納米鍍膜有機玻璃作為列車車窗傳熱分析

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

城鎮化發展迅速，使得軌道交通工具相比城市中的其他交通工具體現出來了比較明顯的優勢。截止2016年，我國有38座城市被準許建設城市軌道交通線路, 接近一半的城市運營開通的線路已達百條，總的里程多達2 500多公里。到2015年, 北京城市交通耗電量為13.9億kW·h, 并且每年耗電以12%的速度增加[1]。所以解決軌道交通耗電量的問題顯得尤為重要。

車窗玻璃是軌道交通大量使用的材料，對列車的節能具有非常重要的影響。PMMA俗稱有機玻璃，密度約為1 190 kg/m3，僅為傳統硅酸鹽玻璃的一半，可以實現列車輕量化的目的[2]。而納米透明隔熱膜是一種結合了納米粒子技術應用于玻璃表面，具有一定的隔熱保溫的效果[3-4]。故采用納米鍍膜有機玻璃作為列車車窗可以減小列車的傳熱系數，降低能耗。

姚晨等人[5]通過隔熱測試裝置測試了納米透明鍍膜的隔熱效果。王麗麗等人[6]分析了膜層位置對中空玻璃節能效果的影響。于鳳嬌等人[7]通過Window軟件對中空玻璃的傳熱情況進行了模擬研究。盧曉剛[8]通過實驗研究了外遮陽和空氣流動對窗戶性能的影響。劉道春[9]對各種節能玻璃的特點進行了概述。徐斌等人[10]通過穩態傳熱模型,用數值方法對涂層的參數及地區因素對能耗的影響進行了研究。

本文主要通過實驗的方法研究鍍膜玻璃的隔熱效果，然后通過模擬來研究車窗及整車的傳熱系數。

1 實驗研究

本節通過簡易實驗的方法探究納米透明隔熱鍍膜有機玻璃的傳熱性質。主要的實驗是基于在2個相同大小箱體(如圖1)上的有機玻璃上，其中一個箱體有機玻璃表面上不鍍納米透明隔熱膜，作為對照組；另外一個箱體有機玻璃表面鍍有納米透明隔熱膜，作為實驗組。將準備3個溫濕度自記儀，其中的2個溫濕度自記儀分別置于實驗組和對照組的2個箱體正中央，用來每60s記錄箱體內的溫度一次，另外一個溫濕度自記儀用來測量室外空氣溫度。

實驗首先分析單層玻璃的實驗，之后保持對照組不變，改變實驗組單層有機玻璃的鍍膜位置(把鍍膜面進行調換)，進行2組實驗測量；然后將實驗有機玻璃都換成雙層中空有機玻璃，中空腔空氣層厚度為6 mm，之后進行不同鍍膜位置(鍍膜位置分別在內玻璃內層，內玻璃外層，外玻璃內層，外玻璃外層)4組實驗測量；最后將2組實驗有機玻璃的空氣層厚度改為9 mm、12 mm、15 mm,實驗組的鍍膜位置為內層有機玻璃內部，再進行3組實驗。一共為9組實驗，編號為1號到9號。每組的實驗測試時間為35 min。中空腔空氣層厚度為6 mm、9 mm、12 mm、15 mm的主要目的是為了探究不同厚度對中空玻璃性能的影響。

圖2為溫濕度自記儀測量9組實驗箱內溫度與室外空氣溫度的比較示意圖。由上圖可知，納米透明隔熱鍍膜的有機玻璃實驗箱的溫度普遍高于沒有鍍膜有機玻璃實驗箱的溫度，故可以得到：納米透明隔熱鍍膜在實際實驗中起到了隔熱保溫的作用。

為了進一步分析單/雙層玻璃和對于中空有機玻璃不同鍍膜位置對其隔熱保溫的影響，取每組實驗中對照組和實驗組2個箱體內的溫度，計算其溫度差的平均值。計算數據如表1所示。

表1 實驗組與對照組箱內溫差平均值

由表1可知，鍍膜后的雙層有機玻璃的隔熱保溫性能要比鍍膜后單層有機玻璃的要好，從而有機中空玻璃更合適在玻璃表面鍍膜，所以列車車窗應用鍍膜后的有機中空玻璃將顯得十分必要。對于雙層玻璃而言，鍍膜位置在內層玻璃內部時，隔熱保溫的效果最好；鍍膜位置在外層玻璃外部時，隔熱保溫的效果最差；鍍膜位置在外層玻璃內部和內層玻璃外部時，隔熱保溫效果相差不是很大，主要的原因是鍍膜位置在內層玻璃內部時，將會導致整個玻璃系統的熱阻增大，將會使玻璃系統的傳熱系數減小，體現出更好的隔熱保溫效果。

為了分析不同空氣層厚度對其隔熱保溫的影響，取每組實驗中對照組和實驗組2個箱體內的溫度，計算其溫度差的平均值，其中實驗組的鍍膜位置為內層玻璃內部。計算數據如圖3所示。

由圖3可知，對6 mm,9 mm,12 mm,15 mm的空氣層厚度而言，厚度為15 mm時，隔熱保溫的效果最好。因為增加空氣層厚度可以增大玻璃的導熱熱阻，從而可以使玻璃的U值變小，熱量的散失會減小，從而會有更好的隔熱保溫的效果。

2 車窗傳熱系數模擬分析

2.1 幾何模型

本章節所研究的整個模型的外形尺寸為3 400 mm×1 600 mm×1 000 mm；車窗玻璃采用中空有機玻璃，其中單面有機玻璃的厚度和中間氣體層厚度為6 mm；車窗窗框的尺寸50 mm×50 mm×1 600 mm；熱源的尺寸為70 mm×70 mm×1 600 mm。如圖4所示。

2.2 計算區域、計算方法及邊界條件

模型的網格劃分采用結構化網格和非結構化網格，對不同的區域采用不同的網格劃分。全局網格總數為400萬，網格質量小于0.7，可以認為網格已經足夠密，可以實現數值計算的網格獨立性，具體網格的細節如圖5。

在計算列車車窗傳熱系數的過程中，一般應用的穩態傳熱原理，即車內的溫度分布和傳熱量始終都是常數，不隨時間的變化而發生改變[10]。

列車車窗按照傳統傳熱學的計算方法，具體計算公式如下

邊界條件的設定對于列車外壁面采用定壁溫12℃的第一類邊界條件，車內的電加熱器的表面采用恒定熱流密度的第二類邊界條件。

2.3 車窗傳熱系數的計算結果與分析

(1)有無鍍膜車窗的傳熱系數計算與分析

由于基于有機玻璃所擁有的良好材料性質和納米透明隔熱鍍膜的隔熱效果，所以本小節分為3個不同的Case，主要研究普通無機玻璃、有機玻璃、外鍍膜有機玻璃作為列車車窗的系數分析;分別記為Case1、Case2、Case3。其中三個Case中，玻璃中空腔中填充的氣體都為空氣。

表2 有無鍍膜車窗傳熱系數模擬結果

圖6是Case1、Case2、Case3的傳熱云圖，表2是Case1、Case2、Case3的模擬計算結果。由此可知：列車車窗的玻璃材料采用有機玻璃的傳熱系數比采用普通無機玻璃的傳熱系數小8%，可知有機玻璃比普通無機有機的隔熱保溫效果更好；列車車窗采用外鍍膜有機玻璃的傳熱系數比不采用鍍膜的有機玻璃和無機玻璃分別小10%和17%，造成這一原因是因為鍍膜之后玻璃系統的熱阻會加大。所以經過鍍膜處理之后的有機玻璃作為列車車窗有很好的隔熱保溫的作用，能為列車起到一定的節能作用。

(2)不同鍍膜位置車窗的傳熱系數計算與分析

由于納米透明隔熱鍍膜處于不同的位置將會對車窗的傳熱有一定的影響，所以本小節將探究納米透明隔熱鍍膜位于有機中空玻璃不同鍍膜位置(外層玻璃外部，外層玻璃內部，內層玻璃外部，內層玻璃內部)下的傳熱系數的分析，分別記為Case3、Case4、Case5、Case6。其中四個Case中，玻璃中空腔中填充的氣體都為空氣。

表3 不同鍍膜位置車窗傳熱系數模擬結果

圖7是Case3、Case4、Case5、Case6的傳熱云圖，表3是Case3、Case4、Case5、Case6的模擬計算結果。在列車車窗采用有機中空玻璃，鍍膜位置在內層玻璃內部時傳熱系數達到最小，比鍍膜位置在外層玻璃外部的傳熱系數要小9.6%，比采用不鍍膜的普通玻璃傳熱系數要小25.2%；造成這一原因的主要因素是納米隔熱鍍膜有機中空玻璃的傳熱系數主要是取決于內層玻璃的換熱系數h,由玻璃內表面的發射率ε的值越小，則內層玻璃的換熱系數h越??；由于鍍膜位置在內層玻璃內部的發射率ε0比其他三處的反射率ε要小，所以納米透明隔熱鍍膜位于車窗內層玻璃內部時K值最小。鍍膜位置在外層玻璃內部和內層玻璃外部時，傳熱系數基本變化不大。故鍍膜位置在內層玻璃內部時，列車車窗有很好的隔熱保溫的作用，能為列車起到一定的節能作用。

(3)不同填充氣體下車窗的傳熱系數計算與分析

由于在有機玻璃的中空腔中填充不同的氣體將會對車窗的傳熱有不同的影響，所以本小節將探究不同填充氣體(空氣，氬氣，氪氣)下車窗的傳熱系數的分析，分別記為Case6、Case7、Case8。其中三個Case中，鍍膜位置都為內層玻璃內部。

表4 不同填充氣體下車窗的傳熱系數計算

圖8是Case6、Case7、Case8的傳熱云圖，表4是Case6、Case7、Case8的模擬計算結果。在列車車窗采用有機中空玻璃，鍍膜位置在內層玻璃內部，中空腔填充氪氣時傳熱系數達到最小，比填充空氣和填充氬氣時傳熱系數小了35.8%和23.3%，比采用不鍍膜的普通玻璃傳熱系數要小52.0%；造成這一原因的主要因素是填充氪氣之后會大大增加整體玻璃系統的熱阻，從而降低玻璃系統的傳熱系數，起到隔熱保溫和節能的作用。

由此可得：列車車窗材料采用有機玻璃，鍍膜位置在內層玻璃內部，中空腔填充氣體為氪氣時，車窗的傳熱系數將最小，能夠體現出較好的隔熱保溫效果。

3 整車車體傳熱系數模擬分析

在明線運行的列車,納米隔熱鍍膜有機玻璃作為列車車窗，其中鍍膜位置采取內鍍膜，中空氣體填充氪氣的車窗組合的傳熱系數進行了分析，發現這種車窗組合可以大大降低車窗的傳熱系數，比普通的車窗傳熱系數要小52%，體現出了非常好的隔熱保溫作用。本節將分析把這種車窗組合運用到列車中，對列車整體隔熱保溫與節能的貢獻。

3.1 車體模型、計算方法及邊界條件

對市域快軌車輛典型截面的選取如圖9所示，將整車沿車長方向在車區域，門通過區域，窗區域選取3個典型截面，分別記為A、B、C；因為A、C的截面中有窗結構，將納米隔熱鍍膜有機玻璃，鍍膜位置采取內鍍膜，中空氣體填充氪氣的車窗組合應用到市域快軌車輛典型截面A和C中，對截面A和C進行優化后，記為A1截面和C1截面。表5為不同典型截面所占的車長比。

表5 不同典型截面所占的車長比例

計算列車車窗傳熱系數的過程中，一般應用的穩態傳熱原理，列車的外墻面采用定壁溫285 K的第一類邊界條件。熱源的表面采用恒熱流密度的第二類邊界條件。溫差在滿足24～26 K。

3.2 車體傳熱系數的計算結果與分析

表6 不同截面傳熱系數模擬計算

由表6可知，可以直觀的看出有窗的門截面A和窗截面C的傳熱系數要比無門無窗截面B的傳熱系數大很多，因此列車車窗對車體的傳熱系數影響比較大，所以應通過設法減小窗的傳熱系數，從而減小列車車體的傳熱系數。通過對車窗組合進行優化之后，截面A1和截面C1的傳熱系數相比于截面A和截面C的傳熱系數分別減小了12.7%和11.7%，達到了一個比較明顯隔熱保溫的效果。

由上文可知，對市域快軌車的車窗進行一系列的優化之后，帶窗的截面的傳熱系數有了明顯的改善。本節將分析普通車窗(玻璃材料采用無機玻璃，無鍍膜，中空腔填充空氣)和優化后的車窗(玻璃材料采用有機玻璃，納米透明隔熱膜鍍在內層玻璃內部，中空腔填充氪氣)對市域快軌車整車傳熱系數的影響。

表7 普通車窗市域快軌車體傳熱系數模擬結果

表8 優化車窗市域快軌車體傳熱系數模擬結果

由表7可知，通過沿車長方向進行折算后，采用普通車窗的市域快軌車車體傳熱系數為2.31 W/(m2·K)。由表8可知，通過沿車長方向進行折算后，采用優化后車窗的市域快軌車車體傳熱系數為2.13 W/(m2·K)。

通過上述的不同組合車窗下的市域快軌車傳熱系數可得：優化車窗(玻璃材料采用有機玻璃，納米透明隔熱膜鍍在內層玻璃內部，中空腔填充氪氣)后市域快軌車車體傳熱系數比普通車窗(玻璃材料采用無機玻璃，無鍍膜，中空腔填充空氣)的市域快軌車車體傳熱系數小7.8%。所以，優化車窗后對市域快軌車起到了一定的隔熱保溫的作用，減小了市域快軌車的能耗，對市域快軌車的節能起到一定的貢獻。

4 結 論

(1)通過簡易實驗的方法分析單雙層玻璃、不同鍍膜位置、不同氣體間隔層厚度下的有機中空玻璃的隔熱保溫效果；得出雙層玻璃，鍍膜位置在內層玻璃內部，氣體間隔層厚度為15 mm時隔熱保溫效果最佳。

(2)通過CFD軟件的方法模擬車窗的傳熱系數，對有無鍍膜車窗的傳熱系數計算與分析可得：采用外鍍膜有機玻璃的傳熱系數比不采用鍍膜的有機玻璃和無機玻璃分別小10%和17%；對不同鍍膜位置車窗的傳熱系數計算與分析可得：在列車車窗采用有機中空玻璃，鍍膜位置在內層玻璃內部時傳熱系數達到最小，比鍍膜位置在外層玻璃外部的傳熱系數要小9.6%，比采用不鍍膜的普通玻璃傳熱系數要小25.2%；對不同填充氣體下車窗的傳熱系數計算與分析可得：在列車車窗采用有機中空玻璃，鍍膜位置在內層玻璃內部，中空腔填充氪氣時傳熱系數達到最小，比填充空氣和填充氬氣時傳熱系數小了百分之35.8%和23.3%，比采用不鍍膜的普通玻璃傳熱系數要小52.0%。

(3)通過CFD軟件的方法模擬車體的傳熱系數，優化車窗(玻璃材料采用有機玻璃，納米透明隔熱膜鍍在內層玻璃內部，中空腔填充氪氣)后市域快軌車車體傳熱系數比普通車窗(玻璃材料采用無機玻璃，無鍍膜，中空腔填充空氣)的市域快軌車車體傳熱系數小接近百分之7.8%。故優化車窗后對市域快軌車起到了一定的隔熱保溫的作用，減小了市域快軌車的能耗。