压差控制。直接压力控制策略是通过测量房间室内压力与压力参照区域的压差并和给定值进行比较，通过调节进入和或排出房间的风量维持受控区域的压差。其优点是控制系统逻辑简单，可以精确控制受控区域与压力参照区域的压差，其难点在于：在房间开门时如何保持压差；如何找到合适的压力传感器安装位置并持续稳定的测量压力以及如何保持压力传感器的准确性。

夏本明在实验室直接压差控制研究中指出，通过借助门磁开关来协助控制系统在开门时过滤压差反馈或延迟变风量阀的响应时间，可应对房间开门所引起的房间压力波动问题。压力传感器测点应布置在人为扰动少的区域，具体可通过CFD 数值模拟软件研究房间压力变化特性，以此确定传感器布置最佳位置及数量。

3.2 余风量控制

余风量控制方法，也叫风量追踪控制。余风量指的是室内送风量与排风量差值，室内负压就是通过排风量大于送风量以维持负压状态，为维持室内风量平衡，其余风量则通过维护结构渗漏进风量满足。对于核设施厂房而言，只要房间送风量小于排风量，即可实现房间负压状态。余风量控制方法通过既测量排风量又测量送风量，并控制二者差值以保持所需的压差，由于其很好的解决了由于房间开门所带来的压力波动问题已成为房间压差设计中较为普遍采用的控制方式。

但由于其仅仅是理论保持房间负压并非实际测量，其对于危险性较大的房间压差控制并非最优方案。另外，余风量控制设计中，余风量需通过缝隙法和换气次数法进行计算和复核，但其需大于阀门测量风量的精度及控制系统的控制误差，以防止出现压差逆转导致气流逆流现象的发生。

3.3 自适应余风量控制

3.4 余压阀控制

余压阀是一种单向开启的风量调节装置，按静压差来调整开启度，用重锤的位置来平衡风压。一般用于洁净空调和有特殊负压（正压）要求的场合。对于核设施厂房，余压阀一般用于中低放设备室进风、防烟楼梯间及前室。其一般安装于需要维持压差的2 个空间的隔墙上，通过调整阀上重块或预制定型压差，使之达到设定的压差时打开，最大压差时全开，排除一定风量后达到平衡，压差降低到最小压差后关闭。余压阀因其调节方便、外观美观且不消耗能源已被广泛应用，当然余压阀尺寸一般较大，通风量有限，也不方便安装，且容易受外界环境如锈蚀、积尘、变形等影响而失去作用。

4 通风系统基本配置

从前述章节介绍可知，核设施室内房间按照该区域操作放射性物料的放射性危害程度进行分级，从高到低分别为红区、橙区、绿区以及白区。各区排风应各自组成独立的系统，且不同净化要求的系统不应合并为一个系统。下面对各分区通风系统（含过滤装置）基本配置进行说明。

4.1 排风系统

白区即为无污染区，其房间送排风可按照GB50019《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》进行设计。排风无需经过过滤可就地排放。

绿区在正常情况下无表面污染，只有在例外的情况下会产生，但是可接受轻微污染。典型的绿区通风系统（含过滤装置）原理图见图1 所示，值得注意的是，绿区排风时，需由建筑物顶部排放，排出口的高度应高于附近50m 内最高建筑物3m，出口不应安装伞形或其他可能明显改变出口气流方向的风帽。

图1 绿区通风系统（含过滤装置）原理图

橙区房间内部有一定程度的表面污染，但在正常情况下无气载污染，在某些事故情况下会造成潜在表面污染或气载污染，因而需采取适当的控制措施。橙区排风需设置一级净化，高效过滤净化装置N 用1 备，风机按照2×50%设置。橙区进风由室外新风经一级过滤进入，典型的橙区通风系统（含过滤装置）原理图见图2。

图2 橙区通风系统（含过滤装置）原理图

对于红区房间来说，无论是常态或事故状态下都受到严重污染，当人员进入时必须配备适当的防护装备。红区排风一般设置两级净化，红区房间出口就地设置一级净化，第二级集中设置于过滤器间；如果对于放射性污染程度更高的红区房间，第一级净化需采用带屏蔽高效过滤装置，第一级高效过滤净化装置可设置旁通管，第二级净化装置N 用1 备，风机按照2×100%设置。红区进风一般由其他区转送，对于中高放设备室红区进风须经高效过滤器进入，对于低放设备室进风，可经余压阀进入，典型的红区通风系统（含过滤装置）原理图见图3。

图3 红区通风系统（含过滤装置）原理图

橙区排风及红区排风最后通过整个厂区地下排风管沟汇总到排风烟囱进行高空排放。排风烟囱应设在核设施厂区常年主导风向的下风向，并且尽量靠近排风负荷中心。排风烟囱的高度需经计算或大气扩散试验和技术经济比较确定。

4.2 进风系统

核设施厂区一般设置集中进风中心，通过对送风进行集中处理（除尘、加热、水洗、过滤等）然后输送至各厂房。

5 结语

在核设施中，通风系统是生产流程的重要组成部分，除了具有提供可接受工作环境的作用以外，其还承担动态包容及封闭、空气过滤净化重要功能，用于保护环境和操作人员免受空气中含有的放射性微尘、放射性气溶胶和放射性气体的危害，是防止放射性气载污染物向环境扩散的有效方法。当通风系统作为核设施厂房安全壳整体中的一部分时，通风系统设计是非常复杂的。这其中包括通风量计算、房间负压设计及通风系统配置。本文就核设施厂房通风系统设计中通风量计算、负压控制以及通风系统基本配置进行了逐一概括，旨在为工程设计人员提供参考和借鉴。