艦船核生化防護(hù)區(qū)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)分析

，

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.海軍裝備部駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005)

在核生化環(huán)境中，為了減緩或避免化學(xué)毒氣、生物戰(zhàn)劑等進(jìn)入艙內(nèi)對(duì)人員造成傷害，必須采取的重要措施之一就是對(duì)艦船進(jìn)行密閉。傳統(tǒng)的密閉方式的防護(hù)能力是有限的，現(xiàn)代艦船可以通過集體防護(hù)系統(tǒng)達(dá)到完全防護(hù)，但由于條件限制，難以在所有區(qū)域?qū)崿F(xiàn)集體防護(hù)，部分區(qū)域仍采用密閉方式。與密閉方式下艙內(nèi)與外界隔絕不同，集體防護(hù)系統(tǒng)將外界空氣通過濾毒裝置過濾后，送入防護(hù)區(qū)內(nèi)，并保持一定的壓力。無(wú)論采取上述哪種防護(hù)措施，雖然可以減少或避免空氣中核、生、化沾染物的威脅，但是會(huì)導(dǎo)致空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，對(duì)艦員的健康產(chǎn)生重要影響。因此，人體的CO2暴露水平是核生化防護(hù)條件下需要考慮和控制的重要指標(biāo)之一。

1 CO2設(shè)計(jì)生理指標(biāo)和允許體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于CO2允許體積分?jǐn)?shù)，不同的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范有著不同的要求。這些差異主要是由人們對(duì)CO2的品質(zhì)需求和人體的CO2暴露水平造成的。

1.1 對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)的品質(zhì)需求

根據(jù)艦船不同的條件，對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)的品質(zhì)要求可以分為三種不同的標(biāo)準(zhǔn)：舒適性標(biāo)準(zhǔn)、工效性標(biāo)準(zhǔn)和生存性標(biāo)準(zhǔn)。

平時(shí)，艦船是艦員長(zhǎng)期生活和工作的平臺(tái)，對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)的需求采取的是舒適性標(biāo)準(zhǔn)，是要求最高的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，艦員長(zhǎng)期生活和工作，不應(yīng)產(chǎn)生任何刺激效應(yīng)和遠(yuǎn)期危害，而且還不應(yīng)引起精神上的不愉快。常規(guī)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)滿足這一標(biāo)準(zhǔn)的要求。

戰(zhàn)時(shí)，艦船的主要目標(biāo)是保持戰(zhàn)斗力，對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)的需求采取的是工效性標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)處于舒適性標(biāo)準(zhǔn)和生存性標(biāo)準(zhǔn)之間，主要是為了保證艦員的工作效率，在戰(zhàn)斗中能準(zhǔn)確地作出判斷、迅速地作出反應(yīng)。集體防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)滿足這一標(biāo)準(zhǔn)的要求。

另外，在環(huán)境條件限制或集體防護(hù)系統(tǒng)的某個(gè)區(qū)域遭到破壞的情況下，出于保護(hù)生命力考慮，對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)的需求可以采取生存性標(biāo)準(zhǔn)，這是要求最低的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在一定的時(shí)間內(nèi)，保證艦員的生命不受到威脅。這時(shí)CO2體積分?jǐn)?shù)允許值主要取決于艦員的體質(zhì)、活動(dòng)狀態(tài)以及其它環(huán)境參數(shù)的變化等。個(gè)體防護(hù)應(yīng)該滿足這一標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 人體的CO2暴露水平

人體的CO2暴露水平是對(duì)人體所在環(huán)境中CO2的體積分?jǐn)?shù)與持續(xù)作用時(shí)間的綜合評(píng)價(jià)，與人體對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)的承受極限和持續(xù)的暴露時(shí)間是密切相關(guān)的。除了舒適性標(biāo)準(zhǔn)外，應(yīng)在考慮防護(hù)區(qū)內(nèi)所允許的CO2體積分?jǐn)?shù)時(shí)，還要充分考慮其持續(xù)作用的時(shí)間。

2 防護(hù)區(qū)內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)分析模型

防護(hù)區(qū)的容積為V，艦內(nèi)人員數(shù)量為n，單個(gè)艦員在單位時(shí)間內(nèi)散發(fā)的CO2的量為m，防護(hù)區(qū)的CO2起始體積分?jǐn)?shù)為C1。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在任何一個(gè)微小的時(shí)間間隔dt內(nèi)，防護(hù)區(qū)得到的CO2的量(即艦內(nèi)人員的呼吸產(chǎn)生的CO2的量和增壓風(fēng)機(jī)帶入的CO2的量)與從防護(hù)區(qū)內(nèi)排出的CO2的量之差應(yīng)等于整個(gè)防護(hù)區(qū)內(nèi)增加的CO2的量，由此可建立微分方程[1]

GC0dt+nmdt-GCdt=VdC

(1)

式中：G——通風(fēng)量，m3/h；

C0——外界新鮮空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)，%；

C——在某一時(shí)刻防護(hù)區(qū)內(nèi)空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)，%；

n——防護(hù)區(qū)內(nèi)艦員人數(shù)；

m——單個(gè)艦員單位時(shí)間內(nèi)呼吸產(chǎn)生的CO2體積，m3/(h·人)；

V——防護(hù)區(qū)容積，m3；

dt——某一段無(wú)限小的時(shí)間間隔，h；

dC——在dt時(shí)間內(nèi)防護(hù)區(qū)內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，%。

對(duì)式(1)進(jìn)行變換：

(2)

下面分別就G=0和G>0兩種情況對(duì)式(2)進(jìn)行討論。

2.1 G=0時(shí)，防護(hù)區(qū)采用傳統(tǒng)密閉方式

對(duì)式(2)進(jìn)行變換

如果在t時(shí)間內(nèi)，防護(hù)區(qū)內(nèi)空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)從C1變化到C2，那么

得到

(3)

根據(jù)式(3)，可以得到防護(hù)區(qū)達(dá)到規(guī)定的體積分?jǐn)?shù)所需要的時(shí)間。

(4)

根據(jù)式(4)，可以求出任一時(shí)刻內(nèi)防護(hù)區(qū)內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)。

從上述分析可以看出，在密閉條件下，防護(hù)區(qū)內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)按線性比例增加。

2.2 G>0時(shí)，防護(hù)區(qū)采用集體防護(hù)方式

對(duì)式(2)進(jìn)行變換，由于常數(shù)的微分為零，式(2)可改寫為

如果在t時(shí)間內(nèi)，防護(hù)區(qū)內(nèi)空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)從C1變化到C2，那么

即

(5)

(6)

由式(6)，可以求出在規(guī)定時(shí)間t內(nèi)，達(dá)到要求的體積分?jǐn)?shù)C2，所需要的通風(fēng)換氣量。

由式(5)，可求出通風(fēng)量一定時(shí)，任意時(shí)刻內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)C2

(7)

(8)

從上述分析可以看出：防護(hù)區(qū)內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)按指數(shù)規(guī)律增加，并收斂于C2，其收斂速度取決于G/V，即換氣次數(shù)大小。

如果集體防護(hù)區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的允許體積分?jǐn)?shù)為C2，根據(jù)式(8)，則集體防護(hù)區(qū)所需的最小通風(fēng)換氣量按式(9)計(jì)算。

(9)

3 結(jié)論

在核、生、化防護(hù)條件下，如果防護(hù)區(qū)采取密閉措施，CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，而且在該防護(hù)措施下，防護(hù)區(qū)內(nèi)人員還必須佩戴防毒面具。由于防毒面具和佩戴者面部之間總存在被稱之為“幾何有害空間”的容積[3]，人員戴上面具進(jìn)行呼吸時(shí)，呼出的一部分廢氣積累在幾何有害空間內(nèi)，吸氣時(shí)，同新鮮空氣混合在一起被吸入肺部，實(shí)際上人體吸入的CO2體積分?jǐn)?shù)比防護(hù)區(qū)內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)更高。個(gè)體防護(hù)下的艦員所吸入的CO2體積分?jǐn)?shù)只能到達(dá)生存性標(biāo)準(zhǔn)。

在核、生、化防護(hù)條件下，如果防護(hù)區(qū)采取集體防護(hù)措施，CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)并收斂，收斂的速度取決于防護(hù)區(qū)的換氣次數(shù)。在防護(hù)區(qū)內(nèi)，人員不需要采取個(gè)體防護(hù)措施，CO2體積分?jǐn)?shù)可以滿足工效性標(biāo)準(zhǔn)，不僅能夠保障其生存需要，還能夠滿足作戰(zhàn)和生活的需要，提高了艦船的生命力和戰(zhàn)斗力。

[1] 王漢青.通風(fēng)工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] D J CROOME, ROBERTS B M.建筑物空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)[M].陳在康,譯.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1982.

[3] 兵種部防化編研室.核生化防護(hù)大辭典[M].上海：上海辭書出版社，2000.