保温层厚度对主控室墙体蓄热特性的影响研究

0引言

核电主控室作为核反应堆运行监控的核心区域,其室内温度的稳定性直接关系到仪控设备的可靠性及操作人员的工作效率。国际原子能机构明确指出,主控室环境需维持在18~25℃范围内,以确保电子设备的热稳定性和人员操作的舒适性[1]。然而,核电主控室多位于厂区外围建筑中,长期暴露于复杂的外部环境下,尤其是昼夜温差、季节变化及极端天气引起的室外温度波动,可能通过建筑围护结构形成热传导路径,导致室内温度出现不可控偏移[2]。我国某沿海核电站夏季监测数据显示,主控室外墙单日温差可达15℃以上,其热流渗透对室内温度的影响占比超过30%。因此,如何通过优化墙体热工设计以削弱外界热扰动,成为核电站建筑节能与安全领域亟待解决的关键问题。

传统建筑围护结构的热防护研究多聚焦于降低传热系数,但核电主控室的特殊性在于其不仅需要限制稳态传热量,还需关注动态温度波动下的蓄热性能。近年来,附加保温层的应用被证实可显著提升墙体蓄热能力。然而,现有研究多针对民用建筑或数据中心,对核电主控室这类需同时满足高安全等级、低能耗及长周期稳定性的特殊场景,保温层厚度的优化设计仍缺乏系统性分析。过厚的保温层可能因成本高昂或施工难度增加而降低工程可行性,而过薄则可能因蓄热不足导致温度波动穿透。

目前,在建筑围护结构的保温性能研究方面,陈

玉霞等人[3]通过数值模拟验证了外墙保温材料对室内热环境的改善效果,指出XPS保温层厚度每增加10mm,墙体热惰性指标可提升8%~12%。房涛等人[4]选取严寒地区典型建筑为研究对象,研究了保温层厚度对建筑能耗的影响,并对关键热工设计参数进行了优化。陈欣[5]则以夏热冬冷地区的住宅建筑外保温系统为研究对象,在综合考虑能耗、经济性和环保性等多重因素后,分析最优保温层厚度。黄仁达等人[6]针对夏热冬冷地区,建立了计算保温材料经济厚度的数学模型,分析了XPS、EPS、聚氨酯泡沫、玻璃纤维棉及气凝胶保温材料应用于页岩空心砖、加气混凝土、钢筋混凝土三种典型基层墙体结构的经济性。然而,上述成果主要针对低热负荷场景,而核电主控室因设备散热密度高、热环境控制精度要求严格,其墙体热工性能需兼顾隔热与蓄热的协同优化。在核电厂防火与热工设计规范中建议采用双层复合保温结构以增强热阻,但未明确不同厚度方案的经济性与热工性能平衡点。

综上所述,本文以某第三代核电站主控室墙体为研究对象,通过建立非稳态传热模型,采用数值模拟方法系统分析保温层厚度对墙体蓄热特性的影响规律。研究采用热流密度与热惰性指标,量化了保温层厚度与墙体热流密度、热滞后时间的关系,这一研究可为核电主控室保温层设计提供理论依据。

1模拟与数值计算方法

1.1 物理模型

主控室墙体物理模型如图1所示,其包括四面外墙及顶墙,墙体厚度为610 mm,墙体外侧敷设保温层,地板为绝热地板。在t=0时刻,室内空气初始温度为24℃,根据72 h安全保障时间的设置,室内温度在内热源的作用下逐渐上升,在t=72 h时刻,室内温度升高至32℃,保持室外环境温度为35℃。表1列出墙体及保温材料的热物性。

1.2 数学模型

为在保证模拟精确度的前提下提升计算效率,在进行数值求解之前做出如下假设:

1)室内空气为不可压缩理想流体,符合Boussinesq假设;

2)主控室密闭,无空气泄漏现象;

3)室内空气为连续分布的介质。

控制方程为:

1)质量守恒方程,见式(1):

式中:t为时间(s);p为密度(kg/m3);u、v、w分别为流体在x、y、z方向上的速度分量(m/s)。

2)动量守恒方程,见式(2)~(4):

式中:u为速度 (m/s);ux、uy和uz分别为速度矢量u在x、y、z方向上的分量(m/s);p为压力(pa);Sx、Sy、Sz为广义源项。

3)能量守恒方程,见式(5):

式中:T为温度(K);λ为空气的传热系数(W.m—1.K—1);cpa为空气的定压比热容(kJ.kg—1.K—1);ST为粘性耗散相。

4)湍流模型。热量从室内墙体传至室外墙体的过程为室内空气与墙体内壁的 自然对流换热、墙体材料内部的导热,再通过室外空气与外墙的强制对流散热。标准k—ε模型在处理近壁面问题时具有良好的稳定性,因此本文选用标准k—ε模型,见式(6)(7):

式中:k为单位质量的湍流动能(m²/s²);ui为速度矢量的分量(m/s),i=x,y,z;xj为直角坐标在三个方向上的分量,j=1,2,3;μ为动力粘度(N.s/m²);μt为湍流粘度(pa.s);σk和σε分别为k和ε湍流普朗特数;ε为湍动能耗散率(W/m³);YM为在可压缩湍流中脉动扩张对总耗散率的影响;Gb为因浮力出现的湍流动能产生项;Gk为因平均速度梯度出现的湍流动能产生项;Sk和Sε为自定义源项;C1ε、C2ε和C3ε均为经验常数。

1.3 评价指标

1)热流密度。对于墙体而言,热流密度q的值可以直观展现墙体蓄热量的大小,其表达式如下:

q=hΔT(8)

式中:h为墙体对流换热系数(W.m^-2.K^-1);ΔT为温差(℃)。

2)热惰性。热惰性指标D是工程上常用于评价材料蓄热性能的指标,用来表征材料在面对温度波动时保持其内部温度稳定性的能力,其表达式如下:

式中:R为传热热阻,表征材料阻碍热量传递的能力(m².K/W);S为蓄热系数(W.m^-2.K^-1);i为材料类型。

1.4网格划分

考虑到本模型尺寸较大,计算域内流动状况复杂,因此本文选用多面体网格。同时,在送风口、出风口及热扰附近进行局部加密处理。通过网格收敛系数(GCI)来确定数值模拟的结果对网格尺寸精度的依赖程度。评估结果如表2所示,以墙体24 h的温度变化为参考,模型网格单调收敛,随着网格数量的增加,数值解对网格尺寸的依赖性已经可以忽略,因此本文后续的模拟计算选用总网格量为73.9万的网格。

2模拟结果分析

2.1保温层厚度对墙体热流密度的影响

建立无保温层及保温层厚度分别为100、200、300 mm的计算模型,室外环境温度为35℃,室内空气初始温度为24℃,并在72 h内逐步升高至32℃,在此设置下进行数值模拟,监测各工况下室内及室外混凝土—保温层表面各自的热流密度变化。

图2为墙体内表面热流密度变化曲线,对于未加装保温层的墙体,混凝土内表面热流参数在前49 h持续处于负值,表明墙体处于持续放热阶段。直至室内温度高于墙体温度后,热流密度值才缓慢增为正值,进入蓄热状态,且蓄热量较小。当在墙体外敷设保温层后,温度在第三小时即由负转正,且随着保温层厚度的增加,热流密度呈现稳步增长的趋势,说明墙体几乎全过程都处于蓄热状态,且蓄热量较高。

图3为72 h墙体外表面热流密度变化曲线,当墙体外无保温层时热流密度值处于较高水平,随着墙体与室内温差逐步缩小,热量传递量呈现同步递减态势,反映出室内温差对墙体蓄热能力有着显著影响,外层结构的热量传递强度出现显著下降,特别是随着隔热层加厚,这种减缓效果愈发明显。由于隔热材料自身的阻热特性,外界热量在穿过隔热层后已大幅削弱,难以对内部混凝土结构形成有效传导,因此环境温度变化对墙体蓄热性能的影响程度降低。

当在墙体外增设保温构造后,墙体蓄热特性呈现显著提升。室外环境温度对蓄热性能的干扰效应随保温层厚度增加呈现指数衰减规律,当保温层构造厚度达到300 mm时,墙体外表面热流密度稳定在1.099 W/m2 。值得关注的是,相较于200 mm基准工况,其热流密度仅产生0.3%的增幅,这种量级的增幅表明保温层厚度已接近边际效益阈值,继续增厚难以实现显著的热阻提升效果。

2.2保温层厚度对墙体热惰性的影响

当混凝土墙体外不附加保温层时,其为单层结构。当增设保温层后转变为多层复合结构,该体系的热惰性参数由各组成材料的性能叠加计算得出。不同保温层厚度对应的热惰性参数如表3所示。数值模拟结果表明,混凝土与保温材料的热惰性参数处于同一数量级,当保温层达到一定厚度时,其热惰性与混凝土基体趋于相当。这一现象证实保温层的应用可有效弱化室外热扰动对墙体蓄放热特性的作用,从而为维持室内热环境稳定创造条件。当保温层厚度由200mm增至300mm时,对应的热惰性参数从9.56提升至9.86,增幅仅为3.14%,表明继续增加保温层厚度对提升热阻性能的影响已显著降低。

表3热惰性指标

3结论

本文采用数值模拟方法,系统研究了保温层厚度对主控室墙体动态蓄热特性的影响规律。重点分析了不同保温层厚度下墙体的热流密度变化规律与热惰性指标响应特性,结果表明:

1)保温层的设置对改善墙体蓄热性能具有关键作用:未敷设保温层时,墙体因导热系数较高导致热量传递速率过快,内外表面温差作用下形成显著的热流波动,热惰性指标处于较低水平,无法有效延缓外界环境温度对室内热环境的冲击;而当敷设保温层后,其低导热特性显著削弱了热流的传导强度,同时通过增加墙体热阻延长了热量传递的相位延迟时间,从而提升了热惰性指标,增强了墙体的动态蓄热能力。

2)在保温层厚度从0增加到300 mm的过程中,保温层厚度为300 mm时相较于200 mm,室内墙壁热流密度增长率仅为0.3%,热惰性指标增长率仅为3.14%,说明此时再增加保温层厚度其热量阻隔效果已经不会再产生明显变化,因此建议选择200 mm保温层。研究结论可为核电站等特殊建筑的围护结构节能设计与热安全管理提供理论支撑。

[参考文献]

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《机电信息》2025年第15期第8篇