艦船艙室通風(fēng)系統(tǒng)效能評估

王 驍，唐熊輝，余 濤，牛司貴，王華劍，施紅旗

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205；2. 海軍駐 431廠軍代表室，遼寧 葫蘆島 125004；3. 中國人民解放軍某部隊(duì)，青島 266104)

0 引 言

通風(fēng)可將室內(nèi)污濁的空氣直接或凈化后排至室外，再把新鮮的空氣補(bǔ)充進(jìn)來，從而保持室內(nèi)的空氣環(huán)境符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，是控制室內(nèi)空氣質(zhì)量的主要途徑之一[1]。相比于常規(guī)建筑物房間，當(dāng)前大型艦船出于節(jié)能、隱身需要，艙室多采用半封閉或全封閉式設(shè)計(jì)，難以通過自然通風(fēng)改善艙室空氣質(zhì)量。在相對狹小的艦船艙室空間內(nèi)，需要通過機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)對艙室進(jìn)行通風(fēng)換氣，但通風(fēng)系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通風(fēng)口布置的制約因素多且易受到外界氣象條件的影響。同時，由于存在設(shè)備運(yùn)行排放、非金屬材料散發(fā)以及人員活動釋放等眾多的污染源[2]，大型艦船密閉艙室對空氣質(zhì)量控制提出了更高的要求。良好的艦船通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可減少艙室非金屬材料釋放和柴油機(jī)等排放的廢氣對艙室空氣質(zhì)量的影響[3]，縮短艙室空氣置換所需通風(fēng)時間，保障人員的安全健康以及設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，對艦船密閉艙室空氣質(zhì)量控制具有重要意義。

近幾十年來，隨著艦船設(shè)計(jì)、建造水平的不斷提高，艦船艙室環(huán)境控制系統(tǒng)也充分借鑒國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域最新的研究成果，不斷地進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如針對關(guān)鍵污染源——柴油機(jī)排氣的綜合模擬研究[4- 5]；開展艙室氣流組織及空調(diào)管網(wǎng)優(yōu)化[6-7]，加強(qiáng)艙室空氣污染物傳播與控制技術(shù)的研究[8-9]等，取得了顯著效果。但是對于艦船艙室機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)與外界大氣的置換效能研究較為薄弱，目前在設(shè)計(jì)階段，僅根據(jù)空調(diào)冷熱負(fù)荷及設(shè)計(jì)新風(fēng)量需求[10]配置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，未考慮由于船舶空間限制可能導(dǎo)致的機(jī)械通風(fēng)送排風(fēng)口短路風(fēng)險。在試驗(yàn)和實(shí)際使用時，通常根據(jù)通風(fēng)換氣時艙室典型污染物（如CO2）濃度的下降速率間接反映通風(fēng)系統(tǒng)效果的好壞。

本文根據(jù)艦船艙室密閉環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合某典型艦船艙室通風(fēng)系統(tǒng)換氣效果試驗(yàn)，建立艙室通風(fēng)換氣的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算艙室污染物濃度在通風(fēng)換氣期間的變化情況，并提出有效通風(fēng)量作為性能參數(shù)來評估艙室通風(fēng)換氣系統(tǒng)效能，直觀地反映艦船艙室通風(fēng)效果。該研究可為艦船艙室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)。

1 研究對象

某型艦船典型艙室配置的通風(fēng)系統(tǒng)由1臺送風(fēng)機(jī)、1臺排風(fēng)機(jī)、1臺攪拌風(fēng)機(jī)及其管路、附件組成。攪拌風(fēng)機(jī)僅用于該艙室的空氣攪拌，使整個艙室的空氣污染物濃度均勻分布。艦船艙室空氣凈容積為500 m3，通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量 2 000 m3/h。

該型艦船同批建造2艘（A船、B船）：A船艙室通風(fēng)系統(tǒng)按照原始設(shè)計(jì)方案施工建造；B船因用戶提出美觀性要求，在設(shè)計(jì)建造時對通風(fēng)系統(tǒng)送排風(fēng)口位置進(jìn)行了調(diào)整。交付船東后，使用過程中發(fā)現(xiàn)2艘船的艙室通風(fēng)效果存在顯著差異。

本研究以該典型艦船為研究對象，建立艙室通風(fēng)換氣數(shù)學(xué)模型，提出有效通風(fēng)量作為評估艙室通風(fēng)換氣系統(tǒng)性能的參數(shù)，并對A，B兩船艙室進(jìn)行有效通風(fēng)量測量，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和測量數(shù)據(jù)開展關(guān)于艦船密閉艙室通風(fēng)效能的研究。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 模型概述

大型艦船艙室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行、材料散發(fā)和人員活動過程中都會釋放各類空氣污染物，通風(fēng)系統(tǒng)通過引入外界新風(fēng)，可清除艙室內(nèi)富含H2，CO2等有害氣體的污濁空氣，假定在通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行期間，艙室污染物呈均勻分布狀態(tài)，則艙室環(huán)境控制系統(tǒng)簡化模型如圖1所示。

圖中，C0為外界大氣污染物濃度；C（t）為t時刻艙室污染物濃度，當(dāng)t=0時，C(0)=C1；V為艙室空氣凈容積（簡稱艙容），m3；Qs為送風(fēng)風(fēng)量，m3/h；Qp為旁通風(fēng)量，m3/h；M為艙室污染源釋放強(qiáng)度，m3/h；Qj為污染凈化設(shè)備凈化風(fēng)量，m3/h；ηj為污染凈化設(shè)備一次凈化效率。由于船舶空間限制可能導(dǎo)致的機(jī)械通風(fēng)送排風(fēng)口短路，使系統(tǒng)的實(shí)際有效通風(fēng)換氣量小于所配置的機(jī)械通風(fēng)量。本文提出有效通風(fēng)量Q作為性能參數(shù)來評估艙室通風(fēng)換氣系統(tǒng)效能，有效通風(fēng)量和旁通風(fēng)量之和即為通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量：

圖 1 艙室環(huán)境控制系統(tǒng)簡化模型Fig. 1 Simplified model of environmental control system for vessel chambers

2.2 集總模型

根據(jù)質(zhì)量守恒，艙室污染物濃度變化量等于污染散發(fā)量減去污染消除量，即

移民休閑制約因素包括:語言不通、在主流人群中感到不自在、工作疲勞、沒時間、不熟悉遷入國的生活方式以及社會隔離、歧視等［57-58］。學(xué)者［57-58］用文化同化理論解釋移民休閑制約的變化模式。Stodolska M［57］研究新遷入加拿大埃德蒙頓的波蘭移民制約因素，將制約因素分為靜態(tài)因素和動態(tài)因素2種:一些因素如歧視、缺乏獲取資源的途徑、文化差異顯示出靜態(tài)特征;另一些制約因素會隨著同化程度的加深而減弱直至消失，如語言問題、不熟悉新環(huán)境等。

其中：a為有效通風(fēng)量與凈化風(fēng)量之和與艙容的比值；b為吸入污染物量（吸入風(fēng)量×外界濃度）與艙室釋放量之和與艙容的比值，即

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)固化時，a和b均為常數(shù)。根據(jù)艦船航行的特點(diǎn)，由方程（2），方程（3）可得艙室通風(fēng)期間，污染物濃度表達(dá)式：

已知艙室濃度隨時間的變化曲線，污染散發(fā)速率，艙容，通過方程（4）可得：

故通過開展通風(fēng)系統(tǒng)換氣效果試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)及上述方程（5），迭代求解即可得到艙室有效通風(fēng)量。

3 試驗(yàn)測試

3.1 試驗(yàn)情況

在建筑環(huán)境領(lǐng)域?qū)饬鹘M織的測量主要采用脈沖、上升和下降這3種示蹤氣體釋放法[11]。考慮艦船環(huán)境的特殊性，本文提出一種結(jié)合艦船密閉艙室特征的有效風(fēng)量測試方法，以CO2作為示蹤氣體并將船員作為示蹤氣體的釋放源。

在艦船停靠碼頭且艙室內(nèi)人數(shù)保持在30人（均為健康成年男性）時開展艙室通風(fēng)系統(tǒng)換氣效果試驗(yàn)。試驗(yàn)時首先停止通風(fēng)并封閉艙室，待艙室CO2濃度達(dá)0.5%后，開啟通風(fēng)與外界大氣換氣，利用環(huán)境測量自記儀（HCZY-1型，天建華儀）定期記錄艙室CO2濃度數(shù)據(jù)，直至艙室CO2濃度降至0.2%[12]。A船和B船通風(fēng)期間艙室CO2濃度變化如圖2所示。

圖 2 通風(fēng)期間艙室 CO2 濃度實(shí)測Fig. 2 CO2 concentration variation during ventilation test

3.2 分析討論

如圖3所示，結(jié)合A及B船通風(fēng)期間艙室CO2濃度測試數(shù)據(jù)，根據(jù)式（5）可擬合得到A及B船艙室的有效通風(fēng)量風(fēng)別為 1 925 m3/h 和 687 m3/h（當(dāng)污染物為CO2時，艙室污染源主要為人員散發(fā)，成年男性CO2額定散發(fā)量取 0.022 m3/(h·人)）。

圖 3 A 及 B 船艙室有效通風(fēng)量計(jì)算Fig. 3 Calculation of the effective ventilating rates

根據(jù)擬合得到的艙室有效通風(fēng)量，利用式（4）可得到通風(fēng)期間艦船艙室CO2濃度理論下降速率，圖4對比了A及B船通風(fēng)期間艙室CO2濃度下降的數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果。圖4的對比結(jié)果可以看出，CO2濃度理論下降速率與實(shí)測結(jié)果有較高的吻合度。這表明在確定了艙室有效通風(fēng)量之后，本文的數(shù)學(xué)模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測通風(fēng)期間艙室污染物濃度的下降速率。

3.2.2 原因分析

圖 4 CO2 濃度理論下降速率與實(shí)測結(jié)果對比Fig. 4 CO2 concentration variation comparison for the calculated results and tested results

該典型艦船艙室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)循環(huán)風(fēng)量為2 000 m3/h，通風(fēng)機(jī)等設(shè)備配置完全一致，A船通風(fēng)系統(tǒng)按照原始設(shè)計(jì)方案建造施工，其有效風(fēng)量很接近設(shè)計(jì)循環(huán)風(fēng)量，說明通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效地利用了風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。而B船通風(fēng)系統(tǒng)對送排風(fēng)口位置及管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后，有效通風(fēng)量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)循環(huán)風(fēng)量，這說明通風(fēng)系統(tǒng)送排風(fēng)口布置不合理，存在嚴(yán)重的送排風(fēng)短路問題。

3.2.3 試驗(yàn)條件對通風(fēng)時間的影響

實(shí)際航行過程中，在不同的階段和航次艦船艙室內(nèi)的人員配置也會有所不同，人員活動所在艙室也會發(fā)生改變。利用式（4）還可以計(jì)算不同人員配置時，通風(fēng)期間B船艙室污染物濃度理論衰減曲線如圖5所示。當(dāng)艙室內(nèi)人員分別為36人、30人和24人時，艙室CO2濃度從0.5%降至0.2%所需通風(fēng)時間分別為94 min、73 min 和 59 min。

圖 5 不同人員配置時 CO2 濃度理論下降速率Fig. 5 CO2 concentration variation during ventilation with different amounts of crew

上述研究均是針對艙室配置獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)條件下，采用集總參數(shù)模型將整個艙室內(nèi)的空氣視為組分濃度相同狀態(tài)。當(dāng)多個艙室共用一套通風(fēng)系統(tǒng)時，需要考慮艙室不同區(qū)域間的通風(fēng)、滲透以及管網(wǎng)支路流動阻力的影響，結(jié)合各個艙室的特點(diǎn)對不同區(qū)域的通風(fēng)換氣效果進(jìn)行對比性的研究。針對該問題，可采用多區(qū)域網(wǎng)格模型[13]，將多個艙室區(qū)域視為一個系統(tǒng)，根據(jù)各個艙室管路、設(shè)備布置的特點(diǎn)將系統(tǒng)劃分為若干個控制體，利用質(zhì)量、能量守恒等方程對每個控制體的空氣流動、壓力分布進(jìn)行研究。

3.3 結(jié)論

綜合上述分析討論，可得到以下結(jié)論：

1）提出有效通風(fēng)量作為性能參數(shù)來評估艙室通風(fēng)換氣系統(tǒng)效能。 本文所研究的某典型艦船艙室通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量為2 000 m3/h，正常通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時的有效風(fēng)量為1 925 m3/h，而存在送排風(fēng)短路問題的通風(fēng)系統(tǒng)有效通風(fēng)量僅為687 m3/h，艦船艙室通風(fēng)系統(tǒng)的效能可通過有效通風(fēng)量的大小直觀定量反映。

2）提出一種針對在役艦船的不影響船員正常活動的有效風(fēng)量測試方法，以CO2作為示蹤氣體并將船員作為示蹤氣體的釋放源，通過船員人數(shù)和人體標(biāo)準(zhǔn)釋放速率作為計(jì)算示蹤氣體釋放量的依據(jù)。

3）提出的集總參數(shù)數(shù)學(xué)模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測通風(fēng)期間整個艙室污染物濃度的下降速率，本文所研究的某典型艦船通風(fēng)期間CO2濃度理論下降速率與實(shí)測結(jié)果有較高的吻合度。

4 結(jié) 語

研究表明，通風(fēng)系統(tǒng)是保證艦船艙室環(huán)境空氣質(zhì)量的重要設(shè)備之一，在進(jìn)行艦船艙室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造及改進(jìn)時，需要開展艙室通風(fēng)效能的研究。在循環(huán)風(fēng)量一定的情況下，應(yīng)充分優(yōu)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)及送回風(fēng)口的布置，避免出現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)送排風(fēng)口短路現(xiàn)象，達(dá)到盡量提高通風(fēng)系統(tǒng)的有效通風(fēng)量的目的。

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