基于平衡浓度的舱室污染物释放特性研究

熊鹏俊　苏洪涛　施红旗　章叶川　王世忠

【摘 要】在航行任务期间，舰船舱室内需要配置净化设备来保障人员健康，这需要明确舱室内污染源散发特性，以便合理配置，提高净化效果。本文在集总参数模型的基础上，提出了一种基于平衡浓度计算舱室污染物释放强度的方法，在已知净化风量及平衡浓度的前提下，可求取某些工况下舱室污染物释放强度，并利用模拟实验对该理论进行了验证。

【关键词】平衡浓度;释放强度;集总参数模型

中图分类号： X52;X820.4 文献标识码： A 文章编号： 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

舰船在任务过程中，处于相对密闭状态，人员活动、设备运行等都会散发出对人体有害的污染物[1]，因此需要配置净化设备来维持舱室环境处于人体安全区间，保障人员生命与作业健康。配置净化设备需要明确舱室污染源散发特性，以合理配置，提高净化效果。

现有污染源散发特性主要是经由环境舱测试得到的。如建材VOC散发特性测试，具有多种测试方法，如C-history方法，多次散发回归法，多平衡态回归法及多气固比法等，通过测试建材VOC散发的关键参数[2]，来获取释放特性。该类方法测定较为准确，但需要特定的环境条件，且大多测试周期较长，不适于舰船环境应用。余涛提出了依据集总参数模型测定舰船舱室BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯的3种同分异构体）释放特征的方式，并结合相关实验对理论进行了验证，结果吻合较好，但该方法仅适用于单一舱室区域的分析，不适用于多舱室分析[3]。

本文在单一舱室计算的基础上，提出了一种基于平衡浓度计算舰船舱室污染物释放强度的方法，该方法可求取多舱室污染物释放强度，并利用模拟实验对该理论进行了验证。

1 原理

根据结构的不同，将研究对象分为两类，分别为单一舱室结构及多舱室结构。假定两种结构内均只有一个净化设备，根据实际通风（净化）管网布置，可将单一舱室结构模型简化为具有单一风口的单个房间，将多舱室结构模型简化为具有多个风口的多個房间，其中每个房间含有一个送/回风口。

1.1 单一舱室计算原理

单一舱室模型如图1所示。舱室内存在有一个污染源，该污染源仅释放单一污染物，且释放速率恒定;为保持舱室内空气洁净度，配置一台污染物独立净化装置，通过内置的净化风机抽取舱室内污浊空气，净化之后排入舱内;同时，舱室通过进/排气管道与外界进行气体交换。为简化计算，对模型做出如下假设。

1）舱室无泄露，除进/排气管道外，与外界无气体交换路径;

2）除净化装置可以消除污染物外，污染物无其他净化措施，且污染物不参与二次反应;

3）净化装置净化效率恒定;

4）舱室内污染物分布均匀一致，不存在空间不均匀现象。

由舱室内质量守恒，可以列出：

其中：Ci为密闭空间污染物浓度，t为时间，Qin为房间进气量，Qout为房间排气量，Cin为进气污染物浓度，S为污染源散发强度，？浊为净化装置净化效率，QC为净化装置净化风量。

若舱室不与外界进行气体交换，即舱室封闭，与外界物理隔离，仅依靠内部净化装置来维持舱室空气质量，式（1）转化为：

求解式（2）可得：

其中，C0为舱室初始污染物浓度。

由式（2）可知，若污染源释放强度恒定，在净化装置工作时，空间内污染物浓度会持续变化，最终达到平衡状态。即=0。认为污染物散发速率等于净化设备的净化速率，据此可求得污染物释放强度S为：

在已知净化装置净化效率、净化风量的前提下，只需测得舱室内的污染物平衡浓度，即可求取舱室内污染源释放速率。

1.2 多个舱室计算原理

多个舱室模型如图2所示。模型共三个舱室，在最右侧舱室内存在有一个污染源。模型不同舱室之间相互独立，仅通过通风系统进行不同舱室间的气体交换，污染物净化装置集成到通风系统中，用来净化舱室内的空气，每个舱室各有一个送/回风口。除通风系统外，各舱室无其他换气通道。

在舱室压力稳定之后，该模型可视为每个房间均配置一台独立净化设备，净化风量为回风口的实际风量。针对每个舱室，均有式（4）成立，故有：

其中，S为污染物释放强度，？浊为净化装置净化效率，Q为每个风口净化设备分配风量，C为风口进气污染物浓度，一般等同于风口所在舱室内污染物浓度。

2 模拟实验

以某舰船为实验对象进行模拟实验验证。该舰船舱室模型如图3所示。模型包括8个舱室区域：厕所、指挥室、生活区、两个住室、配电室、机舱、气瓶室。选取CO2为研究对象，舰船舱室CO2主要来源于人体呼吸。假定人员呼吸速率一致，中等劳动强度下，CO2释放速率取22L/h[4]，舰船舱室CO2释放强度与人员数目成正比：

其中，Sco2为舰船内CO2释放强度，单位L/h，N为人员数量。

舰船模型中忽略了舱室通风系统，仅展示净化系统，系统包括净化设备及其附属管系。净化装置置于配电室，通过净化管网对全船空气进行净化。为验证第一节中提出的理论，可以通过测定各个回风口所在舱室的CO2平衡浓度及回风口风量来计算舱室释放强度，并将计算所得结果与实际释放强度相对比，即可对文章所提理论进行验证。

该舰船中各舱室人员分布及CO2释放强度（L/h）：生活区2人44（L/h），指挥室7人154（L/h），配电室8人176（L/h），1住室2人44（L/h），2住室2人44（L/h），总计21人462（L/h）

净化设备可以净化舱室CO2，净化风量为400m3/h，持续开启。可利用多区域网络模型来计算风口风速及污染物浓度。

各舱室净化风量（m3/h）及污染物浓度（L/m3）：厕所：9（m3/h），1.02（L/m3）;指挥室;186（m3/h），1.62（L/m3）;气瓶室：127（m3/h），1.5（L/m3）;机舱：78（m3/h），0.13（L/m3）。

将各舱室净化风量及污染物浓度的数据代入到式（5）中，计算出舱室CO2释放强度为460L/h，与实际污染物释放强度之间的误差为0.43%，误差较小，两者一致。理论计算结果与实际结果相符，可以验证文中提出理论的正确性。

3 结论

在舰船净化系统设计过程中，需要明确舱室污染物释放强度在内的释放特征，以便合理配置净化设备。本文以某舰船舱室为研究对象，进行了舱室污染物释放强度的分析，并通过数值模拟进行理论验证。得出以下结论：

1）在已知净化风量及净化效率的前提下，可以利用舱室污染物平衡浓度来求取污染物释放速率;

2）本文提出的污染物释放速率计算方法仅适用于污染物释放速率恒定，气体交换受控的环境，如气密性要求高，以机械通风为主要换气方式的舰船舱室。

针对污染物的释放特征研究，当前国内外主要采用的是环境舱测试法。在多个释放源、多种污染物协同作用下，明确污染物释放特征较为困难，本文所提理论解决了特定工况下污染源释放强度求取问题，具有一定程度的指导意义，对于舰船舱室净化系统设计也具有参考价值。下一步应当进行相关测试工作，以便对理论进行实测验证。

【参考文献】

[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]张锦岚，余涛，姜国宝，等.舰船舱室挥发性有机化合物的释放速率研究[J].中国舰船研究，2018（1）：93-98.

[4]王军，张旭.建筑室内人员污染源散发特性与有效散发模型[J].土木建筑與环境工程，2010，32（6）：114-119.