帳篷供暖選擇與研究進展

高懷斌 黃光宏 李洪峻 李 俊

中國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展

高懷斌 黃光宏 李洪峻 李 俊

中國人民解放軍總后勤部建筑工程研究所

帳篷是防風雪、防寒、防塵、防蚊蟲等臨時居住場所，在抗震救災、戰爭或演習、野外地質勘探、道路修建以及旅游野外露營中發揮著重要作用。本文分析了帳篷供暖的特點，歸納了國內外帳篷供暖的主要裝備和供暖方式，指出了現有研究的不足，并對今后帳篷供暖研究方向和前景作了展望。

帳篷 供暖 暖風機 太陽能

0 引言

帳篷是防風雪、防寒、防塵、防蚊蟲等臨時居住場所，具有重量輕、展開和撤收方便等優點，可以作為抗震救災、地質勘探、道路修建、演習或戰爭等場合人員臨時性居住場所。帳篷圍護結構厚度薄、重量輕，具有熱容小、熱惰性低等特點，帳篷內溫度受地理、氣候等環境因素影響很大，波動劇烈，常常出現夏季悶熱，冬季寒冷的情況。對于居住在帳篷內的人員而言，空氣溫度分布以及隨時間的變化、空氣的相對濕度、氣流速度等是影響人員舒適性的主要因素。當周圍氣溫較低時人體熱損失就會增加，長時間處于低溫環境中，會引起抽搐、凍傷、心臟病或神經性障礙等。因此，使用帳篷作為臨時居住場所的高寒地區，供暖對提高人員工作效率和睡眠質量具有重要意義。

1 帳篷供暖方式特點及選擇

由于帳篷的特殊性，與常規建筑相比，帳篷供暖很少受到重視。王濤[1]研究發現當民政部的12m2救災帳篷內存在1000W的熱源時，帳篷內部溫度比未加熱帳篷提高6.1℃。王曉剛等[2]通過在帳篷外部搭建一層不同透氣量的篷蓋布，以改善帳篷內的熱環境。Leigh-Smith等[3]討論了帳篷內一氧化碳（CO）中毒問題，總結了CO中毒案例和避免中毒的建議。Crawford等[4]通過試驗研究寒冷條件帳篷內的溫度和濕度，目的是改善帳篷內部的生活條件，并發展評估帳篷內生活質量和舒適度的方法。

帳篷內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，國內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、薪柴等生物質作為燃料。美國Coleman公司研發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、實現無焰燃燒，解決了明火加熱取暖安全隱患[5]。帳篷內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奪氧氣以及一氧化碳中毒的危險。Thomassen等[6]研究了小型帳篷內野營燃油爐取暖對人體的影響，發現人員在帳篷中2小時后血液中CO濃度顯著升高。Zou等[7]研究了海灣戰爭期間燃油取暖器對帳篷內污染物的影響，發現置換通風是控制帳篷內污染物的主要方法。然而，空氣冷風滲透（即置換通風）也是構成帳篷熱負荷的重要部分。因此，燃油取暖器放置在帳篷內的供暖方式需要控制置換通風次數，以便達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煙氣溢出的情況，需要人員值守等缺點。

美國軍方研發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扇[8]，如圖2所示。爐具的上表面與散熱結構分別構成溫差發電器的熱端和冷端，產生的電力來驅動熱電風扇對冷端散熱結構進行強制對流冷卻。熱電風扇可通過強制對流降低供暖空間內的垂直溫度梯度，提高人體的舒適性。國內總后建筑工程研究所與西安交通大學聯合研發了配套軍方供暖爐的熱電風扇，并對熱電模塊與風扇之間安裝肋片的復合散熱結構進行數值優化，確定典型熱流密度下最優散熱結構[9，10]。

為遠離燃燒粉塵和火焰，保證帳篷內空氣的清潔度，國內外研發了室外安裝并通過軟管將熱空氣送入帳篷內供暖的暖風機。其原理是：爐膛內燃油燃燒產生的高溫煙氣進入熱交換器中與冷空氣進行熱量交換，被加熱的空氣通過送風風機送入帳篷內供暖。美國HDT Global公司、法國SERT公司、丹麥Dantherm公司等研制了專門供帳篷、指揮車、貨物車和運輸車使用的暖風機，其主要缺點是需要發電機同步供電。國內西安建筑科技大學的王智偉等[11]根據熱平衡理論分析了暖風機的傳熱過程，并結合實驗數據提出了爐膛內燃燒以及煙氣與冷空氣的換熱計算公式?？偤蠼ㄖこ萄芯克睦羁〉萚12]針對高原地區低溫缺氧的環境條件，采用變頻技術對暖風機進行改進，并根據實驗結果對燃燒換熱器進行了優化設計，較好地解決了高海拔換熱效率低、送風溫度不穩定、工作噪聲大等問題。李俊[13]指出采用暖風機供暖時應把握以下幾個原則:工作區內氣流流速不大于0.3m/s；送風時應盡量減少蓬外送風管熱損失；不能影響帳篷的功能及使用的便利性。為了提高野外作業的效率和可靠性，美國HDT Global公司和丹麥Alpcon公司分別研發了自供電暖風機（圖3）[14]，利用熱電效應通過液體燃燒和空氣冷卻建立的溫差供發電供暖風機自身用電設備使用，多余的電力還可為電池充電或者滿足照明需求，無需外接電源，減輕了運輸負擔。

圖2 美國軍方的H45爐及配套熱電風扇

圖3 丹麥Alpcon公司的自供電暖風機

1.2 電力供暖

電力供暖是帳篷供暖的另一種選擇，分為對流加熱器和輻射加熱器兩種類型。PELONIS公司生產的陶瓷加熱器是一個典型的對流加熱器[15]，主要由陶瓷板、鋁散熱器和風扇構成，電流通過產生的熱量加熱陶瓷板和鋁散熱器，然后由風扇將熱空氣送入帳篷內取暖。輻射加熱器最典型的就是居家使用的“小太陽”，一般由石英輻射管作為電熱元件，使遠紅外輻射元件發出的遠紅外線被物體吸收，直接變為熱能而達到取暖的目的。最近，麻省理工學院的智慧城市實驗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，熱量通過反光板向外投射，運用Wi-Fi跟蹤技術將供暖精確定位到空間中的個體，達到局部取暖的目的。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。電力供暖的優點是溫度可精確控制，舒適度高，但是在沒有電力供應的野外，使用發電機產生的電力供暖，效率很低。

1.3 太陽能供暖

太陽能是可再生的清潔能源，利用太陽能供暖可分為太陽能發電供暖和太陽能相變蓄熱供暖。太陽能發電供暖是將光伏電池覆蓋在帳篷的表面，利用光伏電池產生的電力供暖。Cornaro等[18]采用軟件IDA ICE 4.5數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的溫度和舒適性。圖4是美國FTL太陽能有限責任公司提供的節能解決途徑[19]，其優點是無需外界供電，節約燃料和運輸成本。國內丁樟富[20]提出用帳篷表面的薄膜太陽能電池發電，供太陽能安全電熱毯發熱，解決了一般空調冬天腳冷的現象。郝廣亮[21]設計了一種“太陽能空調帳篷”，將安裝在帳篷外側面的太陽能電池產生的電能儲存在鋰離子電池內，再通過電源變換器轉變為空調適用的交流電，調節帳篷內的空氣溫度。

圖4 太陽能發電帳篷

夜間或者陰雨天時利用太陽能發電供暖，需要利用白天儲存在蓄電池里的電能。電池類電源產品存在能量密度低、不能穩定持續供能等缺點，因此可直接利用相變儲能材料將太陽輻射的熱量蓄積起來，供夜間或者陰雨天使用。西安建筑科技大學的劉艷峰等[22]設計了“相變太陽能熱風取暖器”，白天將蓄熱板置于室外充分接收日照發生相變，待夜間無太陽輻射且室內溫度較低時使用。西安交通大學的屈治國等[23]設計了“一種太陽能相變蓄熱供暖裝置”，如圖5所示。白天，陽光透過透明保溫板將太陽輻射轉化為熱能，蓄積在相變蓄熱小球內；夜間當室內溫度過低時，啟動供暖風機帶動空氣流動，將熱量快速從蓄熱小球中取出為室內供暖。

圖5 太陽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、移動頻繁等特點，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供應等要求。目前帳篷供暖所采用的方式各有優劣，分析如下：

1）采用生物質燃料、固體燃料爐具供暖，若無煙囪時爐具熱效率高，但燃燒產生的煙氣直接排入室內，帳篷內空氣品質差，容易發生一氧化碳中毒；有煙囪時，煙氣通過煙囪排至篷外，然而加燃料時煙氣容易溢出，篷內空氣品質有所下降。

2）采用液體燃料暖風機供暖，暖風機置于室外、使用間接換熱方式，帳篷內空氣品質好、溫度適宜，尤其是自供電暖風機，無需外接電源，可根據要求自動調節篷內溫度，減少了裝備數量。

3）采用電力供暖，可根據外界環境條件精確控制加熱元件的功率和帳篷內的溫度，但是供暖時需要配備發電機或蓄電池等電源設備，其整體能源利用率較低。

4）采用太陽能發電供暖和太陽能相變供暖，無需燃料運輸，取暖安全、環保節能，但是熱效率低，且受地理環境、氣候條件等制約。

3 展望

由于帳篷頻繁移動的特點，要求供暖裝備數量少、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機，后續研究應充分利用風能、太陽能等可再生能源供暖，還應發展諸如局部供暖（Local warming）、自供電等先進供暖技術，提高能源使用效率，提升帳篷內的空氣品質和舒適性。除了研究帳篷供暖裝備外，還應對帳篷自身結構及材料開展研究，如采用空氣夾層結構、氣凝膠等導熱系數低的保溫材料。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一步研究。

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《建筑熱能通風空調》征訂啟事

《建筑熱能通風空調》雜志是由中國建筑學會主辦的國家級期刊，原名《通風除塵》，創刊于1982年。本刊刊載的內容涵蓋與建筑可持續發展密切相關的建筑熱能動力、暖通空調兩大行業，包括建筑冷熱源、暖通空調、制冷、通風除塵、潔凈技術、可再生能源、燃氣熱力及氣體動力發生與傳輸，以及相關的建筑節能環保技術與設施。

★版面設置：刊物版面設置按照國際標準B2B雜志編排習慣，分為研究論文、科技綜述、實用技術和信息交流四大板塊。

★讀者對象：主要面向國內外建筑熱能、暖通空調與環境保護領域的科研、設計、教學、制造、施工和運行管理人員。

★裝幀開本：膠裝108頁16開本，四封、前后插頁廣告頁面全為環保類型銅版紙，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（710032）；E-mail:gaohuaibin0904@163.com

國家支撐計劃（2012BAK05B03）；博士后基金（2013M542432）