復(fù)合隔熱材料在帳篷中應(yīng)用效果的比較研究

佐曉波 宋瑤 范凱興 孫艷軍 李清慧 劉劍飛 李洪峻 高懷斌

1 中國(guó)人民解放軍32181 部隊(duì)

2 西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院

3 西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

帳篷作為一種臨時(shí)性建筑，具有展開撤收方便，存貯體積小、重量輕，便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、救援維和、科考施工、軍事演習(xí)等場(chǎng)合發(fā)揮著重要的作用。高懷斌等[1]歸納了國(guó)內(nèi)外帳篷供暖的主要裝備和供暖方式，并指出了現(xiàn)有研究的不足。夏天帳篷表面受太陽暴曬熱能持續(xù)累積，會(huì)導(dǎo)致帳篷表面和內(nèi)部溫度迅速升高，形成“日照超溫”現(xiàn)象[2]。帳篷圍護(hù)結(jié)構(gòu)的低熱阻，低熱惰性以及帳篷篷布的熱輻射吸收是造成其內(nèi)部環(huán)境惡劣的主要原因，隔熱保溫、減少太陽輻射已經(jīng)成為夏季改善帳篷室內(nèi)熱環(huán)境的重要手段。

國(guó)內(nèi)外對(duì)帳篷的研究主要集中在帳篷篷布材料的優(yōu)化和帳篷結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。楊萬國(guó)等[3]對(duì)帳篷用反射涂料進(jìn)行了研究，通過將乳液、顏料和反射填料等制成的具有良好隔熱能力的涂料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)噴涂該涂料的帳篷表面溫度降低10～12 ℃，內(nèi)部溫度降低6～8 ℃。田豐等[2]實(shí)驗(yàn)研究了雙層坡頂淺色帳篷，表明涂層帳篷平均溫度低于無涂層帳篷，降溫效果明顯。王濤等[4]在對(duì)單頂和雙頂帳篷進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)雙頂帳篷室內(nèi)溫度低于單頂帳篷，得到雙頂帳篷夏季能夠起到隔熱降溫改善室內(nèi)熱環(huán)境作用。錢晶晶等[5]總結(jié)了帳篷用隔熱夾芯材料包括紡織類隔熱材料和柔性氣凝膠隔熱材料的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)，其中如新型聚酰亞胺、纖維素等有機(jī)氣凝膠隔熱材料，具有質(zhì)輕，高效隔熱，紅外隱身，柔韌性好，可反復(fù)彎曲、折疊等優(yōu)點(diǎn)，是隔熱夾芯材料的良好選擇。趙瑞方等[6]研究了由有機(jī)氟滌綸防水帆布組成的外篷布，針刺棉制成的保暖間層和阻燃的滌綸襯布組成的游牧用帳篷，很大程度上改善了牧民的日常生活。為了改善帳篷圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，王軍等[7]提出了由外部織物層、相變層和內(nèi)部織物層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)并應(yīng)用于帳篷中，評(píng)估了復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱工性能以及確定了相變材料改善復(fù)合結(jié)構(gòu)熱工性能的有效性。糜娜等[8]制作了一款充氣式PVC 帳篷，研究表明帳篷表面敷設(shè)鋁箔能夠提高保溫性能。

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了由相變絮片、石墨烯-相變絮片、仿絲綿-相變絮片、針刺棉和氣凝膠等隔熱材料構(gòu)成的帳篷襯里的夏季隔熱效果。

1 實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容

本文依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 11048-2018 紡織品保溫性能試驗(yàn)方法》、《GB/T 5453-1997 紡織品織物透氣性的測(cè)定》和《FZ/T 64003-2011 噴膠棉絮片》對(duì)4 種材料進(jìn)行保溫性能和透氣性能進(jìn)行檢測(cè)，見表1。復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)由內(nèi)外面用150D 阻燃牛津布，中間直接鋪好需要復(fù)合的保溫材料，通過絎棉工藝分別制作了相變絮片、石墨烯-相變絮片、仿絲綿-相變絮片、針刺棉和氣凝膠5 種復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，由上述5 種復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)組成保溫內(nèi)篷。

表1 保溫性能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試所使用的帳篷為7.2 m2框架帳篷，帳篷底面面積為2.20 m×3.30 m，肩高為1.7 m，頂高為2.65 m，如圖1 所示。室內(nèi)空氣溫度和內(nèi)表面溫度采用T 型熱電偶測(cè)量，精度為0.01 ℃，所有熱電偶在實(shí)驗(yàn)前均進(jìn)行了標(biāo)定。受試帳篷內(nèi)分別布置6 個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)位分別布置在南、西、北方向距墻0.1 m 距地1.1m處與內(nèi)部距地0.1 m、1.1 m 和距頂0.1 m 處，室外布置1 個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如2 圖所示。測(cè)試時(shí)，MX100 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1 分鐘測(cè)量、自動(dòng)記錄一次室內(nèi)外各測(cè)點(diǎn)溫度。測(cè)試時(shí)帳篷放置在室外常溫環(huán)境條件下，測(cè)試記錄時(shí)間一般從22:00 至隔天22:00，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西西安。

圖1 測(cè)試帳篷結(jié)構(gòu)圖

圖2 帳篷內(nèi)外溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

2 結(jié)果與分析

圖3 為不同復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)帳篷中心不同高度溫度變化。從圖中可以看出帳篷室內(nèi)的空氣溫度隨著室外環(huán)境溫度的變化呈周期性變化，由于帳篷的熱惰性較小，室內(nèi)溫度隨室外環(huán)境溫度變化幾乎沒有滯后。帳篷室內(nèi)溫度隨太陽輻射變化非常敏感，當(dāng)太陽光被云層遮擋時(shí)帳篷室內(nèi)的溫度降低接近10 ℃。從總體趨勢(shì)來看，氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)帳篷的室內(nèi)空氣溫度最低，石墨烯-相變材料組合結(jié)構(gòu)和仿絲綿-相變材料組合結(jié)構(gòu)室內(nèi)空氣溫度次之，針刺棉復(fù)合結(jié)構(gòu)的室內(nèi)空氣溫度最高。氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)帳篷內(nèi)中心空氣溫度比針刺棉復(fù)合結(jié)構(gòu)帳篷第2.4 ℃。下午15 時(shí)左右室外空氣溫度為37.8 ℃，石墨烯-相變材料組合和仿絲綿-相變材料組合帳篷中心的空氣溫度達(dá)到了53.3 ℃，氣凝膠復(fù)合帳篷中心的最高空氣溫度也達(dá)到了51.4 ℃，帳篷內(nèi)的空氣溫度比環(huán)境溫度高15 ℃左右。此時(shí)，相變材料組合帳篷頂部附近的空氣溫度達(dá)到了58 ℃左右，地面附近的空氣溫度達(dá)到了50 ℃左右，帳篷頂部與地面附近溫差大8 ℃。氣凝膠帳篷頂部附近的室內(nèi)空氣溫度達(dá)到了55.7 ℃，地面附近的室內(nèi)空氣溫度為48.6 ℃，帳篷頂部與地面附近溫差大7.1 ℃。不同的保溫結(jié)構(gòu)帳篷內(nèi)溫度說明了氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)隔熱性能最優(yōu)。

圖3 帳篷中心空氣溫度變化

圖4 為不同復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)帳篷室內(nèi)南墻、西墻和北墻附近距地1.1 m 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化。從總體趨勢(shì)來看，氣凝膠復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)帳篷的隔熱性能最好，相變絮片保溫結(jié)構(gòu)帳篷的隔熱效果最差，氣凝膠帳篷比相變材料復(fù)合結(jié)構(gòu)帳篷的空氣溫度低2 ℃左右。南墻、西墻、北墻附近測(cè)溫點(diǎn)的溫度值依次略有降低、差別不大，太陽輻射對(duì)帳篷內(nèi)同一平面內(nèi)溫度影響不大。

圖4 帳篷側(cè)墻附近距地1.1 m 溫度變化圖

3 結(jié)論

帳篷室內(nèi)的空氣溫度隨著室外環(huán)境溫度的變化呈周期性變化，由于帳篷的熱惰性較小，室內(nèi)溫度隨室外環(huán)境溫度變化幾乎沒有滯后。帳篷室內(nèi)溫度隨太陽輻射變化非常敏感，當(dāng)太陽光被云層遮擋時(shí)帳篷室內(nèi)的溫度降低接近10 ℃。總體來看，氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)帳篷的室內(nèi)空氣溫度最低，石墨烯-相變材料組合結(jié)構(gòu)和仿絲綿-相變材料組合結(jié)構(gòu)室內(nèi)空氣溫度次之，針刺棉復(fù)合結(jié)構(gòu)的室內(nèi)空氣溫度最高。帳篷中心位置頂部與地面附近溫差相差可達(dá)8 ℃，同一水平面的南向、北向溫差相差不大。不同保溫結(jié)構(gòu)帳篷內(nèi)溫度說明氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔熱性能最優(yōu)，但無論采用哪種保溫隔熱結(jié)構(gòu)帳篷白天室內(nèi)的都超過50 ℃，“日照超溫”現(xiàn)象嚴(yán)重，若無空調(diào)制冷裝備，人員在帳篷內(nèi)無法居住。后續(xù)研究擬采用減少太陽輻射和降低保溫隔熱材料熱阻雙管齊下的方法來降低熱負(fù)荷，改善帳篷室內(nèi)熱環(huán)境。