陶学强，鹿国伟，段德光，李 昊，陈 恩，张泽瑞

（军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津300161）

0 引言

目前，医疗帐篷广泛应用于灾害救援、战场救助等情景，具有易于存贮和运输、性价比高等优势[1-2]。医疗帐篷系统在应急医学救援中作为救死扶伤的关键节点，承担着手术、急救、收治等功能，为了保证这些功能正常运行，必须保持适宜的内部环境温度，其中尤以手术对环境要求最高，温度维持得好坏直接关系到手术的效果。根据《手术室护理技术手册》，手术室应配有冷暖调节设备，室温保持在24～26℃，相对湿度保持在50%左右[3]。

当前，为了尽量减少周围环境对帐篷内部温度的影响程度，提高帐篷内环境舒适度，大都采用了新材料[1，4]、新设计[5-10]。通过分析国内相关研究成果，发现新材料和新设计维持内环境只起到改善作用，白天“日照超温”现象和夜晚“冷室效应”依然会出现，夏热冬冷的问题仍然特别突出。为更好地维持帐篷内环境温度，借鉴安瑞楠等[11]的外接风机方式，可以将内环境保持在适宜温度以满足医疗帐篷的各种功能。但医疗帐篷大都是应急情况下临时性配置，保障条件有限，准备升降温设备时需要提前摸清需求，以免功率太大电力保障困难或者功率不足难以满足要求。目前，国内外对医疗帐篷升降温设备维持环境温度的效能分析研究相对较少，本文主要从医疗帐篷环境温度着手，分析医疗帐篷对升降温设备的需求，研究帐篷内温度分布与变化规律，以指导医疗帐篷设计与升降温设备选型。

1 实验方案

1.1 实验设备

医疗帐篷（如图1所示）尺寸为长6.0 m、宽4.0 m、高2.0 m，采用马鞍式外框架充气式双层结构形式，以充气拱形气柱作为支撑构架，充气后形成具有一定刚度的拱，能够承受一定的载荷。外篷布选用高强度涤纶长丝涂层布，覆盖于充气骨架外表面，可有效隔绝大部分热辐射；内篷布选用白色涂银牛津布，悬挂于充气骨架内表面，具有较强的热量反射效果。内外篷之间形成空气间层和高反射、低辐射的物理效果，可有效减少热辐射。

暖风机选择1台京威汽车设备有限公司生产的TKWL-70移动式帐篷空调，如图2（a）所示，最大制冷消耗功率5 000 W，制冷量为7 000 W，高度为0.62 m；冷风机选择2台金鸿盛电器有限公司生产的JHS-A011-12KRH/x型号空调，如图2（b）所示，最严酷条件下制冷输入功率为1 608 W，制冷量为3 650 W，高度为0.83 m。

测试仪器为智立华电子有限公司生产的DS18B20数字温度传感器，精度±0.5℃，设置记录间隔为2 min，传感器终端（如图3所示）可以自动记录上传温度和时间。

图1 医疗帐篷实物图

图2 升降温设备

图3 传感器终端

1.2 测试方法

为了更好地测试医疗帐篷在升降温设备支持下的升降温情况，升温测试选择在1月份的辽宁省沈阳市，降温测试选择在8月份的广东省广州市。实验开始前，将医疗帐篷提前2 d在空旷无遮挡的场地展开，使医疗帐篷与周围环境充分适应，以减少实验误差和干扰。测试在低温和高温环境的记录时间分别为凌晨1：00—3：00和下午12：30—14：00。为了保证测试数据的可信度、排除测试的偶然误差，在连续2 d的相同时间段进行测试，升降温设备开放和关闭时间基本相同，测试时沈阳夜间最低温为-14.9和-14.1℃，广州白天最高温为40.9和40.5℃。

测试时，在医疗帐篷四角的0.1、1.0、1.6 m高度和医疗帐篷中央0.1、0.5、1.0、1.3、1.6 m高度安装传感器，共计设置17个点位（如图4所示），对应测试人体脚踝、腰部和头部位置的温度，在风机的出风口、进风口和室外分别设置3个点位作为参照。暖风机和冷风机开始工作后，开启传感器各个模块，实时监控各个点位的温度。

在低温环境下，暖风机工作40 min后，各传感器温度基本保持稳定，医疗帐篷内温度稳定30 min后关闭风机，使温度自然变化，1 h后帐篷即可恢复初始温度，此时测试结束。在高温环境下，冷风机工作40 min后，各传感器温度保持稳定，医疗帐篷内温度稳定20 min后关闭风机，使温度自然变化，40 min即可恢复初始温度，此时结束测试。

图4 传感器点位部署图

2 数据处理

同一测试条件下，在没有明显外接因素干扰的情况下，收集的2次测试数据变化规律应该是一致的，因此可通过检测数据是否服从同一分布判断测试是否可靠。

2.1 正态性检验

对比2 d收集的测试数据，剔除明显误差，然后每个点位选取相同数量的数据进行差异性检验。差异性检验前要对数据进行正态性检验，才能确定选用的差异性检验方法。在本次测试中选用最常用的Kolmogorov-Smirnov（K-S）单样本检验方法。

K-S单样本检验的具体步骤如下：

（1）提出假设：H0，数据服从正态分布；H1，数据不服从正态分布。

（2）确定检验水平α为0.05。

（3）选择低温环境和高温环境下2 d测试的部分数据进行正态性检验，结果见表1。

表1 不同环境和高度测试数据正态性检验结果

由表1可以看出，各组数据的P值都远远小于α，测试数据分布明显不属于正态分布，因此差异性检验宜选用两独立样本的非参数检验方式[12-13]。

2.2 差异性检验

两独立样本的非参数检验方法有Mann-Whitney U检验、K-S检验等。因K-S检验不需要对数据的分布类型进行假设，具有很好的稳健性，而且分析过程中不依赖均值的位置，对尺度化不敏感，即使样本不服从正态分布，也依然具有良好的敏感性[14-15]，所以本次测试数据差异性检验采用K-S检验方法。通过假设检验，验证2组数据分布是否存在显著性差异，推断出2组数据是否服从同一分布，进而验证测试数据的可信度。

K-S两独立样本检验的具体步骤如下：

（1）提出假设：H0，2组数据无差异；H1，2组数据有差异。

（2）确定检验水平α为0.1。

（3）随机选择低温环境和高温环境2 d中0.1、1.0和1.6 m 3个高度中的任意位置的2组数据进行差异性测试，结果见表2。

表2 不同环境和高度测试数据差异性检验结果

由表2可以看出，2次试验的P值明显大于0.1，因此接受H0，差异无统计学意义。实际应用时，可认为2组数据服从同一分布，从而相互验证了2次测试数据来源于同一样本总体，测试数据较为可靠。

3 数据分析

3.1 医疗帐篷升温、降温过程中温度场分布规律

医疗帐篷内应急医疗病床高度为0.4 m，手术床高度为0.6～0.95 m可调，因此采用与此高度比较接近的1.0 m高度传感器温度数据衡量卧姿患者所处温度环境。

以出风口作为原点，构建初始、上升和稳定3个阶段的低温环境中医疗帐篷温度场，如图5所示。在初始阶段医疗帐篷内温度整体呈阶梯分布，主要是由于外界风的影响，迎风面一侧温度明显略低，背风面一侧温度稍高，但是整体温差不超过1℃。随着暖风机开始工作，医疗帐篷内温度开始上升，但已呈现出特殊的分布规律并一直持续到稳定状态，出风口所在角和对角空气温度明显较高，相邻两角空气温度较低，主要原因是出风口和对角位置热空气流动作用较强，而相邻两角热空气流动性较弱，最大温差可达4℃。

图5 医疗帐篷在低温环境中温度场各状态图

以其中的一个出风口作为原点，另一个出风口在对角位置，构建初始、下降和稳定3个阶段的高温环境中医疗帐篷温度场，如图6所示。通过与图5对比发现，高温环境医疗帐篷温度场呈环状分布，说明2个出风口环境温度升温较为均匀。初始阶段太阳直射一侧温度略高，中央位置空气没有与外界空气发生热传递，因此温度略低于四周。随着冷风机开始工作，冷风机所在对角线温度下降较快，与另外相邻两角温差在1℃左右，2台冷风机同时作用在中央汇聚形成一个温度场凹点，与周围存在1～2℃的温差。当医疗帐篷内温度达到稳定后，温度呈现明显的环状分布，中央空气温度最低，冷风机相邻两角空气温度最高。

图6 医疗帐篷在高温环境中温度场各状态图

3.2 医疗帐篷在不同高度温度变化趋势

图7 医疗帐篷在低温环境下温度变化图

图8 医疗帐篷在高温环境下温度变化图

以医疗帐篷中央为参照，建立医疗帐篷在低温环境和高温环境不同高度温度变化趋势图，如图7、8所示。医疗帐篷在低温环境初始阶段各个高度温度基本一致，达到稳定后0.1和1.6 m温差达到4℃左右，0.1 m空气升温效果较差，分析主要原因是热空气趋于向上流动，下层空气升温效果较弱，且医疗帐篷地面只有一层保温性能较差的地布，越低的空气与地面的热传递越明显，地面温度严重影响了医疗帐篷下层空气的升温。医疗帐篷在高温环境初始阶段不同高度的温度与高度成正比，最大温差达到了3℃，分析主要原因是初始阶段太阳光线照在医疗帐篷顶部，造成顶部温度明显高于底部；达到稳定后0.1和1.6 m温度基本重合，1.0 m温度明显略低，主要是因为冷风机出风口高度在0.6 m，且实验时出风口百叶窗是朝向斜上方45°，冷空气向中央集中导致1.0 m温度明显略低，地面与医疗帐篷底部空气发生热传递，因此0.1 m温度高于1.0 m温度。另外冷空气密度略高趋于向下流动，上层空气降温效果略差，1.6 m温度高于1.0 m温度。

3.3 医疗帐篷在低温与高温环境下温度变化对比

图9 医疗帐篷在不同环境中温度变化

选取医疗帐篷在低温环境和高温环境中1.0 m位置的温度值，建立其变化趋势，如图9所示。在低温环境中，暖风机功率较大，可以快速升温，满足手术要求的环境温度；在高温环境中，冷风机功率较小，前期降温较快，一段时间后维持在31℃左右难以下降，不能满足手术环境温度要求。根据GB/T 19409—2013《水（地）源热泵机组》中的相关介绍，考虑医疗帐篷保温性能与建筑物的巨大差异，医疗帐篷的冷负荷指标应不低于250 W/m2[16]，帐篷面积约24 m2，粗略估计医疗帐篷约需要制冷量6 000 W的风机。通过本次测试发现2台制冷量各为3 650 W的冷风机未达到测试要求，主要是由于医疗帐篷本身保温性能有限，外界有强太阳光直射，医疗帐篷内空气与外界环境持续发生热传递，造成冷风机功率不足。

4 讨论

4.1 医疗帐篷应重视隔热保温材料研发

医疗帐篷在升温、降温测试过程中，受光照、自然风等外界环境影响，内部温度并不是均匀分布，提升医疗帐篷篷体材料保温隔热性能有助于减少温度梯度，因此医疗帐篷应注重新材料的研发与应用。

4.2 医疗帐篷应重视内部布局设置

测试中医疗帐篷环境温度与高度、风机出口位置呈正相关，该温度分布规律对下一步在医疗帐篷内设置升降温设备角度、病床和医疗设备位置具有很好的指导意义。如出风口尽量避免直吹伤病员位置，以免影响舒适度；病床设置应避免出风口死角，以免温度达不到需求；借鉴中央空调多个出风口设计理念，尽量使医疗帐篷内部温度分布更加均匀。

4.3 医疗帐篷应重视升降温设备选型

通过测试发现，在-14.9℃低温环境中，功率5000W的暖风机可较好地维持医疗帐篷的环境温度，但在40.9℃的高温环境中由于太阳光、人员和设备都会成为热源影响内部温度，2台制冷量各为3 650 W的冷风机远远达不到降温效果，医疗帐篷在高温环境中合适功率冷风机的选择还需要进一步测试研究。

综上所述，通过进行医疗帐篷升温、降温实验，发现医疗帐篷在功率足够的升降温设备支持下可以很好地维持环境温度以满足医疗需求，医疗帐篷在实验中呈现的温度分布规律对升降温设备的摆放角度和医疗设备的配置位置具有很好的指导意义，为医疗帐篷篷体保温材料的研制提供了借鉴。