張錦嵐，余濤，姜國寶，孫新福，趙俊濤

武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢430205

0 引 言

揮發(fā)性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOC），例如，苯系物（Benzene，Toluene，Ethylbenzene and Xylene，BTEX），是艦船艙室環(huán)境的主要污染物，易導(dǎo)致艙室異味且危害人員健康［1］，是發(fā)展綠色船舶不可忽視的重要影響因素［2］。相關(guān)調(diào)查研究表明：與飛機、火車、汽車等交通工具相比，軍用艦船中封閉型艙室的空氣質(zhì)量不容樂觀［3-6］。因此，必須研發(fā)高效的艦船艙室空氣污染控制系統(tǒng)。

VOC類污染物的控制措施一般包括3類：源頭控制、通風(fēng)和凈化［7-8］。艦船艙室的通風(fēng)凈化策略可以參考建筑行業(yè)的設(shè)計方法，例如，艦船艙室的新風(fēng)和凈化風(fēng)量應(yīng)根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、換氣次數(shù)和人均需求進行配置［9-14］。而對于污染嚴(yán)重或新風(fēng)難以保證的艙室，則應(yīng)按照設(shè)計經(jīng)驗增加凈化手段。目前，室內(nèi)建筑環(huán)境的VOC污染釋放數(shù)據(jù)庫已較為完備［15］，而艦船艙室的通風(fēng)凈化設(shè)計仍然缺乏精確的釋放數(shù)據(jù)。同時，由于缺乏艦船艙室的標(biāo)準(zhǔn)測試規(guī)范，現(xiàn)有污染物釋放源相關(guān)研究成果的橫向可比性也較差。

本文將基于常規(guī)室內(nèi)空間的試驗方法，結(jié)合艦船艙室特點，提出以BTEX為代表的VOC釋放速率測量與分析方法，并以某艦船艙室為研究對象開展實測研究，用以為艦船通風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計和污染控制提供參考。

1 研究方法

1.1 測量原理

一般而言，艦船艙室VOC主要來源于人員活動、設(shè)備運行和油漆涂料等非金屬材料的釋放。典型艙室環(huán)境控制系統(tǒng)的簡化模型如圖1所示，包含通風(fēng)、空調(diào)和凈化等環(huán)節(jié)。

圖中：C0為外界大氣污染物的濃度，mg/m3；C(t)為t時刻艙內(nèi)污染物的濃度，mg/m3；V為艙室空氣的凈容積，m3；Q為送風(fēng)（排風(fēng)）風(fēng)量，m3/h；M為給定工況下艙室污染源在單位空間的釋放強度，mg/（h·m-3）；CADR為凈化設(shè)備的潔凈空氣量，m3/h。

本文的研究對象為可封閉艙室，其艙內(nèi)材料的年限給定，艙室溫度和濕度給定，無特殊的機械動力污染源且換氣次數(shù)高（空氣攪拌均勻）［16］。因此，對艙室模型進行如下簡化處理：

1）VOC源的釋放強度恒定。

2）VOC釋放后，除設(shè)備凈化和通風(fēng)排出之外，不發(fā)生二次反應(yīng)和轉(zhuǎn)化。

3）艙內(nèi)VOC的分布均勻。

4）外界為潔凈大氣，即C0=0。

需要注意的是，以非金屬材料為代表的污染源的釋放特征易受環(huán)境背景濃度影響，因此，艙室模型簡化后的測量結(jié)果即為給定環(huán)境背景濃度下的污染釋放速率。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，艙室污染物濃度的變化量等于污染散發(fā)量減去污染消除量［17］，則集總參數(shù)模型為

系統(tǒng)狀態(tài)固化時，C(t)為

1.1.1 封艙工況

該工況下，送風(fēng)（排風(fēng)）和潔凈空氣量均為0，即Q=CADR=0，則根據(jù)式（2）可得

因此，關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)且保持艙室氣密時，即可通過測量污染物濃度的變化特征得到艙室污染物的釋放速率和艙室空氣的凈容積。

1.1.2 通風(fēng)工況

以上式中：T為達到平衡狀態(tài)的時間；C為平衡狀態(tài)的艙內(nèi)污染物濃度。

因此，通風(fēng)工況下，根據(jù)通風(fēng)風(fēng)量、凈化設(shè)備的潔凈空氣量和達到平衡狀態(tài)后的污染物平衡濃度，即可得到艙室污染物的釋放速率。

在封艙工況和通風(fēng)工況下，均需按照一定的時間間隔進行多次采樣，用以監(jiān)測艙室污染物濃度的變化，具體的間隔時間應(yīng)根據(jù)艙室特征、在線監(jiān)測結(jié)果及設(shè)計經(jīng)驗來確定。

1.2 測量方案

在艦船正常航行時，將艙室通風(fēng)設(shè)置為受控狀態(tài)，分別測試2種工況下的VOC釋放速率。

1）通風(fēng)工況。保持艙室通風(fēng)量穩(wěn)定，待VOC濃度達到平衡后，測量艙內(nèi)污染物的平衡濃度（每4～6 h采樣一次，空氣樣品數(shù)量不少于5組）。

2）封艙工況。艙室充分通風(fēng)后（可通過輔助手段提高通風(fēng)風(fēng)量）封閉艙室，每20～30 min采集一次，空氣樣品數(shù)量不少于4組。

通過分析空氣樣品，根據(jù)式（4）和式（8）即可得出相應(yīng)工況下的艙內(nèi)VOC釋放速率。

測試所需的主要儀器和設(shè)備如表1所示。VOC的組份和濃度采用現(xiàn)場Tenax-TA采樣管富集采樣和試驗室熱脫附—氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用（Automated Thermal Desorption-Gas Chromatography/Mass Spectrometry，ATD-GC/MS）分析方法進行檢測，采樣流量為0.15 L/min，采樣時間為10 min。采樣期間使用皂膜流量計對采樣器進行定期校準(zhǔn)［6］。測試期間將進行試驗室和現(xiàn)場空白管分析（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜5%）及重復(fù)樣檢驗（雙樣采集，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜20%）。

表1 主要的試驗儀器和材料Table 1 Main test instruments and materials

1.3 試驗對象

選取已交付使用1年的某型艦船駕駛艙為研究對象，該艙室為典型的可封閉艙室，其主要參數(shù)如表2所示。其中，風(fēng)機盤管送/排風(fēng)口位于艙室內(nèi)且分布均勻，可在封艙與通風(fēng)2種工況下運行。風(fēng)機僅用于該艙室的降溫除濕，盤管內(nèi)不含空氣凈化模塊，且新風(fēng)系統(tǒng)僅在通風(fēng)工況下開啟。在風(fēng)機盤管運行期間，艙室可換氣5次，以保證艙內(nèi)的污染物分布均勻［18］。在封艙工況下，艙室氣密滿足標(biāo)準(zhǔn)要求［16］。

表2 試驗艙室信息Table 2 Information about test cabin room

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果

試驗期間，艙內(nèi)空氣的溫度為（25±2）℃，相對濕度為（50±5）%，壓力為102.9 kPa。

封艙工況下的艙內(nèi)CO2濃度變化情況如圖2所示。艙內(nèi)CO2體積濃度呈線性上升趨勢，擬合速率為（0.172±0.004）%/h。艙室CO2的主要來源是艦員呼出的氣體。試驗期間艙內(nèi)艦員共計6人，均處于輕度勞動狀態(tài)，CO2釋放速率為23 L/（人·h）［18-19］。根據(jù)式（5），可得艙室空氣的凈容積約400 m3。根據(jù)式（6），可得平衡時間T＜24 h，即通風(fēng)24 h后艙內(nèi)VOC濃度可達到平衡狀態(tài)。

2.2 釋放速率

2.2.1 通風(fēng)工況

表3所示為通風(fēng)24 h后，艙室內(nèi)以BTEX為代表的VOC濃度和釋放速率，其中樣本數(shù)量為6組。表3中，TVOC為二甲苯和揮發(fā)性有機化合物總量（Total Volatile Organic Compound，TOVC）。

2.2.2 封艙工況

圖3所示為封艙工況下艙室內(nèi)VOC濃度的變化曲線。當(dāng)試驗艙室的背景濃度略低于通風(fēng)工況時，其BTEX濃度隨時間呈線性增長趨勢（相關(guān)系數(shù)R2＞0.9）。但在封艙后期，二甲苯濃度的增長趨勢顯著降低，這可能是由于環(huán)境濃度偏高抑制了其釋放速率，或是由于環(huán)境濃度偏高時污染物存在壁面吸附效應(yīng)。采用最小二乘法擬合即可得到釋放速率，具體結(jié)果如表4所示。

表3 通風(fēng)工況下的VOC濃度和釋放速率Table 3 VOC concentration and emission rate under ventilation condition

表4 封艙工況和通風(fēng)工況下的VOC釋放速率對比Table 4 Comparison of VOC emission rate under seal condition and ventilation condition

2.2.3 誤差分析

該試驗方法的誤差來源主要包括樣品數(shù)據(jù)采集和分析、艙室滲透漏風(fēng)量和空氣凈容積等。

1）樣品數(shù)據(jù)采集和分析。

樣品數(shù)據(jù)誤差包括樣品采樣體積的不確定度和試驗室測試結(jié)果的不確定度。根據(jù)文獻［20］，采用表1所示測試儀器所得結(jié)果的相對不確定度在5%以內(nèi)。為降低該誤差，可視情進一步提高采樣精度和儀器精度（例如，選用恒流量泵）。

2）艙室滲透漏風(fēng)量。

封艙工況下，艙室與外界的理論滲透漏風(fēng)量為0；通風(fēng)工況下，艙室與外界的通風(fēng)量理論上為已知定值，即不考慮風(fēng)量波動和其他原因?qū)е碌呐撌覞B透漏風(fēng)。然而，當(dāng)艙室與外界存在滲透漏風(fēng)時，艙室與外界的實際通風(fēng)量將發(fā)生變化。根據(jù)式（1），當(dāng)外界污染物濃度較低且實際通風(fēng)量增加時，將導(dǎo)致艙內(nèi)污染物的釋放速率偏低。因此，為降低該誤差，可以采用更高精度的示蹤氣體法來測量實際工況下的艙室通風(fēng)量［18］。

3）艙室空氣凈容積。

按照式（4）計算即可得到艙室空氣的凈容積，除了CO2測量誤差之外，還應(yīng)考慮艦員呼出CO2速率的影響。由于艦員呼出CO2的速率受其活動強度影響，存在波動風(fēng)險，故在一定條件下也可以采用示蹤氣體法測量給定工況下的艙室空氣凈容積。

2.3 試驗分析

根據(jù)通風(fēng)工況和封艙工況下的艙室VOC濃度和環(huán)境參數(shù)測量結(jié)果，可以得出：

1）通風(fēng)工況下，TVOC的平衡濃度超出了室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18883-2002）。

2）封艙工況下（環(huán)境濃度與通風(fēng)工況接近），除濃度較低的苯以外，以BTEX為代表的VOC釋放速率與通風(fēng)工況下的測試結(jié)果吻合較好。

3）封艙工況下的測試結(jié)果直觀、干擾因素少，但必須保證艙室在測試期間維持氣密；通風(fēng)工況下的測試方法簡單，但易受艦船工況和艦員活動的影響。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)船型和艙室特點選擇合適的測試工況，且試驗艙室的背景濃度應(yīng)控制在額定工況的平衡濃度范圍以內(nèi)。

4）艙室VOC的釋放速率受各類VOC特征和環(huán)境背景濃度等因素的影響。與檢測單一設(shè)備或材料污染物釋放特征的模擬艙法相比［21］，本文提出的測試方法將釋放速率簡化為定值，未考慮環(huán)境背景濃度的影響，僅反映了對應(yīng)測試時間、工況和背景濃度下的污染物釋放特征。

3 結(jié) 論

本文以某艦船艙室為研究對象進行了艙室VOC濃度和環(huán)境參數(shù)測定分析，主要結(jié)論如下：

1）在通風(fēng)工況下，所測艦船艙室的二甲苯和TVOC的平衡濃度均超出了室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值，應(yīng)加強污染源頭控制或改善通風(fēng)凈化效能。

2）除濃度較低的苯之外，封艙工況和通風(fēng)工況下的BTEX釋放速率測試結(jié)果吻合較好。其中，通風(fēng)工況接近實船使用狀態(tài)，但測試周期長，易受外界因素干擾；封艙工況測試周期短，干擾因素少，但與實船使用狀態(tài)存在差異，故需控制試驗期間的環(huán)境背景濃度。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)艦船特征視情選擇測試工況。

3）本文提出的VOC釋放速率測試方法只是對艙室VOC釋放特征進行研究評價的方法之一。該方法要求艙室與外界的空氣交換處于受控狀態(tài)，適用于氣密要求高且以機械通風(fēng)為主的艦船艙室。

目前，在艦船艙室環(huán)境的VOC釋放特征測試領(lǐng)域，尚無成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本文提出的測試方法不能完全涵蓋我國艦船艙室VOC的所有釋放特征，但該方法具有普適的指導(dǎo)意義，相關(guān)的研究成果對艦船通風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計和污染控制具有一定的參考價值。下一步將結(jié)合各類艦船艙室特點建立污染特征測試方法體系，為后續(xù)艦船的環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)。

［1］張寅平.室內(nèi)空氣質(zhì)量控制：新世紀(jì)的挑戰(zhàn)和暖通空調(diào)人的責(zé)任［J］.暖通空調(diào)，2013，43（12）：1-7.ZHANG Y P.Indoor air quality control：the challenges and responsibilities of HVAC researchers in the new century［J］.Heating Ventilating and Air Conditioning，2013，43（12）：1-7（in Chinese）.

［2］張信學(xué)，趙峰，王傳榮，等.綠色船舶技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究［J］.中國工程科學(xué)，2016，18（2）：66-71.ZHANG X X，ZHAO F，WANG C R，et al.Research on the development strategy of green ship technology［J］.Engineering Sciences，2016，18（2）：66-71（in Chinese）.

［3］KIM S S，LEE Y G.Field measurements of indoor air pollutant concentrations on two new ships［J］.Building and Environment，2010，45（10）：2141-2147.

［4］WEBSTER A D，REYNOLDS G L.Indoor air quality on passenger ships［M］//HOCKING M.Air quality in airplane cabins and similar enclosed spaces.Berlin Heidelberg：Springer，2005：335-349.

［5］MAZUREK W.Submarine atmospheres［M］//HOCKING M.Air quality in airplane cabins and similar enclosed spaces.Berlin Heidelberg：Springer，2005：351-382.

［6］余濤，張衛(wèi)東，李燦，等.蒸汽動力艦船汽輪機油散發(fā)揮發(fā)性有機物的組成特征［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2016，38（11）：91-94.YU T，ZHANG W D，LI C，et al.Research on the composition of volatile organic compounds released from lubricating oils in steam power ship［J］.Ship Science and Technology，2016，38（11）：91-94（in Chinese）.

［7］SPENGLER J D，SAMET J M，MCCARTHY J F.Indoorairqualityhandbook［M］.New York： Mc-Graw-Hill Companies Inc，2001.

［8］徐德輝，余濤，陳亮，等.艦船用非金屬材料污染散發(fā)特性及檢測評價研究進展［J］.中國艦船研究，2015，10（3）：113-120.XU D H，YU T，CHEN L，et al.Advances on the evaluation methods of ship nonmetallic material emission property and measurement［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（3）：113-120（in Chinese）.

［9］張旭，周翔，王軍.民用建筑室內(nèi)設(shè)計新風(fēng)量研究［J］.暖通空調(diào)，2012，42（7）：27-32.ZHANG X，ZHOU X，WANG J.Research on design fresh air requirement for civil buildings［J］.Heating Ventilating and Air Conditioning，2012，42（7）：27-32（in Chinese）.

［10］柴鎮(zhèn)江.船舶空調(diào)新風(fēng)設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題［J］.機電設(shè)備，2014，31（1）：37-39.CHAI Z J.Research on fresh air status of marine air condition system ［J］.Mechanicaland Electrical Equipment，2014，31（1）：37-39（in Chinese）.

［11］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，衛(wèi)生部.室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 18883-2002［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［12］中國船舶工業(yè)總公司.船舶駕駛室的空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計條件和計算基準(zhǔn)：CB/T 3774-1996［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［13］ASHRAE.Ventilation for acceptable indoor air quality： ASHRAE Standard62.1-2010［S］.Atlanta：American SocietyofHeating，Refrigeratingand Air-Conditioning Engineers Inc，2010.

［14］ISO.Ships and marine technology-air-conditioning and ventilation of accommodation spaces design conditions and basis of calculations：ISO 7547-2002［S］.［s.l.］：International Organization for Standardization，2002.

［15］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.空氣凈化器：GB/T 18801-2015［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

［16］中國船舶工業(yè)總公司.水面艦船緊密性試驗方法：CB 746-1992［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

［17］LIU W W，ZHANG Y P，YAO Y.Labeling of volatile organic compounds emissions from Chinese furniture：consideration and practice［J］.Chinese Science Bulletin，2013，58（28/29）：3499-3506.

［18］朱穎心.建筑環(huán)境學(xué)［M］.4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

［19］齊美薇，李曉峰，黃河.示蹤氣體法利用人體作為CO2釋放源測量宿舍換氣次數(shù)的方法探究［J］.建筑科學(xué)，2013，29（6）：52-57，78.QI M W，LI X F，HUANG H.Discussion on measuring ventilation rates of dorms through tracer gas method with human body as CO2release source［J］.Building Science，2013，29（6）：52-57，78（in Chinese）.

［20］劉巍巍.家具VOC散發(fā)標(biāo)識中的若干關(guān)鍵問題研究［D］.北京：清華大學(xué)，2013.

［21］黃少丹，熊建銀，張寅平.測定建材散發(fā)關(guān)鍵參數(shù)的密閉艙C-history方法與其他方法的比較［J］.化工學(xué)報，2012，63（增刊1）：194-198.HUANG S D，XIONG J Y，ZHANG Y P.Comparative research between closed chamber C-history method and other methods for measuring characteristic parameters of building materials［J］.CIESC Journal，2012，63（Supp 1）：194-198（in Chinese）.