基于平衡濃度的艙室污染物釋放特性研究

熊鵬俊　蘇洪濤　施紅旗　章葉川　王世忠

【摘 要】在航行任務期間，艦船艙室內需要配置凈化設備來保障人員健康，這需要明確艙室內污染源散發(fā)特性，以便合理配置，提高凈化效果。本文在集總參數模型的基礎上，提出了一種基于平衡濃度計算艙室污染物釋放強度的方法，在已知凈化風量及平衡濃度的前提下，可求取某些工況下艙室污染物釋放強度，并利用模擬實驗對該理論進行了驗證。

【關鍵詞】平衡濃度;釋放強度;集總參數模型

中圖分類號： X52;X820.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）14-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.035

【Abstract】During the navigation period，the ship cabin should be equipped with purifying equipment to protect the health of the personnel.It is necessary to make clear the emission characteristic of the pollution sources in the pollution sources in the cabin，so as to reasonably configure and improve the purification effect.On the basis of lumped parameter model，a method for calculating the release intensity of cabin pollutants based on equilibrium concentration is presented in this paper.The theory is verified by simulation experiment.

【Key words】Equilibrium concentration;Release intensity;Lumped parameter model

0 背景

艦船在任務過程中，處于相對密閉狀態(tài)，人員活動、設備運行等都會散發(fā)出對人體有害的污染物[1]，因此需要配置凈化設備來維持艙室環(huán)境處于人體安全區(qū)間，保障人員生命與作業(yè)健康。配置凈化設備需要明確艙室污染源散發(fā)特性，以合理配置，提高凈化效果。

現有污染源散發(fā)特性主要是經由環(huán)境艙測試得到的。如建材VOC散發(fā)特性測試，具有多種測試方法，如C-history方法，多次散發(fā)回歸法，多平衡態(tài)回歸法及多氣固比法等，通過測試建材VOC散發(fā)的關鍵參數[2]，來獲取釋放特性。該類方法測定較為準確，但需要特定的環(huán)境條件，且大多測試周期較長，不適于艦船環(huán)境應用。余濤提出了依據集總參數模型測定艦船艙室BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯的3種同分異構體）釋放特征的方式，并結合相關實驗對理論進行了驗證，結果吻合較好，但該方法僅適用于單一艙室區(qū)域的分析，不適用于多艙室分析[3]。

本文在單一艙室計算的基礎上，提出了一種基于平衡濃度計算艦船艙室污染物釋放強度的方法，該方法可求取多艙室污染物釋放強度，并利用模擬實驗對該理論進行了驗證。

1 原理

根據結構的不同，將研究對象分為兩類，分別為單一艙室結構及多艙室結構。假定兩種結構內均只有一個凈化設備，根據實際通風（凈化）管網布置，可將單一艙室結構模型簡化為具有單一風口的單個房間，將多艙室結構模型簡化為具有多個風口的多個房間，其中每個房間含有一個送/回風口。

1.1 單一艙室計算原理

單一艙室模型如圖1所示。艙室內存在有一個污染源，該污染源僅釋放單一污染物，且釋放速率恒定;為保持艙室內空氣潔凈度，配置一臺污染物獨立凈化裝置，通過內置的凈化風機抽取艙室內污濁空氣，凈化之后排入艙內;同時，艙室通過進/排氣管道與外界進行氣體交換。為簡化計算，對模型做出如下假設。

1）艙室無泄露，除進/排氣管道外，與外界無氣體交換路徑;

2）除凈化裝置可以消除污染物外，污染物無其他凈化措施，且污染物不參與二次反應;

3）凈化裝置凈化效率恒定;

4）艙室內污染物分布均勻一致，不存在空間不均勻現象。

由艙室內質量守恒，可以列出：

其中：Ci為密閉空間污染物濃度，t為時間，Qin為房間進氣量，Qout為房間排氣量，Cin為進氣污染物濃度，S為污染源散發(fā)強度，？濁為凈化裝置凈化效率，QC為凈化裝置凈化風量。

若艙室不與外界進行氣體交換，即艙室封閉，與外界物理隔離，僅依靠內部凈化裝置來維持艙室空氣質量，式（1）轉化為：

求解式（2）可得：

其中，C0為艙室初始污染物濃度。

由式（2）可知，若污染源釋放強度恒定，在凈化裝置工作時，空間內污染物濃度會持續(xù)變化，最終達到平衡狀態(tài)。即=0。認為污染物散發(fā)速率等于凈化設備的凈化速率，據此可求得污染物釋放強度S為：

在已知凈化裝置凈化效率、凈化風量的前提下，只需測得艙室內的污染物平衡濃度，即可求取艙室內污染源釋放速率。

1.2 多個艙室計算原理

多個艙室模型如圖2所示。模型共三個艙室，在最右側艙室內存在有一個污染源。模型不同艙室之間相互獨立，僅通過通風系統(tǒng)進行不同艙室間的氣體交換，污染物凈化裝置集成到通風系統(tǒng)中，用來凈化艙室內的空氣，每個艙室各有一個送/回風口。除通風系統(tǒng)外，各艙室無其他換氣通道。

在艙室壓力穩(wěn)定之后，該模型可視為每個房間均配置一臺獨立凈化設備，凈化風量為回風口的實際風量。針對每個艙室，均有式（4）成立，故有：

其中，S為污染物釋放強度，？濁為凈化裝置凈化效率，Q為每個風口凈化設備分配風量，C為風口進氣污染物濃度，一般等同于風口所在艙室內污染物濃度。

2 模擬實驗

以某艦船為實驗對象進行模擬實驗驗證。該艦船艙室模型如圖3所示。模型包括8個艙室區(qū)域：廁所、指揮室、生活區(qū)、兩個住室、配電室、機艙、氣瓶室。選取CO2為研究對象，艦船艙室CO2主要來源于人體呼吸。假定人員呼吸速率一致，中等勞動強度下，CO2釋放速率取22L/h[4]，艦船艙室CO2釋放強度與人員數目成正比：

其中，Sco2為艦船內CO2釋放強度，單位L/h，N為人員數量。

艦船模型中忽略了艙室通風系統(tǒng)，僅展示凈化系統(tǒng)，系統(tǒng)包括凈化設備及其附屬管系。凈化裝置置于配電室，通過凈化管網對全船空氣進行凈化。為驗證第一節(jié)中提出的理論，可以通過測定各個回風口所在艙室的CO2平衡濃度及回風口風量來計算艙室釋放強度，并將計算所得結果與實際釋放強度相對比，即可對文章所提理論進行驗證。

該艦船中各艙室人員分布及CO2釋放強度（L/h）：生活區(qū)2人44（L/h），指揮室7人154（L/h），配電室8人176（L/h），1住室2人44（L/h），2住室2人44（L/h），總計21人462（L/h）

凈化設備可以凈化艙室CO2，凈化風量為400m3/h，持續(xù)開啟?？衫枚鄥^(qū)域網絡模型來計算風口風速及污染物濃度。

各艙室凈化風量（m3/h）及污染物濃度（L/m3）：廁所：9（m3/h），1.02（L/m3）;指揮室;186（m3/h），1.62（L/m3）;氣瓶室：127（m3/h），1.5（L/m3）;機艙：78（m3/h），0.13（L/m3）。

將各艙室凈化風量及污染物濃度的數據代入到式（5）中，計算出艙室CO2釋放強度為460L/h，與實際污染物釋放強度之間的誤差為0.43%，誤差較小，兩者一致。理論計算結果與實際結果相符，可以驗證文中提出理論的正確性。

3 結論

在艦船凈化系統(tǒng)設計過程中，需要明確艙室污染物釋放強度在內的釋放特征，以便合理配置凈化設備。本文以某艦船艙室為研究對象，進行了艙室污染物釋放強度的分析，并通過數值模擬進行理論驗證。得出以下結論：

1）在已知凈化風量及凈化效率的前提下，可以利用艙室污染物平衡濃度來求取污染物釋放速率;

2）本文提出的污染物釋放速率計算方法僅適用于污染物釋放速率恒定，氣體交換受控的環(huán)境，如氣密性要求高，以機械通風為主要換氣方式的艦船艙室。

針對污染物的釋放特征研究，當前國內外主要采用的是環(huán)境艙測試法。在多個釋放源、多種污染物協(xié)同作用下，明確污染物釋放特征較為困難，本文所提理論解決了特定工況下污染源釋放強度求取問題，具有一定程度的指導意義，對于艦船艙室凈化系統(tǒng)設計也具有參考價值。下一步應當進行相關測試工作，以便對理論進行實測驗證。

【參考文獻】

[1]NRC.Emergency and continuous exposure guidance levels for selected submarine contaminants： Volume 1[R].National Academy Press，Washington D.C.，2007.

[2]Little J C，Hodgson A T，Gadgil A J.Modeling emissions of volatile organic-compounds from new carpets[J].Atmospheric environment，1994，28（2）：227-234.

[3]張錦嵐，余濤，姜國寶，等.艦船艙室揮發(fā)性有機化合物的釋放速率研究[J].中國艦船研究，2018（1）：93-98.

[4]王軍，張旭.建筑室內人員污染源散發(fā)特性與有效散發(fā)模型[J].土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（6）：114-119.