燃煤炉防护结构对帐篷室内热环境的影响研究

李洪峻 宗守超 高怀斌* 刘剑飞 佐晓波 王考

1 中国人民解放军32181 部队

2 西安科技大学机械工程学院

我国地震、洪涝、台风、雪灾、泥石流等各类重特大灾害多灾频发，给国家和社会带来严重影响，国家防灾减灾工作面临严峻考验。灾后应急保障作为国家救灾应急力量体系的重要组成部分，尤其是应急生活保障系统的建设，关系到救灾行动中人员的安置和生活起居，对抢险救灾行动影响至关重要。高怀斌等[1]根据帐篷供暖的特点总结了国内外帐篷取暖的主要装备和供暖方式，对帐篷供暖研究方向和前景作了展望。帐篷作为抗震救灾、野外地质勘探、科学考察等野外露营的主要场所，其供暖方式和取暖效果直接影响人员正常工作与生活，对提高人员的舒适感和工作效率具有重要意义。

近年来国内外学者对帐篷内部热环境关注度越来越高，如何为帐篷内供暖、提高室内的舒适度进行了大量研究。李俊[2]在帐篷内采用轻质涤纶挂胶布软管管壁开孔的方式送风,即侧送风与喷口送风相结合的风量均匀的静压送风方式，使室内热环境得到一定程度的改善。赵二庆等[3]建议通过增加围护结构厚度及气密性、利用太阳能，减少冬季室内散热。安瑞楠等[4]对帐篷供暖送风方式进行了模拟分析，获得了合理的暖风机送风方式，改善帐篷供暖能耗高、内部热环境较差的现状。白音夫等[5]针对帐篷内温度波动剧烈，提出将相变材料与夜间自然通风技术相结合的方式改善帐篷内的热环境。Ghaddar 等[6]数值模拟研究了取暖炉位置对帐篷室内热舒适性的影响，结果表明在室内热舒适度不变的情况下改变室内炉体的位置，可以节约14%的燃料消耗。Cornaro 等[7]数值模拟研究了某应急避难所内的热行为和热舒适条件。张莉莉等[8]通过实验和数值模拟分析了帐篷室内温度对帐篷内表面温度和透气性的敏感性，得出帐篷内表面温度是影响帐篷室内热环境的关键因素。王涛等[9]实验对比研究了双顶帐篷和普通单顶帐篷室内热湿环境，指出双顶帐篷具有良好的隔热效果，能有效改善帐篷内部热、湿环境。Susanti 等[10]实验对比研究了单层帐篷和双层帐篷的热舒适性，结果表明双层帐篷的PMV 和PPD 指标均优于单层帐篷，但仍超出了Fanger 热舒适的可接受范围。

本文通过实验进一步研究了燃煤取暖炉防护结构对单层和双层帐篷室内的平均温度,垂直温度梯度以及水平温度的影响。

1 实验装置及内容

本文分别搭建了单层帐篷和内设棉内篷的双层帐篷（面积：30 m2），燃煤炉设置在帐篷的中部，采用设有防护网（尺寸：800 mm×600 mm×600 mm）和无防护网的燃煤取暖炉（尺寸：700 mm×500 mm×600 mm）对帐篷供暖。实验对比研究燃煤炉供暖时防护网结构对单/双层帐篷内的平均温度,垂直温度以及水平温度的影响。参考标准《GJB4306-2002 野营住房空间与环境参数限值》，采用T 型热电偶测量帐篷内的温度，帐篷内的热电偶测点分布如图1 所示。其中帐篷中部垂直设置5 个测温点监控帐篷内垂直温度分布，帐篷四周距离边墙1 m 处分别在离地0.4 m 和1.5 m 设置两个测温点，帐篷室外离地1.0 m 设置一个测温点监控帐篷外环境温度。每隔两小时添煤一次，每次添煤3.0 kg，待燃烧稳定后开启MX100 多通道数据采集系统，每隔5 分钟对帐篷内的温度自动采集和记录一次。

图1 帐篷内温度测点布置图

2 结果与分析

图2 给出了燃煤炉供暖时帐篷内的平均温度随时间变化的情况。从图中可以看出，帐篷内的平均温度呈周期性变化，加入煤之后帐篷的平均温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热量裂解导致炉膛温度降低，随着裂解的进行产生的部分可燃气体燃烧使得炉膛温度升高，燃烧进一步加剧。随着燃料中可燃物逐渐减少，燃烧产生的热量逐渐降低。帐篷内的平均温度随着煤加入炉膛之后的燃烧进程呈周期性变化。设有棉内篷的双层帐篷夜间的平均温度显著高于无棉内篷的单层帐篷，这是由于外层帐篷与棉内篷之间的空气夹层起到了保温作用。燃煤炉安装防护网能够起到防烫保护的作用，但帐篷内的平均温度低于无防护网的燃煤炉供暖，说明防护网在一定程度上阻碍了燃煤炉与篷内环境的对流和辐射传热。

图2 燃煤炉供暖时帐篷内的平均温度随时间变化

图3 燃煤炉供暖时帐篷内的帐篷内的垂直温度分布。从图中可以看出，单层和双层帐篷内的温度随着地面高度的增加而升高。一方面由于空气被燃煤炉加热，密度减小、向上运动，另一方面由于地面的低温冷辐射使得靠近地面的空气温度较低。单层和双层帐篷内距地面高度0.8 m 以下的区域温度相差不大，而随着高度的增加单层和双层帐篷内的温度差别增大，双层帐篷比单层帐篷内温度垂直失调严重，这是因为空气夹层可以减小与外部环境尤其是顶部的对流换热。安装防护网的燃煤炉较未安装防护网的燃煤炉供暖时帐篷内的垂直温度梯度大，进一步说明防护网阻碍了燃煤炉与篷内环境的对流和辐射传热，安装防护网后燃煤炉与帐篷内空气换热量减小。

图3 燃煤炉供暖时帐篷内的垂直温度分布

图4 给出了无防护网燃煤炉供暖时帐篷内不同高度的温度分布。双层帐篷由于棉内篷的存在，室内的垂直温度梯度较单层帐篷的垂直温度梯度大。帐篷内同一高度四周测点的温度均略低于中心测点温度，帐篷内同一水平面内温度分布较均匀。其原因是燃煤炉位于帐篷的中部，帐篷与外界环境通过外篷布换热。

图4 无防护网燃煤炉供暖时帐篷内的水平温度分布

3 结论

本文实验研究了帐篷的结构、供暖设备对帐篷内平均温度，垂直温度以及水平温度的影响，得到了以下主要结论：

1）帐篷内的温度随添煤频次周期性变化，加入煤之后帐篷的平均温度先略有降低后升高之后降低。由于外层帐篷与棉内篷之间的空气夹层的保温作用，设有棉内篷的双层帐篷夜间的平均温度显著高于无棉内篷的单层帐篷。

2）单层和双层帐篷内距地面高度0.8m 以下的区域温度相差不大，而随着高度的增加单层和双层帐篷内的温度差别增大。双层帐篷比单层帐篷内垂直温度梯度大，安装防护网的燃煤炉较未安装防护网的燃煤炉供暖时帐篷内的垂直温度梯度大，双层帐篷的空气夹层可以显著降低热量散失，而防护网的安装阻碍了燃煤炉与篷内环境的对流和辐射传热，减小了燃煤炉与帐篷内空气热量交换。

3）帐篷内温度的垂直失调严重，而帐篷内同一水平面内温度分布较均匀，同一高度四周测点的温度均略低于中心测点温度。强化帐篷顶部的保温可有效降低帐篷内的热量损失，提高帐篷内的平均温度，从而节约燃料的目的。