新冠肺炎疫情对船舶建造的影响
高饶翔，刘 成，胡昱宙，徐慧萍
（1. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064；
2. 上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 200063；
3. 上海船舶设备研究所，上海 200031）
新型冠状病毒肺炎（COVID-19）是二战后人类社会所面临的最为严峻的全球性传染病。病原体为新型冠状病毒（SARS-CoV-2或HCov-19），具有传染力强（R0=3.77）、传播途径多、潜伏期长和无症状传播的特点，对公共安全卫生造成了严重威胁。
在新冠肺炎疫情爆发之后，“钻石公主”号、“至尊公主”号和“红宝石公主”号等邮轮相继爆发了聚集性传染，美国海军“罗斯福”号、“里根”号航母也发生了聚集性传染。船上疫情的发生，引发了业界与公众对船舶卫生环境的担忧，不仅对邮轮行业造成重大打击，还对航运、海洋开发、海上防务产生了隐患。
现有的船舶检疫措施无法预防疫情发生，现有的船舶通风系统也没有考虑过船员患病隔离的需求。在已知的船上聚集性传染案例中，船舶的通风系统加速了病毒在人群中的传播。如何预防、限制新冠肺炎疫情或其他呼吸道疾病在船上传播，将成为未来船舶通风系统设计、建造与使用所必须面临的问题。
防御传染病的手段有3种：隔离传染源、保护易感人群和切断传播途径。新冠肺炎的传染源是患者，由于该病具有病毒潜伏期长、无症状感染、可存留物体表面时间较长以及传染力强等特点，在船上阻断外来病毒、识别病人、隔离病人和保护健康人群变得极为复杂和困难。目前人群对新冠病毒普遍易感；
因此防御新冠肺炎或其他呼吸道疾病传播的关键在于切断传播途径。
新冠病毒的主要传播途径有3种：直接传播、接触传播与气溶胶传播[1]。直接传播指患者喷嚏、咳嗽、说话的飞沫，呼出气体近距离直接接触吸入，可以构成感染；
接触传播值飞沫沉积在物体表面，接触污染手后，再接触口腔、鼻腔、眼睛等黏膜引发感染；
气溶胶传播指飞沫混合在空气中形成气溶胶，吸入后引发感染。
直接传播与接触传播的传播距离有限，传染对象是密切接触者，较为容易甄别。船上空间对这2种传播方式的防护和陆上没有明显区别。气溶胶传播的概率与浓度有关，在开放环境中气溶胶会迅速稀释，传播概率很低；
然而在密闭空间内（如会议室、船舱），患者呼出的气溶胶会聚集到较高的浓度，具有较高的传染性。在几起聚集性传染案例中，气溶胶是重要的传播途径。
船上大部分空间都属于密闭空间，除开会议室、餐厅等显性的人员聚集场所，其他通过空通系统的回风-送风循环连接起来的的舱室构成了一个隐形人员聚集场所。在这种环境下，患者呼出的气溶胶通过回风口污染空通系统，再由风管进入其他舱室。这种传播途径更加隐蔽，范围更广，病原体污染也更加难以清除。
因此，从防御新冠肺炎或其他呼吸道传染病的角度出发，切断回风-送风循环中的传播途径是十分重要的一环。可以预见在将来，对乘员卫生安全要求较高的船型，其空通系统的设计与建造会额外考虑防御新冠肺炎和其他呼吸道传染病的需求。新冠肺炎疫情将对船舶的设计、建造、工艺产生影响，催生新的行业需求和技术发展趋势。
气溶胶的传播概率与浓度正相关，而通风是稀释气溶胶浓度、降低传播风险的最佳手段。普遍而言位于上层甲板的房间通风条件优于下层甲板的房间，位于舷侧的房间通风条件优于位于内部的房间。不同用途的舱室对洁净度和通风效率有不同的需求，因此隔离病房、会议室、餐厅等人员房间适合置于上层建筑和舷侧等通风条件较好的位置，而贮藏室、设备间等通风要求较低的房间可以位于下层和内部的舱室。
将洁净度要求不同、通风需求有差异的舱室区分开来，对船舱通风区域进行划分是限制病原体传播的有效途径。不同分区的空调系统分别独立运作，区域之间保持一定的气压梯度，可以避免一两个患者污染一大片船上空间的情况，提高船上核心区域在极端情况下的安全性。张杨等在船舶传染病隔离舱空调系统设计中进行了探讨，提出了传染病隔离负压舱二级三区的设计方案[2]。
船舱通风分区的关键在于各区域间建立气压梯度。如图1所示，新风进入船舱上游高压区域，之后再流向下游低压区域，最后由排风出口离开船舱。不同区域间的气压梯度一般不会超过30 Pa，一方面由于新风量是有限的，另一方面过高的气压梯度会给人员进出舱门带来不便。
图1 区域间建立气压梯度
在现有气压梯度条件下，成功建立区域间气压梯度要求船舱区域具备良好的气密性。图2展示了发生漏气情况下，气压梯度建立失败的一种情况。这种情况下气流方向会破坏通风区域划分的设计示意图。
图2 气密性不足导致气压梯度建立失败
船舱区域的气密性与建造工艺密切相关，目前在工程实践中船舱气密性的实现需要完整的建造过程控制。目前工程经验表明，通风区域多数是非水密区，在设计建造上与水密舱室差别较大，因此密性检验难度加大。气密性边界上的各类通舱件、舱门、窗户是漏气点高发位置。舱门、窗户等舾装件的单件气密性能并不等价于在船上安装后的气密性性能。单个门窗符合气密性要求，而安装后由于舱壁变形、门/窗框贴合不严密等问题是造成漏气的常见原因。因此船舱气密性不能等到整体接近完工后再检验，应当在各个建造阶段加强过程检验试验，首先保证局部区域的密性，才能保证整体密性。
船舶通风区域划分越复杂，气密性检验与施工的工作量也就越大。基于经济性考虑，现有的船舶对气密性要求都较为单一，且试验过程难以受控。只有对公共卫生安全要求较高的船舶（如邮轮、医疗船和特种船等）会对船上通风区域进行细致的划分，相应的船舶建造过程中气密性工艺也更为复杂。可以预见未来出于对船上公共安全卫生的考虑，采用通风分区的船舶比例会增加，对船舶非水密区密性试验和质量保证的要求会提高。
船上有人活动的舱室不开空调是不现实的，因此空调系统的病毒防护是防御新冠肺炎或其他呼吸道传染病的不可缺少的环节。避免病毒在回风-送风循环中传播将是未来船上空调系统发展的方向。黄翔等[3]研究了新冠疫情期间生产车间应对疫情的管理措施，可用的空调系统消毒手段有紫外线和过滤吸附。船上可以借鉴陆上车间所采取的措施。除了消毒措施之外，新型空调系统将回风与新风进行隔离也是可行方案。
独立新风系统是一种全新风系统，没有回风-送风循环，在防止病毒、细菌扩散方面极具优势。再配合紫外消毒、过滤器等措施，可以使空调系统具有优良的安全性能[4]。近年来新建的邮轮开始采用配备独立新风系统的中央空调，独立新风系统的构造参见图3，可见排风与进风是互相独立的，可以有效避免船舱内部空气反复循环导致的送风管道污染问题。
图3 独立新风系统原理
独立新风系统主要由冷源设备、新风处理单元、室内显冷设备、诱导风口和管道系统组成。新风处理单元内设有热交换机，回风与送风在此处进行换热以降低能耗，不会直接接触，见图4。
图4 独立新风系统热交换机
独立新风系统在舱室内安装有多种形式，如风机盘管、辐射冷吊顶和多联式空调等，其布置形式与传统的船上中央空调系统有一定的区别。可以预见的是，随着空调系统安全性需求的提升，空通专业在船舶设计与建造工艺中的重要性会提高，在船舶舾装作业中会更多考虑空通专业的需求和优先级。
以往住舱内装的布置与工艺主要是依赖经验，在船舶设计建造过程中，并没有严谨地论证哪种布局更加有利于卫生安全。新冠肺炎疫情的爆发，对住舱内装的科学性提出了新的要求。
利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）等手段对舱室内气流组织进行分析、利用仿真等手段对舱室内解除传播风险进行估算，并且对舱室内装布置与工艺进行优化将是未来的一项研究内容。利用限制患者的飞沫在舱室内扩散和残留是降低传染风险的有效手段。郑立捷等对居住舱室内人员咳嗽时呼出的气溶胶在舱室内扩展进行了模拟，比较了由顶部布风器送入新风、回风口回风、近地板处置换通风等不同的舱内通风布置，探讨了不同通风模式下气溶胶在舱室内聚集的风险[5]。该研究表明，不同的舱内通风模式、不同的布置形式，对舱内气溶胶分布和浓度有明显的影响。
根据对新冠肺炎患者病房的采样研究，患者房间的马桶、洗手池、储物柜、桌子、地板、窗户和水槽等均检出病毒[6]。DOREMALEN等[7]对新冠病毒在空气中和物体表面留存时间进行了研究。研究表明，新冠病毒在空气中半衰期约为1.2 h，在铜表面半衰期约为0.8 h，在纸板表面半衰期约为3.5 h，在不锈钢表面半衰期约为5.6 h，在塑料表面半衰期约为6.8 h。研究实验数据指出，新冠病毒可以在物体表面长时间存留，样本置于铜表面约8小时转阴性，纸板表面与不锈钢表面约24 h转阴性，而塑料表面要72 h后才能转阴性。
基于上述研究，舱室内的消毒清洁工作对于防止病毒传染十分重要。即使是病毒半衰期最短的铜制表面，也需要8 h后才能转阴性；
不锈钢、纸板与塑料都是船舶内装的常见材料，病毒的留存期更长。因此经常对舱内把手、扶手、开关等物件进行消毒可以减少直接接触传染的风险。虽然研究认为病毒在不锈钢、铜等光滑表面能够存活很长时间，但是金属和塑料的光滑表面方便清洗与消毒作业，相反纺织物表面由于难以彻底清洁容易残留病毒。
预计未来从公共卫生安全的需求出发，船舶的内装材料将更加偏向金属、塑料等方便清洗和消毒的材料，如硬质地板和墙壁；
而地毯等具有纺织物表面的内装难以清洗，不利于消毒工作。另外，对于消毒来说，是配置独立的消毒装置或机器人，还是设立覆盖这些需消毒部位的消毒系统，也是研究方向。
本文搜集了医院、车间、空调等行业在面对呼吸道传染病的应对办法，总结了船上面对新冠肺炎或类似呼吸道疾病疫情时可能采取的措施，并分析了对船舶行业未来设计和建造的影响，结论如下：
1）船舶的总体设计方面将更加重视通风分区，构建船舱内气压梯度。这一趋势对船舶建造过程中气密性提出要求，未来快速可靠的气密性检验与修补工艺将会是研发重点。
2）独立新风系统具有良好的安全性能，将是未来船上空调系统的发展方向。配合这种新型的空调系统，船舶舾装作业中空通专业的重要性将会提高。
3）未来舱室内装的布置与工艺优化的重要性凸显，合理的舱室内气流组织分析、舱内人员流动模拟等可以降低传播的风险，内装材料的选择将会更加重视卫生安全。
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