舰船核生化防护区二氧化碳体积分数分析

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(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2.海军装备部驻426厂军事代表室，辽宁 大连 116005)

在核生化环境中，为了减缓或避免化学毒气、生物战剂等进入舱内对人员造成伤害，必须采取的重要措施之一就是对舰船进行密闭。传统的密闭方式的防护能力是有限的，现代舰船可以通过集体防护系统达到完全防护，但由于条件限制，难以在所有区域实现集体防护，部分区域仍采用密闭方式。与密闭方式下舱内与外界隔绝不同，集体防护系统将外界空气通过滤毒装置过滤后，送入防护区内，并保持一定的压力。无论采取上述哪种防护措施，虽然可以减少或避免空气中核、生、化沾染物的威胁，但是会导致空气中CO2体积分数的增加，对舰员的健康产生重要影响。因此，人体的CO2暴露水平是核生化防护条件下需要考虑和控制的重要指标之一。

1 CO2设计生理指标和允许体积分数标准

对于CO2允许体积分数，不同的标准和规范有着不同的要求。这些差异主要是由人们对CO2的品质需求和人体的CO2暴露水平造成的。

1.1 对CO2体积分数的品质需求

根据舰船不同的条件，对CO2体积分数的品质要求可以分为三种不同的标准：舒适性标准、工效性标准和生存性标准。

平时，舰船是舰员长期生活和工作的平台，对CO2体积分数的需求采取的是舒适性标准，是要求最高的参数标准。在这个标准下，舰员长期生活和工作，不应产生任何刺激效应和远期危害，而且还不应引起精神上的不愉快。常规的空调通风系统应满足这一标准的要求。

战时，舰船的主要目标是保持战斗力，对CO2体积分数的需求采取的是工效性标准，这个标准处于舒适性标准和生存性标准之间，主要是为了保证舰员的工作效率，在战斗中能准确地作出判断、迅速地作出反应。集体防护系统应满足这一标准的要求。

另外，在环境条件限制或集体防护系统的某个区域遭到破坏的情况下，出于保护生命力考虑，对CO2体积分数的需求可以采取生存性标准，这是要求最低的参数标准，在一定的时间内，保证舰员的生命不受到威胁。这时CO2体积分数允许值主要取决于舰员的体质、活动状态以及其它环境参数的变化等。个体防护应该满足这一标准的要求。

1.2 人体的CO2暴露水平

人体的CO2暴露水平是对人体所在环境中CO2的体积分数与持续作用时间的综合评价，与人体对CO2体积分数的承受极限和持续的暴露时间是密切相关的。除了舒适性标准外，应在考虑防护区内所允许的CO2体积分数时，还要充分考虑其持续作用的时间。

2 防护区内CO2体积分数分析模型

防护区的容积为V，舰内人员数量为n，单个舰员在单位时间内散发的CO2的量为m，防护区的CO2起始体积分数为C1。根据质量守恒定律，在任何一个微小的时间间隔dt内，防护区得到的CO2的量(即舰内人员的呼吸产生的CO2的量和增压风机带入的CO2的量)与从防护区内排出的CO2的量之差应等于整个防护区内增加的CO2的量，由此可建立微分方程[1]

GC0dt+nmdt-GCdt=VdC

(1)

式中：G——通风量，m3/h；

C0——外界新鲜空气中CO2体积分数，%；

C——在某一时刻防护区内空气中CO2体积分数，%；

n——防护区内舰员人数；

m——单个舰员单位时间内呼吸产生的CO2体积，m3/(h·人)；

V——防护区容积，m3；

dt——某一段无限小的时间间隔，h；

dC——在dt时间内防护区内CO2体积分数的增加，%。

对式(1)进行变换：

(2)

下面分别就G=0和G>0两种情况对式(2)进行讨论。

2.1 G=0时，防护区采用传统密闭方式

对式(2)进行变换

如果在t时间内，防护区内空气中CO2体积分数从C1变化到C2，那么

得到

(3)

根据式(3)，可以得到防护区达到规定的体积分数所需要的时间。

(4)

根据式(4)，可以求出任一时刻内防护区内CO2体积分数。

从上述分析可以看出，在密闭条件下，防护区内的CO2体积分数按线性比例增加。

2.2 G>0时，防护区采用集体防护方式

对式(2)进行变换，由于常数的微分为零，式(2)可改写为

如果在t时间内，防护区内空气中CO2体积分数从C1变化到C2，那么

即

(5)

(6)

由式(6)，可以求出在规定时间t内，达到要求的体积分数C2，所需要的通风换气量。

由式(5)，可求出通风量一定时，任意时刻内CO2体积分数C2

(7)

(8)

从上述分析可以看出：防护区内CO2体积分数按指数规律增加，并收敛于C2，其收敛速度取决于G/V，即换气次数大小。

如果集体防护区CO2体积分数处于稳定状态时的允许体积分数为C2，根据式(8)，则集体防护区所需的最小通风换气量按式(9)计算。

(9)

3 结论

在核、生、化防护条件下，如果防护区采取密闭措施，CO2体积分数随时间呈线性增长，而且在该防护措施下，防护区内人员还必须佩戴防毒面具。由于防毒面具和佩戴者面部之间总存在被称之为“几何有害空间”的容积[3]，人员戴上面具进行呼吸时，呼出的一部分废气积累在几何有害空间内，吸气时，同新鲜空气混合在一起被吸入肺部，实际上人体吸入的CO2体积分数比防护区内CO2体积分数更高。个体防护下的舰员所吸入的CO2体积分数只能到达生存性标准。

在核、生、化防护条件下，如果防护区采取集体防护措施，CO2体积分数随时间呈指数增长并收敛，收敛的速度取决于防护区的换气次数。在防护区内，人员不需要采取个体防护措施，CO2体积分数可以满足工效性标准，不仅能够保障其生存需要，还能够满足作战和生活的需要，提高了舰船的生命力和战斗力。

[1] 王汉青.通风工程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] D J CROOME, ROBERTS B M.建筑物空气调节与通风[M].陈在康,译.北京：中国建筑工业出版社，1982.

[3] 兵种部防化编研室.核生化防护大辞典[M].上海：上海辞书出版社，2000.