復合隔熱材料在帳篷中應用效果的比較研究

佐曉波 宋瑤 范凱興 孫艷軍 李清慧 劉劍飛 李洪峻 高懷斌

1 中國人民解放軍32181 部隊

2 西安建筑科技大學建筑學院

3 西安科技大學機械工程學院

0 引言

帳篷作為一種臨時性建筑，具有展開撤收方便，存貯體積小、重量輕，便于運輸等特點，在搶險救災、救援維和、科考施工、軍事演習等場合發揮著重要的作用。高懷斌等[1]歸納了國內外帳篷供暖的主要裝備和供暖方式，并指出了現有研究的不足。夏天帳篷表面受太陽暴曬熱能持續累積，會導致帳篷表面和內部溫度迅速升高，形成“日照超溫”現象[2]。帳篷圍護結構的低熱阻，低熱惰性以及帳篷篷布的熱輻射吸收是造成其內部環境惡劣的主要原因，隔熱保溫、減少太陽輻射已經成為夏季改善帳篷室內熱環境的重要手段。

國內外對帳篷的研究主要集中在帳篷篷布材料的優化和帳篷結構的改進。楊萬國等[3]對帳篷用反射涂料進行了研究，通過將乳液、顏料和反射填料等制成的具有良好隔熱能力的涂料進行現場對比性實驗，發現噴涂該涂料的帳篷表面溫度降低10～12 ℃，內部溫度降低6～8 ℃。田豐等[2]實驗研究了雙層坡頂淺色帳篷，表明涂層帳篷平均溫度低于無涂層帳篷，降溫效果明顯。王濤等[4]在對單頂和雙頂帳篷進行對比分析的基礎上，發現雙頂帳篷室內溫度低于單頂帳篷，得到雙頂帳篷夏季能夠起到隔熱降溫改善室內熱環境作用。錢晶晶等[5]總結了帳篷用隔熱夾芯材料包括紡織類隔熱材料和柔性氣凝膠隔熱材料的研究進展及發展趨勢，其中如新型聚酰亞胺、纖維素等有機氣凝膠隔熱材料，具有質輕，高效隔熱，紅外隱身，柔韌性好，可反復彎曲、折疊等優點，是隔熱夾芯材料的良好選擇。趙瑞方等[6]研究了由有機氟滌綸防水帆布組成的外篷布，針刺棉制成的保暖間層和阻燃的滌綸襯布組成的游牧用帳篷，很大程度上改善了牧民的日常生活。為了改善帳篷圍護結構的熱工性能，王軍等[7]提出了由外部織物層、相變層和內部織物層組成的復合結構并應用于帳篷中，評估了復合結構的熱工性能以及確定了相變材料改善復合結構熱工性能的有效性。糜娜等[8]制作了一款充氣式PVC 帳篷，研究表明帳篷表面敷設鋁箔能夠提高保溫性能。

本文通過實驗研究了由相變絮片、石墨烯-相變絮片、仿絲綿-相變絮片、針刺棉和氣凝膠等隔熱材料構成的帳篷襯里的夏季隔熱效果。

1 實驗方法及內容

本文依據國家標準《GB/T 11048-2018 紡織品保溫性能試驗方法》、《GB/T 5453-1997 紡織品織物透氣性的測定》和《FZ/T 64003-2011 噴膠棉絮片》對4 種材料進行保溫性能和透氣性能進行檢測，見表1。復合保溫結構由內外面用150D 阻燃牛津布，中間直接鋪好需要復合的保溫材料，通過絎棉工藝分別制作了相變絮片、石墨烯-相變絮片、仿絲綿-相變絮片、針刺棉和氣凝膠5 種復合保溫結構，由上述5 種復合保溫結構組成保溫內篷。

表1 保溫性能測試結果

測試所使用的帳篷為7.2 m2框架帳篷，帳篷底面面積為2.20 m×3.30 m，肩高為1.7 m，頂高為2.65 m，如圖1 所示。室內空氣溫度和內表面溫度采用T 型熱電偶測量，精度為0.01 ℃，所有熱電偶在實驗前均進行了標定。受試帳篷內分別布置6 個熱電偶測點，測量點位分別布置在南、西、北方向距墻0.1 m 距地1.1m處與內部距地0.1 m、1.1 m 和距頂0.1 m 處，室外布置1 個熱電偶測點，測點布置如2 圖所示。測試時，MX100 多通道數據采集系統每隔1 分鐘測量、自動記錄一次室內外各測點溫度。測試時帳篷放置在室外常溫環境條件下，測試記錄時間一般從22:00 至隔天22:00，實驗地點位于陜西西安。

圖1 測試帳篷結構圖

圖2 帳篷內外溫度測點布置圖

2 結果與分析

圖3 為不同復合保溫結構帳篷中心不同高度溫度變化。從圖中可以看出帳篷室內的空氣溫度隨著室外環境溫度的變化呈周期性變化，由于帳篷的熱惰性較小，室內溫度隨室外環境溫度變化幾乎沒有滯后。帳篷室內溫度隨太陽輻射變化非常敏感，當太陽光被云層遮擋時帳篷室內的溫度降低接近10 ℃。從總體趨勢來看，氣凝膠復合結構帳篷的室內空氣溫度最低，石墨烯-相變材料組合結構和仿絲綿-相變材料組合結構室內空氣溫度次之，針刺棉復合結構的室內空氣溫度最高。氣凝膠復合結構帳篷內中心空氣溫度比針刺棉復合結構帳篷第2.4 ℃。下午15 時左右室外空氣溫度為37.8 ℃，石墨烯-相變材料組合和仿絲綿-相變材料組合帳篷中心的空氣溫度達到了53.3 ℃，氣凝膠復合帳篷中心的最高空氣溫度也達到了51.4 ℃，帳篷內的空氣溫度比環境溫度高15 ℃左右。此時，相變材料組合帳篷頂部附近的空氣溫度達到了58 ℃左右，地面附近的空氣溫度達到了50 ℃左右，帳篷頂部與地面附近溫差大8 ℃。氣凝膠帳篷頂部附近的室內空氣溫度達到了55.7 ℃，地面附近的室內空氣溫度為48.6 ℃，帳篷頂部與地面附近溫差大7.1 ℃。不同的保溫結構帳篷內溫度說明了氣凝膠復合結構隔熱性能最優。

圖3 帳篷中心空氣溫度變化

圖4 為不同復合保溫結構帳篷室內南墻、西墻和北墻附近距地1.1 m 監測點的溫度變化。從總體趨勢來看，氣凝膠復合保溫結構帳篷的隔熱性能最好，相變絮片保溫結構帳篷的隔熱效果最差，氣凝膠帳篷比相變材料復合結構帳篷的空氣溫度低2 ℃左右。南墻、西墻、北墻附近測溫點的溫度值依次略有降低、差別不大，太陽輻射對帳篷內同一平面內溫度影響不大。

圖4 帳篷側墻附近距地1.1 m 溫度變化圖

3 結論

帳篷室內的空氣溫度隨著室外環境溫度的變化呈周期性變化，由于帳篷的熱惰性較小，室內溫度隨室外環境溫度變化幾乎沒有滯后。帳篷室內溫度隨太陽輻射變化非常敏感，當太陽光被云層遮擋時帳篷室內的溫度降低接近10 ℃?？傮w來看，氣凝膠復合結構帳篷的室內空氣溫度最低，石墨烯-相變材料組合結構和仿絲綿-相變材料組合結構室內空氣溫度次之，針刺棉復合結構的室內空氣溫度最高。帳篷中心位置頂部與地面附近溫差相差可達8 ℃，同一水平面的南向、北向溫差相差不大。不同保溫結構帳篷內溫度說明氣凝膠復合結構的隔熱性能最優，但無論采用哪種保溫隔熱結構帳篷白天室內的都超過50 ℃，“日照超溫”現象嚴重，若無空調制冷裝備，人員在帳篷內無法居住。后續研究擬采用減少太陽輻射和降低保溫隔熱材料熱阻雙管齊下的方法來降低熱負荷，改善帳篷室內熱環境。