艦船核生化防護區二氧化碳體積分數分析

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

在核生化環境中，為了減緩或避免化學毒氣、生物戰劑等進入艙內對人員造成傷害，必須采取的重要措施之一就是對艦船進行密閉。傳統的密閉方式的防護能力是有限的，現代艦船可以通過集體防護系統達到完全防護，但由于條件限制，難以在所有區域實現集體防護，部分區域仍采用密閉方式。與密閉方式下艙內與外界隔絕不同，集體防護系統將外界空氣通過濾毒裝置過濾后，送入防護區內，并保持一定的壓力。無論采取上述哪種防護措施，雖然可以減少或避免空氣中核、生、化沾染物的威脅，但是會導致空氣中CO2體積分數的增加，對艦員的健康產生重要影響。因此，人體的CO2暴露水平是核生化防護條件下需要考慮和控制的重要指標之一。

1 CO2設計生理指標和允許體積分數標準

對于CO2允許體積分數，不同的標準和規范有著不同的要求。這些差異主要是由人們對CO2的品質需求和人體的CO2暴露水平造成的。

1.1 對CO2體積分數的品質需求

根據艦船不同的條件，對CO2體積分數的品質要求可以分為三種不同的標準：舒適性標準、工效性標準和生存性標準。

平時，艦船是艦員長期生活和工作的平臺，對CO2體積分數的需求采取的是舒適性標準，是要求最高的參數標準。在這個標準下，艦員長期生活和工作，不應產生任何刺激效應和遠期危害，而且還不應引起精神上的不愉快。常規的空調通風系統應滿足這一標準的要求。

戰時，艦船的主要目標是保持戰斗力，對CO2體積分數的需求采取的是工效性標準，這個標準處于舒適性標準和生存性標準之間，主要是為了保證艦員的工作效率，在戰斗中能準確地作出判斷、迅速地作出反應。集體防護系統應滿足這一標準的要求。

另外，在環境條件限制或集體防護系統的某個區域遭到破壞的情況下，出于保護生命力考慮，對CO2體積分數的需求可以采取生存性標準，這是要求最低的參數標準，在一定的時間內，保證艦員的生命不受到威脅。這時CO2體積分數允許值主要取決于艦員的體質、活動狀態以及其它環境參數的變化等。個體防護應該滿足這一標準的要求。

1.2 人體的CO2暴露水平

人體的CO2暴露水平是對人體所在環境中CO2的體積分數與持續作用時間的綜合評價，與人體對CO2體積分數的承受極限和持續的暴露時間是密切相關的。除了舒適性標準外，應在考慮防護區內所允許的CO2體積分數時，還要充分考慮其持續作用的時間。

2 防護區內CO2體積分數分析模型

防護區的容積為V，艦內人員數量為n，單個艦員在單位時間內散發的CO2的量為m，防護區的CO2起始體積分數為C1。根據質量守恒定律，在任何一個微小的時間間隔dt內，防護區得到的CO2的量(即艦內人員的呼吸產生的CO2的量和增壓風機帶入的CO2的量)與從防護區內排出的CO2的量之差應等于整個防護區內增加的CO2的量，由此可建立微分方程[1]

GC0dt+nmdt-GCdt=VdC

(1)

式中：G——通風量，m3/h；

C0——外界新鮮空氣中CO2體積分數，%；

C——在某一時刻防護區內空氣中CO2體積分數，%；

n——防護區內艦員人數；

m——單個艦員單位時間內呼吸產生的CO2體積，m3/(h·人)；

V——防護區容積，m3；

dt——某一段無限小的時間間隔，h；

dC——在dt時間內防護區內CO2體積分數的增加，%。

對式(1)進行變換：

(2)

下面分別就G=0和G>0兩種情況對式(2)進行討論。

2.1 G=0時，防護區采用傳統密閉方式

對式(2)進行變換

如果在t時間內，防護區內空氣中CO2體積分數從C1變化到C2，那么

得到

(3)

根據式(3)，可以得到防護區達到規定的體積分數所需要的時間。

(4)

根據式(4)，可以求出任一時刻內防護區內CO2體積分數。

從上述分析可以看出，在密閉條件下，防護區內的CO2體積分數按線性比例增加。

2.2 G>0時，防護區采用集體防護方式

對式(2)進行變換，由于常數的微分為零，式(2)可改寫為

如果在t時間內，防護區內空氣中CO2體積分數從C1變化到C2，那么

即

(5)

(6)

由式(6)，可以求出在規定時間t內，達到要求的體積分數C2，所需要的通風換氣量。

由式(5)，可求出通風量一定時，任意時刻內CO2體積分數C2

(7)

(8)

從上述分析可以看出：防護區內CO2體積分數按指數規律增加，并收斂于C2，其收斂速度取決于G/V，即換氣次數大小。

如果集體防護區CO2體積分數處于穩定狀態時的允許體積分數為C2，根據式(8)，則集體防護區所需的最小通風換氣量按式(9)計算。

(9)

3 結論

在核、生、化防護條件下，如果防護區采取密閉措施，CO2體積分數隨時間呈線性增長，而且在該防護措施下，防護區內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]，人員戴上面具進行呼吸時，呼出的一部分廢氣積累在幾何有害空間內，吸氣時，同新鮮空氣混合在一起被吸入肺部，實際上人體吸入的CO2體積分數比防護區內CO2體積分數更高。個體防護下的艦員所吸入的CO2體積分數只能到達生存性標準。

在核、生、化防護條件下，如果防護區采取集體防護措施，CO2體積分數隨時間呈指數增長并收斂，收斂的速度取決于防護區的換氣次數。在防護區內，人員不需要采取個體防護措施，CO2體積分數可以滿足工效性標準，不僅能夠保障其生存需要，還能夠滿足作戰和生活的需要，提高了艦船的生命力和戰斗力。

[1] 王漢青.通風工程[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2] D J CROOME, ROBERTS B M.建筑物空氣調節與通風[M].陳在康,譯.北京：中國建筑工業出版社，1982.

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