复合隔热材料在帐篷中应用效果的比较研究

佐晓波 宋瑶 范凯兴 孙艳军 李清慧 刘剑飞 李洪峻 高怀斌

1 中国人民解放军32181 部队

2 西安建筑科技大学建筑学院

3 西安科技大学机械工程学院

0 引言

帐篷作为一种临时性建筑，具有展开撤收方便，存贮体积小、重量轻，便于运输等特点，在抢险救灾、救援维和、科考施工、军事演习等场合发挥着重要的作用。高怀斌等[1]归纳了国内外帐篷供暖的主要装备和供暖方式，并指出了现有研究的不足。夏天帐篷表面受太阳暴晒热能持续累积，会导致帐篷表面和内部温度迅速升高，形成“日照超温”现象[2]。帐篷围护结构的低热阻，低热惰性以及帐篷篷布的热辐射吸收是造成其内部环境恶劣的主要原因，隔热保温、减少太阳辐射已经成为夏季改善帐篷室内热环境的重要手段。

国内外对帐篷的研究主要集中在帐篷篷布材料的优化和帐篷结构的改进。杨万国等[3]对帐篷用反射涂料进行了研究，通过将乳液、颜料和反射填料等制成的具有良好隔热能力的涂料进行现场对比性实验，发现喷涂该涂料的帐篷表面温度降低10～12 ℃，内部温度降低6～8 ℃。田丰等[2]实验研究了双层坡顶浅色帐篷，表明涂层帐篷平均温度低于无涂层帐篷，降温效果明显。王涛等[4]在对单顶和双顶帐篷进行对比分析的基础上，发现双顶帐篷室内温度低于单顶帐篷，得到双顶帐篷夏季能够起到隔热降温改善室内热环境作用。钱晶晶等[5]总结了帐篷用隔热夹芯材料包括纺织类隔热材料和柔性气凝胶隔热材料的研究进展及发展趋势，其中如新型聚酰亚胺、纤维素等有机气凝胶隔热材料，具有质轻，高效隔热，红外隐身，柔韧性好，可反复弯曲、折叠等优点，是隔热夹芯材料的良好选择。赵瑞方等[6]研究了由有机氟涤纶防水帆布组成的外篷布，针刺棉制成的保暖间层和阻燃的涤纶衬布组成的游牧用帐篷，很大程度上改善了牧民的日常生活。为了改善帐篷围护结构的热工性能，王军等[7]提出了由外部织物层、相变层和内部织物层组成的复合结构并应用于帐篷中，评估了复合结构的热工性能以及确定了相变材料改善复合结构热工性能的有效性。糜娜等[8]制作了一款充气式PVC 帐篷，研究表明帐篷表面敷设铝箔能够提高保温性能。

本文通过实验研究了由相变絮片、石墨烯-相变絮片、仿丝绵-相变絮片、针刺棉和气凝胶等隔热材料构成的帐篷衬里的夏季隔热效果。

1 实验方法及内容

本文依据国家标准《GB/T 11048-2018 纺织品保温性能试验方法》、《GB/T 5453-1997 纺织品织物透气性的测定》和《FZ/T 64003-2011 喷胶棉絮片》对4 种材料进行保温性能和透气性能进行检测，见表1。复合保温结构由内外面用150D 阻燃牛津布，中间直接铺好需要复合的保温材料，通过绗棉工艺分别制作了相变絮片、石墨烯-相变絮片、仿丝绵-相变絮片、针刺棉和气凝胶5 种复合保温结构，由上述5 种复合保温结构组成保温内篷。

表1 保温性能测试结果

测试所使用的帐篷为7.2 m2框架帐篷，帐篷底面面积为2.20 m×3.30 m，肩高为1.7 m，顶高为2.65 m，如图1 所示。室内空气温度和内表面温度采用T 型热电偶测量，精度为0.01 ℃，所有热电偶在实验前均进行了标定。受试帐篷内分别布置6 个热电偶测点，测量点位分别布置在南、西、北方向距墙0.1 m 距地1.1m处与内部距地0.1 m、1.1 m 和距顶0.1 m 处，室外布置1 个热电偶测点，测点布置如2 图所示。测试时，MX100 多通道数据采集系统每隔1 分钟测量、自动记录一次室内外各测点温度。测试时帐篷放置在室外常温环境条件下，测试记录时间一般从22:00 至隔天22:00，实验地点位于陕西西安。

图1 测试帐篷结构图

图2 帐篷内外温度测点布置图

2 结果与分析

图3 为不同复合保温结构帐篷中心不同高度温度变化。从图中可以看出帐篷室内的空气温度随着室外环境温度的变化呈周期性变化，由于帐篷的热惰性较小，室内温度随室外环境温度变化几乎没有滞后。帐篷室内温度随太阳辐射变化非常敏感，当太阳光被云层遮挡时帐篷室内的温度降低接近10 ℃。从总体趋势来看，气凝胶复合结构帐篷的室内空气温度最低，石墨烯-相变材料组合结构和仿丝绵-相变材料组合结构室内空气温度次之，针刺棉复合结构的室内空气温度最高。气凝胶复合结构帐篷内中心空气温度比针刺棉复合结构帐篷第2.4 ℃。下午15 时左右室外空气温度为37.8 ℃，石墨烯-相变材料组合和仿丝绵-相变材料组合帐篷中心的空气温度达到了53.3 ℃，气凝胶复合帐篷中心的最高空气温度也达到了51.4 ℃，帐篷内的空气温度比环境温度高15 ℃左右。此时，相变材料组合帐篷顶部附近的空气温度达到了58 ℃左右，地面附近的空气温度达到了50 ℃左右，帐篷顶部与地面附近温差大8 ℃。气凝胶帐篷顶部附近的室内空气温度达到了55.7 ℃，地面附近的室内空气温度为48.6 ℃，帐篷顶部与地面附近温差大7.1 ℃。不同的保温结构帐篷内温度说明了气凝胶复合结构隔热性能最优。

图3 帐篷中心空气温度变化

图4 为不同复合保温结构帐篷室内南墙、西墙和北墙附近距地1.1 m 监测点的温度变化。从总体趋势来看，气凝胶复合保温结构帐篷的隔热性能最好，相变絮片保温结构帐篷的隔热效果最差，气凝胶帐篷比相变材料复合结构帐篷的空气温度低2 ℃左右。南墙、西墙、北墙附近测温点的温度值依次略有降低、差别不大，太阳辐射对帐篷内同一平面内温度影响不大。

图4 帐篷侧墙附近距地1.1 m 温度变化图

3 结论

帐篷室内的空气温度随着室外环境温度的变化呈周期性变化，由于帐篷的热惰性较小，室内温度随室外环境温度变化几乎没有滞后。帐篷室内温度随太阳辐射变化非常敏感，当太阳光被云层遮挡时帐篷室内的温度降低接近10 ℃。总体来看，气凝胶复合结构帐篷的室内空气温度最低，石墨烯-相变材料组合结构和仿丝绵-相变材料组合结构室内空气温度次之，针刺棉复合结构的室内空气温度最高。帐篷中心位置顶部与地面附近温差相差可达8 ℃，同一水平面的南向、北向温差相差不大。不同保温结构帐篷内温度说明气凝胶复合结构的隔热性能最优，但无论采用哪种保温隔热结构帐篷白天室内的都超过50 ℃，“日照超温”现象严重，若无空调制冷装备，人员在帐篷内无法居住。后续研究拟采用减少太阳辐射和降低保温隔热材料热阻双管齐下的方法来降低热负荷，改善帐篷室内热环境。