多区域网络模型在船舶舱室污染物传播研究中的应用

余 涛，周爱民，沈旭东

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064)

0 引 言

船舶舱室环境质量是船员赖以生存的前提保障，实测表明，船舶舱室内部污染源众多，污染物成分复杂，空气品质(indoor air quality，IAQ)不佳［1-3］。而空气品质控制最佳策略的制定前提是对污染物的分布和传播进行合理预测。因此，深入研究污染物在船舶舱室的传播情况，有着极为重要的实际意义。

船舶舱室污染物的传播包括污染物在各个区域内的传播，以及污染物随舱室机械通风系统管路，在各个舱室之间的传播。当前，国内对船舶舱室污染物传播的研究主要采用集总模型，利用污染物质量守恒求解分析［4-5］。该类研究将船舶舱室作为整体或认为船舶各区域的通风量已知，不考虑不同区域间的通风、渗透等对污染物传播的影响。

近年来，国外尝试利用多区域网络模型研究船舶舱室污染物传播［6］。多区域网络模型充分考虑复杂污染源汇、气流等多种因素的相互作用，可有效预测舰船舱室污染物浓度的长期动态变化和区域之间的相互影响［7-8］。但国内未见该方法应用于舰船领域的相关报道。

本文利用多区域网络模型研究分析典型工况下船舶舱室污染物传播情况，对改善船舶舱室空气品质有一定的指导作用。

1 多区域网络模型

多区域网络模型的研究起步于20世纪80年代末，该方法从宏观角度进行研究，把整个区域群体作为一个系统，把各区域作为控制体，用实验得出的经验公式反映区域之间支路的阻力特征，利用质量、能量守恒等方程对整个舱室的空气流动、压力分布进行研究［8］。主要基于以下2 点假设:

1)将各区域视为节点，在同一时刻同一节点内认为空气温度、密度、压力和污染物浓度等均匀一致，即所谓的集总参数描述;

2)空气流经的每一个区域间开口用风阻表示。这样，每个风阻与相应的节点连接构成通风网络模型，如图1所示。

图1 多区域网络模型原理示意图Fig.1 Schematic of multi-zone network model

1.1 数学描述

假设整个多区域网络由N+1 个节点和B 条通风支路构成。空气在区域之间的流动满足定常流伯努利方程，各节点内空气满足质量守恒定律，支路之间的压差由支路之间的阻力特征和高差决定，从而得到N 个方程和B 个未知数，如下所示:

式中A 为网络关联矩阵。各个元素aij的定义为:

式中:F 为支路空气流量矩阵;P 为网络节点静压;ΔP 为支路两端压差;S 为支路阻力系数;ΔH 为支路垂直高度等造成的压差。

污染物传播遵循质量守恒定律，即给定容积内的污染物质量增量等于污染物产生量减去污染物去除量:

式中:V 为区域的体积;C(t)为t 时刻区域内的某污染物浓度;Q(t)为t 时刻从区域j 流入区域i，或区域i 流入区域j 的空气流量;S(t)为t 时刻区域中某污染物的散发速率;R(t)为t 时刻区域中某污染物的消除或反应转化速率。

通过联立求解上述方程组，即可得到某时刻各个支路的流量和各节点的污染物浓度。

当舱室与周围的空气流通仅能通过机械通风系统或门时，通过测量舱室的送回风量，即可获取通过门缝等进出舱室的空气流量，从而进一步简化模型。

1.2 污染物源/汇模型

为了预测室内污染物浓度，需要准确模拟室内污染物的散发和消除。目前，污染物散发模型有经验模型和传质模型［10-12］两类。其中，传质模型数学描述复杂，难以在复杂区域的模拟中应用，故当前对污染物散发的模拟多采用经验模型。表1 列出了部分常用的经验模型。

表1 常用污染物散发经验模型Tab.1 Common contaminants emission models

2 模型在船舶舱室污染物传播中的应用

以下针对船舶舱室通风、空调与净化系统运行的不同情形，应用多区域网络模型，分析其污染物传播特性。

2.1 舱室模型和参数

1)舱室划分为4 个区域，舱室模型如图2所示;

2)舱室中某污染物初始浓度为0，由于舱室特性的不同，污染物散发浓度也不同，如表2所示;

3)区域Ⅰ、Ⅳ与其他区域仅通过空调系统连接;区域Ⅱ内无回风管，通过连通区域Ⅲ的门上的格栅排风;区域Ⅲ无空调送风，仅有回风;

4)空调系统送回风量为950 m3/h，新风中污染物浓度为0，根据ASHRAE 标准［13］设定初始新风比为20%;

5)空调系统对某污染物的净化效率为0;

6)区域Ⅱ中含1 台净化风量为50 m3/h，净化效率为90%的局部净化设备，该设备根据区域污染情况，可间歇或连续运行。

图2 某船舶舱室简化示意图Fig.2 Schematic of a ship cabin

表2 某船舶舱室的基本参数Tab.2 Basic parameters of a ship cabin

2.2 新风量对污染物分布的影响

工况1:空调系统运行，不开启区域Ⅱ中的局部净化设备时，舱室污染物浓度随时间的变化如图3所示。

舱室各区域的污染物浓度均随时间逐渐升高，在4 h 后趋于稳定。此时区域的污染物浓度从高到低依次为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ。

图3 工况1Fig.3 The first condition

工况2:工况1 下各区域污染物浓度达到稳态后，空调系统风量不变，但送风改为全新风，舱室污染物浓度随时间的变化如图4所示。

此时，舱室各区域污染物浓度均迅速降低，在0.5 h 后趋于稳定，此时区域的污染物浓度从高到低依次为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ。

图4 工况2Fig.4 The second condition

工况3:空调系统风量不变，改变送风中的新风比例，舱室各区域污染物达到平衡时的浓度Cm随新风比例的变化如图5所示。

图5 工况3Fig.5 The third condition

新风比例由10%增大至100%时，舱室各区域污染物平衡浓度Cm在初期降低明显，当新风比例大于40%后，降低趋势放缓。

同时，随着新风比例的增大，各个区域达到平衡浓度所需时间明显缩短，如图6所示。

图6 工况3(区域Ⅱ不同新风百分比的污染物浓度变化)Fig.6 The third condition(Zone Ⅱ)

2.3 局部净化设备对污染物分布的影响

工况4:空调系统运行，同时开启区域Ⅱ中的局部净化设备时，舱室污染物浓度随时间的变化如图7所示。

舱室各区域的污染物浓度随时间逐渐升高，在4 h 后趋于稳定，此时区域的污染物浓度从高到低依次为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ。

相比工况1，达到平衡时，该情形下各个区域的污染物浓度均有一定程度的降低，其中区域Ⅱ的污染物浓度降低最为明显。

图7 工况4Fig.7 The forth condition

工况5:区域Ⅱ中局部净化设备连续运行，但其风量可调，且效率不变时，舱室污染物达到稳态时的浓度Cm随局部净化设备风量的变化如图8所示。

局部净化设备风量较小时，区域Ⅲ的污染物稳态浓度Cm最高。随着净化风量的增大，各区域的污染物稳态浓度Cm均降低，其中区域Ⅱ和Ⅲ降低更为明显。这是由于局部净化设备显著降低了区域Ⅱ的污染物浓度。区域Ⅱ中污染物浓度的降低，一方面降低了向区域Ⅲ渗风的污染物浓度，从而导致区域Ⅲ的污染物浓度同步降低;另一方面，区域Ⅱ的污染物浓度降低，减少了空调系统回风中的污染物浓度，从而降低了空调系统向各个区域送风中的污染物浓度。

当净化风量较大之后，各区域的污染物稳态浓度下降趋势趋缓，此时，区域Ⅱ的污染物浓度已经较低，舱室污染物主要来自其他区域，这时区域Ⅱ中局部净化设备的净化风量不是影响舱室污染物浓度分布的主要因素。

图8 工况5Fig.8 The fifth condition

2.4 分析与讨论

综合上述几类情形，可得以下结论:

1)针对单位面积散发污染物浓度高的区域(区域Ⅱ，折算到每立方的污染物散发量为2.5×10-6m3/h)，合理配置局部净化设备，可有效降低高污染区域的污染物浓度，同时降低舱室其他区域的污染物浓度;

2)空调系统的新风量直接影响舱室污染物浓度，全新风时舱室各区域污染物浓度显著低于最小新风量时。且在新风量较小时，增大新风量可明显降低舱室污染物浓度;但新风量较大后，新风量的变化对舱室污染物浓度变化影响不明显;

3)局部净化设备性能直接影响所在区域和舱室整体的污染物浓度，净化设备效率恒定时，随着净化风量增大，各区域浓度先显著降低，后逐渐趋缓。

因此，针对船舶舱室，应根据污染物散发情况，合理配置新风量，以达到污染物浓度与船舶其他功能需求之间的平衡。同时，可在污染物浓度较高的局部区域，加装局部净化设备，降低舱室污染物浓度。但局部净化设备的加装需综合考虑区域污染情况和净化设备体积、功率等方面的平衡，当净化设备性能达到一定水平后，盲目增大净化设备性能，对舱室污染物浓度改善提升不明显。

3 结 语

本文将多区域网络模型引入船舶舱室污染物传播研究领域。分析表明，利用该模型可以有效预测船舶舱室污染物传播情况，指导通风、空调和净化系统的设计和运行调节。特别是针对由众多舱室组成的大型船舶，通过该方法预测舱室污染物传播情况，可为改善船舶舱室空气品质提供有效指导。

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