0 引　言

相比于其他建筑空间，船舶内的机组人员往往在室内停留的时间更长，室内空气质量差会对其产生不利影响^[1]，特别是长航行时间下的影响更加显著。而有效的通风及控制策略是保持船舶良好室内空气品质的重要因素^[2-3]。因此，定量计算船舶各舱室污染物传播规律并优化通风控制策略对于保障船员生命健康安全和船舶高效运行至关重要。

当前对船舶舱室空气污染物控制和通风的研究主要分为三类，一是采用实际测试的方式，分析船舶舱室的重点污染物及通风控制策略。如Webster AD^[4]实测发现，某大型客船的各个舱室中，住舱的CO₂浓度最高。二是采用计算流体力学方法，研究不同通风方式下的室内气流组织，进而分析对污染物的影响^[5-7]，包括采用CFD对舱室内不同送回风口位置进行模拟比较，确定最佳的送回风口布置形式^[8-9]，或研究某污染物/细颗粒在不同通风方式中的扩散过程，给出相应的通风方式建议^[10]等。三是采用集总参数或者多区域集成求解的方法，研究舱室内污染物变化或者传播规律^[11]，比较优化通风策略^[12]。如雷世伦^[13]通过集总方法，导出潜艇舱室CO₂清除的特性方程,分析和实例计算了清除特性，反映了潜艇舱室CO₂清除规律，并得出了要维持舱内CO₂浓度在0.8%以内，清除装置效率与循环风量的乘积应不低于338的结论。余涛^[14]等采用多区域网络通风模型研究不同通风空调工况下新风量和局部净化设备对舱室污染物分布的影响。以上研究对舱室内空气污染物的变化规律认知和控制具有一定意义，但提出的通风控制策略基本局限于对污染物的认识、新风量的控制、净化设备的使用等环节，对于深层次的策略优化鲜有提及，并对结合区域内污染物浓度监测数据的控制策略缺乏足够研究，导致相关智能化控制方式的引入缺少理论支撑。

为此，本文建立典型的船舶舱室模型，引入多区域污染物传播计算理论模型及污染物散发模型，定量分析通风系统的新风量控制、启停时间控制、反馈控制等方式下的舱室内污染物浓度变化规律和控制效果。

1 模型描述 1.1 多区域污染物传播算法

多区域污染物传播分析的理论基础是控制区域内每种组分都遵守质量守恒定律。每个控制区域的体积是指一个单独的舱室，或舱室的一部分，或与其他房间连接的房间的空气体积。

大部分情况下，组分的浓度很低时可以认为它对空气浓度不会有影响，计算中，干空气的物理性质将视为空气物性参数。对控制区域i的组分α建立质量守恒方程：

$ \dfrac{{\rm{d}}{m}_{i}^{a}}{{\rm{d}}t} = {\sum }_{j}{F}_{j-i}\left(1 - {\eta }_{j}^{a}\right){C}_{j}^{a} + {G}_{i}^{a} - {\sum }_{j}{F}_{i-j}{C}_{i}^{a} - {R}_{i}^{a}{C}_{i}^{a}。$

(1)

其中： ${F_{j - i}}$ 为控制区域j到i的质量流量； $\eta _j^a$ 为经过的流动通道对组分a的过滤效率； $G_i^a$ 为组分的生成速率； $R_i^a$ 为示组分的散失速率。

对式（1）进行时间上的离散化，得到下式：

$\begin{split} {\left[{\rho }_{i}{V}_{i}{C}_{i}^{a}\right]}_{t\text+\Delta \text{t}}&={\left[{\rho }_{i}{V}_{i}{C}_{i}^{a}\right]}_{t} + \\& \Delta t{\left[\displaystyle {\sum} _{j}\begin{array}{c}{F}_{j-i}\left(1-{\eta }_{j\text{-i}}^{a}\right){C}_{j}^{a}\\ +{G}_{i}^{a} - \displaystyle {\sum} _{j}{F}_{i-j}{C}_{i}^{a} - {R}_{i}^{a}{C}_{i}^{a}\end{array}\right]}_{t+\Delta t}。\\[-15pt] \end{split}$

(2)

式（2）为隐式格式，针对某一特定污染物，未知的参数为[C_i^a]_t+△t以及[C_j^a]_t+△t，对于N个区域节点则有N个方程，联立方程组可获得在一定时间步长△t情况下不同区域的浓度值。采用矩阵求解的方式，建立方程组求解方法。

改变式（2）的形式，如下式：

$ \begin{split} &{\left[{\left({\rho }_{i}{V}_{i}\right)}_{t+\Delta t}+\Delta t\sum _{j}{F}_{i-j}+{R}_{i}^{a}\Delta t\right]}_{t+\Delta t} \cdot{\left[{C}_{i}^{a}\right]}_{t+\Delta t}+\\ & \left(-\Delta t\right){\left[\sum _{j}{F}_{j-i}\left(1-{\eta }_{j-i}^{a}\right)\right]}_{t+\Delta t} \cdot{\left[{C}_{j}^{a}\right]}_{t+\Delta t} =\\ &{\left({\rho }_{i}{V}_{i}{C}_{i}^{a}\right)}_{t}+{\left[\Delta t{G}_{i}^{a}\right]}_{t+\Delta t}。\end{split} $

(3)

1.2 污染物散发模型

舱室内不同的散发源及汇聚形式具有不同的污染物散发与去除机制。如恒定释放速率、压力驱动、截止浓度等。通过已知释放速率Ga和去除速率Ra，代入到相应的机制模型中，可获得污染物散发状态值。

一般的污染物释放模型采用式进行描述：

$ Sa(t) = Ga – RaCa(t) 。$

(4)

式中：Sa为污染物a的释放强度。对于空气净化过滤模块，Ga=0并且Ra=f·e，其中f为通过过滤器的空气流量，e为针对于污染物a的过滤效率。

本文中，以CO₂作为代表性污染物，CO₂释放源主要为人员活动。

1.3 工具选择

CONTAM是一款基于多区模型原理的室内空气品质和通风的分析程序，在计算区域内污染物浓度变化情况时，与上述计算原理具有一致性，因此本文将CONTAM引入到舱室空气质量控制计算中，通过舱室内外之间的通风策略，计算各区域污染物浓度变化情况。

1.4 船舶舱室抽象模型

有6个独立房间（空气容积分别为500 m³，800 m³，800 m³，800 m³，500 m³，300 m³），人员数量分别为（20人，40人，20人，30人，10人，5人），新风系统向各个房间送回风量一致（分别为500 m³/h，4000 m³/h，2000 m³/h，2000 m³/h，1000 m³/h，500 m³/h），人均CO₂产生量22 L/h，外界大气CO₂浓度400 ppm，房间初始浓度400 ppm。

2 船舶舱室通风控制策略

通风换气是有效稀释住宅船舶舱室内污染物浓度、保证良好室内空气质量的重要手段。合理的通风换气方式必须提供足够的新鲜空气，但太多新风会导致能源浪费。此外，舱室通风的一个基本原则是，新鲜空气的入口应设置在人员长居区域，排风口应布置在厕所、浴室和厨房。船舶运行中，当引入室外新风的条件不足时，需辅以一定的净化手段。因此，对于舱室内的污染物控制时的通风策略，主要设置3种。

2.1 新风量控制策略

采用一定的回风比例（或新风比）在空调系统运行中较为常见，主要目的在于通过引入一定量的新风稀释室内源源不断产生的污染物，包括人员呼吸产生的CO₂或者材料散发产生的甲醛、TVOC等。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012规定了区域内的最小新风量（30 m³/(h.人)），在船舶舱室中，人员流动复杂，一般采用一定新风比控制的方式。但新风比的与舱室布局、气流流通关系、人员流动密切相关，因此本文分别设置60%新风、80%新风、90%新风、全新风等4种工况进行对比，探讨不同新风比条件下的各区域污染物变化规律。

2.2 通风启停时间控制策略

通过新风供应时间控制船舶舱室空气污染是另一种途径。该方式下，通风系统采用全新风运行，为避免过度供应新风造成能源浪费，需以一定的启停时间进行控制。此方式下，室内污染物浓度受舱室布局、新风量、启停时间、污染源特征的综合影响，在舱室布局、新风量、污染物等参数固定的情况下，启停时间的控制成为主要影响因素。本文设定新风系统运行时间为：每4 h运行0.5 h，通过计算结果分析通风系统间歇运行方式下的舱室内污染物浓度变化情况。

2.3 浓度反馈控制策略

此种方式下，通风系统同样为全新风运行，区别在于该方式基于区域内的浓度监控，通过设定一定的室内浓度控制区间，反馈控制通风系统启停。

策略1设置内循环净化，净化效率恒定为95%，采用反馈控制的方式控制净化设备启停，即当被监测区域内CO₂浓度大于1000 ppm时开启净化设备，当区域内CO₂浓度小于500 ppm时，净化设备关闭

策略2在策略1基础上，设备自身运行表与CO₂浓度反馈控制叠加，其中时间表设置为一天内0～12 h开启，12～24 h关闭。仅当基于浓度反馈的控制信号与时间表控制信号均为开启时，设备启动。

3 计算结果

全新风连续运行条件下各区域CO₂浓度变化如图2（a）所示。其中，1～6分别为6个区域的浓度计算结果。图2（b）为回风量为10%的室内CO₂浓度变化结果。

当采用新风系统间隙运行时，各区域浓度变化情况如图3所示。

采用浓度反馈控制的计算结果如图4所示。对于策略1，当净化设备风量为30 m³/h时，从0时刻开始，区域内浓度不断上升，达到1000 ppm，由于反馈控制的作用，此时净化设备30 m³/h风量开启，室内浓度不断降低并达到平衡。当净化设备风量为50 m³/h时从0时刻开始，区域内浓度不断上升，达到1000 ppm，由于反馈控制的作用，此时净化设备50 m³/h风量开启，室内浓度不断降低，达到500 ppm，此时净化设备关闭，浓度重新上升，如此反复。对于策略2，当净化设备风量为30 m³/h时的区域浓度计算结果如图4（c）。此时设备自身运行表与CO₂浓度反馈控制叠加，在0～12 h时间段，室内浓度与图保持一致；在12～24 h由于关闭净化设备关闭，区域内污染物浓度直线上升。当净化设备风量为50 m³/h时的区域浓度计算结果如图4（c）。此时设备自身运行表与CO₂浓度反馈控制叠加，在0～12 h时间段，室内浓度与图4（b）保持一致；在12～24 h由于关闭净化设备关闭，区域内污染物浓度直线上升。综合图1～图4，若以污染物超标时间作为主要风险对比对象，则基于浓度反馈控制的通风策略与基于时间或新风量控制的通风策略相比，能够降低约10%的空气质量超标风险。

4 结　语

针对典型舱室结构特性，本文基于多区域污染物传播算法，对比分析不同通风净化策略下的船舶舱室污染物浓度变化规律，为船舶通风系统优化设计提供一定参考，所形成的重点结论包括以下几点：

1）船舶舱室通风净化设计和运行中，除了传统的采用以控制新风比、通风系统持续运行的方式保障室内良好空气质量外，采用全新风+间歇运行或者采用基于浓度反馈控制新风启停的通风策略同样是行之有效的通风策略。

2）分析结果表明，采用基于浓度反馈控制新风启停的控制方式，在多区域环境保障方面优势更为显著，与采用新风比控制方式相比，该方式能够降低10%的空气质量超标时间，且通过按需启动，可显著降低通风系统运行时间，对于船舶运行节能效果明显。

3）采用控制新风比或者全新风+间歇运行方式时，须根据舱室特征、人员特征、污染物特征、舱室连通关系等严格计算，否则具有较大的污染物控制失效风险。