潛艇艙室大氣環(huán)境技術(shù)發(fā)展研究

彭光明 任 凡 張 瑤 鄧鑫萍

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

0 引 言

潛艇內(nèi)的空間是有限、密閉的，艇內(nèi)環(huán)境不斷受到各種揮發(fā)物、油料、潤(rùn)滑劑、制冷劑、艇員的有機(jī)體代謝、食物的烹調(diào)與腐敗、結(jié)構(gòu)材料的揮發(fā)與分解物的污染。依照國(guó)內(nèi)外多年來(lái)的實(shí)測(cè)以及采樣分析結(jié)果，從潛艇大氣中檢測(cè)出608種有機(jī)污染物，還有多種氣溶膠、微生物以及放射性物質(zhì)，這些物質(zhì)混合在一起影響艙室空氣質(zhì)量，呈現(xiàn)出高度混合性、成分復(fù)雜性和局部區(qū)域富集性的特點(diǎn)。由于潛艇追求高隱蔽性、低暴露率，因此在水下的連續(xù)潛航時(shí)間不斷延長(zhǎng)。隨著連續(xù)潛航時(shí)間的延長(zhǎng)，有害污染物將不斷積累，直接影響艇員的健康和戰(zhàn)斗力。

潛艇大氣環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)越來(lái)越受到各國(guó)海軍的重視，國(guó)外海軍加大了對(duì)該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和技術(shù)儲(chǔ)備，在潛艇艙室大氣環(huán)境控制、監(jiān)測(cè)和評(píng)估技術(shù)方面取得了很多成果，下面重點(diǎn)分析各項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

1 大氣環(huán)境控制技術(shù)

1.1 空調(diào)通風(fēng)

潛艇空調(diào)通風(fēng)的目的是給艙室降溫除濕，對(duì)有害氣體進(jìn)行稀釋和凈化，同時(shí)增加空氣的流動(dòng)性，提高人體的舒適性。溫濕度對(duì)人體的影響非常大，當(dāng)濕度為15%～30%或大于70%時(shí)，人體處于不適應(yīng)狀態(tài)［1］。美國(guó)海軍潛艇空氣溫、濕度控制標(biāo)準(zhǔn)是：濕度不受限制時(shí)，居住部位溫度不超過(guò)25℃；相對(duì)濕度為50%時(shí)，居住部位溫度低于30℃；動(dòng)力艙室相對(duì)濕度不受限制時(shí)，其最高溫度低于38℃。潛艇空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向包括降噪、節(jié)能、環(huán)保以及健康舒適性。

1.1.1 降 噪

制冷壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的主要噪聲源之一，選擇低噪聲壓縮機(jī)是降低噪聲的重要措施。采用平衡性好、振動(dòng)小、運(yùn)行噪聲低的渦旋式壓縮機(jī)具有明顯的降噪效果。在壓縮機(jī)排氣口開出泄漏槽，緩解壓縮機(jī)排氣高壓氣體的沖擊波，可以降低壓縮機(jī)噪聲5～10 dB（A）。通過(guò)采用大直徑、不等距多葉片貫流風(fēng)機(jī)，加大送風(fēng)量，降低轉(zhuǎn)速等措施，能在保證風(fēng)量的前提下最大限度地降低風(fēng)機(jī)噪聲。通過(guò)在換熱器表面用親水膜處理減少冷凝水阻力、優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)、調(diào)整翅片間距，能降低空氣流動(dòng)阻力進(jìn)而降低噪聲［2］。

1.1.2 節(jié) 能

節(jié)能是評(píng)價(jià)空調(diào)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，各國(guó)均逐步制定了空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)2006年實(shí)施的新能源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分體式空調(diào)器的效能比應(yīng)達(dá)到3.52以上，我國(guó)也對(duì)空調(diào)器的能效級(jí)別要求做了相應(yīng)規(guī)定?？照{(diào)系統(tǒng)常用的節(jié)能手段包括：通過(guò)采用高效節(jié)能型壓縮機(jī)（渦旋式壓縮機(jī)與往復(fù)壓縮機(jī)相比能節(jié)能20%以上，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)與往復(fù)壓縮機(jī)相比能節(jié)能10%以上）；采用高傳熱性能的內(nèi)螺紋薄壁銅管、高效涂親水膜鋁翅片、波紋縫隙翅片蒸發(fā)器和冷卻器；采用變頻與模糊邏輯控制技術(shù)，控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，可達(dá)到高效、省電、恒溫的效果。

1.1.3 環(huán) 保

根據(jù)蒙特利爾協(xié)定，2010年1月1日凍結(jié)制冷劑R22和R142b的生產(chǎn)，2020年1月1日將禁用制冷劑R22和R142b。制冷劑R22將逐步被R410A，R407C，R134a等替代。

1.1.4 健康舒適性

空調(diào)系統(tǒng)的健康舒適性設(shè)計(jì)體現(xiàn)在外觀、氣流組織、溫濕控制、運(yùn)行噪聲、附加功能等多個(gè)方面。具體表現(xiàn)在美化外觀、改善氣流組織分布、根據(jù)人體體感自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)角度和送風(fēng)方式以及實(shí)現(xiàn)仿真自然健康風(fēng)等方面。通過(guò)變頻與模糊邏輯控制，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和安靜運(yùn)行?？照{(diào)器均具有多層過(guò)濾功能，部分還設(shè)有負(fù)離子發(fā)生器，可以過(guò)濾和凈化煙氣、塵埃、微生物、病菌、臭氣、異味，保持房間（艙室）空氣的健康舒適［3］。

1.2 供氧技術(shù)

1.2.1 技術(shù)分析

艇員生活在潛艇密閉環(huán)境中，人體呼吸不斷消耗氧氣，同時(shí)艙室物質(zhì)的氧化也不斷消耗艙室內(nèi)的氧氣。供氧的目的就是向艙室不斷補(bǔ)充氧氣，以將艙室氧濃度維持在19%～21%。潛艇常用的供氧形式有氣態(tài)氧、液氧、超氧化物、氧燭、電解水等。

1）儲(chǔ)存純氧供氧

儲(chǔ)存純氧的方式有氣態(tài)儲(chǔ)存和液態(tài)儲(chǔ)存。氣態(tài)純氧通過(guò)加壓儲(chǔ)存在高壓氣瓶中，輸出時(shí)通過(guò)減壓后供人員呼吸。液態(tài)純氧通過(guò)保溫罐將其保存在-183℃狀態(tài)下，輸出時(shí)通過(guò)加熱汽化為液態(tài)純氧后供人員呼吸。

氧氣瓶呼吸供氧在醫(yī)學(xué)上運(yùn)用最為普遍，潛水員也靠攜帶氧氣瓶維持水下呼吸，另其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用也很普遍。受氧氣攜帶量有限的制約，對(duì)需氧量較大的潛艇，該方式無(wú)法滿足需求，而對(duì)于小型潛艇，該方式則是經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的供氧方式，供氧過(guò)程基本不消耗艇上電源，氧氣純度高且對(duì)艙室不產(chǎn)生二次污染。

液氧在-183℃以下密度約為 1.14×103kg/m3，密度大約是常溫常壓下氣態(tài)氧密度的1 000倍。攜帶液氧供氧的技術(shù)難點(diǎn)在于液氧的貯存和保溫，液氧罐一般采取雙層真空設(shè)計(jì)。

2）過(guò)（超）氧化物供氧

過(guò)（超）氧化物可與水蒸氣和CO2反應(yīng)釋放O2。常用的空氣再生藥劑是過(guò)（超）氧化鈉和過(guò)（超）氧化鉀。

國(guó)外大量采用過(guò)（超）氧化物氧化反應(yīng)的方式，用于潛艇艙室呼吸供氧和CO2的清除。在國(guó)防工事、攜帶式面具、宇宙飛船等密閉環(huán)境內(nèi)，也廣泛使用過(guò)（超）氧化物作空氣再生藥劑進(jìn)行供氧和CO2的清除。

但是過(guò)（超）氧化物再生藥劑吸收含水蒸汽的CO2后會(huì)發(fā)生膨脹與糊狀現(xiàn)象，反應(yīng)效率顯著降低，因此在高溫高濕的艇內(nèi)艙室環(huán)境下，過(guò)（超）氧化物利用效率較低。過(guò)（超）氧化物具有強(qiáng)氧化性，過(guò)（超）氧化物顆粒揮發(fā)到大氣中后不僅對(duì)設(shè)備具有腐蝕性，還會(huì)對(duì)人體呼吸系統(tǒng)造成損傷，給潛艇艙室大氣環(huán)境控制帶來(lái)不利影響［4］。

3）氧燭供氧

氧燭是以堿金屬的氯酸鹽和高氯酸鹽為主，加入燃料、粘結(jié)劑等配料制成供氧材料。堿金屬的氯酸鹽和高氯酸鹽單位體積的放氧量接近于等體積的液氧。氯酸鈉理論產(chǎn)氧量為45.1%，氯酸鉀理論產(chǎn)氧量為39.2%。

氧燭無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定供氧，單個(gè)氧燭點(diǎn)燃后無(wú)法控制，在幾分鐘內(nèi)燃燒完全，純氧直接釋放到艙室。氧燭燃燒釋放的氣體，除主要成分氧氣之外，還混有Cl2，CO和CO2等雜質(zhì)，易給艙室?guī)?lái)二次污染。

4）堿性電解液電解水供氧

堿性電解液電解水以KOH或NaOH為電解液，電解后產(chǎn)生H2和O2，其中O2供艇員呼吸使用，H2經(jīng)收集后進(jìn)行處理。

電解水制氧產(chǎn)生的附屬物H2，在密閉艙室中極易發(fā)生爆炸。KOH和NaOH為強(qiáng)堿溶液，對(duì)設(shè)備具有強(qiáng)腐蝕性。而且，從電解槽逸出的H2和O2帶有堿液，需經(jīng)過(guò)多次洗滌和過(guò)濾，給氣體凈化帶來(lái)一定的困難。

堿性電解水制氧技術(shù)已有200多年的歷史。目前，利用堿性電解水制氧技術(shù)制取的工業(yè)氫氣占工業(yè)氫氣總產(chǎn)量的5%。堿性電解水制氧技術(shù)雖然成熟，但電解效率不高，國(guó)外現(xiàn)在仍有大量核潛艇采用這種傳統(tǒng)的制氧方式。

5）固態(tài)電解質(zhì)電解水供氧

固體聚合物電解質(zhì)（Solid Polymer Electrolyte）技術(shù)簡(jiǎn)稱SPE水電解技術(shù)，以固體聚合物電解質(zhì)代替了堿液。以SPE電解水制氧技術(shù)替代堿性技術(shù)是目前該領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。SPE電解水的電解槽體積小，在相同產(chǎn)氣量下，SPE電解槽的體積是堿性電解液電解水設(shè)備體積的1/5。SPE電解水無(wú)強(qiáng)堿或強(qiáng)酸性液體存在，減少了對(duì)設(shè)備的腐蝕。SPE電解水采用質(zhì)子交換膜，氣體純度高，氧氣純度達(dá)99.99%。

1.2.2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

德國(guó)212級(jí)、214級(jí)常規(guī)潛艇，瑞典“哥特蘭”級(jí)潛艇等均攜帶液氧罐。目前，俄羅斯常規(guī)潛艇仍然采用超氧化物供氧，超氧化物多用于核潛艇上的應(yīng)急空氣再生裝置。英國(guó)常規(guī)潛艇上用氧燭作為供氧設(shè)備，而美、英等國(guó)核潛艇以氧燭作為應(yīng)急供氧措施。

氣氧、液氧、超氧化物、氧燭等供氧技術(shù)都是資源消耗型，一次性使用，遠(yuǎn)航時(shí)需要大量攜帶，不但大量占用艇內(nèi)空間，還限制了潛艇水下潛航時(shí)間。因此，對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間潛航的潛艇，這些技術(shù)均滿足不了使用要求，僅僅只能作為備用和應(yīng)急手段。

堿性電解水制氧技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)外大量核潛艇采用這種傳統(tǒng)的制氧方式，但該技術(shù)的缺點(diǎn)是電解效率不高，設(shè)備體積大，電解液為熱的強(qiáng)堿性溶液，會(huì)對(duì)環(huán)境與人員帶來(lái)危害。固體聚合物電解質(zhì)電解水制氧裝置具有體積小、重量輕、效率高、性能安全可靠、產(chǎn)生的氣體純度高以及無(wú)污染等特點(diǎn)，將逐步替代堿性電解液電解技術(shù)，成為新的技術(shù)發(fā)展方向。

美國(guó)宇航局在上世紀(jì)70年代開始研究SPE供氧技術(shù)用于載人宇宙飛船。1975年，通用電氣公司為美海軍研制了核潛艇用SPE制氧裝置，現(xiàn)已裝備于“海狼”級(jí)和“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇。同時(shí)，英國(guó)約翰布朗造船公司研制的SPE電解水制氧裝置也已裝備多艘潛艇。世界各國(guó)都在加緊SPE制氧的研究，采用該技術(shù)的制氧設(shè)備將成為各國(guó)未來(lái)核潛艇的主要供氧設(shè)備。

1.3 CO2清除技術(shù)

1.3.1 技術(shù)分析

艇員在呼吸過(guò)程中不斷呼出CO2，平均每人每小時(shí)呼出20～25 L。同時(shí)，艙室物質(zhì)氧化也不斷生成CO2。艙室理想的CO2濃度為0.03%，當(dāng)CO2濃度在0.5%～1.0%時(shí)，艇員較長(zhǎng)時(shí)間暴露在該環(huán)境中不會(huì)產(chǎn)生有害影響。當(dāng)潛艇艙室CO2濃度為3.0%時(shí)，艇員將很難完成體力工作；當(dāng)濃度達(dá)到5%時(shí)，艇員連輕度勞動(dòng)也將很難完成。潛艇艙室常用CO2清除方式包括堿石灰、超氧化物、LiOH、分子篩、一乙醇胺、固態(tài)胺等。

1）堿石灰吸收CO2

堿石灰的主要成分是 CaO（或 Ca（OH）2）和NaOH的混合物。大量使用的堿石灰是90%的CaO與4%的NaOH組成的混合物。

堿石灰吸收CO2的性能與其本身的含水量有關(guān)，且吸水之后易發(fā)生液化和粘連現(xiàn)象。其最大的缺點(diǎn)是，吸收過(guò)程易受溫度和濕度的影響，當(dāng)溫度低于18℃、相對(duì)濕度小于60%時(shí)，吸收失效。此外，堿石灰還存在吸收CO2的速度慢、吸收容量小等缺點(diǎn)。

堿石灰的優(yōu)點(diǎn)是毒性小，使用方便，價(jià)格便宜，曾被廣泛應(yīng)用于常規(guī)潛艇。

2）LiOH清除CO2

國(guó)外潛艇應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)是采用LiOH清除CO2。與其他固體吸收劑相比，LiOH具有單位重量和單位體積吸收CO2能力強(qiáng)的特點(diǎn)，其吸收效果最佳，受溫度影響最小。LiOH還能清除氯氣等一些有害氣體，其吸收產(chǎn)物穩(wěn)定，是目前潛艇和密閉環(huán)境下清除CO2效果較好的固體吸收劑。

無(wú)水LiOH的粉塵對(duì)人的鼻、喉、眼睛和皮膚都有強(qiáng)烈的刺激作用。LiOH的成本很高，同時(shí)其生成物的穩(wěn)定性也不利于二次回收利用。目前國(guó)外海軍正在逐步用LiOH取代其他的固體吸收劑。

3）分子篩吸附CO2

分子篩吸附CO2是通過(guò)物理方法將CO2吸附到分子篩微孔的內(nèi)表面上。最常見的分子篩材料為人工制造的陶土，即沸石。該材料分子篩呈網(wǎng)狀，與蜂窩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，其上各個(gè)小孔的尺寸統(tǒng)一，約大于1個(gè)CO2分子。當(dāng)受CO2污染的空氣流經(jīng)1個(gè)沸石分子篩珠床時(shí)，CO2分子就會(huì)停留在珠狀分子篩的小孔內(nèi)，此過(guò)程會(huì)一直持續(xù)到整個(gè)吸收面全部被CO2所占滿。通過(guò)加熱將CO2從吸收床驅(qū)趕出來(lái)，實(shí)現(xiàn)脫附。

分子篩不僅可以清除CO2，還可清除其他污染物，如氟利昂、部分碳?xì)浠衔锏?。分子篩吸附裝置的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，效率低。

4）一乙醇胺清除CO2

利用一乙醇胺溶液吸收空氣中CO2的特性，吸收飽和后通過(guò)加熱放出CO2，實(shí)現(xiàn)一乙醇胺溶液的再生，同時(shí)將CO2排出舷外。

一乙醇胺吸收液為可再生式，避免了大量攜帶吸收藥劑，同時(shí)一乙醇胺吸收CO2可使艙室CO2的濃度保持在較低水平。一乙醇胺技術(shù)的缺點(diǎn)是裝置體積大、能耗大，還向艙室泄漏一乙醇胺，易造成艙室二次污染。

5）固態(tài)胺清除CO2

固態(tài)胺清除CO2技術(shù)采用固態(tài)胺樹脂代替一乙醇胺，通過(guò)固態(tài)胺吸收空氣中的CO2，吸收飽和后通過(guò)加熱釋放出CO2。

固態(tài)胺吸附劑是一種表面積很大的多孔塑料基質(zhì)聚合物，其裝配為層狀密集形式，體積緊湊，結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，特別適于清除潛艇中的CO2，克服了液體吸收劑噴淋所引起的諸多不便。此外，由于固態(tài)胺呈多孔型，表面積大，不僅提高了吸附效率，還避免了有害氣體的逸出，從而克服了對(duì)艙室空氣造成二次污染的問(wèn)題。固態(tài)胺吸附劑的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與水有著良好的兼容性，可以用蒸汽加熱而不必在胺層中裝配加熱器。

1.3.2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

法國(guó)一直將堿石灰用于常規(guī)潛艇清除CO2，日本潛艇用LiOH清除CO2，美國(guó)核潛艇則將LiOH作為清除CO2的應(yīng)急措施。

英國(guó)獨(dú)立研制了多用途分子篩吸附裝置并已裝艇使用多年，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、效率低等，已停止生產(chǎn)。

隨著核潛艇的問(wèn)世，一乙醇胺清除CO2這一方式開始在核潛艇上使用，經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)，裝置的性能和效率有了很大提高，基本滿足核潛艇清除CO2的要求。當(dāng)前，各國(guó)核潛艇仍主要使用一乙醇胺清除CO2。

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)和日本開始進(jìn)行固態(tài)胺清除CO2的技術(shù)研究。目前，美國(guó)已開發(fā)出艇用1∶10固態(tài)胺CO2清除系統(tǒng)；日本成功研制出71人型固態(tài)胺CO2清除系統(tǒng)，但至今未見正式裝艇服役報(bào)道；德國(guó)已研制出固態(tài)胺CO2吸收裝置樣機(jī)，并安裝在205級(jí)潛艇進(jìn)行了性能試驗(yàn)。

固態(tài)胺清除CO2技術(shù)是潛艇清除CO2技術(shù)的發(fā)展方向，與一乙醇胺技術(shù)相比，固態(tài)胺法具有控制艙室CO2濃度低（可將CO2濃度控制在約0.3%）、吸收劑使用壽命長(zhǎng)、裝置簡(jiǎn)單且無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。目前，各國(guó)都在加緊固態(tài)胺技術(shù)的研究，采用該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備將成為各國(guó)未來(lái)核潛艇上清除CO2的主要設(shè)備。

1.4 有害氣體凈化技術(shù)

1.4.1 技術(shù)分析

1）顆粒污染物的凈化

人員出入潛艇攜帶的設(shè)備、物品均會(huì)將艙外大氣中粒徑小于100 μm的懸浮顆粒物帶入艙室。其中，粒徑大于10 μm的降塵會(huì)沉淀在艙室設(shè)備表面，粒徑小于10 μm的飄塵會(huì)在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)懸浮在艙室空間。

凈化顆粒污染物的主要技術(shù)有過(guò)濾法、靜電除塵、低溫等離子等。

過(guò)濾法的原理是當(dāng)空氣流過(guò)過(guò)濾材料時(shí)，空氣中顆粒狀污染物通過(guò)過(guò)濾層阻留而不隨空氣流出。清除顆粒污染物的過(guò)濾層有填充纖維過(guò)濾層、濾紙濾布過(guò)濾層、泡沫塑料過(guò)濾層等。

靜電除塵是利用電暈放電的原理，當(dāng)含有顆粒狀污染物的氣流通過(guò)兩極間的電場(chǎng)時(shí)，處于電暈范圍內(nèi)的氣體因電暈放電而產(chǎn)生大量的正負(fù)離子和自由電子，在電場(chǎng)力的作用下，于運(yùn)動(dòng)中碰撞和粘附顆粒狀污染物微粒，使污染物在電極上沉積下來(lái)，從而達(dá)到凈化空氣的目的。

低溫等離子是氣體分子受到外加電場(chǎng)及輻射激發(fā)而分解、電離形成的電子、離子、原子、分子及自由基等的集合體，低溫等離子發(fā)生區(qū)存在靜電場(chǎng)，懸浮顆粒物隨氣流通過(guò)低溫等離子體發(fā)生區(qū)的電場(chǎng)時(shí)，與低溫等離子體相互作用，發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化，達(dá)到分解和沉淀凈化的效果［5］。

美國(guó)核潛艇大量使用靜電除塵技術(shù)，由于靜電除塵設(shè)備風(fēng)道阻力小，特別適合與空調(diào)風(fēng)管配套使用。

2）氣狀污染物的凈化

空氣中氣狀污染物來(lái)源廣、危害大，尤其是揮發(fā)性有機(jī)氣體，具有種類多、危害大的特點(diǎn)。凈化氣狀污染物的措施有吸附法、吸收法、催化轉(zhuǎn)化法、催化燃燒法、活性碳纖維（Activated Carbon Filter）凈化、低溫等離子體凈化、納米二氧化鈦凈化、負(fù)氧離子等。國(guó)內(nèi)外潛艇大量采用活性碳纖維凈化和催化燃燒法［6］。

活性炭纖維是繼粒狀活性炭（Granular Activated Carbon）之后發(fā)展起來(lái)的第3代功能吸附材料?；钚蕴坷w維是由天然纖維或人造有機(jī)化學(xué)纖維經(jīng)過(guò)碳化制成，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有發(fā)達(dá)的比表面積和豐富的微孔徑，吸附性能優(yōu)于活性炭，對(duì)有機(jī)類氣體、惡臭物質(zhì)的吸附量比粒狀或粉狀活性炭要高出20～30倍，對(duì)低濃度氣體仍能保持較高的吸附能力，而活性炭吸附材料的吸附能力往往會(huì)隨著濃度的降低而大幅降低?；钚蕴坷w維對(duì)微生物及細(xì)菌也有優(yōu)異的吸附能力，如對(duì)大腸桿菌的吸附率可達(dá)94%～99%?；钚蕴祭w維吸附具有脫附速度快、易再生、耐溫性能好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，并可根據(jù)需要支撐氈、布、紙等形態(tài)，有利于吸附裝置的小型化和吸附層的薄層化等優(yōu)點(diǎn)。

催化燃燒法采用燃燒方法來(lái)清除潛艇艙室大氣中的CO、氫、烴類和其他污染物，其燃燒產(chǎn)物為CO2和H2O。催化燃燒法是利用催化劑的作用降低可燃?xì)怏w的燃燒溫度，在較低溫度下進(jìn)行無(wú)火焰燃燒?？扇?xì)怏w在250～350℃時(shí)通過(guò)催化劑床層時(shí)，空氣中的氧和可燃?xì)怏w同時(shí)被吸附在催化劑表面，提高了催化劑的活性，并在接觸過(guò)程中產(chǎn)生一系列反應(yīng)，使有害氣體燃燒。催化燃燒的特點(diǎn)是燃燒溫度低，預(yù)熱200～400℃即可進(jìn)行催化氧化，燃燒時(shí)與催化劑接觸，不生成火焰。

1.4.2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

過(guò)濾法、靜電除塵、吸附法、吸收法、催化轉(zhuǎn)化法、活性碳纖維凈化、低溫等離子體凈化、納米二氧化鈦凈化、負(fù)氧離子等技術(shù)在軍、民空氣凈化領(lǐng)域運(yùn)用已較成熟。由于單一技術(shù)凈化能力有限，通常采用將多種技術(shù)集成的方式，如家用空調(diào)器集成了活性碳纖維凈化、負(fù)氧離子等技術(shù)，美國(guó)核潛艇則在空調(diào)風(fēng)管集成靜電除塵技術(shù)。

催化燃燒法在核潛艇上被作為凈化艙室的主要技術(shù)手段，由于高溫燃燒容易引起艙室氟利昂分解出更危險(xiǎn)的氣體，同時(shí)燃燒溫度越高，加熱消耗功率大，給艙室散熱高，因此催化燃燒法正向低溫燃燒技術(shù)方向發(fā)展。

2 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

2.1 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1.1 技術(shù)分析

潛艇艙室大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)是指測(cè)量代表潛艇艙室空氣環(huán)境質(zhì)量的各種標(biāo)志數(shù)據(jù)的過(guò)程，它以環(huán)境分析為基礎(chǔ)，應(yīng)用分析化學(xué)的方法和技術(shù)，以基本化學(xué)物質(zhì)為單位，對(duì)艙室空氣環(huán)境中的污染物進(jìn)行定量和定性的分析。既可在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可采集樣品后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已建立一系列物理和化學(xué)的檢測(cè)方法與儀器，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的自動(dòng)化和連續(xù)化，獲取長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以對(duì)環(huán)境質(zhì)量作出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。目前，艙室的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有氧、二氧化碳、氮氧化物、一乙醇胺、氟利昂、總烴、水蒸氣等。其中，O2和NO主要采取順磁檢測(cè)法進(jìn)行測(cè)量；H主要采取熱導(dǎo)率法進(jìn)行測(cè)量；CO，CO2主要采取紅外分光光度法進(jìn)行測(cè)量；總烴主要采取光化電離測(cè)定法進(jìn)行測(cè)量。美海軍在其潛艇上裝備了中央大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CAMS），其主要組件是一臺(tái)質(zhì)譜分析儀。運(yùn)用質(zhì)譜法幾乎可檢測(cè)潛艇大氣中的各種成分，如氫、氧、二氧化碳、氟里昂-12、氟里昂-114、氟里昂-134a、氟里昂-1301、脂肪烴類及芳香烴類，并可對(duì)上述氣體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和報(bào)警［7］。

2.1.2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

潛艇大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是智能化監(jiān)測(cè)、分析和處理，以減少艇員工作量，提高系統(tǒng)處理的時(shí)效性和可靠性。色譜（質(zhì)譜）與計(jì)算機(jī)聯(lián)用的技術(shù)，使?jié)撏У拇髿獗O(jiān)測(cè)裝備更趨小型化和智能化，對(duì)大氣的監(jiān)測(cè)、控制和凈化更加精確，其自動(dòng)化程度更高。

2.2 大氣環(huán)境評(píng)價(jià)方法

2.2.1 評(píng)價(jià)方法分析

1）熱舒適性評(píng)價(jià)

人體熱感覺是人們對(duì)所處環(huán)境的主觀心理反應(yīng)，不僅受環(huán)境變量和人體變量等多因素的影響，還與人的心情有關(guān)。衡量熱感覺的詞如“冷”、“暖”、“熱”等沒有一個(gè)明確的邊界，人體熱感覺屬于一種心理模糊事件。由于人的個(gè)體差異，即使在同一熱環(huán)境條件下，不同人的熱感覺也可能不同；同一個(gè)人在同一環(huán)境條件下，也會(huì)有不同的熱感覺。因此人體熱感覺是一種模糊的隨機(jī)量。

各國(guó)采用的環(huán)境熱舒適標(biāo)準(zhǔn)主要是依據(jù)Fanger提出的理論和美國(guó)ASHRAE所制定的框架體系制訂，我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范也是按照這種方法確定。國(guó)外在熱舒適性指標(biāo)體系方面開展了大量基礎(chǔ)研究，包括人體在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)熱環(huán)境下的反應(yīng)［8］。在穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下，F(xiàn)anger提出了PMVPPD指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，該指標(biāo)體系涵蓋空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度、人體新陳代謝率、服裝熱阻等6個(gè)因素對(duì)人體熱舒適的影響，預(yù)測(cè)人對(duì)特定環(huán)境的不滿意度，該指標(biāo)評(píng)價(jià)體系將客觀因素和主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合，在世界范圍內(nèi)得到了認(rèn)可［9］。

2）空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)

空氣品質(zhì)涉及多學(xué)科的知識(shí)，它的評(píng)價(jià)應(yīng)由環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生學(xué)、社會(huì)心理學(xué)等多學(xué)科的研究人員來(lái)共同完成。目前，室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)一般采用量化監(jiān)測(cè)和主觀調(diào)查相結(jié)合的方法。其中，量化監(jiān)測(cè)是通過(guò)直接測(cè)量室內(nèi)污染物濃度來(lái)客觀了解、評(píng)價(jià)空氣品質(zhì)；主觀評(píng)價(jià)是指利用人的感覺器官進(jìn)行描述與評(píng)判工作。

客觀評(píng)價(jià)是直接選擇具有代表性的污染物作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，全面公正地反映室內(nèi)空氣品質(zhì)的狀況。國(guó)際上通常選用 CO2、CO、甲醛、NOx、SO2、可吸入顆粒物、室內(nèi)細(xì)菌總數(shù)、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、照度、噪聲等12項(xiàng)指標(biāo)來(lái)定量反映室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

主觀評(píng)價(jià)主要通過(guò)對(duì)室內(nèi)人員的詢問(wèn)及問(wèn)卷調(diào)查獲得，即利用人體的感覺器官對(duì)環(huán)境進(jìn)行描述和評(píng)判。主觀評(píng)價(jià)主要有兩方面的工作：一是表達(dá)對(duì)環(huán)境因素的感覺；二是表達(dá)環(huán)境對(duì)人體健康的影響。

2.2.2 評(píng)價(jià)方法發(fā)展

上海交通大學(xué)連之偉課題組開展了大量人體熱舒適實(shí)驗(yàn)，對(duì)熱舒適進(jìn)行了深入研究，在對(duì)傳統(tǒng)熱舒適的效果、夜間人體熱舒適溫度、下送風(fēng)空調(diào)方式對(duì)人體熱舒適的影響的基礎(chǔ)上，又引入模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，提出了人體熱舒適的模糊評(píng)判模型、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱舒適評(píng)判和控制模型。通過(guò)與基于人體熱舒適的個(gè)性化空調(diào)等技術(shù)的研究，尤其是進(jìn)一步結(jié)合醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究成果，探討了采用心率變異性（HRV）、皮膚溫度（ST）和腦電波（EEG）等生理參數(shù)作為潛在可能的指標(biāo)來(lái)客觀評(píng)價(jià)人體的熱舒適［10］的技術(shù)。

美國(guó)供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)將室內(nèi)空氣品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)結(jié)合起來(lái)，形成了空氣品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法，并在ASHRAE Standard 62-1989中給出“良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)”的定義：“空氣中沒有已知的污染物達(dá)到公認(rèn)的權(quán)威機(jī)構(gòu)所確定的有害物濃度指標(biāo)，且處于這種空氣中絕大多數(shù)人（≥80%）對(duì)此沒有表示不滿意”。在新標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE Standard 62-1999中將“良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)”改為“可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)”。通過(guò)調(diào)節(jié)降溫和除濕能力來(lái)降低系統(tǒng)的能耗。

3 結(jié) 語(yǔ)

潛艇大氣環(huán)境控制是多種技術(shù)的綜合運(yùn)用，是一門綜合性學(xué)科，其發(fā)展融合環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生學(xué)、社會(huì)心理學(xué)等多學(xué)科，環(huán)境控制、監(jiān)測(cè)、評(píng)估技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為：

1）潛艇大氣環(huán)境控制由功能性設(shè)計(jì)向健康舒適性氣候環(huán)境發(fā)展，溫濕度、氣體成分和有害氣體控制追求低能耗、高效再生、綜合集成；

2）大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)通過(guò)計(jì)算機(jī)與質(zhì)譜、色譜等分析技術(shù)綜合利用，實(shí)現(xiàn)環(huán)境集中在線連續(xù)監(jiān)測(cè)；

3）大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)估由醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生學(xué)、社會(huì)心理學(xué)等多學(xué)科參與，形成主觀和客觀因素綜合評(píng)價(jià)方法。

各國(guó)海軍對(duì)潛艇大氣環(huán)境越來(lái)越重視，并不斷加大對(duì)該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和技術(shù)儲(chǔ)備，我國(guó)技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，需要加大投入開展相關(guān)研究。

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