燃煤爐防護結構對帳篷室內熱環境的影響研究

李洪峻 宗守超 高懷斌* 劉劍飛 佐曉波 王考

1 中國人民解放軍32181 部隊

2 西安科技大學機械工程學院

我國地震、洪澇、臺風、雪災、泥石流等各類重特大災害多災頻發，給國家和社會帶來嚴重影響，國家防災減災工作面臨嚴峻考驗。災后應急保障作為國家救災應急力量體系的重要組成部分，尤其是應急生活保障系統的建設，關系到救災行動中人員的安置和生活起居，對搶險救災行動影響至關重要。高懷斌等[1]根據帳篷供暖的特點總結了國內外帳篷取暖的主要裝備和供暖方式，對帳篷供暖研究方向和前景作了展望。帳篷作為抗震救災、野外地質勘探、科學考察等野外露營的主要場所，其供暖方式和取暖效果直接影響人員正常工作與生活，對提高人員的舒適感和工作效率具有重要意義。

近年來國內外學者對帳篷內部熱環境關注度越來越高，如何為帳篷內供暖、提高室內的舒適度進行了大量研究。李俊[2]在帳篷內采用輕質滌綸掛膠布軟管管壁開孔的方式送風,即側送風與噴口送風相結合的風量均勻的靜壓送風方式，使室內熱環境得到一定程度的改善。趙二慶等[3]建議通過增加圍護結構厚度及氣密性、利用太陽能，減少冬季室內散熱。安瑞楠等[4]對帳篷供暖送風方式進行了模擬分析，獲得了合理的暖風機送風方式，改善帳篷供暖能耗高、內部熱環境較差的現狀。白音夫等[5]針對帳篷內溫度波動劇烈，提出將相變材料與夜間自然通風技術相結合的方式改善帳篷內的熱環境。Ghaddar 等[6]數值模擬研究了取暖爐位置對帳篷室內熱舒適性的影響，結果表明在室內熱舒適度不變的情況下改變室內爐體的位置，可以節約14%的燃料消耗。Cornaro 等[7]數值模擬研究了某應急避難所內的熱行為和熱舒適條件。張莉莉等[8]通過實驗和數值模擬分析了帳篷室內溫度對帳篷內表面溫度和透氣性的敏感性，得出帳篷內表面溫度是影響帳篷室內熱環境的關鍵因素。王濤等[9]實驗對比研究了雙頂帳篷和普通單頂帳篷室內熱濕環境，指出雙頂帳篷具有良好的隔熱效果，能有效改善帳篷內部熱、濕環境。Susanti 等[10]實驗對比研究了單層帳篷和雙層帳篷的熱舒適性，結果表明雙層帳篷的PMV 和PPD 指標均優于單層帳篷，但仍超出了Fanger 熱舒適的可接受范圍。

本文通過實驗進一步研究了燃煤取暖爐防護結構對單層和雙層帳篷室內的平均溫度,垂直溫度梯度以及水平溫度的影響。

1 實驗裝置及內容

本文分別搭建了單層帳篷和內設棉內篷的雙層帳篷（面積：30 m2），燃煤爐設置在帳篷的中部，采用設有防護網（尺寸：800 mm×600 mm×600 mm）和無防護網的燃煤取暖爐（尺寸：700 mm×500 mm×600 mm）對帳篷供暖。實驗對比研究燃煤爐供暖時防護網結構對單/雙層帳篷內的平均溫度,垂直溫度以及水平溫度的影響。參考標準《GJB4306-2002 野營住房空間與環境參數限值》，采用T 型熱電偶測量帳篷內的溫度，帳篷內的熱電偶測點分布如圖1 所示。其中帳篷中部垂直設置5 個測溫點監控帳篷內垂直溫度分布，帳篷四周距離邊墻1 m 處分別在離地0.4 m 和1.5 m 設置兩個測溫點，帳篷室外離地1.0 m 設置一個測溫點監控帳篷外環境溫度。每隔兩小時添煤一次，每次添煤3.0 kg，待燃燒穩定后開啟MX100 多通道數據采集系統，每隔5 分鐘對帳篷內的溫度自動采集和記錄一次。

圖1 帳篷內溫度測點布置圖

2 結果與分析

圖2 給出了燃煤爐供暖時帳篷內的平均溫度隨時間變化的情況。從圖中可以看出，帳篷內的平均溫度呈周期性變化，加入煤之后帳篷的平均溫度先略有降低后升高之后降低。其原因在于加入煤之后，新添入的煤吸收了大量的熱量裂解導致爐膛溫度降低，隨著裂解的進行產生的部分可燃氣體燃燒使得爐膛溫度升高，燃燒進一步加劇。隨著燃料中可燃物逐漸減少，燃燒產生的熱量逐漸降低。帳篷內的平均溫度隨著煤加入爐膛之后的燃燒進程呈周期性變化。設有棉內篷的雙層帳篷夜間的平均溫度顯著高于無棉內篷的單層帳篷，這是由于外層帳篷與棉內篷之間的空氣夾層起到了保溫作用。燃煤爐安裝防護網能夠起到防燙保護的作用，但帳篷內的平均溫度低于無防護網的燃煤爐供暖，說明防護網在一定程度上阻礙了燃煤爐與篷內環境的對流和輻射傳熱。

圖2 燃煤爐供暖時帳篷內的平均溫度隨時間變化

圖3 燃煤爐供暖時帳篷內的帳篷內的垂直溫度分布。從圖中可以看出，單層和雙層帳篷內的溫度隨著地面高度的增加而升高。一方面由于空氣被燃煤爐加熱，密度減小、向上運動，另一方面由于地面的低溫冷輻射使得靠近地面的空氣溫度較低。單層和雙層帳篷內距地面高度0.8 m 以下的區域溫度相差不大，而隨著高度的增加單層和雙層帳篷內的溫度差別增大，雙層帳篷比單層帳篷內溫度垂直失調嚴重，這是因為空氣夾層可以減小與外部環境尤其是頂部的對流換熱。安裝防護網的燃煤爐較未安裝防護網的燃煤爐供暖時帳篷內的垂直溫度梯度大，進一步說明防護網阻礙了燃煤爐與篷內環境的對流和輻射傳熱，安裝防護網后燃煤爐與帳篷內空氣換熱量減小。

圖3 燃煤爐供暖時帳篷內的垂直溫度分布

圖4 給出了無防護網燃煤爐供暖時帳篷內不同高度的溫度分布。雙層帳篷由于棉內篷的存在，室內的垂直溫度梯度較單層帳篷的垂直溫度梯度大。帳篷內同一高度四周測點的溫度均略低于中心測點溫度，帳篷內同一水平面內溫度分布較均勻。其原因是燃煤爐位于帳篷的中部，帳篷與外界環境通過外篷布換熱。

圖4 無防護網燃煤爐供暖時帳篷內的水平溫度分布

3 結論

本文實驗研究了帳篷的結構、供暖設備對帳篷內平均溫度，垂直溫度以及水平溫度的影響，得到了以下主要結論：

1）帳篷內的溫度隨添煤頻次周期性變化，加入煤之后帳篷的平均溫度先略有降低后升高之后降低。由于外層帳篷與棉內篷之間的空氣夾層的保溫作用，設有棉內篷的雙層帳篷夜間的平均溫度顯著高于無棉內篷的單層帳篷。

2）單層和雙層帳篷內距地面高度0.8m 以下的區域溫度相差不大，而隨著高度的增加單層和雙層帳篷內的溫度差別增大。雙層帳篷比單層帳篷內垂直溫度梯度大，安裝防護網的燃煤爐較未安裝防護網的燃煤爐供暖時帳篷內的垂直溫度梯度大，雙層帳篷的空氣夾層可以顯著降低熱量散失，而防護網的安裝阻礙了燃煤爐與篷內環境的對流和輻射傳熱，減小了燃煤爐與帳篷內空氣熱量交換。

3）帳篷內溫度的垂直失調嚴重，而帳篷內同一水平面內溫度分布較均勻，同一高度四周測點的溫度均略低于中心測點溫度。強化帳篷頂部的保溫可有效降低帳篷內的熱量損失，提高帳篷內的平均溫度，從而節約燃料的目的。