極端高溫下遮陽對輕質(zhì)帳篷內(nèi)部熱環(huán)境的影響

摘" 要：針對高溫極端天氣下輕質(zhì)帳篷內(nèi)部熱環(huán)境問題，在開門開窗和關(guān)門關(guān)窗2種模式下，開展無遮陽、多孔透光型遮陽網(wǎng)、不透光型遮陽布3種遮陽情況的帳篷內(nèi)部熱環(huán)境實測研究，揭示極端高溫天氣下帳篷內(nèi)部熱環(huán)境特征。實測結(jié)果表明，在極端高溫天氣情況下，遮陽措施可以有效改善帳篷內(nèi)部熱環(huán)境，遮陽布優(yōu)于遮陽網(wǎng)，但是，帳篷內(nèi)部溫度仍然過高，在遮陽效果較好的情況下，帳篷內(nèi)部最高溫度達到44 ℃以上，內(nèi)表面溫度達到46 ℃以上；在測試條件下，帳篷門窗開閉情況對內(nèi)部熱環(huán)境影響很大，門窗全關(guān)情況下內(nèi)部平均氣溫高于門窗全開9.1%～14%。

關(guān)鍵詞：帳篷；熱環(huán)境；極端高溫；遮陽；環(huán)境實測

中圖分類號：TS106.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0081-05

Abstract： In response to the internal thermal environment of lightweight tents under high temperature and extreme weather， under two modes of opening and closing the windows， three types of shading conditions： no sunshade， multihole light-transmitting sunshade net， and light-transmitting sunshade cloth were carried out. The actual measurement study revealed the characteristics of the internal thermal environment of the tent in extreme high temperature weather. The measured results show that， In extreme high temperature weather conditions， sunshade measures can effectively improve the internal thermal environment of the tent. The sunshade cloth is better than the sunshade net. However， the internal temperature of the tent is still too high. Under the condition of good sunshade effect， the maximum temperature inside the tent reaches above 44 °C. The inner surface temperature reaches above 46 °C; under the test conditions， the opening and closing of the tent doors and windows has a great impact on the internal thermal environment. The internal average air temperature when the doors and windows are fully closed is 9.1% to 14% higher than that when the doors and windows are fully opened.

Keywords： tent; thermal environment; extreme high temperature; sunshade; environmental measurement

帳篷是人員野外宿營的主要載體，在軍隊、民用領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。但是由于其熱工性能相對較差，導(dǎo)致其內(nèi)部熱環(huán)境條件欠佳。特別是夏季，由于太陽輻射的影響，其內(nèi)部氣溫和表面溫度遠高于室外氣溫，阻礙人體向周邊環(huán)境的散熱，甚至環(huán)境可能向人體傳熱，導(dǎo)致夏季帳篷內(nèi)部熱舒適性較差，嚴重影響人員在內(nèi)部的工作和休息。

近年來，為了把握帳篷內(nèi)部熱環(huán)境特點，國內(nèi)外學(xué)者針對帳篷熱環(huán)境開展了相關(guān)研究工作。趙二慶[1]在不同季節(jié)對軍用帳篷熱環(huán)境進行了實測，發(fā)現(xiàn)夏季封閉帳篷內(nèi)溫度最高接近45 ℃，開啟門窗通風(fēng)可降低室內(nèi)溫度約5 ℃，采取頂部遮陽措施可降低約6～7 ℃。賀柱等[2]提出一種新型外遮陽網(wǎng)改善帳篷內(nèi)熱環(huán)境，新型外遮陽相比無遮陽和傳統(tǒng)的六針遮陽網(wǎng)可以大幅降低帳篷的太陽直射輻射得熱和外壁面溫度，從而有效改善帳篷內(nèi)部熱環(huán)境。劉靜波等[3]測試了“三針”和“六針”2種織物密度遮陽網(wǎng)對帳篷內(nèi)熱濕環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)遮陽網(wǎng)對帳篷熱環(huán)境改善效果明顯，“六針網(wǎng)”效果好于“三針網(wǎng)”。André等[4]測試了2種帳篷內(nèi)部熱濕環(huán)境情況，對比了無遮陽與遮陽情況下室內(nèi)溫度變化，發(fā)現(xiàn)遮陽對室內(nèi)溫度影響較大，最高溫度差別接近10 ℃。Cristina等[5]分析了雙層坡屋頂帳篷內(nèi)的熱濕環(huán)境，發(fā)現(xiàn)太陽輻射對帳篷內(nèi)溫度影響很大，室外最高溫度約24 ℃，帳篷內(nèi)最高溫度約45 ℃。Moran等[6]建設(shè)了12種與帳篷具有相似熱工特點的輕質(zhì)板房，測試發(fā)現(xiàn)白天室內(nèi)最高氣溫可達到40 ℃以上，研究提出了適合約旦氣候（亞熱帶沙漠氣候）的避難所構(gòu)造及熱環(huán)境改善措施。Prabhu等[7]研究了雙層織物帳篷夾層傳熱特性，提出了帳篷夾層增加層措施，減少帳篷空調(diào)能耗。Xu等[8]研究了光伏驅(qū)動通風(fēng)、相變材料和反光材料改善帳篷室內(nèi)熱環(huán)境的方法，建立了帳篷的仿真模型，分析了5個中國城市的節(jié)能率，發(fā)現(xiàn)昆明的節(jié)能率最高，約為80%。Kai等[9]開發(fā)了一個帳篷測試實驗平臺，測量了3種太陽輻射水平下帳篷內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)，結(jié)果表明，由于輻射環(huán)境，篷內(nèi)溫度顯著升高，太陽輻射600 W/m2時，頂面最高溫度達到62 ℃。Jiang等[10-13]研究了帳篷夏季室內(nèi)熱環(huán)境特點，分析了遮陽、通風(fēng)等措施對室內(nèi)溫度的影響，發(fā)現(xiàn)遮陽率與是否開門開窗對室內(nèi)溫度影響很大，影響溫差可達10 ℃以上。

通過國內(nèi)外學(xué)者的探索，基本揭示了在夏季一般氣溫（最高溫度在30～35 ℃范圍內(nèi)）條件下，帳篷內(nèi)部熱環(huán)境特征及其遮陽通風(fēng)等改善措施對室內(nèi)環(huán)境的影響規(guī)律。但是，隨著人類對地球改造活動的加劇及工業(yè)化進程的加速，全球極端氣溫現(xiàn)象愈發(fā)頻繁[14]，極端氣溫條件下帳篷內(nèi)熱環(huán)境特征尚未見報道。

中國重慶位于四川盆地東部，四面環(huán)山，空氣流通較差，室外氣溫較高，易出現(xiàn)極端高溫天氣。據(jù)統(tǒng)計表明，重慶地區(qū)40 ℃以上極端高溫天氣呈顯著上升趨勢[15]。帳篷作為軍隊作戰(zhàn)、民用野營的重要設(shè)施，其在高溫極端天氣影響下的熱環(huán)境特征尚未見報道，其影響規(guī)律尚未可知。為此，筆者在重慶地區(qū)開展了極端高溫天氣情況下帳篷內(nèi)部熱環(huán)境的現(xiàn)地實測研究，以期揭示極端高溫天氣下輕質(zhì)帳篷內(nèi)部熱環(huán)境特征。

1" 實驗設(shè)計

為了探索極端高溫環(huán)境下不同遮陽方式對帳篷內(nèi)部熱環(huán)境的影響，在室外最高溫度40 ℃以上的天氣情況下，采用2種不同的遮陽方式，在不同門窗開閉模式下，分別測試帳篷內(nèi)溫度變化情況。與無遮陽情況進行對比，找出極端高溫環(huán)境下遮陽對帳篷內(nèi)部熱環(huán)境的影響規(guī)律。

1.1" 帳篷結(jié)構(gòu)與布局

選用3頂相同型號的帳篷（A、B、C），每頂帳篷結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。帳篷為雙層結(jié)構(gòu)，由外篷、內(nèi)篷、地布和篷架等組成。帳篷長（L）、寬（W）、高（H）分別為6 560、6 160、2 720 mm。3頂帳篷分開布置，全天相互無陰影遮擋。

1.2" 遮陽方式

遮陽設(shè)施主要包括多孔透光型遮陽網(wǎng)（簡稱遮陽網(wǎng)）和不透光型遮陽布（簡稱遮陽布），遮陽方式如圖2所示。遮陽網(wǎng)和遮陽布尺寸相同，均為6 m×8 m。A帳篷無遮陽措施，B帳篷上空支撐遮陽網(wǎng)，C帳篷上空支撐遮陽布。遮陽設(shè)施主要遮擋頂篷面，側(cè)篷面遮擋面積小。遮陽設(shè)施與頂篷面的間距在200～400 mm。

1.3" 測點布置

住宿帳篷一般用于睡覺休息，重點考慮睡覺時人員所在平面的熱環(huán)境情況，根據(jù)床鋪高度等信息，在3個帳篷內(nèi)距地面0.6 m平面上分別設(shè)置5個溫度測點，包括1個中心測點（ZX）和四角測點（DB、DN、XN、XB）。測點布置如圖3所示。

在監(jiān)測帳篷內(nèi)熱環(huán)境的同時，在室外帳篷附近布置了氣象站，實時記錄了室外太陽總輻射強度、氣溫和風(fēng)速。

帳篷內(nèi)表面溫度對人員熱感覺影響大，采用紅外槍測試了帳篷內(nèi)表面溫度。每頂帳篷均測試了東西2個篷頂內(nèi)表面溫度、東南西北4個篷墻內(nèi)表面溫度。

1.4" 門窗開閉模式

2024年8月28日至29日，對3頂帳篷熱環(huán)境進行了為期2 d的現(xiàn)場測試。測試期間，根據(jù)門窗開閉情況，分為2種模式：門窗全開、門窗全閉。具體見表1。

2" 結(jié)果及討論

2.1" 極端氣溫條件下典型氣象參數(shù)變化特征

圖4給出了重慶極端天氣下白天室外氣溫動態(tài)變化情況。由圖4可知，在為期2 d的測試期間，室外氣溫先升高后降低，在下午15：00—17：00期間達到最大值。測試期間最大值分別為43.4、40.6 ℃，40 ℃以上氣溫可高達5 h/d。7：00—20：00平均氣溫分別為38.4、36.9 ℃。

圖5給出了測試期間太陽總輻射情況。由圖5可知，測試期間太陽輻射的日變化規(guī)律類似，在7：00左右開始逐漸升高，13：00左右達到最大值，分別為895、912 W/m2。而后逐漸降低，19：00左右為0。因云層變化，測試期間太陽輻射值存在一定波動。測試期間平均太陽輻射分別534、536 W/m2。

圖6給出了測試期間室外風(fēng)速情況。由圖6可知，室外風(fēng)速隨機波動較大，日最高風(fēng)速分別為4.4、4.2 m/s，開門開窗模式和關(guān)門關(guān)窗模式下室外平均風(fēng)速分別為0.9、1.2 m/s。

2.2" 門窗開啟條件下遮陽對帳篷熱環(huán)境的影響

圖7和圖8給出了帳篷門窗均開啟時，不同遮陽條件下帳篷內(nèi)氣溫的變化情況。由圖7可知，總體而言，在不同遮陽方式下，帳篷內(nèi)氣溫均逐漸升高后降低，在16：00—17：00達到最高氣溫。門窗均開啟時，無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況下帳篷內(nèi)最高氣溫分別為45.9、45.7、44.7 ℃，平均氣溫分別為40.8、40.1、39.4 ℃。

由圖8分析可知，在門窗均開啟時，在風(fēng)壓和熱壓共同作用下，帳篷內(nèi)自然通風(fēng)效果良好，帳篷內(nèi)空氣溫度與室外氣溫十分接近，不同遮陽方式對帳篷內(nèi)溫度影響較小。在無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況下，帳篷內(nèi)與室外空氣溫差平均值分別為2.4、1.7、1.0 ℃。

圖9給出了開門開窗條件下16：00帳篷內(nèi)表面溫度與室溫情況。分析可知，下午16：00左右，帳篷內(nèi)外氣溫達到最高，此時，內(nèi)表面溫度明顯高于室內(nèi)氣溫。在無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況下，內(nèi)表面溫度分別為48.4、46.9、46.1 ℃，較室內(nèi)氣溫分別高出2.7、2.2、1.6 ℃。

2.3" 門窗關(guān)閉條件下遮陽對帳篷熱環(huán)境的影響

圖10和圖11給出了關(guān)門關(guān)窗條件下不同遮陽條件帳篷內(nèi)的氣溫情況。對于單頂帳篷而言，內(nèi)部氣溫變化趨勢與開門開窗情況下相似，均為先升高后降低。但是，與開門開窗模式不同之處在于，關(guān)門關(guān)窗模式下，不同遮陽方式下對帳篷內(nèi)最高溫度影響較大。在無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況下，帳篷內(nèi)最高氣溫分別達到53.9、51.0、47.9 ℃，平均氣溫分別達到46.5、44.9、43.0 ℃，說明遮陽對關(guān)門關(guān)窗通風(fēng)不暢情況下的帳篷內(nèi)部溫度影響很大。這是由于在關(guān)門關(guān)窗情況下，帳篷內(nèi)部空氣流動性差，與外界空氣交換甚少，被太陽輻射加熱帳篷表面后進入帳篷內(nèi)部的熱量無法有效排除室外，導(dǎo)致內(nèi)部溫度嚴重過高。而遮陽效果直接決定帳篷表面獲得的太陽輻射多少，遮陽效果越好，帳篷內(nèi)部溫度變化越低，與室外空氣溫度差異越大。在無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況下，帳篷內(nèi)氣溫與室外氣溫最大差值分別為14.9、12.1、10.3 ℃。

圖12給出了關(guān)門關(guān)窗條件下帳篷內(nèi)表面溫度與室內(nèi)氣溫的對比情況。分析可知，在關(guān)門關(guān)窗模式下，由于帳篷內(nèi)外空氣流動性差，內(nèi)部溫度很高。在無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況下，其內(nèi)表面溫度分別達到53.5、48.8、46.5 ℃。與開門開窗模式相對，在無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況下，內(nèi)表面溫度升高約10.5%、4.0%、0.9%，說明遮陽對控制帳篷內(nèi)表面溫度具有十分重要的作用，遮陽效果越好，門窗開閉情況對帳篷內(nèi)表面溫度影響越小。

3" 結(jié)論

為了掌握極端高溫天氣下帳篷內(nèi)部熱環(huán)境特征，在中國重慶地區(qū)極端高溫天氣下開展了現(xiàn)場實測研究，分析了無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況下帳篷內(nèi)部氣溫和內(nèi)表面溫度變化規(guī)律，探索了開門開窗通風(fēng)良好、關(guān)門關(guān)窗通風(fēng)不暢2種模式下遮陽對帳篷內(nèi)部熱環(huán)境的影響。主要得出以下結(jié)論：

1）重慶地區(qū)極端高溫天氣下室外最高氣溫可達40 ℃以上，白天平均氣溫在36 ℃以上，40 ℃以上氣溫時長高達5 h/d。

2）在開門開窗模式下，因室內(nèi)空氣流動性較好，帳篷內(nèi)部溫度受遮陽情況影響較小、與室外氣溫接近。在室外平均氣溫38.4 ℃，最高氣溫43.4 ℃，無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況下，帳篷內(nèi)部氣溫和內(nèi)表面溫度先升高再降低，最高內(nèi)部氣溫約44.7～45.9 ℃，平均氣溫約39.4～40.8 ℃，內(nèi)表面溫度約46.1～48.4 ℃。

3）在關(guān)門關(guān)窗模式下，遮陽對帳篷內(nèi)部溫度影響較大，其內(nèi)部空氣溫度和內(nèi)表面溫度明顯高于開門開窗模式。在室外平均氣溫36.9 ℃，最高氣溫40.6 ℃情況下，無遮陽、遮陽網(wǎng)、遮陽布3種情況，帳篷內(nèi)部最高氣溫約47.9～53.9 ℃，平均氣溫約43.0～46.5 ℃，內(nèi)表面溫度約為46.5～53.5 ℃。

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