引言帐篷作为临时性建筑，具有快速机动、重复利用率高、成本低廉等特点，且对道路交通、市政供应等要求较低。但是从目前的应用效果和研究现状看，帐篷保障模式仍存在弊端，如夏季帐篷内温度过高、室内空气不流畅等问题[1]，严重影响到帐篷内人员的工作和生活。由于帐篷篷壁导热系数高，且热惰性差，帐篷内热环境极易受外界环境的影响，而外界环境的主要影响因素是太阳辐射[2]。太阳辐射中直射辐射占比超过60%[3]，太阳直射建筑围护结构外表面，提高表面温度，通过对流换热提高室内温度和平均辐射温度，影响人体与环境之间的热平衡，进而影响人体热感觉[4]。帐篷实际使用时大多采用农用遮阳网，对太阳的直射辐射遮挡率不高。帐篷顶部在通风不善的情况下，辐射得热仍在顶部积累。针对太阳辐射对帐篷的影响，提出一种仿垂柳式遮阳网改善帐篷内的热环境。在传统遮阳网基础上，有间隔地加装垂柳须条，用于阻挡并吸收太阳直射辐射，将太阳直射辐射转换为长波辐射，目的在于设计仿垂柳遮阳网的最佳垂柳长度并测试新型外遮阳效果。定量分析太阳直射辐射、散射辐射的遮挡率和帐篷外壁面的降温率，研究新型外遮阳对帐篷内辐射温度及PMV的影响。1仿垂柳遮阳网设计太阳入射光线示意图如图1所示。由于纬度差异和地球公转与自转，太阳高度角在不同地点、不同时刻都不同。时间越靠近中午，地点越靠近太阳直射点，太阳高度角越高。太阳高度角由当地纬度φ、时角ω和赤纬角δ共同决定，太阳高度角h的计算公式为[5]：δ=23.45sin360×284+n365 (1)ω=T-12×15° (2)h=sinφsinδ+cosφcosδcosω (3)式中：n——距离1月1日的天数；T——当地时刻。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F001图1太阳入射光线示意图完全挡住太阳辐射所需的垂柳长度L与垂柳间隔D的关系为：tanh=L/Dcosω (4)LD=tanhcosω (5)天气晴朗情况下，太阳直射辐射在10：00~14：00保持较高的辐射强度，随着热量在帐篷壁面及内部空气的积累，帐篷各处的最高温度通常出现在14：00附近[6]。内陆地区一年中最热时间一般为7月，沿海地区一般为8月[7]，所以取7月30日为参考时间，计算不同纬度中午时间（12：00~14：00）太阳高度角和所需垂柳长度，计算结果如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F002图2中午不同纬度太阳高度角和所需垂柳长度从图2可以看出，位置越靠近赤道，太阳高度角越高，垂柳所需的长度在靠近赤道时急剧增加，过长的垂柳使遮阳网性价比降低，所以仿垂柳遮阳网在低纬度地区相较于传统遮阳网优势并不明显。在中高纬度地区，垂柳所需的长度较短，同等长度的垂柳遮阳效率相较于低纬度地区大幅提高。中纬度地区在12：00所需的垂柳长度仍然很长，如果需要在夏季全天保证垂柳能完全遮挡太阳辐射，需要较长的垂柳，成本依然较高。可采取每天保证2 h的设计方法确定垂柳长度，即允许12：00左右部分太阳辐射透过水平遮阳层到达建筑物表面，既能保证除11：00~13：00之外的遮阳效率，又能降低成本。2试验研究2.1试验系统为探究新型遮阳网对帐篷热环境的影响，分别采用带有仿垂柳遮阳网和六针遮阳网的两顶帐篷为试验对象，进行对比试验。仿垂柳遮阳网如图3所示，六针遮阳网如图4所示。地点选在福建省漳州市（24°45′N、117°82′E），时间为10月8日~10月9日，东南风，平均风速1.5 m/s。帐篷尺寸为6.6 m×5.7 m×2.57 m，肩高1.5 m，面料为涂层帆布加白色牛津布，帐篷内衬反射层，反射层与外壁面间隔10 cm左右。帐篷内部结构如图5所示。仿垂柳遮阳网的垂柳间隔为30 cm，保证13：00所需的L/D为1.4，所以垂柳长度取42 cm。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F003图3仿垂柳遮阳网10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F004图4六针遮阳网10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F005图5帐篷内部结构中午期间太阳辐射最强烈，室外气温达到最高。为还原实际情况，每个帐篷设置10个床位，测试时组织20名人员在13：00~14：40分别在两个帐篷内午休，测试人员年龄在18~30岁之间。测试工况如表1所示。试验使用纽扣温度记录仪记录帐篷内外空气温度以及帐篷外表面温度。使用TBS—YG5全自动太阳辐射监测系统记录整个工况下的太阳总辐射以及直射辐射。纽扣温度记录仪如图6所示，TBS—YG5全自动太阳辐射监测系统如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T001表1帐篷热环境测试工况工况试验组对照组工况1仿垂柳外遮阳无外遮阳工况2仿垂柳外遮阳六针遮阳网10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F006图6纽扣温度记录仪10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F007图7TBS—YG5全自动太阳辐射监测系统2.2试验结果及分析2.2.1仿垂柳遮阳与无遮阳对比研究仿垂柳遮阳网与无遮阳网下帐篷温度变化如图8所示。图8仿垂柳遮阳网与无遮阳网下帐篷温度变化10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F8a110.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F8a210.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F8a3如图8所示，帐篷外表面吸收太阳辐射后温度升高，并将热量通过对流和辐射换热传递到与空气夹层与内壁反射层，从而提高帐篷内的空气温度与辐射温度。由于帐篷热阻小且热惰性差，室内外温度及各壁面温度随太阳辐射强度的变化而变化，同时也看出影响帐篷热环境的主要因素就是太阳辐射。试验期间由于室外风速较大，且门窗均处于打开状态，通风效果良好，室内外的温差不大，12：00~15：00期间，试验组比对照组低1.8 ℃。试验组帐篷壁面温度由于仿垂柳遮阳网的良好遮阳效果明显低于对照组，中午期间对照组顶部最高温度达到45.7 ℃，顶部平均温度相比试验组高10.2 ℃；试验组南向外表面平均温度为32 ℃，对照组南向外表面最高温度达到42.4 ℃，平均温度相比试验组高出5.2 ℃。通过温度数据发现，仿垂柳遮阳网能有效降低白天帐篷外壁面温度，以此大幅减少帐篷的得热量。2.2.2仿垂柳遮阳与六针遮阳网对比研究建筑遮阳系数SC，即在照射时间内，同一透光围护结构部件外表面有建筑外遮阳和没有建筑外遮阳的两种情况下，接收到的两个不同太阳辐射量的比值。直射外遮阳系数DSC，是指相同照射时间内，帐篷在有外遮阳网和没有外遮阳网两种情况下，接收到的直射辐射比值，具体计算公式如下：SC=SR'SR (6)DSC=D'D (7)各工况下辐射量如图9所示。遮阳系数与直射遮阳系数结果，如图10所示。试验期间，天气总体良好，太阳辐射强烈，中午总辐射强度在600~950 W/m2之间。仿垂柳遮阳网与六针遮阳网下帐篷温度变化如图11所示。相比六针遮阳网，仿垂柳遮阳网对太阳直射辐射的遮阳效果提升86.4%，总辐射的遮阳效果提升26.7%。由于试验组帐篷外表面接受的辐射量大幅减少，壁面温度也明显下降。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F009图9各工况下辐射量10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F010图10遮阳系数与直射遮阳系数图11仿垂柳遮阳网与六针遮阳网下帐篷温度变化及辐射数据10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F11a110.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F11a210.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F11a310.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F11a4遮阳网对比试验中，天气情况同前一试验条件相差不大，太阳总辐射量在600~900 W/m2之间，当天风速较小。对照组加装六针遮阳网的情况下，室内空气平均温度相比室外并没有下降，比试验组仍高出1.8 ℃。试验组中午期间顶部平均温度相比对照组降低11.7 ℃，南向外表面平均温度相比对照组降低4.9 ℃。由此可以看出，六针遮阳网虽然能够在一定程度上减少帐篷的辐射得热，但是不能缓解帐篷对辐射得热的热量积累，并没有降低帐篷壁面的最高温度。值得注意的是，午休时人员在帐篷内均为卧姿，与帐篷顶部内表面的辐射热交换的角系数最大，顶部的温度对帐篷内人员的热感觉影响最大，降低帐篷顶部温度能有效降低人体与帐篷壁面的辐射换热量。3模拟分析试验测试时间在10月，气温和辐射强度不及6~8月，而且在大规模使用时，帐篷往往集中驻扎，帐篷之间间距较小，通风不畅，帐篷的辐射得热容易在帐篷内部积蓄。为进一步探究遮阳网在实际使用过程中对帐篷内热环境的改善程度，笔者使用Fluent软件对帐篷的遮阳工况的温度场进行了数值模拟。在其他条件不变的情况下改变帐篷外壁面接收的太阳辐射强度及入射角度，通过模拟得出帐篷内壁面温度分布。3.1边界条件（1）帐篷材料采用PVC帆布涂层，导热系数0.081 4 W/（m·K），厚度为0.5 mm，太阳辐射吸收系数为0.7[8]；（2）模拟日期为7月30日，时间13：00。空白组太阳辐射采用Fluent内部气象数据，太阳直射辐射强度D=883 W/m2，散射辐射强度S=200 W/m2；遮阳网下太阳直接辐射强度为D'=D×DSC，散射辐射强度为S'=D+S×SC-D'。（3）室外温度为34 ℃，东南风，风速1.5 m/s，帐篷门窗均开启，入口边界为速度边界，出口为自由边界；室内地面温度恒温，内有10人午休，散热量为50 W/人。3.2模拟结果及分析3种工况的内壁温度模拟结果如图12所示，帐篷内壁温度均值如图13所示。从模拟结果可以看出，遮阳能有效降低帐篷内壁温，而且仿垂柳遮阳网的降温效果好于六针遮阳网。由于帐篷顶部没有开口，空气夹层内的热量在顶部积蓄，导致顶部温度远高于其他位置。无遮阳情况下顶部最高温度达到58 ℃，平均值也达到50.2 ℃，而六针遮阳网下顶部平均温度为44.8 ℃，仿垂柳遮阳网下顶部平均温度仅有34.1 ℃，各壁面基本不受太阳辐射的影响。东面因照不到太阳，且受风速的影响，各工况差别不大，其余壁面仿垂柳遮阳温度比六针遮阳温度降低3~5 ℃，比无遮阳降低4~7 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F012图12各工况帐篷内壁温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F013图13帐篷内壁温度均值距离地面20 cm处空气流速分布如图14所示。由图14可以看出，在距离地面20 cm处，室内风速分布很不均匀，由于窗户入口高于人体表面，位于东侧床位附近风速较小，西侧床位靠近出口风速较大，平面内平均风速为0.54 m/s。室内温度在离地面1.5 m到顶部之间垂直分层明显，1.5 m以下受自然通风影响接近室外温度，仿垂柳遮阳网下帐篷内平均气温比其他两个工况低2~3 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F014图14距离地面20 cm处空气流速分布内壁温度主要影响室内的辐射温度，从而影响人体的热感觉，为计算室内的平均辐射温度，将帐篷模型简化为6.6 m×5.6 m×2 m的长方体房间，人体模型为1.2 m×0.4 m×0.2 m的长方体模型。由于人员午休时在室内呈两列均匀分布，取正中心位置为研究对象，人体与各个壁面的角系数如表2所示[9]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T002表2帐篷内壁与人体之间的角系数项目顶部东、西南、北地面床面数值φ0.30.0340.0440.2440.3平均辐射温度计算公式为：Tr=∑Ti×φi (8)式中：Ti——壁面温度，℃；φi——壁面与人体之间的角系数。计算时床面温度取37 ℃，地面温度取34 ℃，PMV值由热舒适计算软件Raymen计算得出，帐篷纵向截面垂直温度分布如图15所示，帐篷内平均辐射温度、气温及PMV值如图16所示。图15帐篷纵向截面垂直温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F15a110.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F15a210.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F15a310.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F016图16帐篷内平均辐射温度、气温及PMV值从计算结果可以看出仿垂柳遮阳网下帐篷内辐射温度接近气温，相比无遮阳情况下降低5.6 ℃，相比六针遮阳情况下降低3.7 ℃。由于气温较高，仿垂柳遮阳网下的PMV值仍然较高，但是相比无遮阳和六针遮阳已有较大改善，PMV值分别下降0.9和0.6。4结语（1）帐篷热阻小且热惰性差，影响热环境的主要因素是太阳辐射，热环境随太阳辐射变化，减少太阳辐射可有效降低帐篷壁面温度。（2）仿垂柳遮阳网适用于中高纬度地区，低纬度地区性价比较低。（3）相比于六针遮阳网，仿垂柳遮阳网遮阳效率高，可以大幅减少帐篷外壁面的辐射得热，帐篷内热环境也得到有效改善。另外，太阳辐射中直射辐射是影响帐篷壁面温度的主要因素，建筑遮阳的设计上应尽可能减少太阳直射辐射。（4）帐篷在门窗开启的情况下，通风效果良好，室内外温差2 ℃左右，主要影响室内热环境的辐射温度。仿垂柳遮阳网下的帐篷内壁及外壁温度远低于无遮阳和六针遮阳工况，室内辐射温度和PMV明显下降。