舰船舱室环境工程技术综述

陈文战

海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海201913

0 引 言

随着舰船隐身性水平的不断提高，以及集体防护技术的采用，现代水面舰船大多采用全封闭结构，舱室通风以及微小气候环境均靠空调系统来维持。在海上长期执勤时，不良的舱室环境（例如，高温、高湿、振动、噪声以及舱室有害气体等）不但易使舰员出现疲劳、浅眠、胸闷和恶心等症状，而且还有可能导致焦虑不安等心理障碍，将直接影响舰员的工作效率，危及舰船航行安全和作战能力的有效发挥［1］。因此，开展舰船舱室环境工程技术研究不仅能解决在役舰船现有的问题，而且还可为新一代舰船研制提供依据和参考。

1 舰船舱室环境工程概念和内涵

舰船“人—机—环境”工程学作为一门新兴学科，其目的是在舰船这个错综复杂的人、机、环境系统中，立足以人为本，优化组合，科学配置。舱室环境工程作为其中的重要组成部分，对于改善舰员海上生活品质，提高舰员日常工作效率，长期保持舰员身心健康等具有明显的意义。

舱室环境工程是一个系统工程，是指包括内装环境、空气环境、振动与噪声环境、消防安全环境，以及与上述环境相关的各种材料、设备等与人员构成的环境系统工程，如图1所示［2］。其中，由于舱室消防安全环境有其自身的特点，本文在此不作讨论。

2 国外研究现状

图1 舰船舱室环境组成Fig.1 Composing of cabin environment

各国海军均十分重视对舰船舱室环境的研究，并相应地制定了一系列规范、标准和规定。例如，美海军自1975年便开始关注舰船舱室环境，并于1979年制定了海军舱室环境相关标准，1995年制定了《舰艇舱室环境设计规范》。其主要是通过融入最新的舱室环境工程设计理念，在舰船方案设计阶段便对舱室环境进行综合考虑。即在对舱室进行分隔布置设计时，综合考虑舱室绝缘、空调分区、噪声控制和材料安全等方面；在对舱室进行布置时，综合考虑舱室功能、舱室色彩环境与光环境、家具设施的功能、空调通风系统的布置以及降噪措施等。

2.1 舱室内装环境工程

居住性是舱室内装环境的首要内容，将直接影响到舰员的战斗力。随着新技术、新材料的应用和舰用设备、武器装备自动化程度的不断提高，舰船的居住性也将不断改善。

在舱室形态环境设计方面，因水面舰船的舱室空间相对较狭窄，因此，如何合理地利用这有限的空间，使舰员在视觉、心理感觉和触觉等方面都能达到舒适的程度是设计的重点［3］。

1）舱室色彩环境设计

色彩设计的功能是创造与自然和谐的环境，营造出轻松、宜人、舒适的生活环境，用以调节舰员情绪并使其保持良好的心理状态。舱室的色彩设计主要包括居住舱和公共活动舱的设计，根据舱室功能的不同，其设计理念也有所区别。在设计中，主要是通过调节色彩明度，改变光线和色彩的反射率来改善舱室采光效果，从而调节其对舰员视觉的刺激和在心理方面的刺激。

2）舱室光环境设计

舱室灯光环境的主要作用是为舰员提供良好的光照条件，以获得最佳视觉效果，并使室内环境具有某种气氛和意境，增加舱室环境的美感与舒适感，其同时具有实用和艺术两方面的作用。通过舰上舱室对灯光照度和强度光谱的不同要求设计不同的光照，对舱室还具有装饰及虚拟划分空间的作用。

2.2 舱室空气环境工程

为满足舰船舱室对优质空气环境的要求，欧美等发达国家纷纷引入了先进的设计计算方法、设计理念和管理模式，不断对船用设备进行研发和升级换代，使舱室空气环境得到了明显的改善。具体包括：

1）采用先进的空调通风设计技术。

国外积极尝试将舰船各舱室作为一个整体，采用基于数值方法、图论和最优化理论的流体网络法来分析和解算全船空调通风系统，以对现有的设计和选型方法进行改进与优化。

在大型舰船通风设计中，国外针对不同的航行状态和气候条件有针对性地制定了通风方案，在舰船的纵、横向剖面均设计了压力梯度和气流走向，以保证舱室内的气流通畅。如图2所示，在高温、高湿、无风的天气情况下，设计采用加热或者增加局部动力的方式来加强和引导气流流动，保证了通风效果［4］。

图2 不同情况下某舱段纵剖面的气流走向设计方案Fig.2 Design ofdifferentaeration for given section

2）注重细节和特点。

舰船上舱室众多，且各舱室都有其自身的功用和特点。为了获得各舱室内良好的空气环境，国外根据舱室的特点进行了相应的设计。例如，美国在洗衣房等纤维浓度较高的地方安装了局部排风设备；在厨房内采用一体化设备，减少了厨房设备的数量和空间以及通风系统的复杂性和维修费用。

3）采用高效节能的智能化空调设备。

随着船舶行业的不断发展和对舰船空气环境要求的不断提高，相关船用设备也向着高效节能、安全可靠、寿命长、无污染，以及自动化、智能化、集成化、模块化和系列化等方向发展。

4）提高空调系统的运行管理质量。

美国针对大型舰船，结合辅助运行管理系统（CMMS），通过建立相应的计算模型和数据库，对空调系统的运行管理实行了模块化和程序化的监督与控制，即通过建立严格的运行参数及相应处理措施的数据库，结合智能和自动化的调控手段，可以随时根据反馈的参数变化情况，模块化和有针对性地管理空调系统的运行。这不仅使空调系统的运行管理摆脱了单凭经验和手工操作的传统模式，提高了运行管理质量，而且也降低了舰船空调系统的运行成本。

5）注重通风空调系统的减振降噪，并与防排烟措施相结合。

在空调系统的设计过程中，采取各种措施降低系统的振动与噪声，并注意与消防系统结合，在火灾发生时，能起到防排烟的作用。

2.3 舱室噪声环境工程

西方国家非常重视舰船舱室的声学环境设计，形成了先进的噪声预报方法和试验验证方法、系统的减振降噪措施和系列化的噪声控制产品，以及舱室噪声试验验证平台等。目前，在发达国家，大型舰船居住舱和公共活动舱的噪声基本控制在55 dB以下，且随着技术的进步还在不断降低。

2.4 舰船内装新材料的研究与应用

在舰船新材料的应用方面，国外早已开展了广泛研究。欧洲开展了EUCLID计划（欧洲长期防御计划），提出了海洋复合材料的生存性、耐久性和实用性，而舰船内装材料作为海洋复合材料的一类，也得到了重视。美国海军研究院（USNA）通过使用先进的舰船复合材料来满足实际需求，并于上世纪90年代开始建立专门从事舰船复合材料设计的海军研究队伍。

3 国内现状

随着我国海军装备事业的不断发展，舰船生活保障水平不断提高，舰船舱室环境工程研究工作也取得了较大进展。但我国舰船设计因长期受前苏联的影响，对生活舱室环境的重视不足，对舰员生活条件的关注力度不够，导致现役舰船的舱室环境未能达到理想状态，具体表现为舱室的温、湿度不适宜、振动噪声条件差、舱室微环境不理想等。针对舱室的环境问题，组织对某支队进行了调研，其中约有1/3的舰员认为舱室内噪声问题严重，其次便是室内温度与异味，以及湿度与卫生条件（图3）。调查结果显示，现役舰船的舱室环境与舰员的实际需求还有一定的差距，仍存在一定的改善空间。

图3 某舰船舱室环境总体状况调查Fig.3 Statisticsof cabin environmentofa real ship

首先，舰船舱室环境的综合研究水平还有待提高。

目前，我国舰船舱室环境研究主要着眼于各项单一性能的研究，如空气环境、噪声控制、内装等，并已在所关心的研究方面取得了一定的突破，如利用CAE手段实现船舶人员聚集区空调送风模式的优选［5］、应用多孔材料进行舱室的减振降噪［6］、提出从防火角度出发的船舶内装设计方法等［7］。但因各研究之间相对孤立，导致各方面优化后的综合效果并未达到期望的目标。特别是在振动噪声及舱内空气环境方面，大多只能满足规范的要求［8-9］，仍存在噪声较大、空气品质较差等问题，会对舰员的新陈代谢、中枢神经和心理造成影响，从而直接影响到舰员的健康和部队战斗力［10］。因此，需要借鉴国外的舰船舱室环境设计理念［11］，在结合我国人员的生活习惯及特点的基础上，从舰员的心理出发，应用人机工程学的方法来综合改善我国舰船舱室环境。

其次，舰船内装材料的研究水平落后。主要表现在以下几方面：

1）所使用的材料单一。目前，我国内装材料大多采用复合岩棉板，该材料的容重较大，导热性能一般，与国外同类内装材料相比，不仅占用了更多宝贵的内部空间，而且在一定程度上还增加了舰船的重量。

2）缺少适用于舰船的内装材料。我国舰船目前所采用的内装材料主要为成熟的市场品，缺少专门针对舰船的应用需求而开发的新材料，使得舰船轻量化设计系统理论和优化手段与舰船的实际要求有一定的差距。

3）目前，我国舰船舱室涂料仍以传统的溶剂型产品为主，在这些传统的溶剂型涂料中，含有大量的苯类、酮类等溶剂，在涂料的固化和干燥过程中，这些溶剂会不断挥发，若舱室通风不良，就会导致舱内空气质量不合格，影响健康。

4 改进意见及建议

1）开展舱室环境的标准规范研究，从根本上提出新的舱室环境要求。

近年来，随着“以人为本”观念的不断深入人心，以及针对有关舱室环境涌现出的大量新技术、新材料和新工艺，使得舰船舱室环境的设计对标准规范也提出了新的要求。要达到以人为本的要求，就应根据新的情况，从根本上对旧有的相关标准规范进行研究，提出新的舰船居住性指标体系，规范舱室设计。

2）积极开展对现役舰船的调研工作，有针对性地提出舱室环境改进工作。

随着现役舰船服役时间的增长，都将面临现代化改装的局面，可结合现代化改装来改善舱室环境条件。为此，应有针对性地对现役舰船进行全面、深入的调研，听取使用部队的意见，发现在设计过程中未注意到的使用问题，提出改进意见和措施。

3）积极借鉴、引进国外先进的舱室环境设计理念、技术及施工工艺，提高设计制造水平。

借鉴和引进国外先进的舱室环境设计理念、技术及施工工艺是快速提高我国舱室环境设计水平的一条捷径，例如，可以有针对性地对国外的设计理念、技术及施工工艺进行专题研究，按照轻重缓急的程度，有目的、有重点地引进一部分国外成功的先进技术。

4）运用现代化的设计手段和工具，提高设计效率。

舱室环境是一个客观现实的环境，但又离不开人的主观判断。为解决舱室环境的设计问题，随着计算机技术的不断发展，将计算机虚拟技术与舱室环境工程相结合已成为现实。例如，对于设计过程中的舰船，可根据设计方案建立一系列的模型（如空气流通模型），利用模型计算出气流的流量及新风的比例等，然后对照标准规范的要求提出气流优化组织方案，对原设计方案提出改进建议［12］；对于舱室环境的空间、色彩和灯光照度，可通过计算机虚拟环境并结合图像处理技术，较真实地再现舱室环境的设计成果，为人们提供一种较直观的视觉效果，然后再根据人们的判断以及对设计成果的意见和建议对设计进行修改和完善［13-14］。这样一方面可节省大量的人力、物力和财力，另一方面还可减少不必要的失误，大大提高设计效率。

5）运用环保型新型高性能内装材料，改善舰船舱室环境。

随着我国海军蓝海战略目标的逐步实现，一方面，舰船在海上持续航行的时间会越来越长，另一方面，有关国际严苛的法律也将对我国舰船提出较高要求。在舱室内装方面，应采用环保型新型高性能内装材料，例如，新型的降噪和隔音材料可以极大地降低舱室噪声，改善舰上声环境；硅化纳米热绝缘材料具有很好的隔热效果，并且没有毒性；新型环保型板材及家具等释放出的有害气体极低。环保型新材料的应用一方面可以减少对舰员身心健康的影响，另一方面也符合相关法律法规的要求。

6）加大科研和制造工作的管理力度，保证舱室内装质量。

首先，要加强对标准规范和新技术理论的学习，在进行工程质量监督时能以理服人，以数据说明问题。同时，面对工程中出现的问题，还可以为相关厂家提供解决参考方案。

其次，要加大监管力度，严把设计关、科研关、设备关和质量关。

再次，要加强对舰船内装材料的安全性检测和生产，以及使用期间的跟踪与管理。

最后，要积极沟通联系。一方面，可以及时掌握现役舰船在实际使用过程中出现的一些问题，避免老问题在新造舰船中重复出现；另一方面，可及时了解部队需求，以便在新建舰船中予以落实。

6 结 语

我国针对新一代舰船开展了生活设施改进提高等工作，使其舱室环境有了大幅提高，但与国外海军相比，仍有差距。要彻底解决舱室环境问题，就要本着“以人为本”的原则，既要从工程设计与艺术设计相结合的角度进行综合、系统的研究，也要从材料与工艺相结合的角度进行系统化、专业化的研究。综合考虑，均衡协调各因素间的关系，全局把握舰船整体舱室环境问题，并最终依靠科学的方法、先进的工艺设备来解决我国舰船面临的舱室环境问题。

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