極端溫度下帳篷內部熱環境適應性實驗及模擬研究*

宋輿涵， 蘭明強，李亞運，郭 賢， 林虹霞， 劉小勇

(1.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230022；2.清華大學合肥公共安全研究院 災害環境人員安全安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大學 土木工程學院， 安徽 合肥 230601 )

0 引言

帳篷是1種簡單快捷的特殊建筑形式，多用于旅游、工程施工和救援等方面，尤其對于突發災害救援，帳篷因其搭建快速的優點，在搶險救援方面扮演重要角色[1]。由于帳篷經常作為過渡性建筑而非常規性建筑使用，考慮其運輸成本和生產方式，市面上的民用救災帳篷多使用PVC 或PU涂料層面料制作，這使得帳篷透氣性較差，帳篷室內環境惡劣。因此，針對救災帳篷開展環境適應性研究，對于提升帳篷技術含量，改善帳篷內部居住環境，提高災民過渡時期的生活質量具有十分重要的意義[2]。

對于建筑物內部熱環境分布研究，一般采取自然環境下測量與觀察的手段，即在一段時間周期內，對目標建筑物不間斷地測量獲得數據，該方法在帳篷熱環境分布研究中得到廣泛應用。Zhang等[3]使用特制后向反射材料作為帳篷的外表面開展實驗，發現該材料可有效降低帳篷外表面溫度，改善帳篷內外環境；Xu等[4]使用縮小模型的方法優化帳篷結構，減少熱傳遞，并從理論上分析不同結構優化帳篷散熱原理;Crawford等[5]通過低溫嚴寒實驗開展帳篷內部溫濕度變化研究，建立評估帳篷內環境居住改善與生活舒適度的實驗手段;王濤[6]通過實際災區調研，結合當地氣候對帳篷濕熱環境劃分不同季節、不同材質與不同天氣工況，詳細研究災害環境中帳篷濕熱環境舒適性能;李源等[7]結合風雨雪等天氣條件，對整體折疊框架式帳篷進行研究，分析不同雪荷與風荷作用下帳篷結構的應力分布規律，為優化帳篷結構提供理論依據;于海龍等[8]基于大風自然條件開展大尺寸救災避難帳篷實驗，并在此基礎上進行風荷與雪荷應力實驗的數值模擬。目前，針對帳篷的研究大部分在自然條件下進行，需要在一段時間內不間斷測量，以保證數據的有效性，導致時間成本較高且易受未知因素如天氣、季節、風速等影響。此外，傳統實驗需要較長實驗周期，在1個實驗周期內，每天太陽輻射能和溫度都在不斷變化，不易精準控制周圍環境溫度，不能同時開展多種溫度工況實驗。

鑒于此，本文擬綜合考慮我國常出現的高低溫度環境[9]，采用氣候溫度模擬艙室，以溫度調節風口作為帳篷內環境溫度影響控制手段，代替自然光照等不可控因素，通過對流換熱方式精確控制溫度，深入研究帳篷內部熱環境分布，以期為改善帳篷內部環境條件提供技術支持。

1 實驗方法

實驗系統如圖1所示，主要由大尺寸氣候調節環境艙、民用救災帳篷、溫度傳感器及數采裝置組成。該實驗系統能夠準確模擬帳篷周圍發生的動態溫度變化。

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

大尺寸氣候調節環境艙由清華大學合肥公共安全研究院提供，艙室規模為6.0 m×4.5 m×3 m，能夠模擬高低溫、濕熱、雨雪冰凍等災害環境。民用救災帳篷尺寸均為2.5 m×2.5 m。將帳篷布置在環境艙室中央位置，其表面劃分為側頂面(左/右)、側面(前/后/左/右)以及底面7個平面，其中底面與艙室底部壁面貼合，不計入數據統計范圍。熱電偶10個，分別布置在帳篷內部各壁面交線的交點處，數據采集頻率設置為1 min/次。

本文實驗系統使用的環境艙包含4個用于調節溫度變化的送風口，每個送風口尺寸為0.15 m×0.6 m，風口溫度變化率恒定，約為0.5 ℃/min，送風風速穩定，約為0.05 m/s，相比于整體艙室規模，該風速對艙內熱環境變化的影響可忽略不計。

工況條件設置如表1所示。高溫條件和低溫條件是已記錄的自然環境溫度極限變化[10]，根據中國氣象局記錄，高溫條件代表夏季等相對溫暖時期，此時，日平均氣溫大約在 22 ℃～35 ℃ 之間，綜合考慮極限溫度和環境艙使用成本，選擇地面極端高溫50 ℃、極低溫度-20 ℃作為模擬條件。

表1 實驗工況設置Table 1 Setting of experimental conditions ℃

2 數值模擬方法

2.1 參數設置

本文研究重點是帳篷內外熱交換引起的溫度變化，因此使用Ansys Fluent代碼同時進行帳篷外部仿真研究。

k-ε湍流模型適用于室內送風口的連續穩態氣流，因此本文選用該模型進行研究。艙室壁面設置為絕熱無滑移壁面類型，仿真軟件難以滿足溫度連續變化模擬的功能，由于本文研究使用的環境艙室送風口溫度隨時間規律性變化，因此，本文采用UDF的方式控制風口溫度。

在模擬工作中，帳篷外表面同樣設置10個溫度監測點，位置與內表面實驗工況一致，這些監測點可以評估帳篷外部熱環境傳熱效果。網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分Fig.2 Grid division

2.2 網格獨立性驗證

在正式實驗之前，需要對已經劃分的網格進行網格獨立性驗證。本文研究使用計算機配置為CPU Intel I9-10980XE ，內存128 G，滿足一般仿真需求。為節約計算時間成本，本文劃分3種尺度網格，如表2所示。以帳篷前側面頂點為例，在不同尺寸的網格內進行計算，結果如圖3所示。由圖3可知，由于網格1的尺寸較大，計算結果明顯偏離，網格2與網格3計算結果趨于一致，考慮計算成本，選擇網格2的數量作為本文計算用網格。

表2 網格設置Table 2 Setting of grid

圖3 不同網格尺寸溫度變化Fig.3 Temperature change of different grid sizes

3 實驗結果討論

對于帳篷內外各表面溫度，實驗測點布置如圖4所示，取各面交點處傳感器溫度均值作為該表面溫度[11]。

圖4 實驗測點布置Fig.4 Layout of experimental measurement points

低溫工況與高溫工況的數值模擬與實驗監測點數據對比如圖5～6所示。低溫工況時，實驗與模擬溫度變化過程均為先下降后上升，高溫工況溫度均為先上升后下降，這表明帳篷內部熱環境變化與外部趨勢相同。對比數據發現，除帳篷后表面，實際實驗時，低溫工況帳篷內的溫度比數值模擬帳篷外圍溫度更低，這說明低溫下帳篷內部熱環境變化更明顯，出現冷室效應；高溫工況同樣帳篷內部環境溫度較外圍高，出現溫室效應，此時內部各面溫度由高到低依次為右側面、左側面、右面、左面、前側面、后側面，峰值在右頂面，為44.13 ℃。對于帳篷最靠近風口側面，直接受風口熱對流影響，風口吹出的冷風或熱風頻繁作用于該表面，使得該面的內外溫度未有明顯區別。

對于低溫工況，沿帳篷縱向中心線(Z=3.0 m)建立溫度切面，得到圖7所示溫度云圖。由圖7可知，當模擬時間小于40 min，由于帳篷的蓬圍結構，使冷風接觸到帳篷后側面并沿此面上升，冷流逐漸運動至帳篷頂部區域，此時帳篷內部溫度明顯高于外部；當模擬進行到40～100 min時，帳篷內部溫度比外部流場溫度高，但內外溫差逐漸減小，這是由于冷流沿帳篷后面向上運動后，通過帳篷門窗進入蓬圍內部，而冷空氣密度比熱空氣密度大，所以冷空氣先聚集在帳篷內部下方，熱空氣則集中在上方[12]；當模擬時間大于100 min，由于熱空氣與下方以及門窗開口附近的冷空氣作用，熱量逐漸降低，根據熱力學理論，冷卻后的空氣體積變小，這使得帳篷外更多的氣體流入到帳篷內，帳篷整體溫度更低，冷室效應出現直至模擬結束，這與圖5中實驗溫度數據比模擬數據峰值更低現象一致。

圖5 內外表面溫度對比(低溫工況)Fig.5 Comparison of internal and external surface temperatures (low temperature case)

圖8為高溫工況溫度云圖，其艙內空氣運動趨勢與低溫工況基本一致。在前40 min，送風口出風溫度不斷上升，使周圍空氣受熱膨脹，并沿蓬圍結構上升，溫度較低的空氣受高溫空氣影響，通過帳篷門窗進入內部聚集；模擬大于40 min，由于艙內整體環境溫度不斷上升，低溫空氣不斷受熱；模擬至120 min時，帳篷內外溫度基本趨于一致，此后溫室效應開始出現，在140 min時尤為顯著，大量高溫空氣滯留在帳篷內部，溫室效應持續到模擬實驗結束。

通過模擬在帳篷中心沿Y，Z軸建立高度區域線如圖9所示，研究帳篷內部溫度隨高度和橫向距離變化情況。高溫工況中心溫度分布如圖10所示，在升溫初期，各區域溫度分布較均勻，當實驗進行至140 min時，地面附近溫度306 K，當高度增加到1.7 m時，溫度增加到311 K,相當于正常成年人頭部和腳部溫差5 ℃，此時帳篷還處于門窗全打開工況下，若門窗全關閉,溫度會進一步上升。低溫工況中心溫度分布如圖11所示，對于低溫工況下，降溫初期帳篷內溫度均勻，隨環境艙進行內循環，冷風從門窗進入帳篷內部，頭部和腳部溫差3 ℃，120 min時帳篷內部0.6 m橫向平面出現266 K低溫。高0.6 m處橫向區域分析如圖12所示，當帳篷門窗全打開時，內部同一高度溫度對稱分布，在中心時溫度最低為265 K，與實驗溫度變化趨勢相同，其中實驗數據帳篷中心溫度比模擬溫度更低，這與圖7氣流運動規律相印證。同理，高溫工況也是中心區域溫度相對較高，可見夏季高溫時，應避免在帳篷中心生活。

圖6 內外表面溫度對比(高溫工況)Fig.6 Comparison of internal and external surface temperatures (high temperature case)

圖7 低溫工況溫度云圖(Z=3.0 m)Fig.7 Temperature cloud diagram (Z=3.0 m)

4 結論

1)使用大尺度環境艙能夠精確控制溫度，通過使用對流換熱方式，在環境氣候艙內模擬帳篷內外熱環境變化可行，該方法既可消除不穩定性實驗因素影響，也能有效縮短實驗周期。

2)采用極限溫度實驗方法，復現帳篷在極端高低溫環境中熱舒適性變化，帳篷特殊的篷圍結構會導致高溫環境下帳篷內部溫度高于外界，在低溫環境下帳篷內部溫度低于外界。

3)通過實驗與模擬對比，高溫工況在帳篷中心區域頭部和腳部區域溫差達到5 ℃，低溫工況溫差為3 ℃，在進風口高度范圍，帳篷內部溫度對稱分布，區域溫差8 ℃，中心處于不利位置。由此可見，溫度過高或過低時，應避免在附近工作生活。研究結果對目前通用救災帳篷熱舒適性能研究具有重要意義。

圖8 高溫工況溫度云圖(Z=3.0 m)Fig.8 Temperature could diagram in high temperature case when Z=3.0 m

圖9 帳篷內部高度區域線Fig.9 Internal height area line of tent

圖10 高溫工況中心溫度分布Fig.10 Central temperature distribution in high temperature case

圖11 低溫工況中心溫度分布Fig.11 Central temperature distribution in low temperature case

圖12 橫向區域溫度分布(Y=0.6 m)Fig.12 Temperature distribution in transverse area (Y=0.6 m)