改善潛艇艙室熱舒適和空氣品質的技術探討

張曉靜 連之偉 蘭 麗

上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200240

0 引 言

潛艇是艇員們長期工作和停留的場所，因此，創造艙室良好的空氣品質和滿意的熱舒適環境是保證潛艇官兵身體健康和良好戰斗力的關鍵。

與在陸地上不同，潛艇下潛后即成為一個密閉的環境，由于存在艇內空間狹小、人員密集、設備龐雜、艇員自身代謝及材料揮發釋放等問題，致使艇內大氣成分變得十分復雜，且隨著潛航時間的增加，艙室內空氣中污染物的濃度也將不斷變化。此外，由于潛艇經常在不同的海域航行，其外界氣象條件會隨航行海域的變化而變化，這也會對艙室內部的物理環境產生影響。因此，潛艇上的空氣調節系統除了用于保證各種精密儀器、設備能正常工作外，還要建立使內部工作人員感覺舒適、自然的微氣候。隨著新型動力推進系統的運用，艙室內的空氣污染已成為影響潛艇水下續航能力的重要因素之一。自1962年起，美國已將居住性從動力推進、武備、觀通等諸多因素排序的最后一位提高到了第二位，而居住性的主要內容正是艙室內的空氣質量和熱舒適狀況。由此可見，改善潛艇的居住性，采取相關措施對艙室空氣進行凈化和治理，并提高潛艇官兵在艙室內的熱舒適度是亟待解決的問題。

1 我國潛艇密閉艙室的熱舒適和空氣品質現狀

長期以來，鑒于潛艇作為海上重要軍事力量的客觀特殊性，我國在潛艇的設計制造過程中，始終將武器裝備置于首要地位，與之直接相關的操作系統、動力系統位居其次，再次才是各個艙室的居住性設計。

在潛艇中，其所有艙室都屬于完全封閉的有人工作艙室，因人員在其中的停留時間較長，因此艙室的居住環境將直接影響艇員的作戰、訓練以及生存狀態。然而，目前潛艇內的熱舒適和空氣品質狀況卻令人擔憂。文獻［1］指出，在某些水域水下航行時，使用空調的主要居住艙室內的平均溫度每天有9 h大于32℃，相對濕度在80%以上。在空氣品質方面，其問題更嚴重，例如，在某潛艇遠航期間的常見病發病情況中，上呼吸道感染達61.97%［2-4］，而發生上呼吸道感染的原因則主要與長期居住在潛艇封閉狹小的空間、空氣不流通、質量差、有害氣體成分多、含量高等因素有關。發病嚴重的艙室，其有害氣體（例如，CO）濃度明顯比其它艙室高。

長期在高溫、高濕、空氣品質差的艙室環境內工作不但會影響到整體的作戰水平和戰斗力，而且還會對艇員的身體健康造成極大危害。因此，空氣調節系統就顯得十分重要。空調系統除了需要維持艙室給定的熱、濕規范外，還須維持艙室內空氣的成分和純凈度，需及時將艙內含有有害物質和二氧化碳的污濁空氣排出艙室進行有效處理，并向艙室內輸送新鮮、干凈的空氣。

2 潛艇密閉艙室熱舒適狀況的改善措施

潛艇在深水潛航時，其艙室與大氣隔絕，全封閉艙室內的人工環境維持主要依靠空調系統和大氣控制系統完成。而空調系統設計和運行的基礎是人體熱舒適研究，其決定了空調系統的運行狀態。

人體的熱舒適主要與4個環境因素和2個人員因素有關，分別是環境溫度、相對濕度、空氣流速、平均輻射溫度，以及人員的衣著程度和人員的活動水平。與許多國家一樣，我國暖通空調行業的熱舒適標準來源于發達國家的研究成果，目前尚無自己的研究成果。然而，選用該標準的問題在于，發達國家對熱舒適的研究成果是以白種人為試驗對象得出的，這些國家所處的氣候區、人民普遍的生活水準和消費水平、生活習慣和飲食結構，以及人體的體型和體表面積都與中國人差別很大。即使是在Fanger［5］研究的基礎上建立的歐洲標準ISO 7730中，也有許多限定條件和可變參數。隨著熱舒適研究的不斷深入，許多學者注意到人體的熱舒適不僅具有個體差異性，而且更加具有種族和地域方面的差異性。Nakano等［6］對同一地方不同種族的熱舒適進行了研究，發現日本籍與非日本籍工人在室內環境的熱感覺上存在顯著差異。而對于不同的場所，人們所接受的熱舒適溫度也有差異，例如，Humphreys［7］研究發現，在相同衣著、活動量的情況下，同一個人在辦公室、家里、氣候實驗室等不同環境下對暖的感覺亦有顯著差異。與之類似，與普通的熱舒適實驗室研究相比，潛艇艙室的熱舒適狀況也具有較大的差異性和特殊性，例如，目前絕大部分熱舒適實驗室研究的暴露時間均在5 h以內，遠遠低于潛艇長期航行的時間。此外，在熱舒適試驗中，多是采用主觀問卷的方式來判斷人體是否處于熱舒適狀態，由于人員的主觀評價存在著閾值影響，所以過分依靠主觀評價會給試驗結果帶來不確定性，從而影響到試驗的準確度，且其得到的結果也不宜直接用于潛艇的熱舒適研究。

因此，在潛艇熱舒適理論研究方面，應以中國人為試驗對象，采用主觀問卷與客觀生理參數相結合的研究方法，建立適于中國人的普通熱舒適標準，并進一步針對潛艇密閉艙室環境的特殊性，確立潛艇密閉艙室特殊熱舒適標準。主觀問卷在熱舒適研究中已普遍得到運用，而針對與熱舒適相關的客觀生理參數的研究卻不多，且鮮有確定性結論。連之偉課題組率先在國內將熱舒適與醫學生理指標相結合，提出采用心率變異性（HRV）和腦電波（EEG）等生理參數來客觀評價人體的熱舒適度［8-11］。HRV主要用于反映交感神經和迷走神經的興奮狀況和張力變化，EEG則用于記錄大腦的活動狀況。當人體處于熱舒適狀況時，交感神經與迷走神經的興奮程度保持平衡，體溫調節活動很弱，此時，反映人心情愉悅、舒適的α波占主導地位。試驗證明，這兩個生理參數都可作為有潛力的客觀指標來評價人體熱舒適度。

在空調系統控制方面，若潛艇空調系統僅以艙室溫、濕度作為評價指標，則采用雙位控制或者比例控制很難實現艙室環境熱舒適性與系統節能優化的目的。艙室環境熱舒適性指標控制是以熱舒適性指標為控制目標的控制方式。與傳統的溫、濕度控制系統相比，熱舒適性空調系統控制方法一般采用PMV值或標準有效溫度（SET）作為控制參數，同時結合神經網絡、模糊控制、專家系統等現代智能控制策略，并通過直接或間接對被控參數進行調節來實現［12］。與單一指標的空調系統控制相比，熱舒適性空調系統具有諸多優勢。該系統可直接作用于人，并對影響人體熱舒適的各項因素進行綜合，從而能夠更好地提高艙室環境舒適性。同時，還能將最佳環境參數進行組合控制，降低能耗。連之偉等［13］建立了熱舒適模糊評判模型，為較好地反映室內人員的熱感覺，定量給出室內環境的預測平均投票值，并進一步實現熱舒適控制策略奠定了基礎。此外，為維持潛艇艙室內良好的熱舒適環境，空調的運行溫度應隨外界溫度的變化而變化。這樣，不但可以提高人體的熱舒適程度，而且還可根據不同的外界情況有效利用空調系統的通風功能和最小程度地參與改變，并控制環境，從而有效節約能源。

綜上所述，潛艇密閉艙室環境熱舒適的改善必須與艇員在潛艇密閉艙室環境中的熱感覺和熱舒適要求相結合，通過現場問卷調查與客觀生理參數測量相結合的方法，得到適用于中國人、針對潛艇特殊環境的熱舒適參數，然后，便可通過對空調系統進行設計和運行控制來滿足艇員對熱舒適的要求。

3 潛艇密閉艙室空氣品質的改善措施

艇員在艙室內接觸到的污染物與艙室使用材料、人員的代謝活動和船艙布局等條件密切相關。艙室內的建材、裝飾都會不同程度地使用到化學合成材料，例如，潛艇艙室內用于裝飾、隔熱、密封、絕緣和包裝用的油漆、橡膠、塑料、涂料、粘合劑、潤滑劑以及艙內儀表面板等均由非金屬材料構成，這些非金屬材料具有各自的功能，可由于蒸發、擴散和緩慢氧化而釋放出多種有害氣體組分。艙室內除儀器、設備會散發余熱、余濕外，人體在新陳代謝過程中也會不斷散發熱量、水分和二氧化碳，甚至還會產生氨、無機銨、易揮發脂肪酸以及其他有害有機物，從而污染艙室內空氣，出現難聞的氣味。

人體受到來自室內污染的健康損害主要有以下幾個因素：對污染物的敏感程度、污染物的種類及濃度、生理和心理的健康狀態以及在污染物控制范圍內停留時間的長短和頻率。當人們處于受污染的室內時，數百種低濃度污染物將對人體健康造成損害。污染物中有的能單獨引起人的各種病變，有的則是發生協同或拮抗作用，從而對人的皮膚或內部器官造成影響。具體表現為：

1）氣味和其他感覺效應，如刺激作用。

2）粘膜刺激使得呼吸道疾病增加，肺功能下降。空氣污染物中的刺激氣體可使粘膜層變厚，從而導致呼吸道抵抗力降低。

3）引起急慢性中毒，如CO，SO2等。

4）基因毒性和致癌性，很多污染物都可引起癌癥。

文獻［8］指出，潛艇中存在的各類污染物的復合作用會對人體生理方面造成較大的影響和危害。并且，潛艇在長期的航行過程中其艙室與大氣隔離，如果空氣得不到凈化，有害物質的濃度就會越來越高。

很明顯，潛艇內的惡劣環境對于艇員的健康具有極大的危害性。為改善艇內空氣質量，若通過潛艇頻繁浮出水面進行通風換氣，會大大降低潛艇的持續遠航能力和隱蔽性。因此，需要尋求其他技術手段來改善艙室內的空氣品質，可從以下幾方面著手：消除、控制、檢測艙室內污染源；改善空氣凈化技術；合理設計空調系統及送風方式，及時維修清洗機械通風及空調系統，以防發生微生物污染。

3.1 消除、控制、檢測艙室內污染源

消除、控制艙室內污染源無疑是提高室內空氣品質的最好方法之一。要減少艙室內污染源，首先應注重材料的選用，如嚴禁使用調和漆，盡量使用低揮發性有機物的油漆或非毒性油漆，并對油漆材料與施工工序進行嚴格監督、檢查和計量；減少各種氣霧劑的使用；減少室內燃燒過程等。其次，在污染源比較集中的地方，可采用局部排風或過濾吸附的方法來防止污染物的擴散。此外，污染物的控制還可以與熱舒適控制相結合，研究表明，室內甲醛體積分數在很大程度上受室內溫度和濕度的影響。當甲醛體積分數單獨受溫度升高或相對濕度增大的影響時，其趨勢呈指數上升；當溫、濕度同時變化時，甲醛體積分數受溫度的影響要大些［14］。因此，為有效降低室內甲醛體積分數，可考慮在人體熱舒適范圍內保持較低的室內溫度和相對濕度。

此外，潛艇污染檢測技術也非常重要。潛艇大氣成分檢測包括裝艇儀器檢測和實驗室儀器檢測。在裝艇儀器中，質譜儀是目前比較成功的固定式多組分分析儀器［15］。在實驗室檢測方面，主要包括化學分析法、原子吸收光譜法、離子選擇電極法、氣相色譜法以及色譜/質譜聯用法等［16］。隨著潛艇整體技術的不斷發展，以及潛艇對居住性要求的提高，潛艇艙室大氣成分的分析技術日益更新，有大量氣體分析技術可供評估［17-18］，包括：

1）微型化色譜、色譜/質譜現場檢測技術。微型色譜儀是國外近年來推出的一種便攜式氣相色譜儀，該技術的特點是可以針對特殊環境和現場檢測的需要，實現色譜單元微縮化、模塊化，從而方便進行現場檢測和處理，并給出檢測結果。此外，微型化色譜/質譜聯用儀也可以對未知成分進行現場定性定量檢測，從而大大提高潛艇大氣成分的檢測準確度。

2）色譜/質譜/紅外光譜一體化聯用儀。該儀器由色譜儀、質譜儀和紅外光譜儀聯合在一起組成，可用于提高未知物定性鑒別的準確性，避免單一方法定性帶來的誤差。

3）液相色譜/質譜聯用檢測技術。該技術在有機物檢測，特別是高沸點有機物的檢測方面具有特殊優勢，如對人體具有致癌性的多環芳烴、多氯聯苯和二噁英等有機物。目前，常用的氣相色譜法主要是針對易揮發有機物，而液相色譜/質譜聯用檢測技術的發展及應用則有望鑒別出潛艇大氣中許多過去未引起重視的有害氣體。

4）離子遷移譜技術。該技術可分析的氣體種類多，儀器尺寸小、重量輕，能耗和維護費用低，但艇用環境的應用特性尚需考察。

5）聲光光譜氣體分析技術。該技術穩定性好，無需標準氣，主要是采用分光技術以支持多通道測量，但該技術尚處于發展階段。

3.2 改善空氣凈化技術

文獻［19］提出，室內污染理想的凈化方案是將室內污染空氣經除塵過濾、吸附、光催化處理后，再通過負離子發生裝置來得到潔凈的空氣。針對以上各種凈化手段，有多種技術。例如，活性炭是常用的空氣凈化材料，主要用于吸附空氣中的微量有毒氣體，如氨氣、甲醛、苯類等，但凈化過程中的流動阻力大。王國華等［20］研究了復合型吸附過濾材料對二氧化碳的作用。復合性材料主要由吸收劑、活性炭纖維和丙綸纖維氈組成，阻力很小，因此對送風系統的影響也較小。超吸水性高分子樹脂具有抑制微生物生長的作用，可以應用于空調領域，并解決空調系統中微生物的污染問題［21］。李祥東等［22］提出了采用低溫冷凍法來清除潛艇艙室有害氣體的系統思路。該方法具有能清除多種有害氣體、系統本身不產生有害氣體，且能殺菌消毒并輔助艇艙降溫等一系列優點，對于全面改善艙室生存環境，降低潛艇動力消耗，提高潛艇續航力等具有積極意義。

各種凈化手段中，光催化凈化技術是當前的研究熱點。另一方面，隨著對納米材料特性的不斷了解，納米材料的優點（防污、防腐、降阻、耐磨蝕等）得到了充足利用。相對于傳統材料，納米材料在延長艦船零部件使用壽命和服役期，減少維修成本，促進設備小型化和智能化等多個方面更具優越性［23］。

近年來，使用納米光催化材料消除VOC已成為一項新興技術，其具有能耗低、操作簡單、反應條件溫和、可減少二次污染及連續工作等優點。但是，光催化反應的某些產物也可能帶來二次污染。由于光腐蝕和化學腐蝕的原因，對二氧化鈦（TiO2）的使用最為廣泛。TiO2晶型對催化活性影響較大，以一定比例共存的銳鈦型和晶紅石型混晶型TiO2催化活性最高。

研究表明，TiO2光催化凈化技術對空氣中的氨氣、鏈烴、氯有機物、芳香族有機物、含硫有機物及含氮氧有機物均有很好的降解效果［24-25］。表1所示為部分潛艇有害物質光催化后的生成物。

表1 潛艇內部分有害氣體的光催化生成物Tab.1 The productsof harm fu lgases after photocatalytic reaction

潛艇大氣中不僅含有有害氣體，而且還含有大量有害細菌。傳統的殺菌方法是采用殺菌劑銀和銅等使細菌失去活性，但細菌被殺死后，會釋放出致熱和有毒組分，如內毒素。內毒素是致命物質，可引起傷寒、霍亂等疾病。而TiO2光催化反應則能迅速、有效地分解構成細菌的有機物，使細菌的蛋白質變異，破壞病毒顆粒的RNA，降解細菌釋放出來的有毒復合物，直接徹底殺滅影響艇員健康的細菌，克服了傳統銀系無機抗菌劑的缺陷。

雖然納米TiO2涂料的光催化作用十分優良，但將其真正應用到潛艇艙室中還存在不少問題。例如，在潛艇高溫高濕環境下，納米TiO2涂料的使用壽命問題；納米涂料中的納米TiO2在使用過程中是否會產生脫落，以及脫落物是否會引起二次污染的問題；TiO2粒徑在納米范圍以內，進人人體后，極易沉積在人體的某些部位而引起病變，嚴重的，甚至還可致命（已有證據表明，納米顆?？梢鹦“资竽X部畸變產生腫瘤）；在潛艇狹小的環境中，少量的脫落也會造成較嚴重的污染；光催化降解反應可能會產生二次污染物，如硫雜原子有機物降解會產生刺激性有毒氣體SO2，這在艙室密閉空間下是不可忽略的問題；另在涂料中添加納米材料可能會減緩溶劑的揮發，造成涂料干燥時間延長，進而影響涂料的環保性能，這也是必須考慮的問題。

3.3 良好的空調系統設計、運行及維護

在密閉的艙室環境下，空調系統除了需要維持艙室給定的熱、濕狀態外，還必須維持艙室內空氣的成分和純凈度，應及時將含有有害物質和二氧化碳的污濁空氣排出艙室進行有效處理，同時向艙室內送入新鮮、干凈的空氣。因此，空氣調節系統就顯得十分重要?？照{系統的過濾裝置不僅應能有效去除空氣中的懸浮顆粒，還要能去除空氣中的浮游菌，這就需要加強對空氣過濾器的研發。此外，在艙室內也存在光化學反應和臭氧氧化反應的條件，室內潛在反應引起的二次污染物的危害可能比一次污染物更大，在潛艇空調系統設計中也應加以考慮［26］。

為了創造良好的室內空氣品質，除了要改善新風處理過程并控制、消除污染物以外，氣流組織的設計也尤為重要。氣流組織設計的好壞將直接影響到新鮮空氣的送達區域和污染物的排出效率，因此，應采用良好的送風方式。海軍艦船種類繁多，在不同艙室通風系統的設計上，都存在送風方式的方案選擇問題。例如，針對水面艦船的機艙通風系統設計，有人提出采用射流通風技術［27］，與常規通風系統相比，該系統具有管路系統結構簡單、占地少、送風位置靈活性高等多項優點。試驗研究和數值模擬表明，與傳統的混合通風相比，置換通風在去除室內熱量和污染物方面更具優勢。因此，在設計舒適空調系統時，應盡可能采用置換通風或下送風的方式。下送風空調系統送出的氣流首先進入工作區，通過誘導作用與室內空氣混合，吸收工作區的熱濕負荷，然后在室內熱（污）源的對流流動帶動下向上移動，進入非工作區后，再借助設備及人體的熱對流作用得以強化，由設在吊頂上的回風口排除，因此，采用該方式不僅具有較高的通風效率，并且還可提高室內空氣品質［28］。

此外，空調系統的送風在處理過程中經過多層過濾器、風機、空調箱、熱交換器及風管等時，均會受到不同程度的污染，所以，應及時維修清洗機械通風及空調系統，以防發生“送風污染”。

4 結 論

為滿足我國潛艇部隊長遠發展的需求，除了要提高潛艇的武器裝備、動力系統和操作系統外，還要切實改善潛艇密閉艙室的居住性。具體可從以下兩方面進行：

1）在理論研究方面，應采用現場問卷調查與客觀生理參數測量相結合的研究方法來確定適合中國人自身特點、針對潛艇特殊環境的熱舒適標準和空氣品質需求標準。

2）在技術方面，應采取以下措施：盡量選用低揮發性材料，并嚴格控制污染源；提高潛艇大氣的多組分現場檢測能力；改善空氣凈化技術，特別是具有諸多優勢的納米光催化技術在艙室密閉空間下的實際應用問題；盡量選擇置換通風的送風方式，運用熱舒適指標空調控制方式，同時，還應將熱舒適與空氣品質的控制需求結合起來。

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