艦船艙室環境工程技術綜述

陳文戰

海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海201913

0 引 言

隨著艦船隱身性水平的不斷提高，以及集體防護技術的采用，現代水面艦船大多采用全封閉結構，艙室通風以及微小氣候環境均靠空調系統來維持。在海上長期執勤時，不良的艙室環境（例如，高溫、高濕、振動、噪聲以及艙室有害氣體等）不但易使艦員出現疲勞、淺眠、胸悶和惡心等癥狀，而且還有可能導致焦慮不安等心理障礙，將直接影響艦員的工作效率，危及艦船航行安全和作戰能力的有效發揮［1］。因此，開展艦船艙室環境工程技術研究不僅能解決在役艦船現有的問題，而且還可為新一代艦船研制提供依據和參考。

1 艦船艙室環境工程概念和內涵

艦船“人—機—環境”工程學作為一門新興學科，其目的是在艦船這個錯綜復雜的人、機、環境系統中，立足以人為本，優化組合，科學配置。艙室環境工程作為其中的重要組成部分，對于改善艦員海上生活品質，提高艦員日常工作效率，長期保持艦員身心健康等具有明顯的意義。

艙室環境工程是一個系統工程，是指包括內裝環境、空氣環境、振動與噪聲環境、消防安全環境，以及與上述環境相關的各種材料、設備等與人員構成的環境系統工程，如圖1所示［2］。其中，由于艙室消防安全環境有其自身的特點，本文在此不作討論。

2 國外研究現狀

圖1 艦船艙室環境組成Fig.1 Composing of cabin environment

各國海軍均十分重視對艦船艙室環境的研究，并相應地制定了一系列規范、標準和規定。例如，美海軍自1975年便開始關注艦船艙室環境，并于1979年制定了海軍艙室環境相關標準，1995年制定了《艦艇艙室環境設計規范》。其主要是通過融入最新的艙室環境工程設計理念，在艦船方案設計階段便對艙室環境進行綜合考慮。即在對艙室進行分隔布置設計時，綜合考慮艙室絕緣、空調分區、噪聲控制和材料安全等方面；在對艙室進行布置時，綜合考慮艙室功能、艙室色彩環境與光環境、家具設施的功能、空調通風系統的布置以及降噪措施等。

2.1 艙室內裝環境工程

居住性是艙室內裝環境的首要內容，將直接影響到艦員的戰斗力。隨著新技術、新材料的應用和艦用設備、武器裝備自動化程度的不斷提高，艦船的居住性也將不斷改善。

在艙室形態環境設計方面，因水面艦船的艙室空間相對較狹窄，因此，如何合理地利用這有限的空間，使艦員在視覺、心理感覺和觸覺等方面都能達到舒適的程度是設計的重點［3］。

1）艙室色彩環境設計

色彩設計的功能是創造與自然和諧的環境，營造出輕松、宜人、舒適的生活環境，用以調節艦員情緒并使其保持良好的心理狀態。艙室的色彩設計主要包括居住艙和公共活動艙的設計，根據艙室功能的不同，其設計理念也有所區別。在設計中，主要是通過調節色彩明度，改變光線和色彩的反射率來改善艙室采光效果，從而調節其對艦員視覺的刺激和在心理方面的刺激。

2）艙室光環境設計

艙室燈光環境的主要作用是為艦員提供良好的光照條件，以獲得最佳視覺效果，并使室內環境具有某種氣氛和意境，增加艙室環境的美感與舒適感，其同時具有實用和藝術兩方面的作用。通過艦上艙室對燈光照度和強度光譜的不同要求設計不同的光照，對艙室還具有裝飾及虛擬劃分空間的作用。

2.2 艙室空氣環境工程

為滿足艦船艙室對優質空氣環境的要求，歐美等發達國家紛紛引入了先進的設計計算方法、設計理念和管理模式，不斷對船用設備進行研發和升級換代，使艙室空氣環境得到了明顯的改善。具體包括：

1）采用先進的空調通風設計技術。

國外積極嘗試將艦船各艙室作為一個整體，采用基于數值方法、圖論和最優化理論的流體網絡法來分析和解算全船空調通風系統，以對現有的設計和選型方法進行改進與優化。

在大型艦船通風設計中，國外針對不同的航行狀態和氣候條件有針對性地制定了通風方案，在艦船的縱、橫向剖面均設計了壓力梯度和氣流走向，以保證艙室內的氣流通暢。如圖2所示，在高溫、高濕、無風的天氣情況下，設計采用加熱或者增加局部動力的方式來加強和引導氣流流動，保證了通風效果［4］。

圖2 不同情況下某艙段縱剖面的氣流走向設計方案Fig.2 Design ofdifferentaeration for given section

2）注重細節和特點。

艦船上艙室眾多，且各艙室都有其自身的功用和特點。為了獲得各艙室內良好的空氣環境，國外根據艙室的特點進行了相應的設計。例如，美國在洗衣房等纖維濃度較高的地方安裝了局部排風設備；在廚房內采用一體化設備，減少了廚房設備的數量和空間以及通風系統的復雜性和維修費用。

3）采用高效節能的智能化空調設備。

隨著船舶行業的不斷發展和對艦船空氣環境要求的不斷提高，相關船用設備也向著高效節能、安全可靠、壽命長、無污染，以及自動化、智能化、集成化、模塊化和系列化等方向發展。

4）提高空調系統的運行管理質量。

美國針對大型艦船，結合輔助運行管理系統（CMMS），通過建立相應的計算模型和數據庫，對空調系統的運行管理實行了模塊化和程序化的監督與控制，即通過建立嚴格的運行參數及相應處理措施的數據庫，結合智能和自動化的調控手段，可以隨時根據反饋的參數變化情況，模塊化和有針對性地管理空調系統的運行。這不僅使空調系統的運行管理擺脫了單憑經驗和手工操作的傳統模式，提高了運行管理質量，而且也降低了艦船空調系統的運行成本。

5）注重通風空調系統的減振降噪，并與防排煙措施相結合。

在空調系統的設計過程中，采取各種措施降低系統的振動與噪聲，并注意與消防系統結合，在火災發生時，能起到防排煙的作用。

2.3 艙室噪聲環境工程

西方國家非常重視艦船艙室的聲學環境設計，形成了先進的噪聲預報方法和試驗驗證方法、系統的減振降噪措施和系列化的噪聲控制產品，以及艙室噪聲試驗驗證平臺等。目前，在發達國家，大型艦船居住艙和公共活動艙的噪聲基本控制在55 dB以下，且隨著技術的進步還在不斷降低。

2.4 艦船內裝新材料的研究與應用

在艦船新材料的應用方面，國外早已開展了廣泛研究。歐洲開展了EUCLID計劃（歐洲長期防御計劃），提出了海洋復合材料的生存性、耐久性和實用性，而艦船內裝材料作為海洋復合材料的一類，也得到了重視。美國海軍研究院（USNA）通過使用先進的艦船復合材料來滿足實際需求，并于上世紀90年代開始建立專門從事艦船復合材料設計的海軍研究隊伍。

3 國內現狀

隨著我國海軍裝備事業的不斷發展，艦船生活保障水平不斷提高，艦船艙室環境工程研究工作也取得了較大進展。但我國艦船設計因長期受前蘇聯的影響，對生活艙室環境的重視不足，對艦員生活條件的關注力度不夠，導致現役艦船的艙室環境未能達到理想狀態，具體表現為艙室的溫、濕度不適宜、振動噪聲條件差、艙室微環境不理想等。針對艙室的環境問題，組織對某支隊進行了調研，其中約有1/3的艦員認為艙室內噪聲問題嚴重，其次便是室內溫度與異味，以及濕度與衛生條件（圖3）。調查結果顯示，現役艦船的艙室環境與艦員的實際需求還有一定的差距，仍存在一定的改善空間。

圖3 某艦船艙室環境總體狀況調查Fig.3 Statisticsof cabin environmentofa real ship

首先，艦船艙室環境的綜合研究水平還有待提高。

目前，我國艦船艙室環境研究主要著眼于各項單一性能的研究，如空氣環境、噪聲控制、內裝等，并已在所關心的研究方面取得了一定的突破，如利用CAE手段實現船舶人員聚集區空調送風模式的優選［5］、應用多孔材料進行艙室的減振降噪［6］、提出從防火角度出發的船舶內裝設計方法等［7］。但因各研究之間相對孤立，導致各方面優化后的綜合效果并未達到期望的目標。特別是在振動噪聲及艙內空氣環境方面，大多只能滿足規范的要求［8-9］，仍存在噪聲較大、空氣品質較差等問題，會對艦員的新陳代謝、中樞神經和心理造成影響，從而直接影響到艦員的健康和部隊戰斗力［10］。因此，需要借鑒國外的艦船艙室環境設計理念［11］，在結合我國人員的生活習慣及特點的基礎上，從艦員的心理出發，應用人機工程學的方法來綜合改善我國艦船艙室環境。

其次，艦船內裝材料的研究水平落后。主要表現在以下幾方面：

1）所使用的材料單一。目前，我國內裝材料大多采用復合巖棉板，該材料的容重較大，導熱性能一般，與國外同類內裝材料相比，不僅占用了更多寶貴的內部空間，而且在一定程度上還增加了艦船的重量。

2）缺少適用于艦船的內裝材料。我國艦船目前所采用的內裝材料主要為成熟的市場品，缺少專門針對艦船的應用需求而開發的新材料，使得艦船輕量化設計系統理論和優化手段與艦船的實際要求有一定的差距。

3）目前，我國艦船艙室涂料仍以傳統的溶劑型產品為主，在這些傳統的溶劑型涂料中，含有大量的苯類、酮類等溶劑，在涂料的固化和干燥過程中，這些溶劑會不斷揮發，若艙室通風不良，就會導致艙內空氣質量不合格，影響健康。

4 改進意見及建議

1）開展艙室環境的標準規范研究，從根本上提出新的艙室環境要求。

近年來，隨著“以人為本”觀念的不斷深入人心，以及針對有關艙室環境涌現出的大量新技術、新材料和新工藝，使得艦船艙室環境的設計對標準規范也提出了新的要求。要達到以人為本的要求，就應根據新的情況，從根本上對舊有的相關標準規范進行研究，提出新的艦船居住性指標體系，規范艙室設計。

2）積極開展對現役艦船的調研工作，有針對性地提出艙室環境改進工作。

隨著現役艦船服役時間的增長，都將面臨現代化改裝的局面，可結合現代化改裝來改善艙室環境條件。為此，應有針對性地對現役艦船進行全面、深入的調研，聽取使用部隊的意見，發現在設計過程中未注意到的使用問題，提出改進意見和措施。

3）積極借鑒、引進國外先進的艙室環境設計理念、技術及施工工藝，提高設計制造水平。

借鑒和引進國外先進的艙室環境設計理念、技術及施工工藝是快速提高我國艙室環境設計水平的一條捷徑，例如，可以有針對性地對國外的設計理念、技術及施工工藝進行專題研究，按照輕重緩急的程度，有目的、有重點地引進一部分國外成功的先進技術。

4）運用現代化的設計手段和工具，提高設計效率。

艙室環境是一個客觀現實的環境，但又離不開人的主觀判斷。為解決艙室環境的設計問題，隨著計算機技術的不斷發展，將計算機虛擬技術與艙室環境工程相結合已成為現實。例如，對于設計過程中的艦船，可根據設計方案建立一系列的模型（如空氣流通模型），利用模型計算出氣流的流量及新風的比例等，然后對照標準規范的要求提出氣流優化組織方案，對原設計方案提出改進建議［12］；對于艙室環境的空間、色彩和燈光照度，可通過計算機虛擬環境并結合圖像處理技術，較真實地再現艙室環境的設計成果，為人們提供一種較直觀的視覺效果，然后再根據人們的判斷以及對設計成果的意見和建議對設計進行修改和完善［13-14］。這樣一方面可節省大量的人力、物力和財力，另一方面還可減少不必要的失誤，大大提高設計效率。

5）運用環保型新型高性能內裝材料，改善艦船艙室環境。

隨著我國海軍藍海戰略目標的逐步實現，一方面，艦船在海上持續航行的時間會越來越長，另一方面，有關國際嚴苛的法律也將對我國艦船提出較高要求。在艙室內裝方面，應采用環保型新型高性能內裝材料，例如，新型的降噪和隔音材料可以極大地降低艙室噪聲，改善艦上聲環境；硅化納米熱絕緣材料具有很好的隔熱效果，并且沒有毒性；新型環保型板材及家具等釋放出的有害氣體極低。環保型新材料的應用一方面可以減少對艦員身心健康的影響，另一方面也符合相關法律法規的要求。

6）加大科研和制造工作的管理力度，保證艙室內裝質量。

首先，要加強對標準規范和新技術理論的學習，在進行工程質量監督時能以理服人，以數據說明問題。同時，面對工程中出現的問題，還可以為相關廠家提供解決參考方案。

其次，要加大監管力度，嚴把設計關、科研關、設備關和質量關。

再次，要加強對艦船內裝材料的安全性檢測和生產，以及使用期間的跟蹤與管理。

最后，要積極溝通聯系。一方面，可以及時掌握現役艦船在實際使用過程中出現的一些問題，避免老問題在新造艦船中重復出現；另一方面，可及時了解部隊需求，以便在新建艦船中予以落實。

6 結 語

我國針對新一代艦船開展了生活設施改進提高等工作，使其艙室環境有了大幅提高，但與國外海軍相比，仍有差距。要徹底解決艙室環境問題，就要本著“以人為本”的原則，既要從工程設計與藝術設計相結合的角度進行綜合、系統的研究，也要從材料與工藝相結合的角度進行系統化、專業化的研究。綜合考慮，均衡協調各因素間的關系，全局把握艦船整體艙室環境問題，并最終依靠科學的方法、先進的工藝設備來解決我國艦船面臨的艙室環境問題。

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