舰船舱室通风系统效能评估

王 骁，唐熊辉，余 涛，牛司贵，王华剑，施红旗

(1. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205；2. 海军驻 431厂军代表室，辽宁 葫芦岛 125004；3. 中国人民解放军某部队，青岛 266104)

0 引 言

通风可将室内污浊的空气直接或净化后排至室外，再把新鲜的空气补充进来，从而保持室内的空气环境符合卫生标准，是控制室内空气质量的主要途径之一[1]。相比于常规建筑物房间，当前大型舰船出于节能、隐身需要，舱室多采用半封闭或全封闭式设计，难以通过自然通风改善舱室空气质量。在相对狭小的舰船舱室空间内，需要通过机械通风系统对舱室进行通风换气，但通风系统管路结构设计和通风口布置的制约因素多且易受到外界气象条件的影响。同时，由于存在设备运行排放、非金属材料散发以及人员活动释放等众多的污染源[2]，大型舰船密闭舱室对空气质量控制提出了更高的要求。良好的舰船通风系统设计，可减少舱室非金属材料释放和柴油机等排放的废气对舱室空气质量的影响[3]，缩短舱室空气置换所需通风时间，保障人员的安全健康以及设备的稳定运行，对舰船密闭舱室空气质量控制具有重要意义。

近几十年来，随着舰船设计、建造水平的不断提高，舰船舱室环境控制系统也充分借鉴国内外相关领域最新的研究成果，不断地进行优化改进，如针对关键污染源——柴油机排气的综合模拟研究[4- 5]；开展舱室气流组织及空调管网优化[6-7]，加强舱室空气污染物传播与控制技术的研究[8-9]等，取得了显著效果。但是对于舰船舱室机械通风系统与外界大气的置换效能研究较为薄弱，目前在设计阶段，仅根据空调冷热负荷及设计新风量需求[10]配置机械通风系统，未考虑由于船舶空间限制可能导致的机械通风送排风口短路风险。在试验和实际使用时，通常根据通风换气时舱室典型污染物（如CO2）浓度的下降速率间接反映通风系统效果的好坏。

本文根据舰船舱室密闭环境特点，结合某典型舰船舱室通风系统换气效果试验，建立舱室通风换气的数学模型，计算舱室污染物浓度在通风换气期间的变化情况，并提出有效通风量作为性能参数来评估舱室通风换气系统效能，直观地反映舰船舱室通风效果。该研究可为舰船舱室通风系统的设计及优化提供一定的指导。

1 研究对象

某型舰船典型舱室配置的通风系统由1台送风机、1台排风机、1台搅拌风机及其管路、附件组成。搅拌风机仅用于该舱室的空气搅拌，使整个舱室的空气污染物浓度均匀分布。舰船舱室空气净容积为500 m3，通风系统循环风量 2 000 m3/h。

该型舰船同批建造2艘（A船、B船）：A船舱室通风系统按照原始设计方案施工建造；B船因用户提出美观性要求，在设计建造时对通风系统送排风口位置进行了调整。交付船东后，使用过程中发现2艘船的舱室通风效果存在显著差异。

本研究以该典型舰船为研究对象，建立舱室通风换气数学模型，提出有效通风量作为评估舱室通风换气系统性能的参数，并对A，B两船舱室进行有效通风量测量，结合数学模型和测量数据开展关于舰船密闭舱室通风效能的研究。

2 数学模型

2.1 模型概述

大型舰船舱室内设备运行、材料散发和人员活动过程中都会释放各类空气污染物，通风系统通过引入外界新风，可清除舱室内富含H2，CO2等有害气体的污浊空气，假定在通风系统运行期间，舱室污染物呈均匀分布状态，则舱室环境控制系统简化模型如图1所示。

图中，C0为外界大气污染物浓度；C（t）为t时刻舱室污染物浓度，当t=0时，C(0)=C1；V为舱室空气净容积（简称舱容），m3；Qs为送风风量，m3/h；Qp为旁通风量，m3/h；M为舱室污染源释放强度，m3/h；Qj为污染净化设备净化风量，m3/h；ηj为污染净化设备一次净化效率。由于船舶空间限制可能导致的机械通风送排风口短路，使系统的实际有效通风换气量小于所配置的机械通风量。本文提出有效通风量Q作为性能参数来评估舱室通风换气系统效能，有效通风量和旁通风量之和即为通风系统设计风量：

图 1 舱室环境控制系统简化模型Fig. 1 Simplified model of environmental control system for vessel chambers

2.2 集总模型

根据质量守恒，舱室污染物浓度变化量等于污染散发量减去污染消除量，即

移民休闲制约因素包括:语言不通、在主流人群中感到不自在、工作疲劳、没时间、不熟悉迁入国的生活方式以及社会隔离、歧视等［57-58］。学者［57-58］用文化同化理论解释移民休闲制约的变化模式。Stodolska M［57］研究新迁入加拿大埃德蒙顿的波兰移民制约因素，将制约因素分为静态因素和动态因素2种:一些因素如歧视、缺乏获取资源的途径、文化差异显示出静态特征;另一些制约因素会随着同化程度的加深而减弱直至消失，如语言问题、不熟悉新环境等。

其中：a为有效通风量与净化风量之和与舱容的比值；b为吸入污染物量（吸入风量×外界浓度）与舱室释放量之和与舱容的比值，即

当系统设计状态固化时，a和b均为常数。根据舰船航行的特点，由方程（2），方程（3）可得舱室通风期间，污染物浓度表达式：

已知舱室浓度随时间的变化曲线，污染散发速率，舱容，通过方程（4）可得：

故通过开展通风系统换气效果试验，根据实测数据及上述方程（5），迭代求解即可得到舱室有效通风量。

3 试验测试

3.1 试验情况

在建筑环境领域对气流组织的测量主要采用脉冲、上升和下降这3种示踪气体释放法[11]。考虑舰船环境的特殊性，本文提出一种结合舰船密闭舱室特征的有效风量测试方法，以CO2作为示踪气体并将船员作为示踪气体的释放源。

在舰船停靠码头且舱室内人数保持在30人（均为健康成年男性）时开展舱室通风系统换气效果试验。试验时首先停止通风并封闭舱室，待舱室CO2浓度达0.5%后，开启通风与外界大气换气，利用环境测量自记仪（HCZY-1型，天建华仪）定期记录舱室CO2浓度数据，直至舱室CO2浓度降至0.2%[12]。A船和B船通风期间舱室CO2浓度变化如图2所示。

图 2 通风期间舱室 CO2 浓度实测Fig. 2 CO2 concentration variation during ventilation test

3.2 分析讨论

如图3所示，结合A及B船通风期间舱室CO2浓度测试数据，根据式（5）可拟合得到A及B船舱室的有效通风量风别为 1 925 m3/h 和 687 m3/h（当污染物为CO2时，舱室污染源主要为人员散发，成年男性CO2额定散发量取 0.022 m3/(h·人)）。

图 3 A 及 B 船舱室有效通风量计算Fig. 3 Calculation of the effective ventilating rates

根据拟合得到的舱室有效通风量，利用式（4）可得到通风期间舰船舱室CO2浓度理论下降速率，图4对比了A及B船通风期间舱室CO2浓度下降的数学模型计算结果与试验测试结果。图4的对比结果可以看出，CO2浓度理论下降速率与实测结果有较高的吻合度。这表明在确定了舱室有效通风量之后，本文的数学模型可较准确地预测通风期间舱室污染物浓度的下降速率。

3.2.2 原因分析

图 4 CO2 浓度理论下降速率与实测结果对比Fig. 4 CO2 concentration variation comparison for the calculated results and tested results

该典型舰船舱室通风系统的设计循环风量为2 000 m3/h，通风机等设备配置完全一致，A船通风系统按照原始设计方案建造施工，其有效风量很接近设计循环风量，说明通风系统设计有效地利用了风机的风量。而B船通风系统对送排风口位置及管网结构进行调整后，有效通风量远小于设计循环风量，这说明通风系统送排风口布置不合理，存在严重的送排风短路问题。

3.2.3 试验条件对通风时间的影响

实际航行过程中，在不同的阶段和航次舰船舱室内的人员配置也会有所不同，人员活动所在舱室也会发生改变。利用式（4）还可以计算不同人员配置时，通风期间B船舱室污染物浓度理论衰减曲线如图5所示。当舱室内人员分别为36人、30人和24人时，舱室CO2浓度从0.5%降至0.2%所需通风时间分别为94 min、73 min 和 59 min。

图 5 不同人员配置时 CO2 浓度理论下降速率Fig. 5 CO2 concentration variation during ventilation with different amounts of crew

上述研究均是针对舱室配置独立的通风系统条件下，采用集总参数模型将整个舱室内的空气视为组分浓度相同状态。当多个舱室共用一套通风系统时，需要考虑舱室不同区域间的通风、渗透以及管网支路流动阻力的影响，结合各个舱室的特点对不同区域的通风换气效果进行对比性的研究。针对该问题，可采用多区域网格模型[13]，将多个舱室区域视为一个系统，根据各个舱室管路、设备布置的特点将系统划分为若干个控制体，利用质量、能量守恒等方程对每个控制体的空气流动、压力分布进行研究。

3.3 结论

综合上述分析讨论，可得到以下结论：

1）提出有效通风量作为性能参数来评估舱室通风换气系统效能。 本文所研究的某典型舰船舱室通风系统循环风量为2 000 m3/h，正常通风系统实际运行时的有效风量为1 925 m3/h，而存在送排风短路问题的通风系统有效通风量仅为687 m3/h，舰船舱室通风系统的效能可通过有效通风量的大小直观定量反映。

2）提出一种针对在役舰船的不影响船员正常活动的有效风量测试方法，以CO2作为示踪气体并将船员作为示踪气体的释放源，通过船员人数和人体标准释放速率作为计算示踪气体释放量的依据。

3）提出的集总参数数学模型可较准确地预测通风期间整个舱室污染物浓度的下降速率，本文所研究的某典型舰船通风期间CO2浓度理论下降速率与实测结果有较高的吻合度。

4 结 语

研究表明，通风系统是保证舰船舱室环境空气质量的重要设备之一，在进行舰船舱室通风系统设计建造及改进时，需要开展舱室通风效能的研究。在循环风量一定的情况下，应充分优化管网结构及送回风口的布置，避免出现机械通风送排风口短路现象，达到尽量提高通风系统的有效通风量的目的。

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