0 引　言

由于船舶航行时与陆地隔绝，因此保障其舱室环境宜居对于船舶人员的生命安全及系统设备、仪器仪表的长期可靠运行尤其重要。对于船舶，主要通过空气调节保障其舱室温湿度，辅助通风来去除舱室内气体污染物；但是对于水下航行器，除了维持舱室温湿度和去除气体污染物外，由于没有新鲜空气的补给，其舱室大气环境控制还需要提供人员必须的氧气，同时排除人员释放的二氧化碳，实现空气再生。同时，对于特殊船舶，根据其特殊需要，舱室大气环境控制还需要纳入核生化集体防护系统，实现特殊场合下的通风滤毒。

尤其对于水下航行器而言，其大气环境变化呈现高度混合性、成分复杂性以及局部富集性的特点^[1]，且大气质量特性直接影响人员生理机能和心理活动，已成为制约战斗力的关键因素之一。水下航行器诞生初期，受限于大气环境控制系统水平，舱室CO₂和其他有害气体浓度长期维持在较高浓度，由于舱室空气品质不佳，美国水下航行器曾发生多起大气相关事故，导致人员健康受损或任务失败。因此各国都特别重视水下航行器的大气环境控制，并开展了一系列研究，美国更是将大气环境控制系统视为水下航行器的重要支柱系统，其重要性仅次于武器装备系统。

本文首先对船舶舱室大气环境控制系统进行梳理，再通过文献调研，对目前船舶舱室大气环境控制的相关研究进行概述，并对大气环境控制技术进行展望，为进一步更好地控制船舶舱室大气环境做铺垫。

1 舱室大气环境控制系统简介

船舶舱室的大气环境控制系统主要包括空调系统、通风系统、空气再生系统、空气净化系统和大气环境监测系统^{[1 − 2]}。

1.1 空调系统

空调系统用于调节和控制舱室内空气温湿度在容许的范围内，为人员和设备及电气仪表可靠工作提供适宜的环境条件。空调系统通过制冷剂循环实现温度调节，同时结合除湿、加湿及空气净化功能，维持舱室环境稳定。其核心流程包括制冷循环、湿度控制、气流组织及压力调节。

空调系统主要应用于客舱、居住舱、高精度环境舱等场所，具体参数指标根据场所要求有所不同。

1.2 通风系统

通风系统用于对舱室内进行通风换气，即吸入新鲜空气，排除有害的污浊空气，使舱室内的空气不断更换，以保持舱室内空气新鲜度。同时通风系统还可以排出舱室内设备散发的余热余湿，防止舱室内温度过高。通过送风与抽风结合，通风系统还可根据需求维持舱室正压或负压，部分通风系统还兼顾排出灭火后的消防气体的功能。

通风系统主要应用于机舱、货舱及某些特殊舱室（如弹药舱）等场所，部分客舱和居住舱为保证空气质量，也需要进行通风设计。

1.3 空气净化系统

根据功能不同，空气净化系统分为内部空气净化和外部新风净化。

内部空气净化用于净化舱室内部的大气。内部净化技术包括空气滤器、有害气体催化燃烧、低温等离子净化、光催化分解等，也有学者提出采用低温冷冻法清除舱室有害气体的研究思路^[3]，而更多民用领域的成熟技术，例如静电除尘、吸附吸收（活性碳）、催化转化（纳米二氧化钛）、负氧离子沉降杀菌等也逐渐在船舶中应用。内部空气净化管路通常与空调风管管路串联设置，根据功能需求，对舱室内有害的无机物、有机物和气凝胶采用定点清除或集中清除。

外部新风净化用于当外部环境受到放射性污染时，为保证重要舱室的通风及相对正压，一般采用高效过滤器及碘净化器对新风中有害物质进行过滤净化。外部新风净化通常与正常新风管路并联设置，平时不运行，在系统接到放射性碘超剂量信号后，新风自动切换至外部新风净化管路，使新风经过除碘等净化过程后再进入舱室。

1.4 空气再生系统

空气再生系统用于在与外界大气隔绝的情况下，通过补充氧气，清除二氧化碳，维持室内空气中氧气浓度在19%～21%之间，二氧化碳浓度在0.5%以下，以保证人员身心健康和战斗力。当前，美国、英国、法国等国家的水下航行器主要采用电解水技术来供应氧气，并使用一乙醇胺技术吸收二氧化碳^[4]。

1）补充氧气

随着技术发展，氧气的补充方式也在不断改进，常用的补充氧气的方式包括氧气瓶供氧、液氧罐供氧、过氧化物供氧、氧烛供氧、电解水制氧（碱性电解质或固态聚合物）等^[5]。不同供氧技术优缺点对比如表1所示。

2）清除二氧化碳

常用的清除二氧化碳的方式包括碱石灰吸收、超氧化物吸收、氢氧化锂清除、分子筛吸附、固态胺清除、一乙醇胺清除等^[6]。不同二氧化碳清除技术优缺点对比如表2所示。

1.5 大气环境监测系统

大气环境监测系统主要是对舱室氧气、二氧化碳、有机物、无机物等主要气体浓度进行监测，检测技术包括氧气测量仪、氢气测量仪、色谱仪、质谱仪等。美国舱室大气监测主分析仪发展如表3所示。

2 舱室大气环境控制相关研究概述 2.1 大气环境控制技术

对于舱室大气环境的控制，美国自1950年即开始投入人力物力，在实验室及船舶上开展了大量相关试验研究，目前已基本掌握了对舱室大气环境的控制及连续测量和评估等。而我国公开可查阅的研究相对较晚，徐进等^[9]在2004年开展了对有限空间的大气环境控制技术的相关研究，从有限空间空气污染及容许浓度卫生标准出发，探讨有限空间空气污染控制的方法，对有限空间的供氧技术、二氧化碳净化技术、一氧化碳和氢气净化技术、氟利昂净化技术作了分析和介绍，并强调了有限空间大气环境的控制是长期续航能力的重要条件。

针对不同类型的船舶，由于其内外部条件不同，需要根据船舶特点对其舱室大气环境进行控制。李经^[1]对常规水下航行器大气环境特点以及控制技术进行研究，梳理了大气环境控制技术的新发展和新趋势，分析不同水下航行器大气环境控制技术存在的问题，并建议应提高对舱室大气环境控制技术重要性的认识、加强试验验证力度进一步摸清舱室大气环境规律、抓紧制订大气环境控制原则工艺。姜磊等^[10]针对“蛟龙”号的客观条件，从动力、空间大小、浓度要求等方面分析其对大气环境控制的特殊要求。分析常见的几种密闭环境供氧及二氧化碳吸收技术，利用小型空气循环风机、泵及配套的有害气体检测管、紫外线消毒灯、高压气态供氧、氢氧化锂吸收二氧化碳等装置研制出一套环境控制样机，并通过7000米级海试证实了样机的有效性。彭光明等^[11]根据国外水下航行器舱室大气环境技术发展趋势调研，建议将固体聚合物电解水制氧、固态胺清除CO₂技术、低温催化燃烧技术、色谱（质谱）与计算机叠加等大气环境综合控制技术作为未来技术发展方向。徐新宏等^[12]分析了水下航行器气体污染物来源及其对于人员的危害，并简述了水下航行器的舱室环境空气监测与控制技术的现状和发展趋势，对一些具有开发应用潜力的监测和净化新技术，如低温冷冻技术、光催化净化技术、等离子体催化净化技术、活性炭纤维吸附技术等进行了介绍，并指出该领域的基础性研究的重要性。

2.2 热环境设计评价技术

舱室热环境是大气环境的重要组成部分，一般采用热舒适性控制技术来营造适宜热环境，采用先进的通风空调设计技术（CFD^[13]、流体网络法^{[13 − 14]}等）来优化热环境，采用热环境评估技术来提高热环境舒适性及系统节能性。

1）热舒适性控制技术

鉴于目前船舶舱室空调系统基本采用定风量常规温差送风和低温除湿，存在调节性差、热舒适性差且能耗高的缺点^[15]。而更多民用领域的成熟技术，例如通过辐射方式实现降温效果的冷辐射空调技术、针对特定区域或工位进行局部空调调节的工位送风空调技术、模拟自然风的“自然风”送风空调技术、结合多种传感器和智能控制系统的热舒适性空调系统控制技术^[16]、在送风装置中使用较大温差的空气来实现空调效果的大温差送风技术、通过调节送风量来满足不同区域或不同时间的热负荷需求的变风量送风技术、温度和湿度独立控制的温湿度独立控制技术^[17]等，具有热舒适性好、可调节性好、能耗低等优点，可用于提高舱室热环境舒适性。

2）先进的通风空调设计技术

传统通风空调系统均根据经验进行设计，无法对其设计效果进行验证评估，而设计时采用计算流体动力学（CFD）技术对舱室流场分布进行数值模拟，可以得到舱室的速度场和温度场分布，通过对通风空调系统设计方案进行评估，可对其热环境加以改进和优化。利用CFD技术对舱室气流组织进行模拟研究的案例较多。周鑫涛等^[18]针对深海载人平台载人舱开展气流组织模拟，并对4种不同方案的平均温度、平均速度、回风温度、能量利用系数、温度不均匀系数、速度不均匀系数进行对比，研究结果表明采用散流器平送和下送结合的方式效果较优。赵路阳^[19]对深潜器的空气环境进行数值模拟，通过Fluent模拟对送风口形式、送风参数以及气流组织形式对舱室温度和速度分布进行研究，研究结果表明采用改进的散流器舱室环境更优。杜红霞等^[20]对船舶典型的集体防护区域舱室环境开展了数值模拟，研究结果表明设计的送排风系统满足防护需求及人员舒适性要求。

3）热环境评估技术

为营造舒适的舱室环境，可将空调系统的控制目标由温度调整为热舒适指标^[21]，常见的热舒适指标包括PMV值（Predicted Mean Vote）、PPD值（Predicted Percent Dissatisfied）或标准有效温度（SET*）。

Jang等^[22]分别对5种不同吨位的船舶不同季节下，不同舱室人体活动量、衣服热阻做了修正，并计算得到评价人体热舒适的PMV和PPD的数值，找出最佳的空气设计参数组合，同时得出结论，利用基于PMV/PPD指标的船舶空调系统设计方法可节能6%。鲍海阁等^[16]提出将PMV值或标准有效温度（SET*）与神经网络、模糊控制和专家系统等智能系统相结合，实现空调控制系统响应迅速、自适应强、温度波动小。楼海军等^[23]分析影响空调舱室热舒适性的诸多因素，讨论了PMV指标的作用及其运算方法，并结合实际海况对不同温度、相对湿度结合下的PMV、PPD值进行了计算分析，研究表明在满足热舒适性指标的情况下，优化船舶空调设计参数可以实现节能目的。

2.3 生命保障及防护技术

舱室大气环境是生命保障及防护系统的重要支持系统。国外对于生命保障系统的研究相对较早，美国的海洋专家R.弗兰克·布什毕早在1982年提出了载人潜水器的生命保障和适居性概念，并对其设备功能进行了详细描述。前苏联的А.Н.德米特里耶夫在1984年将深潜器的生命保障系统划分为“舱室设备和操纵工具”，并明确了系统设备的相关要求。乌克兰国立造船大学教授Trushliakov对深潜器生命保障系统的整体安全性能及空气调节性能开展了设计研究^[24]。Jiang等^[25]对载人潜水器生命保障技术的相关标准进行了对比分析，并通过“奋斗者”号等载人潜水器的环境参数，对ISO标准中诸如氧气和二氧化碳浓度等数据进行了验证。

针对核生化集体防护系统，德国、美国、俄罗斯等国家均开展了研制和应用，其中德国早在20世纪60年代就在船舶空调通风系统中加入了滤毒通风超压的设备，并研制得到全船核生化集体防护系统，可以为全船提供集中防护能力。美国在德国的基础上进行仿造研制。俄罗斯与德美均不同，其是将空调通风与集中防护独立，采用分区独立的集防超压密闭方式实现集中防护。我国可查询资料相对较少。

2.4 数智化技术

智能化技术的普及为大气环境控制带来了革命性的变革，大大推动了大气环境控制技术的发展。利用人工智能、物联网、大数据等数智化技术，民用领域大气环境的智能监测与控制技术发展迅速。苑振杰等^[26]介绍了人工智能大气环境监测系统的总体框架，包括执行层、感知层、网络层、应用层，分析了人工智能技术的具体应用，包括智能载具、智能无线传感器、智能环境监测物联网和智能建模技术，总结了人工智能在大气环境环境监测中的应用意义。徐得智^[27]针对传感器网络的应用，通过感知层、网络层、应用层对人工智能在大气环境监测中的应用进行研究。王振豪等^[28]通过将人工智能在大气环境监测中运用时的各个结构进行剖析，综述传感器网络等，将网络结构中的感知层、网络层、应用层依次的呈现出来；结合实际案例，综述现阶段人工智能技术在大气环境监测应用的研究进展。卢磊等^[29]综合运用物联网、嵌入式系统以及WEB等开发技术，搭建了城市大气环境质量的远程监测与管理系统。

对于船舶而言，数智化技术主要应用于船舶设计和制造^{[30 − 31]}、自动驾驶及避障^{[32 − 33]}、运行参数^[34]和能效分析和预测^[35]等方面，在大气环境控制系统方面的应用相对较少，但可借鉴其在民用领域的相关技术，推动船舶大气环境控制系统的数智化发展。

3 大气环境控制技术研究展望

随着船舶舱室大气环境控技术的发展，空调通风向节能、健康、舒适、智能的方向发展；舱室供氧和二氧化碳清除由资源消耗型向高效再生的方向发展；有害气体的净化向高效和综合净化的方向发展；大气环境监测由分散仪器向集中在线连续监测的方向发展；大气环境质量评估由单一方法发展为主观和客观因素综合评价。

3.1 制冷空调先进技术

随着科技的发展，制冷空调的先进技术也在飞速发展，基于CFD仿真、智能VR/AR技术等的可视化通风空调设计技术；基于热回收装置、热管技术等的高效节能智能化空调设备；基于设备级、系统级的通风空调系统减振降噪研究；基于人工智能、物联网、大数据等数智化技术的智能监测和控制等技术均是后续的重点发展方向。

3.2 综合净化技术

目前舱室大气环境净化的主要手段为吸收、吸附及分解。目前国内外水下航行器主要采用活性碳纤维净化和催化燃烧法来对内部空气进行综合净化，但这2种技术存在弊端，活性碳纤维净化无法判断是否失效，且其吸附饱和后存在容易着火的隐患；而催化燃烧法为高温燃烧，其消耗功率大、散热量高，最为致命的是其高温燃烧时会将卤代化合物分解为毒性和腐蚀性极强的气体，目前相关学者正在研究低温催化燃烧技术及高性能吸附吸收技术。

3.3 一体化空气再生技术

早在1996年美国即提出了一体化空气再生技术，即将电解水制氧装置和二氧化碳吸收装置有效结合起来。国内学者近年也提出一种水下航行器电催化制氧耦合二氧化碳消除空气再生系统技术设想，通过电化学的方式实现供氧和消碳一体化耦合，该系统运行条件安全，且可实现整体重量和体积减少30%以上。

3.4 大气环境连续监测和量化评估技术

早在1958年美国即开展了大气环境监测系统的研制，其基于不同技术手段发展出多型产品，如Mark系列及CAMS系列大气监测系统。而为实现精准、精确、可靠的连续监测，计算机与质谱、色谱、光谱等多种技术原理相结合的新型大气环境连续监测系统是后续的重点发展方向。同时为准确评价大气环境的影响，多学科参与的、主客观相结合的大气环境综合评价技术也亟待发展。

4 结　语

本文通过文献调研，对船舶舱室大气环境控制系统进行梳理，对系统涉及到的大气环境控制技术、热环境设计评价技术、生命保障及防护技术、数智化技术进行概述研究，并结合前文调研对主要的大气环境控制技术进行展望，对制冷空调先进技术、综合净化技术、一体化空气再生技术及大气环境连续监测和量化评估技术的发展进行了分析和介绍，为船舶舱室大气环境控制系统研究提供借鉴和参考价值。