適用于寒冷氣候的充氣帳篷保溫性能及優化研究

糜娜 陳顏杰 周翔 張靜思 許玲 張旭

同濟大學暖通空調研究所

本研究設計制作了一款適用于寒冷氣候 [1]的充氣式PVC 帳篷。對于充氣帳篷，受外形和結構限制，難以采用傳統圍護結構熱工測試方法（標定熱箱法或防護熱箱法）進行測試。本研究通過冷庫實驗，測試低溫環境下帳篷內外空氣溫度、壁面溫度，測算該 PVC 帳篷的綜合傳熱系數。所計算得到的綜合傳熱系數雖然是一種等效傳熱系數，但可以用來對比帳篷保溫性能的相對大小，對充氣帳篷熱負荷預測及熱源選取也有重要意義。此外，本文還測試比較了帳體表面敷設鋁箔對帳篷保溫性能的影響。

1 充氣帳篷設計及保溫性能測試方案

1.1 充氣帳篷設計

考慮到寒冷氣候使用帳篷的需求，設計制作了充氣帳篷，該充氣帳篷主體由內外兩層厚度 0.9 mm PVC雙面涂層強韌夾網布構成，帳體空氣層厚度 250 mm。帳體采用拉片式結構，用牛津布粘接內外兩層帳體內表面，在支撐帳體的同時將整個氣室分割為多個小氣室，起到一定阻隔空氣流動的作用，減小夾層內空氣對流傳熱，并且加壓打氣或抽氣時空氣仍可通過，便于充放氣。帳體采用閉氣充氣結構，采用了高頻熱合成型的方式來保證接縫的氣密性。

充氣帳篷為半球形蒙古包式，不設窗戶，拉鏈式雙層門，底部鋪設圓形充氣地墊。帳篷內容納人數 2人，根據人體工程學確定帳篷尺寸，內部凈高900 mm，內部底面直徑 2000 mm，地墊厚度 200 mm。帳篷的尺寸、氣室結構如圖 1（a）所示，圖 1（b）為充氣帳篷實物圖。

圖1 充氣式PVC 帳篷尺寸及實物圖

1.2 保溫性能測試方案

1.2.1 測試方法

本研究使用某冷庫模擬寒冷氣候下的室外溫度，測試充氣帳篷的保溫性能，冷庫溫度可通過控制器進行設定。使用暖風機作為充氣帳篷內部熱源，使用調壓器改變暖風機功率。冷庫內空氣溫度以及帳篷內空氣溫度穩定后，暖風機加熱量（即其加熱功率）等于帳篷向外散熱量，故可以根據帳篷內部平均空氣溫度t1和冷庫平均空氣溫度t0，暖風機的加熱功率P、帳篷外表面積A算出帳篷的綜合傳熱系數。

式中：K為充氣式圍護結構的綜合傳熱系數，W/(m2· ℃)；P為暖風機加熱功率，W ；A為帳篷外表面積，含地面，m2；t1為充氣帳篷內部平均空氣溫度，℃ ；t0為冷庫平均空氣溫度，℃ 。

需要指出的是，由于帳篷是一種特殊的充氣式圍護結構，計算時選取的面積A為帳篷的外表面積，所計算得到的綜合傳熱系數沿用了傳統傳熱系數的概念，實際是一種等效傳熱系數，可以用來對比帳篷保溫性能的相對大小，與相同傳熱系數的建筑圍護結構并不具可比性。

冷庫溫度選取 -15 ℃、-10 ℃、-5 ℃、0 ℃四個水平，暖風機加熱功率選取 100 W、200 W、300 W、400 W、500 W 五個水平。固定加熱功率改變冷庫溫度，或固定冷庫溫度改變加熱功率組成多種工況，對比分析不同冷庫溫度下充氣帳篷的保溫性能以及暖風機加熱功率對充氣帳篷綜合傳熱系數的影響。各個工況均進行了三次重復性實驗。

因帳篷內表面溫度較低，僅利用帳篷內空氣溫度來反映內部人員熱舒適情況不合理，所以引入操作溫度來表征帳篷內人體的綜合熱舒適程度。為簡便計算，實驗中，采用面積加權法計算平均輻射溫度 [2]，用平均空氣溫度和平均輻射溫度的平均值計算操作溫度[3]。

1.2.2 測試儀器及測點布置

使用天建華儀 WZY-1 溫度自記儀測量空氣溫度和帳篷壁面溫度。使用天建華儀WGLZY-1 功率記錄儀測量熱源功率。使用上海德力西 YY-FTQS 單相風機調速器改變暖風機功率。在地墊上放置暖風機作為內部熱源，調整暖風機布置，使得溫度測點避開暖風機的熱風射流，避免引起較大實驗誤差。

充氣帳篷內布置13 個溫度測點，5 個用于測算平均空氣溫度，5 個用于測算平均側壁溫度，3 個用于測算平均地墊溫度。帳篷內部平均空氣溫度為中心不同高度處5 個測點的溫度平均值，平均壁面溫度由 5 個壁面溫度和3 個地墊溫度按面積加權求得。帳篷側壁溫度測點與中心空氣溫度測點同高。冷庫內布置 2 個溫度測點。冷庫的尺寸 3.79 m× 2.84 m× 2.4 m，冷庫溫度可通過控制器進行設定，內部實際溫度在設定值± 1 ℃波動。測點分布，暖風機位置以及充氣帳篷與冷庫相對位置如圖2 所示（a 點處為 2 個測點，分別測空氣溫度和地墊溫度）。

圖2 測點分布及實驗布置情況

2 測試結果分析與討論

2.1 不同冷庫溫度下帳篷保溫性能

圖3 為暖風機加熱功率為500 W 時，不同冷庫溫度下充氣帳篷的綜合傳熱系數，平均空氣溫度和操作溫度實驗結果。當冷庫溫度-10 ℃時，帳篷內平均空氣溫度為17.1 ℃。但由于帳篷內表面溫度較低，測量得到的操作溫度為13.1 ℃。當冷庫溫度-15 ℃時，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境，若采用一定功率的內熱源進行加熱，充氣帳篷能夠維持帳篷內溫度基本達到衛生學要求，降低冷暴露對人體的傷害，保證人員在戶外環境下的安全和舒適。

圖3 不同冷庫溫度下綜合傳熱系數，平均空氣溫度和操作溫度情況

暖風機加熱功率為500 W 時，冷庫溫度從-15 ℃提高到0 ℃，充氣帳篷內部空氣溫度從12.7 ℃上升至26.3 ℃、操作溫度從 9.6 ℃上升至 21.5 ℃，綜合傳熱系數無明顯變化，均值為1.281 W/(m·2℃)。

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

圖4 不同冷庫溫度下熱分層情況

2.2 加熱功率對帳篷綜合傳熱系數影響

圖5 所示為冷庫溫度 -10 ℃時，暖風機加熱功率分別為 100 W、200 W、300 W、400 W、500 W 時充氣帳篷的綜合傳熱系數、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存在差異，加熱功率越高，綜合傳熱系數也越高，綜合傳熱系數K在 0.739～1 .267 W/(m2· ℃)范圍內變化，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，當暖風機輸入功率降低時，風機轉速、電熱絲發熱量降低，帳篷內空氣流速下降，且充氣帳篷內外表面以及內部夾層空氣的溫度均下降，帳篷內外表面對流換熱系數減小、夾層空氣自然對流換熱系數減小，因而帳篷整體綜合傳熱系數隨加熱功率下降。

圖5 加熱功率對綜合傳熱系數，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比

在冷庫溫度 -10 ℃，帳篷內加熱功率 500 W 的實驗條件下，對普通帳篷也進行了保溫性能的測試，相關結果如表 1 所示。普通帳篷的綜合傳熱系數為 5.321 W/(m2· ℃)，遠高于充氣帳篷的 1.267 W/(m2· ℃)，帳篷內操作溫度1.5 ℃也遠低于充氣帳篷的13.1 ℃。由此可見，充氣帳篷保溫性能優勢明顯，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試結果對比

3 充氣帳篷保溫性能優化研究

3.1 保溫性能優化方案

GB50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[4]指出，在相同熱流狀態和相同空氣間層厚度的情況下，封閉空氣層貼設鋁箔后墻體熱阻值會增大。本文測試比較了貼設鋁箔與不貼設鋁箔以及不同的覆蓋方式（內表面覆蓋、外表面覆蓋、內外表面均覆蓋）對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 。實驗方法及測點分布等均不改變，鋁箔的覆蓋方式見圖6。

圖6 鋁箔覆蓋方式

3.2 保溫性能測試結果

如圖7 所示，在冷庫溫度-10 ℃，暖風機輸入功率500 W 條件下，鋁箔外覆蓋、內覆蓋及內外表面均覆蓋可將帳篷綜合傳熱系數從無覆蓋的1.267 W/(m2· ℃)分別降低到 1.119 W/(m2· ℃)、1.017 W/(m2· ℃)和 0.914 W/(m2· ℃)，與無覆蓋相比下降 12%，20%和 28 %，貼設鋁箔后充氣帳篷保溫性能明顯得到優化。帳篷內平均空氣溫度分別從無覆蓋的 17.1 ℃上升至 21.3 ℃，24.0 ℃和27.6 ℃，操作溫度分別從無覆蓋的 14.3 ℃上升至 16.1 ℃，19.0 ℃和 21.4 ℃，貼鋁箔有助于提高帳篷內人員舒適性。內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、平均空氣溫度和操作溫度

4 結論

本文通過冷庫模擬寒冷氣候下的室外環境，測試了充氣式PVC 帳篷的內部空氣溫度、操作溫度和綜合傳熱系數，并研究了壁面貼設鋁箔對圍護結構保溫性能的影響。研究對充氣帳篷熱負荷預測及熱源選取有重要意義。

主要結論如下：

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

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

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

4）冷庫溫度-10 ℃，加熱功率為500 W 時，鋁箔外覆蓋、內覆蓋及內外表面均覆蓋綜合傳熱系數分別降低到 1.119 W/(m2· ℃)、1.017 W/(m2· ℃) 和 0.914 W/(m2· ℃)，與無覆蓋相比下降 12%，20%和 28%，平均空氣溫度從無覆蓋的 17.1 ℃上升至 21.3 ℃、24.0 ℃和27.6 ℃，操作溫度從無覆蓋的 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，提升內部人員的熱舒適性，內表面覆蓋鋁箔相較于外表面覆蓋鋁箔更有效。