高速列车镀膜有机中空玻璃传热模拟研究

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(1.上海海事大学 商船学院，上海 201306; 2.同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804)

0 引言

城市化进程的加快，带动了经济的飞速发展，同时也使我国轨道交通行业得到快速发展。2016全国铁路旅客发送量完成28.14亿人。全国铁路固定资产投资完成8 015亿元，投产新线3 281 km，其中高速铁路1 903 km。但是现在轨道交通的能耗也越来越引起人们的关注。据测算，2008年北京轨道交通线路共用电量达到6.5亿kW·h；到2015年，北京轨道交通线路共用电量达到13.9亿kW·h，故每年耗电量幅度平均增加12%[1],轨道交通已经成为一个城市能源消耗的重点。

在列车高速运行中车体围护结构的传热性能对列车的传热有重要影响。在研究过程中，诸多学者[2]根据车体在实际情况研究了其稳态传热过程。许多国内外学者在研究计算车体围护结构传热系数的过程中提出了一系列实验方法，并将其进行应用[3-4]。

自二十世纪80年代，世界各国的玻璃学科的科研人员，对玻璃材料的隔热、保温等技术展开了一系列的研究，尤其是镀膜技术方面的成就比较显著，制造开发出了适合不同气候条件、不同温度、性能良好的节能镀膜中空玻璃。

Novak等人以有限差分法为基础，研究了双层玻璃内的有限空间自然对流及换热情况[5]。Collins等人通过推导得出了太阳辐射得热系数计算公式，这给玻璃遮阳的计算提供了基础[6]。Rubin课题组在1982年建立了玻璃传热计算模型和太阳光性能计算模型，随后开发出了计算程序，开发了多种模拟软件，包括外窗热工性能模拟Window和Therm以及玻璃光学性能模拟Optics[7]。

Galuppi等人[8]通过简化实际模型研究了关于中空玻璃等效厚度方面的问题。Gan等人[9]使用CFD研究了多层外窗的传热系数和热阻，得出整窗的传热系数和玻璃表面对流换热系数均随其内外表面温差呈线性变化关系。赵立华等人[10]通过引入线传热系数概念，简化了外窗与安装洞口区的传热计算，他将影响外窗传热的因素量化，有助于研究弱化传热的方法。

卢晓刚等人[11]从地区气候着手，设计出了适合夏热冬冷地区的窗户形式，并对其效果进行了实验测试，结果表明选择外遮阳和加强间层空气流动等方式均可改善外窗性能。Muneer等人实验研究了双层玻璃中间夹层的对流及换热情况，并分析了惰性气体充入夹层后的节能效果[12]。

从传热学角度分析，列车在行进过程中，经过车窗的传热过程主要是辐射、对流、导热传热过程综合作用的结果[13]。在列车整体构造中，窗户约占车体隔热壁面积的10%。因此，本文将从车窗玻璃着手，分析不同镀膜位置，不同间隔层厚度，不同中间层气体填充材料对列车隔热保温与节能的影响，进而分析出更适合列车的车窗玻璃类型[14]。

1 基础分析

1.1 镀膜玻璃的节能性评价指标

评价镀膜玻璃性能的主要参数有：U值，遮阳系数，太阳能得热系数等[15]。

U值(U-Value)：代表镀膜玻璃组件的保温或隔热性能/W·m-2·K-1。

遮阳系数(Shading Coefficient简写为SC):在同等条件下，玻璃系统的太阳辐射增热与3 mm厚的透明玻璃太阳辐射增热的比值。它表达了玻璃系统对太阳辐射的屏蔽程度。

太阳能得热系数(solar heat gain coefficient的首字母缩写，简称SHGC)，另一种叫法是太阳总透射比，是窗或者门墙成为室内太阳辐射得热量与投射到窗或者门墙太阳辐射的比值。

1.2 镀膜玻璃的节能性计算原理

1.2.1 遮阳系数的计算原理

遮阳系数SC是表征窗户屏蔽太阳辐射性能的数值，遮阳系数SC通常没有一个定值，这是由于遮阳系数会随着太阳光线的位置改变而发生变化，并且遮阳系统本身也是非常复杂的，因此遮阳系数的表征是一个等效值。依据GB/T2680—94《玻璃太阳光直接透射比、太阳能总透射比、可见光透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》[16]，对遮阳系数定义是：在太阳光线处于法向入射的条件下，通过透光系统的太阳能总透射比与在同种条件下并且保持相同面积的标准玻璃(3 mm厚透明玻璃)的太阳能总透射比的比值[17]。

列车车窗玻璃系统的遮阳系数Sc的计算公式如式(1)

(1)

式中Sc——列车各种窗构件遮阳系数；

ts——3 mm厚度透明普通玻璃的太阳能透射比。

普通列车车窗本身的太阳能透射比可近似地通过这样的方式进行计算：取窗玻璃的遮阳系数乘以窗玻璃面积然后除以列车整窗面积。

列车整窗的太阳能总透射比计算公式

(2)

式中gt——列车整窗的太阳能的总透射比；

Ag——列车窗玻璃(或者其他的镶嵌板)的面积；

gg——列车窗玻璃(或者其他的镶嵌板)所在区域的太阳能总投射比；

Af——列车车窗的窗框面积；

gf——列车窗框太阳能的总投射比；

At——列车的整窗面积。

因标准厚度为3 mm的透明玻璃的太阳能总透射比为0.87，故列车整窗的遮阳系数Sc可按下式计算

(3)

1.2.2 U值的计算原理

U值可以表征镀膜玻璃隔热保温性能，是列车车窗玻璃传热强弱的一个重要参数[18]。U值主要是由车内车外的温差引起的，由于列车玻璃一般都是中空的双层玻璃，故在分析U值时，我们主要将传热过程分为以下几个方面考虑:(1)车外环境与列车车窗有机玻璃外表面的对流和辐射；(2)各层有机玻璃板内部之间的热传导；(3)中空腔有机玻璃板之间的辐射；(4)中空腔内气体的对流和导热；(5)列车车窗的有机玻璃内表面与列车内环境的对流与辐射。(见图1)

(1)看皮下脂肪层的厚度。“瘦肉精”猪皮下脂肪层明显变薄，通常不足1cm;而正常猪肉在皮层和瘦肉之间会有一层脂肪，肥膘约为1～2cm厚。因此，遇到脂肪层太薄、太松软的猪肉要格外小心。

图1 列车车窗中空玻璃传热过程

综合上述列车车窗玻璃的传热过程，应用传热学知识原理与分析，可以得出U值的计算公式如式(4)

(4)

式中ae——列车外环境与车窗外表面的对流辐射传热系数;

1/am——列车车窗多层玻璃的内部热阻；

ai——列车车窗内表面与车内环境的对流辐射传热系数。

在求出列车车窗总的传热系数U值之后，可以得到列车车窗构件的传热量如式(5)

q=U(T0-Ti)

(5)

式中To——列车外的环境温度;

Ti——列车车内的环境温度。

得到列车车窗构件的传热量q之后，可以运用电学中的分压定律，来求得各个有机玻璃面上的温度，计算如式(6)

(6)

Rt——列车车外至列车车内的总热阻，Rt=1/U。

2 模拟分析

2.1 玻璃热工计算软件介绍

WINDOW7.1软件是专门评价窗户热工性能的软件[19]，该软件已经成为美国门窗分级协会对窗户玻璃热工性能的标准计算方法，同时该软件中包含各种玻璃参数的国际玻璃数据库，这一数据库中包含1 800多种玻璃产品所具有的光学参数，并且对新玻璃品种的参数进行升级。该软件可以根据不同的玻璃的种类、窗户的种类、窗户中空腔内气体的种类以及车内外环境条件进行热工(U值，SC值)模拟计算。

2.2 参数的选取

本文主要分析列车在明线运行的情况。选取太阳垂直入射强度为783 W/m2,车外温度35℃，车内温度24℃，风速2.7 m/s[20]，用WINDOW7.1软件进行模拟计算。控制太阳光法向入射(入射角=0)，对车窗有无镀膜、纳米透明隔热镀膜位于不同镀膜位置(有机中空玻璃外层玻璃外部、外层玻璃内部、内层玻璃外部、内层玻璃内部)、中空腔填充不同气体、中空腔不同空气层厚度的U值，遮阳系数SC和太阳能得热系数SHGC进行分析。上述中所指的外层玻璃外部是指图1所示的1#面玻璃，外层玻璃内部是指图1所示的2#面玻璃，内层玻璃外部是指图1所示的3#面玻璃，内层玻璃内部是指图1所示的4#面玻璃。其中有机玻璃的相关参数见表1和表2;不同填充气体的物理性质见表3，其中所填充的氪气，氩气和空气均为纯净气体。

3 计算结果与分析

取双层中空有机玻璃的厚度为6 mm，中空气体间隔层的厚度也为6 mm，膜层厚度为0.5 mm的车窗组合为例，使用WINDOW7.1软件根据上述条件对无镀膜有机中空玻璃、镀膜层位于外层玻璃外部、外层玻璃内部、内层玻璃外部、内层玻璃内部5种情况进行U值、SC、SHGC以及各个表面的温度模拟计算，其中中空玻璃填充的气体为空气。计算结果见表4所示。

表1有机玻璃相关参数

名称尺寸/mm2厚度/mm太阳能透射比可见光透过率有机玻璃900×90060.8340.921镀膜有机玻璃900×9006.50.3850.865

表2有机玻璃相关参数

辐射率太阳能直接反射比未镀膜的有机玻璃表面0.860.35镀膜的有机玻璃表面0.1750.067

表3填充气体的物理性质

名称导热系数/W·m-2·℃-1动力粘度×106/Pa·s比热/J·kg-1·℃-1密度/kg·m-3氪气0.008 723248.0913.739氩气0.016 321521.9291.782空气0.024 1171 006.1031.292

表4不同镀膜位置的有机中空玻璃热工性能计算

镀膜位置U值SC值SHGC值玻璃表面温度/℃外层外表面T1外层内表面T2内层外表面T3内层内表面T4无3.0620.8750.77138.437.634.834.6外玻璃外层2.7520.5710.49554.254.341.641.1外玻璃内层2.6120.4850.41544.544.734.133.9内玻璃外层2.6080.7640.66242.142.454.653.8内玻璃内层2.4420.5620.48543.944.551.651.4

由表4可知，镀膜的有机中空玻璃的U值比未镀膜的有机中空玻璃的U值都小，由此可知镀膜之后可以起到隔热的作用。其次分析不同镀膜位置有机中空玻璃的U值，由表4可得镀膜位置随着不断靠近车内玻璃，U值不断减小，其中纳米透明隔热镀膜位于内层玻璃内部时U值最小；镀膜层位于外层玻璃外部时U值最大；而镀膜位置在中间2层时，U值的差别不大。造成这一现象的主要原因是因为纳米隔热镀膜有机中空玻璃的U值主要是取决于内层玻璃的换热系数hi,而换热系数hi是由表面发射率e0决定的，并且是正相关。由于镀膜位置在内层玻璃内部的发射率e0比其他三处的反射率e要小，U值镀膜位置随着靠近车内玻璃而不断减小，所以纳米透明隔热镀膜位于车窗内层玻璃内部时，U值最小。

而对于遮阳系数SC，未镀膜的有机中空玻璃的SC值要比所有的镀膜的有机中空玻璃SC值高。镀膜位置位于外层玻璃外部和内层玻璃内部时，两者的SC值区别不是很大。而镀膜位置位于外层玻璃内部时，SC值达到最小；镀膜位置在内层玻璃外部时，SC值比其他三种情况要大。造成上述现象的主要原因是因为二次传热的不同所引起的。当镀膜位置位于内层玻璃外部时，热量反射到了车窗系统中的气体间隔层中，而没有直接到达车外，之后通过外层玻璃的反射和内部的热传导，提高了外层玻璃的太阳光吸收比，经过乘积效应的放大，使得整个的有机中空玻璃系统的二次传热变大。故镀膜位置在外层玻璃内部时，获得了比较好的遮阳效果。

纳米透明隔热镀膜玻璃的镀膜位置具体放在什么位置合适列车车窗，要根据各种因素综合考虑。如果列车全年运行在温度比较高的温和地区，那么列车在地面行驶中，影响列车内部得热主要因素是太阳辐射，这时应该选用遮阳系数最低的外层玻璃内部镀膜位置比较合适；如果列车全年运行在温度比较低的寒冷地区，影响车内主要得热因素是从车内散失的热辐射，因此这时应该选用U值最低的内层玻璃内部镀膜位置比较合适。

3.1 有机中空玻璃不同填充气体玻璃热工性能影响

取双层中空有机玻璃的厚度为6 mm，中空气体间隔层的厚度也为6 mm，膜层厚度为0.5 mm的车窗组合为例，运用WINDOW7.1软件对比不同填充气体种类下玻璃组合的热工性能分析[21]。其中，镀膜的位置为内层玻璃内部，气候条件为夏季。计算结果见表5所示。由表5可知，在这三种填充气体中，氪气的U值最小。氪气的U值比空气的U值减小了35.1%，氩气的U值比空气的U值减小了14.2%；而对于遮阳系数SC和太阳得热系数SHGC，三种气体虽然变化不大，但氪气的遮阳系数SC与SHGC值都比其他两种气体的小，所以总体上氪气的填充效果是最好的。虽然氪气比较难得，但是探求超低导热系数的惰性气体是非常重要的。

表5有机中空玻璃不同填充气体种类玻璃热工性能计算结果

填充气体U值遮阳系数SCSHGC空气2.4420.5620.485氩气2.0850.5560.476氪气1.5850.5490.469

3.2 有机中空玻璃不同气体间隔层厚度对玻璃热工性能影响

取双层中空有机玻璃的厚度为6 mm，膜层厚度为0.5 mm的车窗组合为例，运用WINDOW7.1软件对比不同气体间隔层厚度下玻璃组合的热工性能分析。其中，镀膜的位置为内层玻璃内部，中空玻璃填充的气体为空气，气候条件为夏季。数据计算结果见表6所示。

表6有机中空玻璃不同填充气体厚度玻璃热工性能计算结果

空气层厚度/mmU值遮阳系数/SCSHGC33.2110.5790.47942.9020.5710.47552.650.5660.47262.4420.5620.46972.2810.5590.46682.1720.5560.46492.0850.5540.462101.9840.5530.461111.9010.5520.460121.8250.5510.459131.7650.5510.458141.7180.5500.457151.6780.5490.456161.6590.5490.456171.6650.5480.455181.6730.5470.455191.6810.5470.454201.6890.5460.454211.7150.5460.453221.7320.5460.453

图2 U值随气体间隔层厚度的变化图

对列车车窗而言，随着中空腔填充气体的厚度逐渐增大，U值将会逐渐变小，但是中空腔气体的间隔层厚度也不是越厚越好，存在一个临界值，超过这个临界值之后，列车车窗的U值将缓慢升高。造成这一原因的主要因素是由于有机中空玻璃中空腔的气体间隔层里同时存在三大传热过程：对流、导热和辐射传热。当气体间隔层厚度比较小时，对流传热可以忽略，所以影响传热系数主要的原因是导热热阻；随着气体间隔层慢慢增大，气体间隔中的对流传热影响会慢慢增大，所以当气体厚度达到一定的值后，U值会不降反升。由表6可知，纳米透明隔热镀膜的SC和SHGC随着间隔层厚度的增加变化不大。图2是U值随气体间隔层厚度的变化图。

结合表6和图2可以看出，当镀膜有机中空玻璃中空腔气体厚度为3 mm到16 mm逐渐增加时，列车车窗U值逐渐变小；当厚度为16 mm时，列车车窗的U值达到最小值，此后随着气体间隔层的厚度增加，车窗U值将缓慢上升，故气体间隔层厚度为16 mm是气体间隔层厚度的最佳值，此时U值最小。

4 小结

本文主要从宏观介绍了纳米透明隔热镀膜的隔热原理，介绍了列车镀膜玻璃的节能性能评价参数，如U值，SC值，SHGC值等，同时对列车车窗进行了传热分析，阐述了U值和遮阳系数的计算方法。其次运用WINDOW软件模拟计算了列车在明线运行的情况下，对有无镀膜、不同镀膜位置、不同填充气体种类、不同气体间隔层厚度等条件下对列车有机中空玻璃的U值、遮阳系数进行了分析，并且分析了在各个情况下的传热过程，对其传热过程有了比较深入的认识。所得到的结论如下：

(1)所有镀膜的有机中空玻璃U值和SC值要比未镀膜的有机中空玻璃U值和SC值要小。所以纳米透明隔热镀膜可以起到隔热保温的作用。

(2)纳米透明隔热镀膜位于内层玻璃内部时U值最小；镀膜位置位于外层玻璃外部时U值最大；而镀膜位置在中间2层时，U值的差别不大。镀膜位置位于外层玻璃外部和内层玻璃内部时，两者的SC值区别不是很大。而镀膜位置位于外层玻璃内部时，SC值达到最小；镀膜位置位于内层玻璃外部时，SC值达到最大。

(3)在文中提到的三种填充气体中，氪气的U值最小。氪气的U值比空气的U值减小了35.1%，氩气的U值比空气的U值减小了14.2%；而对于遮阳系数SC和太阳得热系数SHGC，三种气体变化不大，所以总体上氪气的填充效果是最好的。

(4)当中空腔气体厚度为3 mm到16 mm逐渐增加时，列车车窗U值逐渐变小；当厚度为16 mm，列车车窗的U值达到最小值，此后随着气体间隔层的厚度增加，列车车窗U值将慢慢增大，故气体间隔层厚度为16 mm是厚度的最佳值，此时U值最小。

(5)纳米透明隔热镀膜玻璃的镀膜位置具体放在什么位置合适列车车窗，还要根据各种因素综合考虑。如果列车全年运行在温度比较高的温和地区，那么列车在地面行驶中，影响列车内部得热主要原因是太阳辐射，因此这时应该选用遮阳系数最低的外层玻璃内部镀膜位置比较合适；如果列车全年运行在温度比较低的寒冷地区，影响车内主要得热因素是从车内散失的热辐射，因此这时应该选用U值最低的内层玻璃内部镀膜位置比较合适。