多區域網絡模型在船舶艙室污染物傳播研究中的應用

余 濤，周愛民，沈旭東

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

船舶艙室環境質量是船員賴以生存的前提保障，實測表明，船舶艙室內部污染源眾多，污染物成分復雜，空氣品質(indoor air quality，IAQ)不佳［1-3］。而空氣品質控制最佳策略的制定前提是對污染物的分布和傳播進行合理預測。因此，深入研究污染物在船舶艙室的傳播情況，有著極為重要的實際意義。

船舶艙室污染物的傳播包括污染物在各個區域內的傳播，以及污染物隨艙室機械通風系統管路，在各個艙室之間的傳播。當前，國內對船舶艙室污染物傳播的研究主要采用集總模型，利用污染物質量守恒求解分析［4-5］。該類研究將船舶艙室作為整體或認為船舶各區域的通風量已知，不考慮不同區域間的通風、滲透等對污染物傳播的影響。

近年來，國外嘗試利用多區域網絡模型研究船舶艙室污染物傳播［6］。多區域網絡模型充分考慮復雜污染源匯、氣流等多種因素的相互作用，可有效預測艦船艙室污染物濃度的長期動態變化和區域之間的相互影響［7-8］。但國內未見該方法應用于艦船領域的相關報道。

本文利用多區域網絡模型研究分析典型工況下船舶艙室污染物傳播情況，對改善船舶艙室空氣品質有一定的指導作用。

1 多區域網絡模型

多區域網絡模型的研究起步于20世紀80年代末，該方法從宏觀角度進行研究，把整個區域群體作為一個系統，把各區域作為控制體，用實驗得出的經驗公式反映區域之間支路的阻力特征，利用質量、能量守恒等方程對整個艙室的空氣流動、壓力分布進行研究［8］。主要基于以下2 點假設:

1)將各區域視為節點，在同一時刻同一節點內認為空氣溫度、密度、壓力和污染物濃度等均勻一致，即所謂的集總參數描述;

2)空氣流經的每一個區域間開口用風阻表示。這樣，每個風阻與相應的節點連接構成通風網絡模型，如圖1所示。

圖1 多區域網絡模型原理示意圖Fig.1 Schematic of multi-zone network model

1.1 數學描述

假設整個多區域網絡由N+1 個節點和B 條通風支路構成。空氣在區域之間的流動滿足定常流伯努利方程，各節點內空氣滿足質量守恒定律，支路之間的壓差由支路之間的阻力特征和高差決定，從而得到N 個方程和B 個未知數，如下所示:

式中A 為網絡關聯矩陣。各個元素aij的定義為:

式中:F 為支路空氣流量矩陣;P 為網絡節點靜壓;ΔP 為支路兩端壓差;S 為支路阻力系數;ΔH 為支路垂直高度等造成的壓差。

污染物傳播遵循質量守恒定律，即給定容積內的污染物質量增量等于污染物產生量減去污染物去除量:

式中:V 為區域的體積;C(t)為t 時刻區域內的某污染物濃度;Q(t)為t 時刻從區域j 流入區域i，或區域i 流入區域j 的空氣流量;S(t)為t 時刻區域中某污染物的散發速率;R(t)為t 時刻區域中某污染物的消除或反應轉化速率。

通過聯立求解上述方程組，即可得到某時刻各個支路的流量和各節點的污染物濃度。

當艙室與周圍的空氣流通僅能通過機械通風系統或門時，通過測量艙室的送回風量，即可獲取通過門縫等進出艙室的空氣流量，從而進一步簡化模型。

1.2 污染物源/匯模型

為了預測室內污染物濃度，需要準確模擬室內污染物的散發和消除。目前，污染物散發模型有經驗模型和傳質模型［10-12］兩類。其中，傳質模型數學描述復雜，難以在復雜區域的模擬中應用，故當前對污染物散發的模擬多采用經驗模型。表1 列出了部分常用的經驗模型。

表1 常用污染物散發經驗模型Tab.1 Common contaminants emission models

2 模型在船舶艙室污染物傳播中的應用

以下針對船舶艙室通風、空調與凈化系統運行的不同情形，應用多區域網絡模型，分析其污染物傳播特性。

2.1 艙室模型和參數

1)艙室劃分為4 個區域，艙室模型如圖2所示;

2)艙室中某污染物初始濃度為0，由于艙室特性的不同，污染物散發濃度也不同，如表2所示;

3)區域Ⅰ、Ⅳ與其他區域僅通過空調系統連接;區域Ⅱ內無回風管，通過連通區域Ⅲ的門上的格柵排風;區域Ⅲ無空調送風，僅有回風;

4)空調系統送回風量為950 m3/h，新風中污染物濃度為0，根據ASHRAE 標準［13］設定初始新風比為20%;

5)空調系統對某污染物的凈化效率為0;

6)區域Ⅱ中含1 臺凈化風量為50 m3/h，凈化效率為90%的局部凈化設備，該設備根據區域污染情況，可間歇或連續運行。

圖2 某船舶艙室簡化示意圖Fig.2 Schematic of a ship cabin

表2 某船舶艙室的基本參數Tab.2 Basic parameters of a ship cabin

2.2 新風量對污染物分布的影響

工況1:空調系統運行，不開啟區域Ⅱ中的局部凈化設備時，艙室污染物濃度隨時間的變化如圖3所示。

艙室各區域的污染物濃度均隨時間逐漸升高，在4 h 后趨于穩定。此時區域的污染物濃度從高到低依次為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ。

圖3 工況1Fig.3 The first condition

工況2:工況1 下各區域污染物濃度達到穩態后，空調系統風量不變，但送風改為全新風，艙室污染物濃度隨時間的變化如圖4所示。

此時，艙室各區域污染物濃度均迅速降低，在0.5 h 后趨于穩定，此時區域的污染物濃度從高到低依次為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ。

圖4 工況2Fig.4 The second condition

工況3:空調系統風量不變，改變送風中的新風比例，艙室各區域污染物達到平衡時的濃度Cm隨新風比例的變化如圖5所示。

圖5 工況3Fig.5 The third condition

新風比例由10%增大至100%時，艙室各區域污染物平衡濃度Cm在初期降低明顯，當新風比例大于40%后，降低趨勢放緩。

同時，隨著新風比例的增大，各個區域達到平衡濃度所需時間明顯縮短，如圖6所示。

圖6 工況3(區域Ⅱ不同新風百分比的污染物濃度變化)Fig.6 The third condition(Zone Ⅱ)

2.3 局部凈化設備對污染物分布的影響

工況4:空調系統運行，同時開啟區域Ⅱ中的局部凈化設備時，艙室污染物濃度隨時間的變化如圖7所示。

艙室各區域的污染物濃度隨時間逐漸升高，在4 h 后趨于穩定，此時區域的污染物濃度從高到低依次為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ。

相比工況1，達到平衡時，該情形下各個區域的污染物濃度均有一定程度的降低，其中區域Ⅱ的污染物濃度降低最為明顯。

圖7 工況4Fig.7 The forth condition

工況5:區域Ⅱ中局部凈化設備連續運行，但其風量可調，且效率不變時，艙室污染物達到穩態時的濃度Cm隨局部凈化設備風量的變化如圖8所示。

局部凈化設備風量較小時，區域Ⅲ的污染物穩態濃度Cm最高。隨著凈化風量的增大，各區域的污染物穩態濃度Cm均降低，其中區域Ⅱ和Ⅲ降低更為明顯。這是由于局部凈化設備顯著降低了區域Ⅱ的污染物濃度。區域Ⅱ中污染物濃度的降低，一方面降低了向區域Ⅲ滲風的污染物濃度，從而導致區域Ⅲ的污染物濃度同步降低;另一方面，區域Ⅱ的污染物濃度降低，減少了空調系統回風中的污染物濃度，從而降低了空調系統向各個區域送風中的污染物濃度。

當凈化風量較大之后，各區域的污染物穩態濃度下降趨勢趨緩，此時，區域Ⅱ的污染物濃度已經較低，艙室污染物主要來自其他區域，這時區域Ⅱ中局部凈化設備的凈化風量不是影響艙室污染物濃度分布的主要因素。

圖8 工況5Fig.8 The fifth condition

2.4 分析與討論

綜合上述幾類情形，可得以下結論:

1)針對單位面積散發污染物濃度高的區域(區域Ⅱ，折算到每立方的污染物散發量為2.5×10-6m3/h)，合理配置局部凈化設備，可有效降低高污染區域的污染物濃度，同時降低艙室其他區域的污染物濃度;

2)空調系統的新風量直接影響艙室污染物濃度，全新風時艙室各區域污染物濃度顯著低于最小新風量時。且在新風量較小時，增大新風量可明顯降低艙室污染物濃度;但新風量較大后，新風量的變化對艙室污染物濃度變化影響不明顯;

3)局部凈化設備性能直接影響所在區域和艙室整體的污染物濃度，凈化設備效率恒定時，隨著凈化風量增大，各區域濃度先顯著降低，后逐漸趨緩。

因此，針對船舶艙室，應根據污染物散發情況，合理配置新風量，以達到污染物濃度與船舶其他功能需求之間的平衡。同時，可在污染物濃度較高的局部區域，加裝局部凈化設備，降低艙室污染物濃度。但局部凈化設備的加裝需綜合考慮區域污染情況和凈化設備體積、功率等方面的平衡，當凈化設備性能達到一定水平后，盲目增大凈化設備性能，對艙室污染物濃度改善提升不明顯。

3 結 語

本文將多區域網絡模型引入船舶艙室污染物傳播研究領域。分析表明，利用該模型可以有效預測船舶艙室污染物傳播情況，指導通風、空調和凈化系統的設計和運行調節。特別是針對由眾多艙室組成的大型船舶，通過該方法預測艙室污染物傳播情況，可為改善船舶艙室空氣品質提供有效指導。

［1］WEBSTER A D，REYNOLDS G L.Indoor air quality on passenger ships［Z］.Air Quality in Airplane Cabins and Similar Enclosed Spaces，Springer，2005:335-349.

［2］SUN S K，YUN G L.Field measurements of indoor air pollutant concentrations on two new ships［J］.Building and Environment，2010，45(10):2141-2147.

［3］任威，呂靜，程向新，等.渤海灣客滾船客艙內空氣污染與控制方法研究［J］.船海工程，2009，38(3):72-76.

REN Wei，LV Jing，CHENG Xiang-xin，et al.Study on air pollution in cabin of the Ro/Ro passenger ship and control methods［J］.Ship ＆ Ocean Engineering，2009，38(3):72-76.

［4］李軍.艦船密閉艙室空氣凈化系統數學模型及其分析［J］.艦船科學技術，2004，26(S1):41-45.

LI Jun.Mathematical model and analysis of air purification system of hermetic ship cabin［J］.Ship Science and Technology，2004，26(S1):41-45.

［5］李永強，鄭賢德.電算求解密閉艙室空氣凈化方程［J］.船海工程，2003(6):21-23.

LI Yong-qiang，ZHENG Xian-de.Computation of the purified air′s equation of closed-in compartments［J］.Ship＆ Ocean Engineering，2003(6):21-23.

［6］PEEL A E，ARSAC F，JOUANDON E.Control of the submarine atmosphere in the French navy［C］.AIAA 40th international conference on environmental systems，2010.

［7］WALTON G N，DOLS W S.Contam user guide and program documentation［R］.NISTIR 7251.

［8］王芳，陸亞俊.多區域空氣流動網絡模型用于室內空氣品質和通風模擬研究［J］.暖通空調，2002，32(6):44-46.

WANG Fang，LU Ya-jun.Application of multizone modeling software to ventilation and indoor air quality［J］.HV ＆AC，2002，32(6):44-46.

［9］張野，章宇峰，宋芳婷，等.建筑環境設計模擬分析軟件DeST 第8 講自然通風與機械通風系統的聯合模擬［J］.暖通空調，2005，35(2):57-70.

ZHANG Ye，ZHANG Yu-feng，SONG Fang-ting，et al.Building environment design simulation software DeST(8):combined simulation of natural and mechanical ventilation［J］.HV ＆ AC，2005，35(2):57-70.

［10］GUO Zhi-shi.Review of indoor emission source models.Part 1.Overview［J］.Environment Pollution，2002，120(3):533-549.

［11］GUO Zhi-shi.Review of indoor emission source models.Part 2.Parameter estimation［J］.Environment Pollution，2002，120(3):551-564.

［12］張寅平，張立志，劉曉華，等.建筑環境傳質學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

ZHANG Yin-ping，ZHANG Li-zhi，LIU Xiao-hua，et al.Building environment mass transfer［M］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2006.

［13］ANSI/ASHRAE Standard 62.1- 2010:ventilation for acceptable indoor air quality［S］.Atlanta:American Society of Heating，Refrigerating，and Airconditioning Engineers，2010.