適用于寒冷氣候的充氣帳篷保溫性能及優(yōu)化研究

糜娜 陳顏杰 周翔 張靜思 許玲 張旭

同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)研究所

本研究設(shè)計(jì)制作了一款適用于寒冷氣候 [1]的充氣式PVC 帳篷。對(duì)于充氣帳篷，受外形和結(jié)構(gòu)限制，難以采用傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工測(cè)試方法（標(biāo)定熱箱法或防護(hù)熱箱法）進(jìn)行測(cè)試。本研究通過(guò)冷庫(kù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試低溫環(huán)境下帳篷內(nèi)外空氣溫度、壁面溫度，測(cè)算該 PVC 帳篷的綜合傳熱系數(shù)。所計(jì)算得到的綜合傳熱系數(shù)雖然是一種等效傳熱系數(shù)，但可以用來(lái)對(duì)比帳篷保溫性能的相對(duì)大小，對(duì)充氣帳篷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)及熱源選取也有重要意義。此外，本文還測(cè)試比較了帳體表面敷設(shè)鋁箔對(duì)帳篷保溫性能的影響。

1 充氣帳篷設(shè)計(jì)及保溫性能測(cè)試方案

1.1 充氣帳篷設(shè)計(jì)

考慮到寒冷氣候使用帳篷的需求，設(shè)計(jì)制作了充氣帳篷，該充氣帳篷主體由內(nèi)外兩層厚度 0.9 mm PVC雙面涂層強(qiáng)韌夾網(wǎng)布構(gòu)成，帳體空氣層厚度 250 mm。帳體采用拉片式結(jié)構(gòu)，用牛津布粘接內(nèi)外兩層帳體內(nèi)表面，在支撐帳體的同時(shí)將整個(gè)氣室分割為多個(gè)小氣室，起到一定阻隔空氣流動(dòng)的作用，減小夾層內(nèi)空氣對(duì)流傳熱，并且加壓打氣或抽氣時(shí)空氣仍可通過(guò)，便于充放氣。帳體采用閉氣充氣結(jié)構(gòu)，采用了高頻熱合成型的方式來(lái)保證接縫的氣密性。

充氣帳篷為半球形蒙古包式，不設(shè)窗戶，拉鏈?zhǔn)诫p層門，底部鋪設(shè)圓形充氣地墊。帳篷內(nèi)容納人數(shù) 2人，根據(jù)人體工程學(xué)確定帳篷尺寸，內(nèi)部?jī)舾?00 mm，內(nèi)部底面直徑 2000 mm，地墊厚度 200 mm。帳篷的尺寸、氣室結(jié)構(gòu)如圖 1（a）所示，圖 1（b）為充氣帳篷實(shí)物圖。

圖1 充氣式PVC 帳篷尺寸及實(shí)物圖

1.2 保溫性能測(cè)試方案

1.2.1 測(cè)試方法

本研究使用某冷庫(kù)模擬寒冷氣候下的室外溫度，測(cè)試充氣帳篷的保溫性能，冷庫(kù)溫度可通過(guò)控制器進(jìn)行設(shè)定。使用暖風(fēng)機(jī)作為充氣帳篷內(nèi)部熱源，使用調(diào)壓器改變暖風(fēng)機(jī)功率。冷庫(kù)內(nèi)空氣溫度以及帳篷內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定后，暖風(fēng)機(jī)加熱量（即其加熱功率）等于帳篷向外散熱量，故可以根據(jù)帳篷內(nèi)部平均空氣溫度t1和冷庫(kù)平均空氣溫度t0，暖風(fēng)機(jī)的加熱功率P、帳篷外表面積A算出帳篷的綜合傳熱系數(shù)。

式中：K為充氣式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)，W/(m2· ℃)；P為暖風(fēng)機(jī)加熱功率，W ；A為帳篷外表面積，含地面，m2；t1為充氣帳篷內(nèi)部平均空氣溫度，℃ ；t0為冷庫(kù)平均空氣溫度，℃ 。

需要指出的是，由于帳篷是一種特殊的充氣式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)選取的面積A為帳篷的外表面積，所計(jì)算得到的綜合傳熱系數(shù)沿用了傳統(tǒng)傳熱系數(shù)的概念，實(shí)際是一種等效傳熱系數(shù)，可以用來(lái)對(duì)比帳篷保溫性能的相對(duì)大小，與相同傳熱系數(shù)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)并不具可比性。

冷庫(kù)溫度選取 -15 ℃、-10 ℃、-5 ℃、0 ℃四個(gè)水平，暖風(fēng)機(jī)加熱功率選取 100 W、200 W、300 W、400 W、500 W 五個(gè)水平。固定加熱功率改變冷庫(kù)溫度，或固定冷庫(kù)溫度改變加熱功率組成多種工況，對(duì)比分析不同冷庫(kù)溫度下充氣帳篷的保溫性能以及暖風(fēng)機(jī)加熱功率對(duì)充氣帳篷綜合傳熱系數(shù)的影響。各個(gè)工況均進(jìn)行了三次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

因帳篷內(nèi)表面溫度較低，僅利用帳篷內(nèi)空氣溫度來(lái)反映內(nèi)部人員熱舒適情況不合理，所以引入操作溫度來(lái)表征帳篷內(nèi)人體的綜合熱舒適程度。為簡(jiǎn)便計(jì)算，實(shí)驗(yàn)中，采用面積加權(quán)法計(jì)算平均輻射溫度 [2]，用平均空氣溫度和平均輻射溫度的平均值計(jì)算操作溫度[3]。

1.2.2 測(cè)試儀器及測(cè)點(diǎn)布置

使用天建華儀 WZY-1 溫度自記儀測(cè)量空氣溫度和帳篷壁面溫度。使用天建華儀WGLZY-1 功率記錄儀測(cè)量熱源功率。使用上海德力西 YY-FTQS 單相風(fēng)機(jī)調(diào)速器改變暖風(fēng)機(jī)功率。在地墊上放置暖風(fēng)機(jī)作為內(nèi)部熱源，調(diào)整暖風(fēng)機(jī)布置，使得溫度測(cè)點(diǎn)避開(kāi)暖風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)射流，避免引起較大實(shí)驗(yàn)誤差。

充氣帳篷內(nèi)布置13 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，5 個(gè)用于測(cè)算平均空氣溫度，5 個(gè)用于測(cè)算平均側(cè)壁溫度，3 個(gè)用于測(cè)算平均地墊溫度。帳篷內(nèi)部平均空氣溫度為中心不同高度處5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度平均值，平均壁面溫度由 5 個(gè)壁面溫度和3 個(gè)地墊溫度按面積加權(quán)求得。帳篷側(cè)壁溫度測(cè)點(diǎn)與中心空氣溫度測(cè)點(diǎn)同高。冷庫(kù)內(nèi)布置 2 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。冷庫(kù)的尺寸 3.79 m× 2.84 m× 2.4 m，冷庫(kù)溫度可通過(guò)控制器進(jìn)行設(shè)定，內(nèi)部實(shí)際溫度在設(shè)定值± 1 ℃波動(dòng)。測(cè)點(diǎn)分布，暖風(fēng)機(jī)位置以及充氣帳篷與冷庫(kù)相對(duì)位置如圖2 所示（a 點(diǎn)處為 2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)空氣溫度和地墊溫度）。

圖2 測(cè)點(diǎn)分布及實(shí)驗(yàn)布置情況

2 測(cè)試結(jié)果分析與討論

2.1 不同冷庫(kù)溫度下帳篷保溫性能

圖3 為暖風(fēng)機(jī)加熱功率為500 W 時(shí)，不同冷庫(kù)溫度下充氣帳篷的綜合傳熱系數(shù)，平均空氣溫度和操作溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)冷庫(kù)溫度-10 ℃時(shí)，帳篷內(nèi)平均空氣溫度為17.1 ℃。但由于帳篷內(nèi)表面溫度較低，測(cè)量得到的操作溫度為13.1 ℃。當(dāng)冷庫(kù)溫度-15 ℃時(shí)，平均空氣溫度為12.7 ℃，操作溫度為9.6 ℃。相較于室外極度惡劣的環(huán)境，若采用一定功率的內(nèi)熱源進(jìn)行加熱，充氣帳篷能夠維持帳篷內(nèi)溫度基本達(dá)到衛(wèi)生學(xué)要求，降低冷暴露對(duì)人體的傷害，保證人員在戶外環(huán)境下的安全和舒適。

圖3 不同冷庫(kù)溫度下綜合傳熱系數(shù)，平均空氣溫度和操作溫度情況

暖風(fēng)機(jī)加熱功率為500 W 時(shí)，冷庫(kù)溫度從-15 ℃提高到0 ℃，充氣帳篷內(nèi)部空氣溫度從12.7 ℃上升至26.3 ℃、操作溫度從 9.6 ℃上升至 21.5 ℃，綜合傳熱系數(shù)無(wú)明顯變化，均值為1.281 W/(m·2℃)。

圖4 為不同冷庫(kù)溫度下，帳篷內(nèi)部各高度空氣溫度分布情況。帳篷內(nèi)部垂直方向存在一定的熱分層現(xiàn)象，溫度梯度較大，帳篷頂部和底部溫度相差約 8～10 ℃，溫度梯度對(duì)帳篷內(nèi)的人員熱舒適也存在一定的影響。

圖4 不同冷庫(kù)溫度下熱分層情況

2.2 加熱功率對(duì)帳篷綜合傳熱系數(shù)影響

圖5 所示為冷庫(kù)溫度 -10 ℃時(shí)，暖風(fēng)機(jī)加熱功率分別為 100 W、200 W、300 W、400 W、500 W 時(shí)充氣帳篷的綜合傳熱系數(shù)、平均空氣溫度和操作溫度的情況。不同加熱功率下充氣帳篷的綜合傳熱系數(shù)存在差異，加熱功率越高，綜合傳熱系數(shù)也越高，綜合傳熱系數(shù)K在 0.739～1 .267 W/(m2· ℃)范圍內(nèi)變化，平均空氣溫度從 -0.3 ℃上升至 17.1 ℃，操作溫度從 -1.8 ℃上升至13.1 ℃。分析其原因可能是，當(dāng)暖風(fēng)機(jī)輸入功率降低時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電熱絲發(fā)熱量降低，帳篷內(nèi)空氣流速下降，且充氣帳篷內(nèi)外表面以及內(nèi)部夾層空氣的溫度均下降，帳篷內(nèi)外表面對(duì)流換熱系數(shù)減小、夾層空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)減小，因而帳篷整體綜合傳熱系數(shù)隨加熱功率下降。

圖5 加熱功率對(duì)綜合傳熱系數(shù)，平均空氣溫度和操作溫度的影響

2.3 充氣帳篷與普通帳篷保溫性能對(duì)比

在冷庫(kù)溫度 -10 ℃，帳篷內(nèi)加熱功率 500 W 的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)普通帳篷也進(jìn)行了保溫性能的測(cè)試，相關(guān)結(jié)果如表 1 所示。普通帳篷的綜合傳熱系數(shù)為 5.321 W/(m2· ℃)，遠(yuǎn)高于充氣帳篷的 1.267 W/(m2· ℃)，帳篷內(nèi)操作溫度1.5 ℃也遠(yuǎn)低于充氣帳篷的13.1 ℃。由此可見(jiàn)，充氣帳篷保溫性能優(yōu)勢(shì)明顯，更適合在寒冷氣候下使用。

表1 普通帳篷與充氣帳篷保溫性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 充氣帳篷保溫性能優(yōu)化研究

3.1 保溫性能優(yōu)化方案

GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]指出，在相同熱流狀態(tài)和相同空氣間層厚度的情況下，封閉空氣層貼設(shè)鋁箔后墻體熱阻值會(huì)增大。本文測(cè)試比較了貼設(shè)鋁箔與不貼設(shè)鋁箔以及不同的覆蓋方式（內(nèi)表面覆蓋、外表面覆蓋、內(nèi)外表面均覆蓋）對(duì)充氣帳篷的保溫性能的影響。

鋁箔粘貼在帳篷表面。具體材料為帶有鋁箔涂層的PET 膜，厚度為 12 μm 。實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)點(diǎn)分布等均不改變，鋁箔的覆蓋方式見(jiàn)圖6。

圖6 鋁箔覆蓋方式

3.2 保溫性能測(cè)試結(jié)果

如圖7 所示，在冷庫(kù)溫度-10 ℃，暖風(fēng)機(jī)輸入功率500 W 條件下，鋁箔外覆蓋、內(nèi)覆蓋及內(nèi)外表面均覆蓋可將帳篷綜合傳熱系數(shù)從無(wú)覆蓋的1.267 W/(m2· ℃)分別降低到 1.119 W/(m2· ℃)、1.017 W/(m2· ℃)和 0.914 W/(m2· ℃)，與無(wú)覆蓋相比下降 12%，20%和 28 %，貼設(shè)鋁箔后充氣帳篷保溫性能明顯得到優(yōu)化。帳篷內(nèi)平均空氣溫度分別從無(wú)覆蓋的 17.1 ℃上升至 21.3 ℃，24.0 ℃和27.6 ℃，操作溫度分別從無(wú)覆蓋的 14.3 ℃上升至 16.1 ℃，19.0 ℃和 21.4 ℃，貼鋁箔有助于提高帳篷內(nèi)人員舒適性。內(nèi)表面覆蓋鋁箔相較于外表面覆蓋，能更有效提高充氣帳篷保溫性能。

圖7 不同覆蓋方式的綜合傳熱系數(shù)、平均空氣溫度和操作溫度

4 結(jié)論

本文通過(guò)冷庫(kù)模擬寒冷氣候下的室外環(huán)境，測(cè)試了充氣式PVC 帳篷的內(nèi)部空氣溫度、操作溫度和綜合傳熱系數(shù)，并研究了壁面貼設(shè)鋁箔對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的影響。研究對(duì)充氣帳篷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)及熱源選取有重要意義。

主要結(jié)論如下：

1）充氣帳篷在環(huán)境溫度為 -10 ℃，加熱功率500 W 條件下，綜合傳熱系數(shù)為 1.267 W/(m2· ℃)，內(nèi)部空氣溫度和操作溫度達(dá)到了17.1 ℃和13.1 ℃，均遠(yuǎn)高于普通帳篷，具有更好的熱舒適度。

2）冷庫(kù)溫度-10 ℃，加熱功率為100～5 00 W 時(shí)，充氣帳篷內(nèi)平均空氣溫度在-0.3～1 7.1 ℃范圍內(nèi)，操作溫度在-1.8～1 3.1 ℃范圍內(nèi)，綜合傳熱系數(shù)在0.739～1 .267 W/(m·2℃)范圍內(nèi)，加熱功率越高，綜合傳熱系數(shù)越高。

3）冷庫(kù)溫度從-15 ℃提高到0 ℃，加熱功率 500 W時(shí)，充氣帳篷內(nèi)部空氣溫度和操作溫度上升，但冷庫(kù)溫度對(duì)綜合傳熱系數(shù)無(wú)明顯影響，平均為 1.281 W/(m2· ℃)。

4）冷庫(kù)溫度-10 ℃，加熱功率為500 W 時(shí)，鋁箔外覆蓋、內(nèi)覆蓋及內(nèi)外表面均覆蓋綜合傳熱系數(shù)分別降低到 1.119 W/(m2· ℃)、1.017 W/(m2· ℃) 和 0.914 W/(m2· ℃)，與無(wú)覆蓋相比下降 12%，20%和 28%，平均空氣溫度從無(wú)覆蓋的 17.1 ℃上升至 21.3 ℃、24.0 ℃和27.6 ℃，操作溫度從無(wú)覆蓋的 14.3 ℃上升至 16.1 ℃、19.0 ℃和21.4 ℃。覆蓋鋁箔能改善充氣帳篷的保溫性能，提升內(nèi)部人員的熱舒適性，內(nèi)表面覆蓋鋁箔相較于外表面覆蓋鋁箔更有效。