高懷斌 黃光宏 李洪峻 李 俊

中國(guó)人民解放軍總后勤部建筑工程研究所

帳篷供暖選擇與研究進(jìn)展

高懷斌 黃光宏 李洪峻 李 俊

中國(guó)人民解放軍總后勤部建筑工程研究所

帳篷是防風(fēng)雪、防寒、防塵、防蚊蟲(chóng)等臨時(shí)居住場(chǎng)所，在抗震救災(zāi)、戰(zhàn)爭(zhēng)或演習(xí)、野外地質(zhì)勘探、道路修建以及旅游野外露營(yíng)中發(fā)揮著重要作用。本文分析了帳篷供暖的特點(diǎn)，歸納了國(guó)內(nèi)外帳篷供暖的主要裝備和供暖方式，指出了現(xiàn)有研究的不足，并對(duì)今后帳篷供暖研究方向和前景作了展望。

帳篷 供暖 暖風(fēng)機(jī) 太陽(yáng)能

0 引言

帳篷是防風(fēng)雪、防寒、防塵、防蚊蟲(chóng)等臨時(shí)居住場(chǎng)所，具有重量輕、展開(kāi)和撤收方便等優(yōu)點(diǎn)，可以作為抗震救災(zāi)、地質(zhì)勘探、道路修建、演習(xí)或戰(zhàn)爭(zhēng)等場(chǎng)合人員臨時(shí)性居住場(chǎng)所。帳篷圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度薄、重量輕，具有熱容小、熱惰性低等特點(diǎn)，帳篷內(nèi)溫度受地理、氣候等環(huán)境因素影響很大，波動(dòng)劇烈，常常出現(xiàn)夏季悶熱，冬季寒冷的情況。對(duì)于居住在帳篷內(nèi)的人員而言，空氣溫度分布以及隨時(shí)間的變化、空氣的相對(duì)濕度、氣流速度等是影響人員舒適性的主要因素。當(dāng)周?chē)鷼鉁剌^低時(shí)人體熱損失就會(huì)增加，長(zhǎng)時(shí)間處于低溫環(huán)境中，會(huì)引起抽搐、凍傷、心臟病或神經(jīng)性障礙等。因此，使用帳篷作為臨時(shí)居住場(chǎng)所的高寒地區(qū)，供暖對(duì)提高人員工作效率和睡眠質(zhì)量具有重要意義。

1 帳篷供暖方式特點(diǎn)及選擇

由于帳篷的特殊性，與常規(guī)建筑相比，帳篷供暖很少受到重視。王濤[1]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)民政部的12m2救災(zāi)帳篷內(nèi)存在1000W的熱源時(shí)，帳篷內(nèi)部溫度比未加熱帳篷提高6.1℃。王曉剛等[2]通過(guò)在帳篷外部搭建一層不同透氣量的篷蓋布，以改善帳篷內(nèi)的熱環(huán)境。Leigh-Smith等[3]討論了帳篷內(nèi)一氧化碳（CO）中毒問(wèn)題，總結(jié)了CO中毒案例和避免中毒的建議。Crawford等[4]通過(guò)試驗(yàn)研究寒冷條件帳篷內(nèi)的溫度和濕度，目的是改善帳篷內(nèi)部的生活條件，并發(fā)展評(píng)估帳篷內(nèi)生活質(zhì)量和舒適度的方法。

帳篷內(nèi)供暖可以顯著提高人體的熱舒適性，供暖方式按所使用的能源可以分為：燃料燃燒供暖（一次能源）、電力供暖（二次能源）、可再生能源供暖（可再生能源）。

1.1 燃料燃燒供暖

目前，國(guó)內(nèi)外帳篷主要采用爐具供暖，使用煤、燃油等化石燃料或者牛糞、秸稈、薪柴等生物質(zhì)作為燃料。美國(guó)Coleman公司研發(fā)了一系列便攜式帳篷取暖器（圖1），采用丙烷或者丁烷作燃料，使用鉑作催化劑、實(shí)現(xiàn)無(wú)焰燃燒，解決了明火加熱取暖安全隱患[5]。帳篷內(nèi)直接燃燒供暖的裝備體積小、熱效率高，但是存在人與裝備爭(zhēng)奪氧氣以及一氧化碳中毒的危險(xiǎn)。Thomassen等[6]研究了小型帳篷內(nèi)野營(yíng)燃油爐取暖對(duì)人體的影響，發(fā)現(xiàn)人員在帳篷中2小時(shí)后血液中CO濃度顯著升高。Zou等[7]研究了海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間燃油取暖器對(duì)帳篷內(nèi)污染物的影響，發(fā)現(xiàn)置換通風(fēng)是控制帳篷內(nèi)污染物的主要方法。然而，空氣冷風(fēng)滲透（即置換通風(fēng)）也是構(gòu)成帳篷熱負(fù)荷的重要部分。因此，燃油取暖器放置在帳篷內(nèi)的供暖方式需要控制置換通風(fēng)次數(shù)，以便達(dá)到帳篷保暖和控制污染物的目的。為保障安全、防止一氧化碳中毒，通常使用煙筒將爐具的廢氣排放至帳篷外，但使用帶有煙筒的爐具存在加煤時(shí)煙氣溢出的情況，需要人員值守等缺點(diǎn)。

美國(guó)軍方研發(fā)了可使用液體燃料和煤、木柴等固體燃料的多燃料供暖爐（H45），以及與其配套使用的熱電風(fēng)扇[8]，如圖2所示。爐具的上表面與散熱結(jié)構(gòu)分別構(gòu)成溫差發(fā)電器的熱端和冷端，產(chǎn)生的電力來(lái)驅(qū)動(dòng)熱電風(fēng)扇對(duì)冷端散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流冷卻。熱電風(fēng)扇可通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流降低供暖空間內(nèi)的垂直溫度梯度，提高人體的舒適性。國(guó)內(nèi)總后建筑工程研究所與西安交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了配套軍方供暖爐的熱電風(fēng)扇，并對(duì)熱電模塊與風(fēng)扇之間安裝肋片的復(fù)合散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，確定典型熱流密度下最優(yōu)散熱結(jié)構(gòu)[9，10]。

為遠(yuǎn)離燃燒粉塵和火焰，保證帳篷內(nèi)空氣的清潔度，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了室外安裝并通過(guò)軟管將熱空氣送入帳篷內(nèi)供暖的暖風(fēng)機(jī)。其原理是：爐膛內(nèi)燃油燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入熱交換器中與冷空氣進(jìn)行熱量交換，被加熱的空氣通過(guò)送風(fēng)風(fēng)機(jī)送入帳篷內(nèi)供暖。美國(guó)HDT Global公司、法國(guó)SERT公司、丹麥Dantherm公司等研制了專(zhuān)門(mén)供帳篷、指揮車(chē)、貨物車(chē)和運(yùn)輸車(chē)使用的暖風(fēng)機(jī)，其主要缺點(diǎn)是需要發(fā)電機(jī)同步供電。國(guó)內(nèi)西安建筑科技大學(xué)的王智偉等[11]根據(jù)熱平衡理論分析了暖風(fēng)機(jī)的傳熱過(guò)程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了爐膛內(nèi)燃燒以及煙氣與冷空氣的換熱計(jì)算公式?？偤蠼ㄖこ萄芯克睦羁〉萚12]針對(duì)高原地區(qū)低溫缺氧的環(huán)境條件，采用變頻技術(shù)對(duì)暖風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)燃燒換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，較好地解決了高海拔換熱效率低、送風(fēng)溫度不穩(wěn)定、工作噪聲大等問(wèn)題。李俊[13]指出采用暖風(fēng)機(jī)供暖時(shí)應(yīng)把握以下幾個(gè)原則:工作區(qū)內(nèi)氣流流速不大于0.3m/s；送風(fēng)時(shí)應(yīng)盡量減少蓬外送風(fēng)管熱損失；不能影響帳篷的功能及使用的便利性。為了提高野外作業(yè)的效率和可靠性，美國(guó)HDT Global公司和丹麥Alpcon公司分別研發(fā)了自供電暖風(fēng)機(jī)（圖3）[14]，利用熱電效應(yīng)通過(guò)液體燃燒和空氣冷卻建立的溫差供發(fā)電供暖風(fēng)機(jī)自身用電設(shè)備使用，多余的電力還可為電池充電或者滿足照明需求，無(wú)需外接電源，減輕了運(yùn)輸負(fù)擔(dān)。

圖2 美國(guó)軍方的H45爐及配套熱電風(fēng)扇

圖3 丹麥Alpcon公司的自供電暖風(fēng)機(jī)

1.2 電力供暖

電力供暖是帳篷供暖的另一種選擇，分為對(duì)流加熱器和輻射加熱器兩種類(lèi)型。PELONIS公司生產(chǎn)的陶瓷加熱器是一個(gè)典型的對(duì)流加熱器[15]，主要由陶瓷板、鋁散熱器和風(fēng)扇構(gòu)成，電流通過(guò)產(chǎn)生的熱量加熱陶瓷板和鋁散熱器，然后由風(fēng)扇將熱空氣送入帳篷內(nèi)取暖。輻射加熱器最典型的就是居家使用的“小太陽(yáng)”，一般由石英輻射管作為電熱元件，使遠(yuǎn)紅外輻射元件發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線被物體吸收，直接變?yōu)闊崮芏_(dá)到取暖的目的。最近，麻省理工學(xué)院的智慧城市實(shí)驗(yàn)室推出基于人體跟蹤的局部供暖（Local warming）概念[16]，使用LED燈作為熱源，熱量通過(guò)反光板向外投射，運(yùn)用Wi-Fi跟蹤技術(shù)將供暖精確定位到空間中的個(gè)體，達(dá)到局部取暖的目的。石宏偉等[17]研究了電熱涂料輻射供暖的熱舒適性，結(jié)果表明輻射方式是一種高效的帳篷供暖解決方案。電力供暖的優(yōu)點(diǎn)是溫度可精確控制，舒適度高，但是在沒(méi)有電力供應(yīng)的野外，使用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力供暖，效率很低。

1.3 太陽(yáng)能供暖

太陽(yáng)能是可再生的清潔能源，利用太陽(yáng)能供暖可分為太陽(yáng)能發(fā)電供暖和太陽(yáng)能相變蓄熱供暖。太陽(yáng)能發(fā)電供暖是將光伏電池覆蓋在帳篷的表面，利用光伏電池產(chǎn)生的電力供暖。Cornaro等[18]采用軟件IDA ICE 4.5數(shù)值模擬研究了帶有光伏電池帳篷的熱舒適性，指出墻體和屋面保溫可以顯著提高帳篷內(nèi)的溫度和舒適性。圖4是美國(guó)FTL太陽(yáng)能有限責(zé)任公司提供的節(jié)能解決途徑[19]，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需外界供電，節(jié)約燃料和運(yùn)輸成本。國(guó)內(nèi)丁樟富[20]提出用帳篷表面的薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)電，供太陽(yáng)能安全電熱毯發(fā)熱，解決了一般空調(diào)冬天腳冷的現(xiàn)象。郝廣亮[21]設(shè)計(jì)了一種“太陽(yáng)能空調(diào)帳篷”，將安裝在帳篷外側(cè)面的太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在鋰離子電池內(nèi)，再通過(guò)電源變換器轉(zhuǎn)變?yōu)榭照{(diào)適用的交流電，調(diào)節(jié)帳篷內(nèi)的空氣溫度。

圖4 太陽(yáng)能發(fā)電帳篷

夜間或者陰雨天時(shí)利用太陽(yáng)能發(fā)電供暖，需要利用白天儲(chǔ)存在蓄電池里的電能。電池類(lèi)電源產(chǎn)品存在能量密度低、不能穩(wěn)定持續(xù)供能等缺點(diǎn)，因此可直接利用相變儲(chǔ)能材料將太陽(yáng)輻射的熱量蓄積起來(lái)，供夜間或者陰雨天使用。西安建筑科技大學(xué)的劉艷峰等[22]設(shè)計(jì)了“相變太陽(yáng)能熱風(fēng)取暖器”，白天將蓄熱板置于室外充分接收日照發(fā)生相變，待夜間無(wú)太陽(yáng)輻射且室內(nèi)溫度較低時(shí)使用。西安交通大學(xué)的屈治國(guó)等[23]設(shè)計(jì)了“一種太陽(yáng)能相變蓄熱供暖裝置”，如圖5所示。白天，陽(yáng)光透過(guò)透明保溫板將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱能，蓄積在相變蓄熱小球內(nèi)；夜間當(dāng)室內(nèi)溫度過(guò)低時(shí)，啟動(dòng)供暖風(fēng)機(jī)帶動(dòng)空氣流動(dòng)，將熱量快速?gòu)男顭嵝∏蛑腥〕鰹槭覂?nèi)供暖。

圖5 太陽(yáng)能相變蓄熱供暖裝置

2 帳篷供暖方式比較

由于帳篷重量輕、厚度薄、熱容小、移動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，帳篷供暖裝置需要滿足重量輕、體積小，攜行方便以及能源可持續(xù)供應(yīng)等要求。目前帳篷供暖所采用的方式各有優(yōu)劣，分析如下：

1）采用生物質(zhì)燃料、固體燃料爐具供暖，若無(wú)煙囪時(shí)爐具熱效率高，但燃燒產(chǎn)生的煙氣直接排入室內(nèi)，帳篷內(nèi)空氣品質(zhì)差，容易發(fā)生一氧化碳中毒；有煙囪時(shí)，煙氣通過(guò)煙囪排至篷外，然而加燃料時(shí)煙氣容易溢出，篷內(nèi)空氣品質(zhì)有所下降。

2）采用液體燃料暖風(fēng)機(jī)供暖，暖風(fēng)機(jī)置于室外、使用間接換熱方式，帳篷內(nèi)空氣品質(zhì)好、溫度適宜，尤其是自供電暖風(fēng)機(jī)，無(wú)需外接電源，可根據(jù)要求自動(dòng)調(diào)節(jié)篷內(nèi)溫度，減少了裝備數(shù)量。

3）采用電力供暖，可根據(jù)外界環(huán)境條件精確控制加熱元件的功率和帳篷內(nèi)的溫度，但是供暖時(shí)需要配備發(fā)電機(jī)或蓄電池等電源設(shè)備，其整體能源利用率較低。

4）采用太陽(yáng)能發(fā)電供暖和太陽(yáng)能相變供暖，無(wú)需燃料運(yùn)輸，取暖安全、環(huán)保節(jié)能，但是熱效率低，且受地理環(huán)境、氣候條件等制約。

3 展望

由于帳篷頻繁移動(dòng)的特點(diǎn)，要求供暖裝備數(shù)量少、體積小、重量輕，目前主要的供暖裝備是固體燃料爐具和暖風(fēng)機(jī)，后續(xù)研究應(yīng)充分利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源供暖，還應(yīng)發(fā)展諸如局部供暖（Local warming）、自供電等先進(jìn)供暖技術(shù)，提高能源使用效率，提升帳篷內(nèi)的空氣品質(zhì)和舒適性。除了研究帳篷供暖裝備外，還應(yīng)對(duì)帳篷自身結(jié)構(gòu)及材料開(kāi)展研究，如采用空氣夾層結(jié)構(gòu)、氣凝膠等導(dǎo)熱系數(shù)低的保溫材料。此外，目前的研究主要集中在供暖裝備的研究上，供暖裝備與帳篷的配套性、居住人員的舒適性、帳篷供暖理論等有待進(jìn)一步研究。

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《建筑熱能通風(fēng)空調(diào)》征訂啟事

《建筑熱能通風(fēng)空調(diào)》雜志是由中國(guó)建筑學(xué)會(huì)主辦的國(guó)家級(jí)期刊，原名《通風(fēng)除塵》，創(chuàng)刊于1982年。本刊刊載的內(nèi)容涵蓋與建筑可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的建筑熱能動(dòng)力、暖通空調(diào)兩大行業(yè)，包括建筑冷熱源、暖通空調(diào)、制冷、通風(fēng)除塵、潔凈技術(shù)、可再生能源、燃?xì)鉄崃皻怏w動(dòng)力發(fā)生與傳輸，以及相關(guān)的建筑節(jié)能環(huán)保技術(shù)與設(shè)施。

★版面設(shè)置：刊物版面設(shè)置按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)B2B雜志編排習(xí)慣，分為研究論文、科技綜述、實(shí)用技術(shù)和信息交流四大板塊。

★讀者對(duì)象：主要面向國(guó)內(nèi)外建筑熱能、暖通空調(diào)與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的科研、設(shè)計(jì)、教學(xué)、制造、施工和運(yùn)行管理人員。

★裝幀開(kāi)本：膠裝108頁(yè)16開(kāi)本，四封、前后插頁(yè)廣告頁(yè)面全為環(huán)保類(lèi)型銅版紙，四色精印。

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Development and Selection of Tent Heating

GAO Huai-bin,HUANG Guang-hong,LI Hong-jun,LI Jun
The Construction Engineering Research Institute of the General Logistics Department of PLA

Tent is the temporary place to live against wind and snow,cold,dust,mosquitoes,which plays an important role in earthquake relief,war,exercise,geological exploration,road building,and wild camping.This paper analyzes the characteristics of the tent heating,and summarizes the main equipment and tent heating mode at home and abroad.It also points out the shortcomings of existing studies,and discussed the future direction and prospects of the tent heating.

tent,heating,space heater,solar energy

1003-0344（2015）04-036-4

2014-6-4

高懷斌（1982～），男，博士后，工程師；陜西省西安市金花北路16號(hào)（710032）；E-mail:gaohuaibin0904@163.com

國(guó)家支撐計(jì)劃（2012BAK05B03）；博士后基金（2013M542432）