摘要：參考建筑碳排放和發(fā)電企業(yè)碳排放的組成，在設(shè)計階段對核電核島暖通系統(tǒng)運行能耗組成進行分析，根據(jù)系統(tǒng)運行實際和特點，研究該系統(tǒng)運行碳排放計算方法。對核島暖通系統(tǒng)的主要碳源在正常運行工況下的碳排放量進行核算，得到系統(tǒng)壽命周期的排碳量和各組成部分的權(quán)重并加以分析。為設(shè)計階段進行專業(yè)系統(tǒng)碳排放計算提供了參考方法，證明在設(shè)計階段進行核島暖通系統(tǒng)碳排放的預(yù)計算分析是可以進行的，并且對核電系統(tǒng)技術(shù)方案的設(shè)計和運行排碳量評價具有一定意義。

　　關(guān)鍵詞：核電;暖通;設(shè)計;碳排放;運行;碳源

　　0 引言

　　碳達峰、碳中和是目前各行業(yè)的重要任務(wù)，各級政府、企業(yè)和行業(yè)都在制定包含“雙碳”目標并能與之相適應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃。我國2021年的二氧化碳排放量比2019年高6%，總量約為102億～104億t，其中燃煤 排 放 貢 獻 約70%，電力部門煤炭用量的增加不容忽視。電力是未來能源增長的主體，并且與國計民 生 直 接 相 關(guān)，新增用電也屬于剛性需求，其碳排放峰值及達峰速度是影響“雙碳”目標的重要因素。近些年，電力行業(yè)結(jié)構(gòu)也在不斷優(yōu)化，核電、風電和光伏發(fā)電等清潔能源的裝機量快速增長，逐步替代傳統(tǒng)火電的趨勢明顯。國內(nèi)自20世紀90年代中期就開始深入研究核電廠對所處環(huán)境的影響，涉及了核電各環(huán)節(jié)和全壽命周期的基于相關(guān)材料的溫室氣體排放計算分析，放射性流出物排放及核設(shè)施在建造和運行維護期間間接排放的非放射性大氣污染物。據(jù)相關(guān)文獻資料[1]，與燃煤發(fā)電相比，核能發(fā)電相當于減少燃燒標準煤1.047億t，減少二氧化碳排放2.744億t，減少二氧化硫排放89.03萬t，減少氮氧化物排放77.51萬t。核電廠可以看作是一個多學科、多系統(tǒng)精準協(xié)作的大型系統(tǒng)，各“子系統(tǒng)”運行方式、耗能模式等不盡相同。

　　在核電廠包括燃料開采、設(shè)備生產(chǎn)、運輸、建 造、運 行、退役和廢棄物處理的全壽命周期中，發(fā)電運行階段的各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備的碳排放缺少相關(guān)的細化研究。核島暖通系統(tǒng)亦是如此，在安全和功能實現(xiàn) 的 前 提 下，受制于成熟技術(shù)的應(yīng)用要求，節(jié)能和低碳并不是設(shè)計階段的重要任務(wù)，而僅以是否達到相關(guān)標準要求作為衡量準則。而在建筑行業(yè)內(nèi)，暖通系統(tǒng)(空調(diào)、供暖、通風、制冷)用能被視為是建筑運行階段的首要能耗，綠色、低碳的目標和理念已被普遍認可和執(zhí)行。基于以上情況以及暖通系統(tǒng)在核電廠中的廣泛應(yīng)用，認為定量核算系統(tǒng)的碳排放量是專業(yè)設(shè)計人員實現(xiàn)分解及執(zhí)行“雙碳”目標和任務(wù)的基礎(chǔ)，本文通過參考發(fā)電企業(yè)和建筑碳排放的組成進行分析，對核電核島暖通系統(tǒng)運行能耗組成進行解析，并進行具體計算，可為設(shè)計階段進行專業(yè)系統(tǒng)評價的碳排放計算提供參考方法，積累相關(guān)經(jīng)驗。

　　1 碳排放計算模型

　　由《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，碳在自然生態(tài)環(huán)境中向大氣中釋放碳的過程、活動或機制稱為碳源，將大氣中的碳固定在植被及土壤中以降低大氣中溫室氣體濃度的過程、活動或機制稱為碳匯。碳實現(xiàn)由碳源向碳匯的轉(zhuǎn)化循環(huán)過程中，因源匯的強度不同而造成大氣中碳積累量(記為 ΔC)的波動，進 而 干 擾 大 氣 的 熱 平 衡，產(chǎn)生一系列后續(xù)影響。ΔC 也可以視為某類活動引起的排碳量。

　　1.1 建筑碳排放

　　建筑碳排放[2]為建筑在全壽命 周 期 內(nèi) 與 建 筑物有關(guān)的建材生產(chǎn)及運輸、建造及拆除和運行階段產(chǎn)生的溫室氣體排放量的總和。運行階段，關(guān)于單體建筑碳排放的估算，其排放源的確定應(yīng)該從成品建筑物內(nèi)部各種項目功能出發(fā)，可將其劃分為3個部分[3]。在設(shè)計階段對于建材、建造及拆除階段的工程量數(shù)據(jù)缺乏無法計算，本文僅參考建筑運營階段碳排放中暖通空調(diào)系統(tǒng)部分進行計算。

　　2 核電核島暖通系統(tǒng)

　　2.1 系統(tǒng)簡介

　　以華南區(qū)域某廠址核電廠為例，核島廠房基礎(chǔ)底板為防水 混 凝 土，內(nèi) 外 墻 體 均 為 鋼 筋 混 凝 土 墻體。核島廠房除設(shè)備孔洞外無外窗，內(nèi)窗采用鋁合金窗。核島廠房屋面防水等級為I級，保溫層為擠塑聚苯板，大多數(shù)房間采用鋼板門、防火門，廠房功能布置包括反應(yīng)堆廠房、控制廠房與安全廠房、燃料廠房及核輔助廠房。核島暖通專業(yè)系統(tǒng)劃分有多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)間相互關(guān)聯(lián)，對于核電站正常運行和環(huán)境保護起著重要作用，是反應(yīng)堆重要的輔助屏障系統(tǒng)，也是核電站的縱深防御措施之一。

　　暖通子系統(tǒng)以多樣性、多重性、獨立性和災(zāi)害防護準則為出發(fā)點，結(jié)合核島主輔系統(tǒng)布置、電儀設(shè)備與廠房實際情況進行布置和功能分區(qū)。系統(tǒng)在核電體系內(nèi)屬于公用設(shè)施系統(tǒng)。核島暖通系統(tǒng)按主要功能可分為通 風、空 調(diào)、防排煙和冷水制備幾個大類，主要用于正常運行狀態(tài)和事故工況下，維持人員和設(shè)備可接受的環(huán)境條件(溫度、壓力、濕度、放射性和清潔度)，監(jiān)測和限制放射性物質(zhì)排放，保護人員和設(shè)備不受建筑物內(nèi)部(缺氧、爆炸、火災(zāi))和外部特殊危害的影響。

　　反應(yīng)堆廠房全部為控制區(qū)，設(shè)置安全殼冷卻通風系統(tǒng)實現(xiàn)廠房冷卻，設(shè)置安全殼換氣通風系統(tǒng)實現(xiàn)廠房通風，設(shè)置安全殼內(nèi)部過濾系統(tǒng)實現(xiàn)除碘降低廠房放射性，設(shè)置安全殼貫穿件間通風系統(tǒng)實現(xiàn)貫穿件泄漏氣體的收集過濾。控制廠房與安全廠房的輻射防護控制區(qū)設(shè)置控制廠房與安全廠房控制區(qū)通風系統(tǒng)，控制廠房與安全廠房的非輻射防護控制區(qū)根據(jù)功能區(qū)域和設(shè)備布置分別設(shè)置控制廠房與安全廠房非控制區(qū)通風系統(tǒng)、主控室空調(diào)系統(tǒng)、主蒸汽主給水閥門間通風系統(tǒng)。燃料廠房全部為輻射防護控制區(qū)，設(shè)置燃料廠房通風系統(tǒng)。核輔助廠房輻射防護控制區(qū)設(shè)置核輔助廠房通風系統(tǒng)，核輔助廠房非輻射防護控制區(qū)根據(jù)廠房區(qū)域功能設(shè)置核島運行冷凍間通風系統(tǒng)。另外，在存在高火荷載的房間設(shè)置排煙系統(tǒng)，在疏散樓梯間設(shè)置防煙送風系統(tǒng)。根據(jù)上游通風空調(diào)系統(tǒng)及有服務(wù)需求的工藝系統(tǒng)，設(shè)置2個以上的核島冷水系統(tǒng)排除安全相關(guān)暖通系統(tǒng)及非安全相關(guān)暖通系統(tǒng)及部分工藝系統(tǒng)冷卻盤管傳遞的熱量，以及為安注泵電動機提供冷卻。

　　2.2 核島暖通系統(tǒng)碳排放

　　核島暖通系統(tǒng)總體由冷源、熱源、末端(冷、熱)設(shè)備和輸配裝置幾個部分組成，碳排放亦由此各組成部分的耗 能 產(chǎn) 生。相關(guān)自控等弱電系統(tǒng)、廢物處理碳排放、冷卻系統(tǒng)(熱阱)碳排放等支持系統(tǒng)的碳排放以核電設(shè)計專業(yè)劃分為基礎(chǔ)劃歸于其他專業(yè)系統(tǒng)，這里不做討論。另外，系統(tǒng)施工建造和退役碳排放可劃歸于全壽命周 期 的 建 造 和 退 役 過 程，這 里 亦 不 做 討論。

　　3 核島暖通系統(tǒng)碳排放計算

　　3.1 計算方法

　　這里擬用基于供電碳排放因子法[5]計 算 系 統(tǒng)的碳排放。參照建筑運行階段的總碳排放量[2]、核電廠的特點和計算邊界及暖通系統(tǒng)組成。

　　3.2 實例計算

　　華南某廠址規(guī)劃建設(shè)2臺百萬千瓦級壓水堆核電機組，該項目核島暖通系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量較大，篇幅所限，這里只列出各類主要設(shè)備初步設(shè)計階段的設(shè)計總功率和運行時段，匯總統(tǒng)計見表2。正常運行功率指系統(tǒng)正常運行時的設(shè)計運行功率，由于其他工況(超設(shè)計基準工況、嚴重事故工況等)為低概率事件，這里未進行討論。核島暖通系統(tǒng)連續(xù)運行指每天24h不間斷連續(xù)運行。核島廠房無外窗，核電主工藝設(shè)備和系統(tǒng)及高密度的電氣設(shè)備冷負荷為暖通主要負荷，因此冷源系統(tǒng)全年運行，在冬季 為 部 分 負 荷 運 行，在 此 估 算 為60%，累計運行時長為7738h/a。

　　核島內(nèi)部正常的氣流流向在排出前應(yīng)按照從潛在的低污染區(qū)流向逐漸增高的潛在污染區(qū)，潛在放射區(qū)域的排風不能被循環(huán)再用，正常通風系統(tǒng)全年連續(xù)運行，計算累計運行時長8760h/a。煙氣控制系統(tǒng)設(shè)置的加壓送風機和排煙風機在火災(zāi)事故時運行，計算累計運行時長可以忽略。電制冷風冷冷水機組在事故(失去冷卻水)時運行，計算累計運行時長可以忽略。暖風機和電加熱器主要在冬季連續(xù)運行，計算累計運行時長3720h/a。水泵參照冷水機組累計運行時 長 為7738h/a，各類電動閥參照風機累計運行時長8760h/a。另外，安全級系統(tǒng)和安全相關(guān)系統(tǒng)的主要設(shè)備均設(shè)置了冗余，計算累計能耗時不考慮冗余設(shè)備能耗。

　　核電廠大修時間計為3年1次，約30d，計算運行累計時長時進行修正(維修系數(shù)0.972)。區(qū)域電網(wǎng)年平均供電排放因子參考最新《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》(2021年修訂版，征求意見稿)中調(diào)整后的0.5839kg/(kW·h)。由以上討論，根據(jù)式(1)～(5)可計算核島暖通系統(tǒng)在設(shè)計運行工況下的主要碳源的碳排放量，根據(jù)式(6)可計算電制冷機的制冷劑產(chǎn)生的碳排放，制冷劑為 R134a，全球變暖值為1300，即釋放1g的 R134a與釋放1300g的二氧化碳具有相同的全球變暖效應(yīng)。

　　4 結(jié)語

　　核電核島暖通系統(tǒng)設(shè)計方案中，節(jié)能措施包含合理選取室外氣象參數(shù)、確定室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，選擇在同行業(yè)內(nèi)IPLV 值高的制冷主機、選擇采用高效率的通風機等，但核電設(shè)計要使用成熟、安全的可靠技術(shù)，節(jié)能型新產(chǎn)品如果沒有長時間的運行檢驗也盡量不采用。在此背景下，只能通過深入詳細的設(shè)計計算，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，改進運行方案，使用可靠的儲熱、儲冷、導風、氣流組織、精細控制等技術(shù)來降低系統(tǒng)耗能。這是核電行業(yè)暖通方案在已有基礎(chǔ)上“低碳”的合理出路。在設(shè)計階段進行核島暖通系統(tǒng)碳排放的預(yù)計算分析是可以進行的，該計算針對性強，如果能結(jié)合其他專業(yè)系統(tǒng)的碳排放計算結(jié)果，可以直觀得到核島運行過程的碳排放的設(shè)計成果，用于核電方案的運行排碳量評價有一定意義，對設(shè)計方案和運行方案的優(yōu)化改進也有參考價值。同時，核電站系統(tǒng)及設(shè)備實際運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫建立非常有必要，這是運行碳排放評價的重要基礎(chǔ)支撐，也能為宏觀政策的制定提供必要參考。

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　　作者：楊 莉