关于美国URD标准中室外空气计算参数的探讨

刘 超 王军民 张 峰

(深圳中广核工程设计有限公司,深圳)

0 引言

在我国,对于一般的工业建筑,暖通系统使用的室外空气计算参数在GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》[1]的4.2节中有着明确清晰的规定。对于核电厂这一特殊工业建筑,国内存在多种引进技术路线,在“引进-消化-吸收”过程中,特别是核岛暖通系统,由于涉及核电厂安全功能,其所使用的室外空气计算参数不可避免地使用、借鉴了原引进国的相关要求。如GB/T 50674—2013《核电厂工程气象技术规范》5.7.2节的安全参数及正常参数相关条款[2],便来源于美国用户要求文件(URD)标准[3]79。而NB/T 20331—2015《核电厂设计厂址参数技术规定》[4],则基于国内非能动(AP1000)和能动(CEPR)三代电厂的设计经验,分别给出了2套参数,对于非能动机组的参数,也是依据URD标准编制的。对比URD原文及国内上述2个标准[2,4],发现对于室外空气计算参数的定义还存在较多不一致之处,且对于这些标准条款,国内在编制时并无详细的条文说明进行解释,导致设计人员在使用时出现了一些分歧和困惑。为便于设计人员更好地理解URD中室外空气计算参数的内涵,笔者对URD标准中的几个问题进行了溯源研究,以期厘清概念,统一认识,便于在设计时更好地选用空气计算参数,用于核岛暖通系统设计。

1 美国用户要求文件(URD)

1.1 URD参数介绍

美国用户要求文件(URD)是由美国电力研究所(EPRI)在美国核管会(NRC)的支持下制定的一套用于轻水堆的设计导向性文件。1990年发布了第1版完整的URD;2014年12月,包括小堆要求在内的URD第13版发布。URD中给出了0、1%及5%不保证率3挡参数,并给出了包络的设计温度参数,见表1[3]79。

表1 URD中设计温度要求

URD中对于不同类型的暖通系统所应采用的室外空气计算温度进行了规定,如核安全相关的暖通系统应采用不保证0的值进行设计,但是URD中并未对上述参数的定义进行说明[3]92。

1.2 URD参数待明确的几个问题

在AP1000的实际工程设计时,一般仅使用了0不保证率和1%不保证率2挡参数,前者一般被称为安全参数,后者一般被称为正常参数[5]。国内在编制核电厂暖通系统使用的气象参数标准时,均参考了URD中安全与正常2类参数的定义。

表2摘录了我国GB/T 50674—2013、NB/T 20331—2015标准中关于夏季使用的安全参数和正常参数的定义及URD中相应参数的定义。

表2 不同标准中夏季最高安全及正常参数的定义

从表2可以看出,由于URD标准中对于相关参数并未进行详细的解释说明,导致我国标准中对于这些参数的解读存在一些分歧,主要包括以下几个方面。

1) 不保证率问题。

目前国际上主流的ASHRAE标准[6]、美国核管会出版物(NUREG)[7]及我国的GB 50019—2015标准[1],均是采用年不保证率(如0.4%、1%年不保证率)或类似年不保证率的累年平均每年不保证50 h,但是URD标准原文中对于不保证率并未明确是年不保证率还是其他水平的不保证率。在我国标准编制时,转化为最热4个月或最冷3个月的不保证率,类似季节不保证率的水平。URD中不保证率是如何统计的,为何还维持类似季节不保证率的描述方式,是否有特殊考虑,有待研究明确。

2) 对应湿球温度问题。

GB 50019—2015中尚无对应湿球温度的定义,从NB/T 20331—2015中的定义看,采用了单点对应的所有湿球温度的平均值。ASHRAE标准[6]提到的平均对应湿球温度(MCWB)与URD中对应湿球温度(CWB)是否内涵一致,有待进一步研究确认。此外,URD中的对应湿球温度是单点的对应湿球温度还是区间的对应湿球温度,是取所对应的湿球温度的平均值还是取所对应的湿球温度的最大值,也是不明确的。

针对上述问题,下面逐一进行讨论。

2 不保证率问题

2.1 1%不保证率问题

AP1000的设计控制文件(design control document,简称AP DCD)中针对厂址参数的b条[5],有如下解释:1%不保证率是季节不保证率,而不是年不保证率。对于北半球,夏季是6—9月这4个月,而冬季是12月到次年2月这3个月。对于1%的季节不保证率换算为年不保证率就是0.4%。

关于季节不保证率与年不保证率的换算,在介绍1997版的ASHRAE设计手册相比1993版相关变化的文献[8]中亦明确说明了后续ASHRAE设计手册采用年不保证率代替季节不保证率,并给出了不同水平的保证率之间的对应关系,见表3。

表3 ASHRAE设计手册中不保证率的变化情况

在NRC问题单[9]中对季节不保证率使用的历程进行了进一步的阐述,由于AP600最早使用了季节不保证率,后来尽管在20世纪90年代中期美国的ASHRAE等暖通行业标准普遍从季节不保证率调整为年不保证率,为保持一致性,AP1000仍沿用AP600中的老旧定义。

2.2 1%不保证率的统计方法

通过2.1节可以明确,URD中1%不保证率是季节不保证率。季节不保证率与年不保证率对于不保证率的统计方法基本一致,主要在于统计期限的差异,且2种不保证率可以进行相应的转化。以0.4%、1%、2%年不保证率为例,ASHRAE设计手册给出了如下的定义:年不保证率0.4%、1%、2%的干球温度或湿球温度,就是统计期内平均每年(1年按8 760 h)不保证35、88、175 h的干球温度或湿球温度[10]。

从上述定义可以看出,对于ASHRAE年不保证率0.4%的干球温度,若参照GB 50019—2015中4.2节的定义,就是累年平均每年不保证35 h的干球温度,即ASHRAE的0.4%年不保证率或URD中1%季节不保证率,可以换算为累年平均每年不保证35 h的数据。

笔者曾对ASHRAE年不保证率0.4%的干球温度与GB 50019—2015中累年平均每年不保证50 h的干球温度进行了对比[11],部分数据摘录见表4。

表4 ASHRAE与GB 50019—2015中参数对比 ℃

从表4可以看出,0.4%年不保证率(平均每年不保证35 h)的干球温度与累年平均每年不保证50 h的干球温度十分接近,且该数据略高于累年平均每年不保证50 h的干球温度。可见,ASHRAE中0.4%年不保证率与GB 50019—2015累年平均每年不保证50 h的不保证水平是相当的,2种表达方式亦可以进行等效的转化。

2.3 0不保证率问题

关于0不保证率,URD中注明了“去掉峰值小于2 h的历史最高值(historical limit excluding peaks<2 hours)”,但是缺少进一步的解释。在AP DCD针对厂址参数的a条解释[5]中,补充了持续时间的描述,即去掉持续时间小于2 h的峰值(based on historical data and exclude peaks of less than 2 hours duration)。可以看出,在AP1000的设计中考虑了持续时间的影响,对于那些持续时间小于2 h的峰值数据,是直接剔除了。在美国沃格特勒(Vogtle)核电厂的最终安全分析文件中[12]及NRC关于Vogtle的问题单[13]中,对于0不保证率干球温度,西屋公司明确指出是持续时间超过2 h的干球温度的最高值。

2.4 不保证率问题小结

从上述研究可以看出,URD中1%不保证率实质是季节不保证率,我国2个标准明确为最热4个月(夏季)或最冷3个月(冬季),与URD的原本意图是一致的。但是,鉴于国内外主流的标准均已采用年不保证率的表达方式,建议在标准修编时,将参数的定义由季节不保证率调整为年不保证率。

对于URD中0不保证率,我国2个标准沿用了1%不保证率中最热4个月(夏季)或最冷3个月(冬季)的描述,但是从URD及AP1000相关文件,可以发现并无要求。另外,如果是累年不保证2 h逐时干球温度的统计方法,是否考虑最热4个月(夏季)或最冷3个月(冬季),对统计结果是没有差异的。

3 对应湿球温度问题

NB/T 20331—2015中对应湿球温度采用了单点对应的所有湿球温度的平均值,而GB/T 50674—2013中对应湿球温度的定义是不明确的。GB 50019—2015中尚无对应湿球温度的定义,国内有较多针对对应湿球温度的相关研究基本是参考了ASHRAE中的区间平均对应湿球温度开展的[14]。下面对ASHRAE区间平均对应湿球温度及NB/T 20331—2015的单点平均对应湿球温度进行简要介绍。

3.1 区间平均对应湿球温度

ASHRAE的平均对应湿球温度(MCWB)的实质是区间平均对应湿球温度,就是在某个干球温度值确定的情况下,将以这个温度值为组距中心的一个组距区间内的所有对应的湿球温度求平均值[10]。如0.4%年不保证率的干球温度为35 ℃,在(35±0.5) ℃的这个干球温度范围内存在多个空气状态点,每个点会有一个对应的湿球温度,将这些湿球温度取平均值就得出了对应的平均湿球温度。

需要注意的是,ASHRAE中的平均对应湿球温度是基于联合频率矩阵计算得出的,以干球温度为20.5 ℃的对应湿球温度为例,联合频率矩阵给出的信息见表5。

表5 ASHRAE联合频率矩阵示例

根据表5,可以通过式(1)计算得出以干球温度20.5 ℃为组距中心的区间平均对应湿球温度:

(1)

从上述联合频率矩阵及计算公式可以看出,这种方法可以不存储具体的湿球温度数据,而只要统计出出现在某一个组距范围内的湿球温度频次即可。关于此区间平均对应湿球温度的详细介绍,可以查阅文献[15]。

3.2 单点平均对应湿球温度

NB/T 20331—2015中最高安全温度对应的湿球温度是在干球温度、湿球温度的历年资料序列中统计最高安全温度所对应的所有湿球温度的平均值[4],为区别于ASHRAE的区间平均对应湿球温度,此处称之为单点平均对应湿球温度。这种统计方法,若最高安全干球温度多次出现,那么就是将所对应的所有湿球温度求平均值,但是最高安全干球温度如果只出现一次,那么其对应的湿球温度也就是唯一的。根据温度的分布规律,在最高安全干球温度取值较高时,这个数据出现的次数应该是比较少的,这样就会导致此对应湿球温度的平均值稳定性较差,可能存在波动。

笔者统计了几个厂址的用于安全级系统的最高安全对应湿球温度(采用单点平均对应湿球温度方法)及GB 50019—2015中用于非安全级系统的湿球温度数据(见表6),发现有的项目的单点平均对应湿球温度比GB 50019—2015得出的湿球温度还低,意味着这些项目安全级系统的设计基准比非安全级系统的设计基准还低。这从侧面说明单点平均对应湿球温度的统计方法存在一定的缺陷。

表6 不同项目不同方法统计的湿球温度 ℃

3.3 URD的对应湿球温度

NRC关于Vogtle的问题单[13]中明确提出,其对应湿球温度(CWB)与ASHRAE中的平均对应湿球温度(MCWB)是不一样的。URD的0不保证率的对应湿球温度是去掉持续时间少于2 h的温度后,持续时间超过2 h的干球温度所对应的湿球温度的最高值。1%不保证率的对应湿球温度与0不保证率的对应湿球温度取值方法一样,也是取对应的湿球温度的最高值,差异之处在于其去掉的是那些排序靠前的1%数据。显然,AP1000中这种对应湿球温度的取值方法是较为保守的。

不过,在上述问题单的附件中[13],西屋公司出于保守考虑,将AP DCD最高正常温度的对应湿球温度调整为与非对应湿球温度一致。在2008年,西屋公司针对最高安全温度及最高正常温度的对应湿球温度再次进行了修订[16],修订后最高安全温度及最高正常温度的对应湿球温度与非对应湿球温度均一致,在最新版的AP DCD中采用与之一致的数据[5]:对于安全参数,对应湿球温度与非对应湿球温度均为30.0 ℃(86.1 ℉);对于正常参数,对应湿球温度与非对应湿球温度均为26.7 ℃(80.1 ℉)。

3.4 对应湿球温度问题小结

从前述不同标准文献中对应湿球温度的定义可以看出,URD中对应湿球温度与普遍理解的平均对应湿球温度有较大差异,其对应湿球温度既不是单点平均对应湿球温度,也不是区间平均对应湿球温度,而是在获得某个范围内的干球温度后,取其所有对应湿球温度的最高值。在后续的演进中,西屋公司调整了对应湿球温度的统计方法,采取了非对应湿球温度的统计方法,数值最终与非对应湿球温度保持了一致。

4 结论

本文对URD标准中的室外空气计算参数进行了溯源研究。通过研究,明确了以下几点:

1) URD标准中的1%不保证率是基于老旧的季节不保证率,美国其他标准已经调整为新的年不保证率,1%季节不保证率可以转化为0.4%年不保证率;对于ASHRAE标准中的年不保证率,也可以等效转化为GB 50019—2015标准中的累年平均每年不保证的小时数。

2) URD标准中的0不保证率,考虑了持续时间的影响,其实质是持续时间超过2 h的干球温度的最高值。

3) 关于URD中对应湿球温度,实质为所有对应湿球温度的最高值,与ASHRAE标准中区间对应平均湿球温度及NB/T 20331—2015中的单点对应平均湿球温度均不同;在后续的演进中,AP DCD中对于对应湿球温度的统计方法,最终与非对应湿球温度保持了一致。