舰船舱室挥发性有机化合物的释放速率研究

张锦岚，余涛，姜国宝，孙新福，赵俊涛

武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430205

0 引 言

挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC），例如，苯系物（Benzene，Toluene，Ethylbenzene and Xylene，BTEX），是舰船舱室环境的主要污染物，易导致舱室异味且危害人员健康［1］，是发展绿色船舶不可忽视的重要影响因素［2］。相关调查研究表明：与飞机、火车、汽车等交通工具相比，军用舰船中封闭型舱室的空气质量不容乐观［3-6］。因此，必须研发高效的舰船舱室空气污染控制系统。

VOC类污染物的控制措施一般包括3类：源头控制、通风和净化［7-8］。舰船舱室的通风净化策略可以参考建筑行业的设计方法，例如，舰船舱室的新风和净化风量应根据规范标准、换气次数和人均需求进行配置［9-14］。而对于污染严重或新风难以保证的舱室，则应按照设计经验增加净化手段。目前，室内建筑环境的VOC污染释放数据库已较为完备［15］，而舰船舱室的通风净化设计仍然缺乏精确的释放数据。同时，由于缺乏舰船舱室的标准测试规范，现有污染物释放源相关研究成果的横向可比性也较差。

本文将基于常规室内空间的试验方法，结合舰船舱室特点，提出以BTEX为代表的VOC释放速率测量与分析方法，并以某舰船舱室为研究对象开展实测研究，用以为舰船通风净化系统设计和污染控制提供参考。

1 研究方法

1.1 测量原理

一般而言，舰船舱室VOC主要来源于人员活动、设备运行和油漆涂料等非金属材料的释放。典型舱室环境控制系统的简化模型如图1所示，包含通风、空调和净化等环节。

图中：C0为外界大气污染物的浓度，mg/m3；C(t)为t时刻舱内污染物的浓度，mg/m3；V为舱室空气的净容积，m3；Q为送风（排风）风量，m3/h；M为给定工况下舱室污染源在单位空间的释放强度，mg/（h·m-3）；CADR为净化设备的洁净空气量，m3/h。

本文的研究对象为可封闭舱室，其舱内材料的年限给定，舱室温度和湿度给定，无特殊的机械动力污染源且换气次数高（空气搅拌均匀）［16］。因此，对舱室模型进行如下简化处理：

1）VOC源的释放强度恒定。

2）VOC释放后，除设备净化和通风排出之外，不发生二次反应和转化。

3）舱内VOC的分布均匀。

4）外界为洁净大气，即C0=0。

需要注意的是，以非金属材料为代表的污染源的释放特征易受环境背景浓度影响，因此，舱室模型简化后的测量结果即为给定环境背景浓度下的污染释放速率。

根据质量守恒定律，舱室污染物浓度的变化量等于污染散发量减去污染消除量［17］，则集总参数模型为

系统状态固化时，C(t)为

1.1.1 封舱工况

该工况下，送风（排风）和洁净空气量均为0，即Q=CADR=0，则根据式（2）可得

因此，关闭通风系统且保持舱室气密时，即可通过测量污染物浓度的变化特征得到舱室污染物的释放速率和舱室空气的净容积。

1.1.2 通风工况

以上式中：T为达到平衡状态的时间；C为平衡状态的舱内污染物浓度。

因此，通风工况下，根据通风风量、净化设备的洁净空气量和达到平衡状态后的污染物平衡浓度，即可得到舱室污染物的释放速率。

在封舱工况和通风工况下，均需按照一定的时间间隔进行多次采样，用以监测舱室污染物浓度的变化，具体的间隔时间应根据舱室特征、在线监测结果及设计经验来确定。

1.2 测量方案

在舰船正常航行时，将舱室通风设置为受控状态，分别测试2种工况下的VOC释放速率。

1）通风工况。保持舱室通风量稳定，待VOC浓度达到平衡后，测量舱内污染物的平衡浓度（每4～6 h采样一次，空气样品数量不少于5组）。

2）封舱工况。舱室充分通风后（可通过辅助手段提高通风风量）封闭舱室，每20～30 min采集一次，空气样品数量不少于4组。

通过分析空气样品，根据式（4）和式（8）即可得出相应工况下的舱内VOC释放速率。

测试所需的主要仪器和设备如表1所示。VOC的组份和浓度采用现场Tenax-TA采样管富集采样和试验室热脱附—气相色谱/质谱联用（Automated Thermal Desorption-Gas Chromatography/Mass Spectrometry，ATD-GC/MS）分析方法进行检测，采样流量为0.15 L/min，采样时间为10 min。采样期间使用皂膜流量计对采样器进行定期校准［6］。测试期间将进行试验室和现场空白管分析（相对标准偏差＜5%）及重复样检验（双样采集，相对标准偏差＜20%）。

表1 主要的试验仪器和材料Table 1 Main test instruments and materials

1.3 试验对象

选取已交付使用1年的某型舰船驾驶舱为研究对象，该舱室为典型的可封闭舱室，其主要参数如表2所示。其中，风机盘管送/排风口位于舱室内且分布均匀，可在封舱与通风2种工况下运行。风机仅用于该舱室的降温除湿，盘管内不含空气净化模块，且新风系统仅在通风工况下开启。在风机盘管运行期间，舱室可换气5次，以保证舱内的污染物分布均匀［18］。在封舱工况下，舱室气密满足标准要求［16］。

表2 试验舱室信息Table 2 Information about test cabin room

2 试验结果分析

2.1 试验结果

试验期间，舱内空气的温度为（25±2）℃，相对湿度为（50±5）%，压力为102.9 kPa。

封舱工况下的舱内CO2浓度变化情况如图2所示。舱内CO2体积浓度呈线性上升趋势，拟合速率为（0.172±0.004）%/h。舱室CO2的主要来源是舰员呼出的气体。试验期间舱内舰员共计6人，均处于轻度劳动状态，CO2释放速率为23 L/（人·h）［18-19］。根据式（5），可得舱室空气的净容积约400 m3。根据式（6），可得平衡时间T＜24 h，即通风24 h后舱内VOC浓度可达到平衡状态。

2.2 释放速率

2.2.1 通风工况

表3所示为通风24 h后，舱室内以BTEX为代表的VOC浓度和释放速率，其中样本数量为6组。表3中，TVOC为二甲苯和挥发性有机化合物总量（Total Volatile Organic Compound，TOVC）。

2.2.2 封舱工况

图3所示为封舱工况下舱室内VOC浓度的变化曲线。当试验舱室的背景浓度略低于通风工况时，其BTEX浓度随时间呈线性增长趋势（相关系数R2＞0.9）。但在封舱后期，二甲苯浓度的增长趋势显著降低，这可能是由于环境浓度偏高抑制了其释放速率，或是由于环境浓度偏高时污染物存在壁面吸附效应。采用最小二乘法拟合即可得到释放速率，具体结果如表4所示。

表3 通风工况下的VOC浓度和释放速率Table 3 VOC concentration and emission rate under ventilation condition

表4 封舱工况和通风工况下的VOC释放速率对比Table 4 Comparison of VOC emission rate under seal condition and ventilation condition

2.2.3 误差分析

该试验方法的误差来源主要包括样品数据采集和分析、舱室渗透漏风量和空气净容积等。

1）样品数据采集和分析。

样品数据误差包括样品采样体积的不确定度和试验室测试结果的不确定度。根据文献［20］，采用表1所示测试仪器所得结果的相对不确定度在5%以内。为降低该误差，可视情进一步提高采样精度和仪器精度（例如，选用恒流量泵）。

2）舱室渗透漏风量。

封舱工况下，舱室与外界的理论渗透漏风量为0；通风工况下，舱室与外界的通风量理论上为已知定值，即不考虑风量波动和其他原因导致的舱室渗透漏风。然而，当舱室与外界存在渗透漏风时，舱室与外界的实际通风量将发生变化。根据式（1），当外界污染物浓度较低且实际通风量增加时，将导致舱内污染物的释放速率偏低。因此，为降低该误差，可以采用更高精度的示踪气体法来测量实际工况下的舱室通风量［18］。

3）舱室空气净容积。

按照式（4）计算即可得到舱室空气的净容积，除了CO2测量误差之外，还应考虑舰员呼出CO2速率的影响。由于舰员呼出CO2的速率受其活动强度影响，存在波动风险，故在一定条件下也可以采用示踪气体法测量给定工况下的舱室空气净容积。

2.3 试验分析

根据通风工况和封舱工况下的舱室VOC浓度和环境参数测量结果，可以得出：

1）通风工况下，TVOC的平衡浓度超出了室内空气质量标准（GB/T 18883-2002）。

2）封舱工况下（环境浓度与通风工况接近），除浓度较低的苯以外，以BTEX为代表的VOC释放速率与通风工况下的测试结果吻合较好。

3）封舱工况下的测试结果直观、干扰因素少，但必须保证舱室在测试期间维持气密；通风工况下的测试方法简单，但易受舰船工况和舰员活动的影响。在实际应用中，可以根据船型和舱室特点选择合适的测试工况，且试验舱室的背景浓度应控制在额定工况的平衡浓度范围以内。

4）舱室VOC的释放速率受各类VOC特征和环境背景浓度等因素的影响。与检测单一设备或材料污染物释放特征的模拟舱法相比［21］，本文提出的测试方法将释放速率简化为定值，未考虑环境背景浓度的影响，仅反映了对应测试时间、工况和背景浓度下的污染物释放特征。

3 结 论

本文以某舰船舱室为研究对象进行了舱室VOC浓度和环境参数测定分析，主要结论如下：

1）在通风工况下，所测舰船舱室的二甲苯和TVOC的平衡浓度均超出了室内环境标准限值，应加强污染源头控制或改善通风净化效能。

2）除浓度较低的苯之外，封舱工况和通风工况下的BTEX释放速率测试结果吻合较好。其中，通风工况接近实船使用状态，但测试周期长，易受外界因素干扰；封舱工况测试周期短，干扰因素少，但与实船使用状态存在差异，故需控制试验期间的环境背景浓度。在实际应用中，可以根据舰船特征视情选择测试工况。

3）本文提出的VOC释放速率测试方法只是对舱室VOC释放特征进行研究评价的方法之一。该方法要求舱室与外界的空气交换处于受控状态，适用于气密要求高且以机械通风为主的舰船舱室。

目前，在舰船舱室环境的VOC释放特征测试领域，尚无成熟的标准规范。本文提出的测试方法不能完全涵盖我国舰船舱室VOC的所有释放特征，但该方法具有普适的指导意义，相关的研究成果对舰船通风净化系统设计和污染控制具有一定的参考价值。下一步将结合各类舰船舱室特点建立污染特征测试方法体系，为后续舰船的环境控制系统设计提供指导。

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