核電廠地下廊道的防凍研究范文

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《建筑熱能通風(fēng)空調(diào)雜志》2014年第三期

1土壤物性參數(shù)

土壤溫度受地表溫度年周期和日周期性變化影響，而發(fā)生周期性變化。土壤周期性溫度變化的幅度值隨著地層深度的增加按自然指數(shù)規(guī)律減少。由于溫度日周期性波動(dòng)的周期小，工程上一般不考慮地表溫度日周期性變化對(duì)土壤溫度的影響。由于地表受空氣溫度和太陽(yáng)輻射作用以及溫度梯度的影響，地球表面有一個(gè)溫度發(fā)生日變化和年變化的層。地表活動(dòng)層中的溫度變化規(guī)律，可以用包括零級(jí)諧量與第一級(jí)諧量之和的關(guān)系式來近似描述[3]：式中：t(z,τ)為地下土壤在深度為z，時(shí)刻為τ時(shí)的溫度，℃；tcp為地表面年平均氣溫，℃；A0為地表面溫度的一階諧量振幅，℃；z為距地面的距離，m；a為土壤的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；ω為溫度周期性波動(dòng)頻率，ω=2π/T0，1/s；T0為溫度變化周期，日周期為T0=24h，年周期為T0=8670h；τ為時(shí)刻，s，即由于廊道四周為主要為回填土，填土的主要成份為粘性土混多量砂、少量巖屑及巖塊，土壤按砂質(zhì)粘土考慮，土壤導(dǎo)溫系數(shù)為a=0.0037m2/h=1.03×10-6m2/s，A0=13.2℃[3]，根據(jù)表1選取年平均氣溫最低的2005年即9.22℃，z為廊道頂板距地面的距離3.2m，由式（2）可以計(jì)算本地區(qū)不同地層深度處溫度的變化情況，根據(jù)文獻(xiàn)[3]實(shí)測(cè)溫度顯示，大連紅沿河地區(qū)同緯度地表淺層土壤溫度最低月份發(fā)生在3~4月份。表2給出了廊道頂板處（-3.2m）、廊道側(cè)墻中部（-5.15m）以及廊道底板處（-7.1m）不同深度的土壤溫度計(jì)算值。

2廊道氣溫計(jì)算

2.1計(jì)算假設(shè)1）廊道內(nèi)布置有部分電纜橋架和照明燈，由于為計(jì)算最不利的氣溫，這里不考慮電纜和燈光散熱影響，消防管道內(nèi)為靜止流體（水），也不考慮對(duì)房間的傳熱影響。2）廊道外土壤按無限大熱源考慮，不考慮廊道溫度變化對(duì)土壤的影響，土壤溫度按定值設(shè)置。3）不考慮碳鋼管壁的傳熱影響，模擬計(jì)算時(shí)鋼管管壁溫度按海水的極端低溫-2.1℃考慮。4）忽略不同管廊、廠房之間的相互傳熱影響，只對(duì)一列廊道進(jìn)行計(jì)算，鄰近廊道墻體按照絕熱設(shè)定。

2.2邊界條件由于并行布置的廊道結(jié)構(gòu)基本一致，本文選取一列的一段作為一個(gè)計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算，廊道長(zhǎng)17.65m，凈高2.7m，寬2.8m，相關(guān)參數(shù)詳見表3。由于內(nèi)側(cè)墻體鄰近同為廊道，按絕熱考慮，頂板覆土層厚度為3.2m，廊道上標(biāo)高和下標(biāo)高分別為-3.8~-6.5m。廊道內(nèi)布置的海水管道直徑為700mm，管道壁厚為7.92mm，為鋼材質(zhì)，鋼材導(dǎo)熱系數(shù)為45.3W/(m•K)，海水最低溫度為-2.1℃，管道保溫層厚度50mm，為玻璃棉材質(zhì)，密度為40kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.037W/(m•K)。土壤溫度保守考慮取3月份計(jì)算數(shù)值。

2.3計(jì)算分析利用CFD軟件ANSYS-AIRPAK軟件對(duì)廊道進(jìn)行建模和計(jì)算，廊道達(dá)到熱平衡后房間平均溫度約為4.9℃，圖1給出了管道剖面溫度分布圖，從圖中可以看出，海水管道經(jīng)過保溫后，保溫層附近的溫度已很接近房間溫度，即保溫層起到了很好的隔熱效果，管道內(nèi)的低溫海水作為冷源對(duì)房間氣溫影響有限，同時(shí)由于無限大土壤作為一熱源對(duì)房間的傳熱影響，房間內(nèi)溫度與墻體外土壤溫度基本接近，在冬季極端情況下，海水溫度持續(xù)處于-2.1℃情況，廊道內(nèi)氣溫保持在0℃以上，布置在廊道內(nèi)的消防管道不會(huì)發(fā)生凍結(jié)危險(xiǎn)。為便于對(duì)比分析，同時(shí)計(jì)算了管道保溫層溫度為30mm，以及沒有保溫層兩種工況的房間氣溫。表4給出了不同保溫層厚度下房間的氣溫及管道外壁的溫度。由表4可以發(fā)現(xiàn)，由于土壤作為一無限大熱源和海水管道作為冷源對(duì)廊道氣溫的相互影響，管道是否保溫對(duì)房間氣溫影響不是特別明顯，但是在管道不保溫情況下，管道壁外周圍的溫度卻明顯的偏低，冬季廊道內(nèi)不考慮散濕，相對(duì)濕度按室外考慮為69.7%，則廊道內(nèi)露點(diǎn)溫度如表4，可見管道不保溫，雖然廊道平均氣溫不會(huì)低于0℃，但是管道壁面會(huì)結(jié)露從而會(huì)導(dǎo)致管道凍結(jié)，如果此時(shí)管道上設(shè)置有儀表則有可能導(dǎo)致儀表管線凍結(jié)。對(duì)于已采取保溫措施的管道外壁溫度已在0℃以上，不會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)問題。

3結(jié)論

1）廊道由于設(shè)置在凍土層以下-3.2m至-6.5m埋深，且廊道內(nèi)的海水管道已設(shè)計(jì)有保溫，經(jīng)計(jì)算廊道內(nèi)的平均氣溫在0℃以上，管道不會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。如果海水管道沒有保溫，由于露點(diǎn)溫度低于廊道氣溫，則可能會(huì)導(dǎo)致管壁和管壁上儀表凍結(jié)，需要在防凍設(shè)計(jì)時(shí)考慮保溫等防凍措施。2）紅沿河核電廠的海水管道廊道已經(jīng)過兩個(gè)寒冷冬季的運(yùn)行檢驗(yàn)，廊道內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)冰凍結(jié)，說明上述采用的土壤溫度計(jì)算方法和廊道氣溫的CFD模擬分析結(jié)果是可信的。此方法也可以運(yùn)用于其它地下廠房的防凍和溫度場(chǎng)計(jì)算，對(duì)核電廠地下建筑的環(huán)境溫度計(jì)算具有很好參考價(jià)值。3）本計(jì)算是在廊道密閉環(huán)境中熱平衡結(jié)果，在實(shí)際工程建設(shè)過程中，必須保證廊道吊裝檢修孔洞以及與廠房的連接孔洞正常封堵，否則受冷風(fēng)滲透影響廊道的實(shí)際氣溫會(huì)低于計(jì)算溫度值。

作者：曾憲斌單位：深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司