燃煤爐防護(hù)結(jié)構(gòu)對帳篷室內(nèi)熱環(huán)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(xué)機械工程學(xué)院

我國地震、洪澇、臺風(fēng)、雪災(zāi)、泥石流等各類重特大災(zāi)害多災(zāi)頻發(fā)，給國家和社會帶來嚴(yán)重影響，國家防災(zāi)減災(zāi)工作面臨嚴(yán)峻考驗。災(zāi)后應(yīng)急保障作為國家救災(zāi)應(yīng)急力量體系的重要組成部分，尤其是應(yīng)急生活保障系統(tǒng)的建設(shè)，關(guān)系到救災(zāi)行動中人員的安置和生活起居，對搶險救災(zāi)行動影響至關(guān)重要。高懷斌等[1]根據(jù)帳篷供暖的特點總結(jié)了國內(nèi)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(zāi)、野外地質(zhì)勘探、科學(xué)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(nèi)外學(xué)者對帳篷內(nèi)部熱環(huán)境關(guān)注度越來越高，如何為帳篷內(nèi)供暖、提高室內(nèi)的舒適度進(jìn)行了大量研究。李俊[2]在帳篷內(nèi)采用輕質(zhì)滌綸掛膠布軟管管壁開孔的方式送風(fēng),即側(cè)送風(fēng)與噴口送風(fēng)相結(jié)合的風(fēng)量均勻的靜壓送風(fēng)方式，使室內(nèi)熱環(huán)境得到一定程度的改善。趙二慶等[3]建議通過增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度及氣密性、利用太陽能，減少冬季室內(nèi)散熱。安瑞楠等[4]對帳篷供暖送風(fēng)方式進(jìn)行了模擬分析，獲得了合理的暖風(fēng)機送風(fēng)方式，改善帳篷供暖能耗高、內(nèi)部熱環(huán)境較差的現(xiàn)狀。白音夫等[5]針對帳篷內(nèi)溫度波動劇烈，提出將相變材料與夜間自然通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合的方式改善帳篷內(nèi)的熱環(huán)境。Ghaddar 等[6]數(shù)值模擬研究了取暖爐位置對帳篷室內(nèi)熱舒適性的影響，結(jié)果表明在室內(nèi)熱舒適度不變的情況下改變室內(nèi)爐體的位置，可以節(jié)約14%的燃料消耗。Cornaro 等[7]數(shù)值模擬研究了某應(yīng)急避難所內(nèi)的熱行為和熱舒適條件。張莉莉等[8]通過實驗和數(shù)值模擬分析了帳篷室內(nèi)溫度對帳篷內(nèi)表面溫度和透氣性的敏感性，得出帳篷內(nèi)表面溫度是影響帳篷室內(nèi)熱環(huán)境的關(guān)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(nèi)熱濕環(huán)境，指出雙頂帳篷具有良好的隔熱效果，能有效改善帳篷內(nèi)部熱、濕環(huán)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(jié)果表明雙層帳篷的PMV 和PPD 指標(biāo)均優(yōu)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(jìn)一步研究了燃煤取暖爐防護(hù)結(jié)構(gòu)對單層和雙層帳篷室內(nèi)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(nèi)容

本文分別搭建了單層帳篷和內(nèi)設(shè)棉內(nèi)篷的雙層帳篷（面積：30 m2），燃煤爐設(shè)置在帳篷的中部，采用設(shè)有防護(hù)網(wǎng)（尺寸：800 mm×600 mm×600 mm）和無防護(hù)網(wǎng)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(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)對單/雙層帳篷內(nèi)的平均溫度,垂直溫度以及水平溫度的影響。參考標(biāo)準(zhǔn)《GJB4306-2002 野營住房空間與環(huán)境參數(shù)限值》，采用T 型熱電偶測量帳篷內(nèi)的溫度，帳篷內(nèi)的熱電偶測點分布如圖1 所示。其中帳篷中部垂直設(shè)置5 個測溫點監(jiān)控帳篷內(nèi)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(shè)置兩個測溫點，帳篷室外離地1.0 m 設(shè)置一個測溫點監(jiān)控帳篷外環(huán)境溫度。每隔兩小時添煤一次，每次添煤3.0 kg，待燃燒穩(wěn)定后開啟MX100 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每隔5 分鐘對帳篷內(nèi)的溫度自動采集和記錄一次。

圖1 帳篷內(nèi)溫度測點布置圖

2 結(jié)果與分析

圖2 給出了燃煤爐供暖時帳篷內(nèi)的平均溫度隨時間變化的情況。從圖中可以看出，帳篷內(nèi)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(dǎo)致爐膛溫度降低，隨著裂解的進(jìn)行產(chǎn)生的部分可燃?xì)怏w燃燒使得爐膛溫度升高，燃燒進(jìn)一步加劇。隨著燃料中可燃物逐漸減少，燃燒產(chǎn)生的熱量逐漸降低。帳篷內(nèi)的平均溫度隨著煤加入爐膛之后的燃燒進(jìn)程呈周期性變化。設(shè)有棉內(nèi)篷的雙層帳篷夜間的平均溫度顯著高于無棉內(nèi)篷的單層帳篷，這是由于外層帳篷與棉內(nèi)篷之間的空氣夾層起到了保溫作用。燃煤爐安裝防護(hù)網(wǎng)能夠起到防燙保護(hù)的作用，但帳篷內(nèi)的平均溫度低于無防護(hù)網(wǎng)的燃煤爐供暖，說明防護(hù)網(wǎng)在一定程度上阻礙了燃煤爐與篷內(nèi)環(huán)境的對流和輻射傳熱。

圖2 燃煤爐供暖時帳篷內(nèi)的平均溫度隨時間變化

圖3 燃煤爐供暖時帳篷內(nèi)的帳篷內(nèi)的垂直溫度分布。從圖中可以看出，單層和雙層帳篷內(nèi)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(nèi)距地面高度0.8 m 以下的區(qū)域溫度相差不大，而隨著高度的增加單層和雙層帳篷內(nèi)的溫度差別增大，雙層帳篷比單層帳篷內(nèi)溫度垂直失調(diào)嚴(yán)重，這是因為空氣夾層可以減小與外部環(huán)境尤其是頂部的對流換熱。安裝防護(hù)網(wǎng)的燃煤爐較未安裝防護(hù)網(wǎng)的燃煤爐供暖時帳篷內(nèi)的垂直溫度梯度大，進(jìn)一步說明防護(hù)網(wǎng)阻礙了燃煤爐與篷內(nèi)環(huán)境的對流和輻射傳熱，安裝防護(hù)網(wǎng)后燃煤爐與帳篷內(nèi)空氣換熱量減小。

圖3 燃煤爐供暖時帳篷內(nèi)的垂直溫度分布

圖4 給出了無防護(hù)網(wǎng)燃煤爐供暖時帳篷內(nèi)不同高度的溫度分布。雙層帳篷由于棉內(nèi)篷的存在，室內(nèi)的垂直溫度梯度較單層帳篷的垂直溫度梯度大。帳篷內(nèi)同一高度四周測點的溫度均略低于中心測點溫度，帳篷內(nèi)同一水平面內(nèi)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(huán)境通過外篷布換熱。

圖4 無防護(hù)網(wǎng)燃煤爐供暖時帳篷內(nèi)的水平溫度分布

3 結(jié)論

本文實驗研究了帳篷的結(jié)構(gòu)、供暖設(shè)備對帳篷內(nèi)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(jié)論：

1）帳篷內(nèi)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(nèi)篷之間的空氣夾層的保溫作用，設(shè)有棉內(nèi)篷的雙層帳篷夜間的平均溫度顯著高于無棉內(nèi)篷的單層帳篷。

2）單層和雙層帳篷內(nèi)距地面高度0.8m 以下的區(qū)域溫度相差不大，而隨著高度的增加單層和雙層帳篷內(nèi)的溫度差別增大。雙層帳篷比單層帳篷內(nèi)垂直溫度梯度大，安裝防護(hù)網(wǎng)的燃煤爐較未安裝防護(hù)網(wǎng)的燃煤爐供暖時帳篷內(nèi)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(hù)網(wǎng)的安裝阻礙了燃煤爐與篷內(nèi)環(huán)境的對流和輻射傳熱，減小了燃煤爐與帳篷內(nèi)空氣熱量交換。

3）帳篷內(nèi)溫度的垂直失調(diào)嚴(yán)重，而帳篷內(nèi)同一水平面內(nèi)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(nèi)的熱量損失，提高帳篷內(nèi)的平均溫度，從而節(jié)約燃料的目的。