适用于寒冷气候的充气帐篷保温性能及优化研究

糜娜 陈颜杰 周翔 张静思 许玲 张旭

同济大学暖通空调研究所

本研究设计制作了一款适用于寒冷气候 [1]的充气式PVC 帐篷。对于充气帐篷，受外形和结构限制，难以采用传统围护结构热工测试方法（标定热箱法或防护热箱法）进行测试。本研究通过冷库实验，测试低温环境下帐篷内外空气温度、壁面温度，测算该 PVC 帐篷的综合传热系数。所计算得到的综合传热系数虽然是一种等效传热系数，但可以用来对比帐篷保温性能的相对大小，对充气帐篷热负荷预测及热源选取也有重要意义。此外，本文还测试比较了帐体表面敷设铝箔对帐篷保温性能的影响。

1 充气帐篷设计及保温性能测试方案

1.1 充气帐篷设计

考虑到寒冷气候使用帐篷的需求，设计制作了充气帐篷，该充气帐篷主体由内外两层厚度 0.9 mm PVC双面涂层强韧夹网布构成，帐体空气层厚度 250 mm。帐体采用拉片式结构，用牛津布粘接内外两层帐体内表面，在支撑帐体的同时将整个气室分割为多个小气室，起到一定阻隔空气流动的作用，减小夹层内空气对流传热，并且加压打气或抽气时空气仍可通过，便于充放气。帐体采用闭气充气结构，采用了高频热合成型的方式来保证接缝的气密性。

充气帐篷为半球形蒙古包式，不设窗户，拉链式双层门，底部铺设圆形充气地垫。帐篷内容纳人数 2人，根据人体工程学确定帐篷尺寸，内部净高900 mm，内部底面直径 2000 mm，地垫厚度 200 mm。帐篷的尺寸、气室结构如图 1（a）所示，图 1（b）为充气帐篷实物图。

图1 充气式PVC 帐篷尺寸及实物图

1.2 保温性能测试方案

1.2.1 测试方法

本研究使用某冷库模拟寒冷气候下的室外温度，测试充气帐篷的保温性能，冷库温度可通过控制器进行设定。使用暖风机作为充气帐篷内部热源，使用调压器改变暖风机功率。冷库内空气温度以及帐篷内空气温度稳定后，暖风机加热量（即其加热功率）等于帐篷向外散热量，故可以根据帐篷内部平均空气温度t1和冷库平均空气温度t0，暖风机的加热功率P、帐篷外表面积A算出帐篷的综合传热系数。

式中：K为充气式围护结构的综合传热系数，W/(m2· ℃)；P为暖风机加热功率，W ；A为帐篷外表面积，含地面，m2；t1为充气帐篷内部平均空气温度，℃ ；t0为冷库平均空气温度，℃ 。

需要指出的是，由于帐篷是一种特殊的充气式围护结构，计算时选取的面积A为帐篷的外表面积，所计算得到的综合传热系数沿用了传统传热系数的概念，实际是一种等效传热系数，可以用来对比帐篷保温性能的相对大小，与相同传热系数的建筑围护结构并不具可比性。

冷库温度选取 -15 ℃、-10 ℃、-5 ℃、0 ℃四个水平，暖风机加热功率选取 100 W、200 W、300 W、400 W、500 W 五个水平。固定加热功率改变冷库温度，或固定冷库温度改变加热功率组成多种工况，对比分析不同冷库温度下充气帐篷的保温性能以及暖风机加热功率对充气帐篷综合传热系数的影响。各个工况均进行了三次重复性实验。

因帐篷内表面温度较低，仅利用帐篷内空气温度来反映内部人员热舒适情况不合理，所以引入操作温度来表征帐篷内人体的综合热舒适程度。为简便计算，实验中，采用面积加权法计算平均辐射温度 [2]，用平均空气温度和平均辐射温度的平均值计算操作温度[3]。

1.2.2 测试仪器及测点布置

使用天建华仪 WZY-1 温度自记仪测量空气温度和帐篷壁面温度。使用天建华仪WGLZY-1 功率记录仪测量热源功率。使用上海德力西 YY-FTQS 单相风机调速器改变暖风机功率。在地垫上放置暖风机作为内部热源，调整暖风机布置，使得温度测点避开暖风机的热风射流，避免引起较大实验误差。

充气帐篷内布置13 个温度测点，5 个用于测算平均空气温度，5 个用于测算平均侧壁温度，3 个用于测算平均地垫温度。帐篷内部平均空气温度为中心不同高度处5 个测点的温度平均值，平均壁面温度由 5 个壁面温度和3 个地垫温度按面积加权求得。帐篷侧壁温度测点与中心空气温度测点同高。冷库内布置 2 个温度测点。冷库的尺寸 3.79 m× 2.84 m× 2.4 m，冷库温度可通过控制器进行设定，内部实际温度在设定值± 1 ℃波动。测点分布，暖风机位置以及充气帐篷与冷库相对位置如图2 所示（a 点处为 2 个测点，分别测空气温度和地垫温度）。

图2 测点分布及实验布置情况

2 测试结果分析与讨论

2.1 不同冷库温度下帐篷保温性能

图3 为暖风机加热功率为500 W 时，不同冷库温度下充气帐篷的综合传热系数，平均空气温度和操作温度实验结果。当冷库温度-10 ℃时，帐篷内平均空气温度为17.1 ℃。但由于帐篷内表面温度较低，测量得到的操作温度为13.1 ℃。当冷库温度-15 ℃时，平均空气温度为12.7 ℃，操作温度为9.6 ℃。相较于室外极度恶劣的环境，若采用一定功率的内热源进行加热，充气帐篷能够维持帐篷内温度基本达到卫生学要求，降低冷暴露对人体的伤害，保证人员在户外环境下的安全和舒适。

图3 不同冷库温度下综合传热系数，平均空气温度和操作温度情况

暖风机加热功率为500 W 时，冷库温度从-15 ℃提高到0 ℃，充气帐篷内部空气温度从12.7 ℃上升至26.3 ℃、操作温度从 9.6 ℃上升至 21.5 ℃，综合传热系数无明显变化，均值为1.281 W/(m·2℃)。

图4 为不同冷库温度下，帐篷内部各高度空气温度分布情况。帐篷内部垂直方向存在一定的热分层现象，温度梯度较大，帐篷顶部和底部温度相差约 8～10 ℃，温度梯度对帐篷内的人员热舒适也存在一定的影响。

图4 不同冷库温度下热分层情况

2.2 加热功率对帐篷综合传热系数影响

图5 所示为冷库温度 -10 ℃时，暖风机加热功率分别为 100 W、200 W、300 W、400 W、500 W 时充气帐篷的综合传热系数、平均空气温度和操作温度的情况。不同加热功率下充气帐篷的综合传热系数存在差异，加热功率越高，综合传热系数也越高，综合传热系数K在 0.739～1 .267 W/(m2· ℃)范围内变化，平均空气温度从 -0.3 ℃上升至 17.1 ℃，操作温度从 -1.8 ℃上升至13.1 ℃。分析其原因可能是，当暖风机输入功率降低时，风机转速、电热丝发热量降低，帐篷内空气流速下降，且充气帐篷内外表面以及内部夹层空气的温度均下降，帐篷内外表面对流换热系数减小、夹层空气自然对流换热系数减小，因而帐篷整体综合传热系数随加热功率下降。

图5 加热功率对综合传热系数，平均空气温度和操作温度的影响

2.3 充气帐篷与普通帐篷保温性能对比

在冷库温度 -10 ℃，帐篷内加热功率 500 W 的实验条件下，对普通帐篷也进行了保温性能的测试，相关结果如表 1 所示。普通帐篷的综合传热系数为 5.321 W/(m2· ℃)，远高于充气帐篷的 1.267 W/(m2· ℃)，帐篷内操作温度1.5 ℃也远低于充气帐篷的13.1 ℃。由此可见，充气帐篷保温性能优势明显，更适合在寒冷气候下使用。

表1 普通帐篷与充气帐篷保温性能测试结果对比

3 充气帐篷保温性能优化研究

3.1 保温性能优化方案

GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[4]指出，在相同热流状态和相同空气间层厚度的情况下，封闭空气层贴设铝箔后墙体热阻值会增大。本文测试比较了贴设铝箔与不贴设铝箔以及不同的覆盖方式（内表面覆盖、外表面覆盖、内外表面均覆盖）对充气帐篷的保温性能的影响。

铝箔粘贴在帐篷表面。具体材料为带有铝箔涂层的PET 膜，厚度为 12 μm 。实验方法及测点分布等均不改变，铝箔的覆盖方式见图6。

图6 铝箔覆盖方式

3.2 保温性能测试结果

如图7 所示，在冷库温度-10 ℃，暖风机输入功率500 W 条件下，铝箔外覆盖、内覆盖及内外表面均覆盖可将帐篷综合传热系数从无覆盖的1.267 W/(m2· ℃)分别降低到 1.119 W/(m2· ℃)、1.017 W/(m2· ℃)和 0.914 W/(m2· ℃)，与无覆盖相比下降 12%，20%和 28 %，贴设铝箔后充气帐篷保温性能明显得到优化。帐篷内平均空气温度分别从无覆盖的 17.1 ℃上升至 21.3 ℃，24.0 ℃和27.6 ℃，操作温度分别从无覆盖的 14.3 ℃上升至 16.1 ℃，19.0 ℃和 21.4 ℃，贴铝箔有助于提高帐篷内人员舒适性。内表面覆盖铝箔相较于外表面覆盖，能更有效提高充气帐篷保温性能。

图7 不同覆盖方式的综合传热系数、平均空气温度和操作温度

4 结论

本文通过冷库模拟寒冷气候下的室外环境，测试了充气式PVC 帐篷的内部空气温度、操作温度和综合传热系数，并研究了壁面贴设铝箔对围护结构保温性能的影响。研究对充气帐篷热负荷预测及热源选取有重要意义。

主要结论如下：

1）充气帐篷在环境温度为 -10 ℃，加热功率500 W 条件下，综合传热系数为 1.267 W/(m2· ℃)，内部空气温度和操作温度达到了17.1 ℃和13.1 ℃，均远高于普通帐篷，具有更好的热舒适度。

2）冷库温度-10 ℃，加热功率为100～5 00 W 时，充气帐篷内平均空气温度在-0.3～1 7.1 ℃范围内，操作温度在-1.8～1 3.1 ℃范围内，综合传热系数在0.739～1 .267 W/(m·2℃)范围内，加热功率越高，综合传热系数越高。

3）冷库温度从-15 ℃提高到0 ℃，加热功率 500 W时，充气帐篷内部空气温度和操作温度上升，但冷库温度对综合传热系数无明显影响，平均为 1.281 W/(m2· ℃)。

4）冷库温度-10 ℃，加热功率为500 W 时，铝箔外覆盖、内覆盖及内外表面均覆盖综合传热系数分别降低到 1.119 W/(m2· ℃)、1.017 W/(m2· ℃) 和 0.914 W/(m2· ℃)，与无覆盖相比下降 12%，20%和 28%，平均空气温度从无覆盖的 17.1 ℃上升至 21.3 ℃、24.0 ℃和27.6 ℃，操作温度从无覆盖的 14.3 ℃上升至 16.1 ℃、19.0 ℃和21.4 ℃。覆盖铝箔能改善充气帐篷的保温性能，提升内部人员的热舒适性，内表面覆盖铝箔相较于外表面覆盖铝箔更有效。