帐篷供暖选择与研究进展

高怀斌 黄光宏 李洪峻 李 俊

中国人民解放军总后勤部建筑工程研究所

帐篷供暖选择与研究进展

高怀斌 黄光宏 李洪峻 李 俊

中国人民解放军总后勤部建筑工程研究所

帐篷是防风雪、防寒、防尘、防蚊虫等临时居住场所，在抗震救灾、战争或演习、野外地质勘探、道路修建以及旅游野外露营中发挥着重要作用。本文分析了帐篷供暖的特点，归纳了国内外帐篷供暖的主要装备和供暖方式，指出了现有研究的不足，并对今后帐篷供暖研究方向和前景作了展望。

帐篷 供暖 暖风机 太阳能

0 引言

帐篷是防风雪、防寒、防尘、防蚊虫等临时居住场所，具有重量轻、展开和撤收方便等优点，可以作为抗震救灾、地质勘探、道路修建、演习或战争等场合人员临时性居住场所。帐篷围护结构厚度薄、重量轻，具有热容小、热惰性低等特点，帐篷内温度受地理、气候等环境因素影响很大，波动剧烈，常常出现夏季闷热，冬季寒冷的情况。对于居住在帐篷内的人员而言，空气温度分布以及随时间的变化、空气的相对湿度、气流速度等是影响人员舒适性的主要因素。当周围气温较低时人体热损失就会增加，长时间处于低温环境中，会引起抽搐、冻伤、心脏病或神经性障碍等。因此，使用帐篷作为临时居住场所的高寒地区，供暖对提高人员工作效率和睡眠质量具有重要意义。

1 帐篷供暖方式特点及选择

由于帐篷的特殊性，与常规建筑相比，帐篷供暖很少受到重视。王涛[1]研究发现当民政部的12m2救灾帐篷内存在1000W的热源时，帐篷内部温度比未加热帐篷提高6.1℃。王晓刚等[2]通过在帐篷外部搭建一层不同透气量的篷盖布，以改善帐篷内的热环境。Leigh-Smith等[3]讨论了帐篷内一氧化碳（CO）中毒问题，总结了CO中毒案例和避免中毒的建议。Crawford等[4]通过试验研究寒冷条件帐篷内的温度和湿度，目的是改善帐篷内部的生活条件，并发展评估帐篷内生活质量和舒适度的方法。

帐篷内供暖可以显著提高人体的热舒适性，供暖方式按所使用的能源可以分为：燃料燃烧供暖（一次能源）、电力供暖（二次能源）、可再生能源供暖（可再生能源）。

1.1 燃料燃烧供暖

目前，国内外帐篷主要采用炉具供暖，使用煤、燃油等化石燃料或者牛粪、秸秆、薪柴等生物质作为燃料。美国Coleman公司研发了一系列便携式帐篷取暖器（图1），采用丙烷或者丁烷作燃料，使用铂作催化剂、实现无焰燃烧，解决了明火加热取暖安全隐患[5]。帐篷内直接燃烧供暖的装备体积小、热效率高，但是存在人与装备争夺氧气以及一氧化碳中毒的危险。Thomassen等[6]研究了小型帐篷内野营燃油炉取暖对人体的影响，发现人员在帐篷中2小时后血液中CO浓度显著升高。Zou等[7]研究了海湾战争期间燃油取暖器对帐篷内污染物的影响，发现置换通风是控制帐篷内污染物的主要方法。然而，空气冷风渗透（即置换通风）也是构成帐篷热负荷的重要部分。因此，燃油取暖器放置在帐篷内的供暖方式需要控制置换通风次数，以便达到帐篷保暖和控制污染物的目的。为保障安全、防止一氧化碳中毒，通常使用烟筒将炉具的废气排放至帐篷外，但使用带有烟筒的炉具存在加煤时烟气溢出的情况，需要人员值守等缺点。

美国军方研发了可使用液体燃料和煤、木柴等固体燃料的多燃料供暖炉（H45），以及与其配套使用的热电风扇[8]，如图2所示。炉具的上表面与散热结构分别构成温差发电器的热端和冷端，产生的电力来驱动热电风扇对冷端散热结构进行强制对流冷却。热电风扇可通过强制对流降低供暖空间内的垂直温度梯度，提高人体的舒适性。国内总后建筑工程研究所与西安交通大学联合研发了配套军方供暖炉的热电风扇，并对热电模块与风扇之间安装肋片的复合散热结构进行数值优化，确定典型热流密度下最优散热结构[9，10]。

为远离燃烧粉尘和火焰，保证帐篷内空气的清洁度，国内外研发了室外安装并通过软管将热空气送入帐篷内供暖的暖风机。其原理是：炉膛内燃油燃烧产生的高温烟气进入热交换器中与冷空气进行热量交换，被加热的空气通过送风风机送入帐篷内供暖。美国HDT Global公司、法国SERT公司、丹麦Dantherm公司等研制了专门供帐篷、指挥车、货物车和运输车使用的暖风机，其主要缺点是需要发电机同步供电。国内西安建筑科技大学的王智伟等[11]根据热平衡理论分析了暖风机的传热过程，并结合实验数据提出了炉膛内燃烧以及烟气与冷空气的换热计算公式。总后建筑工程研究所的李俊等[12]针对高原地区低温缺氧的环境条件，采用变频技术对暖风机进行改进，并根据实验结果对燃烧换热器进行了优化设计，较好地解决了高海拔换热效率低、送风温度不稳定、工作噪声大等问题。李俊[13]指出采用暖风机供暖时应把握以下几个原则:工作区内气流流速不大于0.3m/s；送风时应尽量减少蓬外送风管热损失；不能影响帐篷的功能及使用的便利性。为了提高野外作业的效率和可靠性，美国HDT Global公司和丹麦Alpcon公司分别研发了自供电暖风机（图3）[14]，利用热电效应通过液体燃烧和空气冷却建立的温差供发电供暖风机自身用电设备使用，多余的电力还可为电池充电或者满足照明需求，无需外接电源，减轻了运输负担。

图2 美国军方的H45炉及配套热电风扇

图3 丹麦Alpcon公司的自供电暖风机

1.2 电力供暖

电力供暖是帐篷供暖的另一种选择，分为对流加热器和辐射加热器两种类型。PELONIS公司生产的陶瓷加热器是一个典型的对流加热器[15]，主要由陶瓷板、铝散热器和风扇构成，电流通过产生的热量加热陶瓷板和铝散热器，然后由风扇将热空气送入帐篷内取暖。辐射加热器最典型的就是居家使用的“小太阳”，一般由石英辐射管作为电热元件，使远红外辐射元件发出的远红外线被物体吸收，直接变为热能而达到取暖的目的。最近，麻省理工学院的智慧城市实验室推出基于人体跟踪的局部供暖（Local warming）概念[16]，使用LED灯作为热源，热量通过反光板向外投射，运用Wi-Fi跟踪技术将供暖精确定位到空间中的个体，达到局部取暖的目的。石宏伟等[17]研究了电热涂料辐射供暖的热舒适性，结果表明辐射方式是一种高效的帐篷供暖解决方案。电力供暖的优点是温度可精确控制，舒适度高，但是在没有电力供应的野外，使用发电机产生的电力供暖，效率很低。

1.3 太阳能供暖

太阳能是可再生的清洁能源，利用太阳能供暖可分为太阳能发电供暖和太阳能相变蓄热供暖。太阳能发电供暖是将光伏电池覆盖在帐篷的表面，利用光伏电池产生的电力供暖。Cornaro等[18]采用软件IDA ICE 4.5数值模拟研究了带有光伏电池帐篷的热舒适性，指出墙体和屋面保温可以显著提高帐篷内的温度和舒适性。图4是美国FTL太阳能有限责任公司提供的节能解决途径[19]，其优点是无需外界供电，节约燃料和运输成本。国内丁樟富[20]提出用帐篷表面的薄膜太阳能电池发电，供太阳能安全电热毯发热，解决了一般空调冬天脚冷的现象。郝广亮[21]设计了一种“太阳能空调帐篷”，将安装在帐篷外侧面的太阳能电池产生的电能储存在锂离子电池内，再通过电源变换器转变为空调适用的交流电，调节帐篷内的空气温度。

图4 太阳能发电帐篷

夜间或者阴雨天时利用太阳能发电供暖，需要利用白天储存在蓄电池里的电能。电池类电源产品存在能量密度低、不能稳定持续供能等缺点，因此可直接利用相变储能材料将太阳辐射的热量蓄积起来，供夜间或者阴雨天使用。西安建筑科技大学的刘艳峰等[22]设计了“相变太阳能热风取暖器”，白天将蓄热板置于室外充分接收日照发生相变，待夜间无太阳辐射且室内温度较低时使用。西安交通大学的屈治国等[23]设计了“一种太阳能相变蓄热供暖装置”，如图5所示。白天，阳光透过透明保温板将太阳辐射转化为热能，蓄积在相变蓄热小球内；夜间当室内温度过低时，启动供暖风机带动空气流动，将热量快速从蓄热小球中取出为室内供暖。

图5 太阳能相变蓄热供暖装置

2 帐篷供暖方式比较

由于帐篷重量轻、厚度薄、热容小、移动频繁等特点，帐篷供暖装置需要满足重量轻、体积小，携行方便以及能源可持续供应等要求。目前帐篷供暖所采用的方式各有优劣，分析如下：

1）采用生物质燃料、固体燃料炉具供暖，若无烟囱时炉具热效率高，但燃烧产生的烟气直接排入室内，帐篷内空气品质差，容易发生一氧化碳中毒；有烟囱时，烟气通过烟囱排至篷外，然而加燃料时烟气容易溢出，篷内空气品质有所下降。

2）采用液体燃料暖风机供暖，暖风机置于室外、使用间接换热方式，帐篷内空气品质好、温度适宜，尤其是自供电暖风机，无需外接电源，可根据要求自动调节篷内温度，减少了装备数量。

3）采用电力供暖，可根据外界环境条件精确控制加热元件的功率和帐篷内的温度，但是供暖时需要配备发电机或蓄电池等电源设备，其整体能源利用率较低。

4）采用太阳能发电供暖和太阳能相变供暖，无需燃料运输，取暖安全、环保节能，但是热效率低，且受地理环境、气候条件等制约。

3 展望

由于帐篷频繁移动的特点，要求供暖装备数量少、体积小、重量轻，目前主要的供暖装备是固体燃料炉具和暖风机，后续研究应充分利用风能、太阳能等可再生能源供暖，还应发展诸如局部供暖（Local warming）、自供电等先进供暖技术，提高能源使用效率，提升帐篷内的空气品质和舒适性。除了研究帐篷供暖装备外，还应对帐篷自身结构及材料开展研究，如采用空气夹层结构、气凝胶等导热系数低的保温材料。此外，目前的研究主要集中在供暖装备的研究上，供暖装备与帐篷的配套性、居住人员的舒适性、帐篷供暖理论等有待进一步研究。

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[23]屈治国,高怀斌,何雅玲,等.一种太阳能相变蓄热供暖装置及方法[P].ZL201110455355.6

《建筑热能通风空调》征订启事

《建筑热能通风空调》杂志是由中国建筑学会主办的国家级期刊，原名《通风除尘》，创刊于1982年。本刊刊载的内容涵盖与建筑可持续发展密切相关的建筑热能动力、暖通空调两大行业，包括建筑冷热源、暖通空调、制冷、通风除尘、洁净技术、可再生能源、燃气热力及气体动力发生与传输，以及相关的建筑节能环保技术与设施。

★版面设置：刊物版面设置按照国际标准B2B杂志编排习惯，分为研究论文、科技综述、实用技术和信息交流四大板块。

★读者对象：主要面向国内外建筑热能、暖通空调与环境保护领域的科研、设计、教学、制造、施工和运行管理人员。

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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

高怀斌（1982～），男，博士后，工程师；陕西省西安市金花北路16号（710032）；E-mail:gaohuaibin0904@163.com

国家支撑计划（2012BAK05B03）；博士后基金（2013M542432）