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(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306; 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

城市化進(jìn)程的加快，帶動了經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，同時也使我國軌道交通行業(yè)得到快速發(fā)展。2016全國鐵路旅客發(fā)送量完成28.14億人。全國鐵路固定資產(chǎn)投資完成8 015億元，投產(chǎn)新線3 281 km，其中高速鐵路1 903 km。但是現(xiàn)在軌道交通的能耗也越來越引起人們的關(guān)注。據(jù)測算，2008年北京軌道交通線路共用電量達(dá)到6.5億kW·h；到2015年，北京軌道交通線路共用電量達(dá)到13.9億kW·h，故每年耗電量幅度平均增加12%[1],軌道交通已經(jīng)成為一個城市能源消耗的重點。

在列車高速運行中車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能對列車的傳熱有重要影響。在研究過程中，諸多學(xué)者[2]根據(jù)車體在實際情況研究了其穩(wěn)態(tài)傳熱過程。許多國內(nèi)外學(xué)者在研究計算車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的過程中提出了一系列實驗方法，并將其進(jìn)行應(yīng)用[3-4]。

自二十世紀(jì)80年代，世界各國的玻璃學(xué)科的科研人員，對玻璃材料的隔熱、保溫等技術(shù)展開了一系列的研究，尤其是鍍膜技術(shù)方面的成就比較顯著，制造開發(fā)出了適合不同氣候條件、不同溫度、性能良好的節(jié)能鍍膜中空玻璃。

Novak等人以有限差分法為基礎(chǔ)，研究了雙層玻璃內(nèi)的有限空間自然對流及換熱情況[5]。Collins等人通過推導(dǎo)得出了太陽輻射得熱系數(shù)計算公式，這給玻璃遮陽的計算提供了基礎(chǔ)[6]。Rubin課題組在1982年建立了玻璃傳熱計算模型和太陽光性能計算模型，隨后開發(fā)出了計算程序，開發(fā)了多種模擬軟件，包括外窗熱工性能模擬Window和Therm以及玻璃光學(xué)性能模擬Optics[7]。

Galuppi等人[8]通過簡化實際模型研究了關(guān)于中空玻璃等效厚度方面的問題。Gan等人[9]使用CFD研究了多層外窗的傳熱系數(shù)和熱阻，得出整窗的傳熱系數(shù)和玻璃表面對流換熱系數(shù)均隨其內(nèi)外表面溫差呈線性變化關(guān)系。趙立華等人[10]通過引入線傳熱系數(shù)概念，簡化了外窗與安裝洞口區(qū)的傳熱計算，他將影響外窗傳熱的因素量化，有助于研究弱化傳熱的方法。

盧曉剛等人[11]從地區(qū)氣候著手，設(shè)計出了適合夏熱冬冷地區(qū)的窗戶形式，并對其效果進(jìn)行了實驗測試，結(jié)果表明選擇外遮陽和加強(qiáng)間層空氣流動等方式均可改善外窗性能。Muneer等人實驗研究了雙層玻璃中間夾層的對流及換熱情況，并分析了惰性氣體充入夾層后的節(jié)能效果[12]。

從傳熱學(xué)角度分析，列車在行進(jìn)過程中，經(jīng)過車窗的傳熱過程主要是輻射、對流、導(dǎo)熱傳熱過程綜合作用的結(jié)果[13]。在列車整體構(gòu)造中，窗戶約占車體隔熱壁面積的10%。因此，本文將從車窗玻璃著手，分析不同鍍膜位置，不同間隔層厚度，不同中間層氣體填充材料對列車隔熱保溫與節(jié)能的影響，進(jìn)而分析出更適合列車的車窗玻璃類型[14]。

1 基礎(chǔ)分析

1.1 鍍膜玻璃的節(jié)能性評價指標(biāo)

評價鍍膜玻璃性能的主要參數(shù)有：U值，遮陽系數(shù)，太陽能得熱系數(shù)等[15]。

U值(U-Value)：代表鍍膜玻璃組件的保溫或隔熱性能/W·m-2·K-1。

遮陽系數(shù)(Shading Coefficient簡寫為SC):在同等條件下，玻璃系統(tǒng)的太陽輻射增熱與3 mm厚的透明玻璃太陽輻射增熱的比值。它表達(dá)了玻璃系統(tǒng)對太陽輻射的屏蔽程度。

太陽能得熱系數(shù)(solar heat gain coefficient的首字母縮寫，簡稱SHGC)，另一種叫法是太陽總透射比，是窗或者門墻成為室內(nèi)太陽輻射得熱量與投射到窗或者門墻太陽輻射的比值。

1.2 鍍膜玻璃的節(jié)能性計算原理

1.2.1 遮陽系數(shù)的計算原理

遮陽系數(shù)SC是表征窗戶屏蔽太陽輻射性能的數(shù)值，遮陽系數(shù)SC通常沒有一個定值，這是由于遮陽系數(shù)會隨著太陽光線的位置改變而發(fā)生變化，并且遮陽系統(tǒng)本身也是非常復(fù)雜的，因此遮陽系數(shù)的表征是一個等效值。依據(jù)GB/T2680—94《玻璃太陽光直接透射比、太陽能總透射比、可見光透射比、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測定》[16]，對遮陽系數(shù)定義是：在太陽光線處于法向入射的條件下，通過透光系統(tǒng)的太陽能總透射比與在同種條件下并且保持相同面積的標(biāo)準(zhǔn)玻璃(3 mm厚透明玻璃)的太陽能總透射比的比值[17]。

列車車窗玻璃系統(tǒng)的遮陽系數(shù)Sc的計算公式如式(1)

(1)

式中Sc——列車各種窗構(gòu)件遮陽系數(shù)；

ts——3 mm厚度透明普通玻璃的太陽能透射比。

普通列車車窗本身的太陽能透射比可近似地通過這樣的方式進(jìn)行計算：取窗玻璃的遮陽系數(shù)乘以窗玻璃面積然后除以列車整窗面積。

列車整窗的太陽能總透射比計算公式

(2)

式中g(shù)t——列車整窗的太陽能的總透射比；

Ag——列車窗玻璃(或者其他的鑲嵌板)的面積；

gg——列車窗玻璃(或者其他的鑲嵌板)所在區(qū)域的太陽能總投射比；

Af——列車車窗的窗框面積；

gf——列車窗框太陽能的總投射比；

At——列車的整窗面積。

因標(biāo)準(zhǔn)厚度為3 mm的透明玻璃的太陽能總透射比為0.87，故列車整窗的遮陽系數(shù)Sc可按下式計算

(3)

1.2.2 U值的計算原理

U值可以表征鍍膜玻璃隔熱保溫性能，是列車車窗玻璃傳熱強(qiáng)弱的一個重要參數(shù)[18]。U值主要是由車內(nèi)車外的溫差引起的，由于列車玻璃一般都是中空的雙層玻璃，故在分析U值時，我們主要將傳熱過程分為以下幾個方面考慮:(1)車外環(huán)境與列車車窗有機(jī)玻璃外表面的對流和輻射；(2)各層有機(jī)玻璃板內(nèi)部之間的熱傳導(dǎo)；(3)中空腔有機(jī)玻璃板之間的輻射；(4)中空腔內(nèi)氣體的對流和導(dǎo)熱；(5)列車車窗的有機(jī)玻璃內(nèi)表面與列車內(nèi)環(huán)境的對流與輻射。(見圖1)

(1)看皮下脂肪層的厚度?！笆萑饩必i皮下脂肪層明顯變薄，通常不足1cm;而正常豬肉在皮層和瘦肉之間會有一層脂肪，肥膘約為1～2cm厚。因此，遇到脂肪層太薄、太松軟的豬肉要格外小心。

圖1 列車車窗中空玻璃傳熱過程

綜合上述列車車窗玻璃的傳熱過程，應(yīng)用傳熱學(xué)知識原理與分析，可以得出U值的計算公式如式(4)

(4)

式中ae——列車外環(huán)境與車窗外表面的對流輻射傳熱系數(shù);

1/am——列車車窗多層玻璃的內(nèi)部熱阻；

ai——列車車窗內(nèi)表面與車內(nèi)環(huán)境的對流輻射傳熱系數(shù)。

在求出列車車窗總的傳熱系數(shù)U值之后，可以得到列車車窗構(gòu)件的傳熱量如式(5)

q=U(T0-Ti)

(5)

式中To——列車外的環(huán)境溫度;

Ti——列車車內(nèi)的環(huán)境溫度。

得到列車車窗構(gòu)件的傳熱量q之后，可以運用電學(xué)中的分壓定律，來求得各個有機(jī)玻璃面上的溫度，計算如式(6)

(6)

Rt——列車車外至列車車內(nèi)的總熱阻，Rt=1/U。

2 模擬分析

2.1 玻璃熱工計算軟件介紹

WINDOW7.1軟件是專門評價窗戶熱工性能的軟件[19]，該軟件已經(jīng)成為美國門窗分級協(xié)會對窗戶玻璃熱工性能的標(biāo)準(zhǔn)計算方法，同時該軟件中包含各種玻璃參數(shù)的國際玻璃數(shù)據(jù)庫，這一數(shù)據(jù)庫中包含1 800多種玻璃產(chǎn)品所具有的光學(xué)參數(shù)，并且對新玻璃品種的參數(shù)進(jìn)行升級。該軟件可以根據(jù)不同的玻璃的種類、窗戶的種類、窗戶中空腔內(nèi)氣體的種類以及車內(nèi)外環(huán)境條件進(jìn)行熱工(U值，SC值)模擬計算。

2.2 參數(shù)的選取

本文主要分析列車在明線運行的情況。選取太陽垂直入射強(qiáng)度為783 W/m2,車外溫度35℃，車內(nèi)溫度24℃，風(fēng)速2.7 m/s[20]，用WINDOW7.1軟件進(jìn)行模擬計算。控制太陽光法向入射(入射角=0)，對車窗有無鍍膜、納米透明隔熱鍍膜位于不同鍍膜位置(有機(jī)中空玻璃外層玻璃外部、外層玻璃內(nèi)部、內(nèi)層玻璃外部、內(nèi)層玻璃內(nèi)部)、中空腔填充不同氣體、中空腔不同空氣層厚度的U值，遮陽系數(shù)SC和太陽能得熱系數(shù)SHGC進(jìn)行分析。上述中所指的外層玻璃外部是指圖1所示的1#面玻璃，外層玻璃內(nèi)部是指圖1所示的2#面玻璃，內(nèi)層玻璃外部是指圖1所示的3#面玻璃，內(nèi)層玻璃內(nèi)部是指圖1所示的4#面玻璃。其中有機(jī)玻璃的相關(guān)參數(shù)見表1和表2;不同填充氣體的物理性質(zhì)見表3，其中所填充的氪氣，氬氣和空氣均為純凈氣體。

3 計算結(jié)果與分析

取雙層中空有機(jī)玻璃的厚度為6 mm，中空氣體間隔層的厚度也為6 mm，膜層厚度為0.5 mm的車窗組合為例，使用WINDOW7.1軟件根據(jù)上述條件對無鍍膜有機(jī)中空玻璃、鍍膜層位于外層玻璃外部、外層玻璃內(nèi)部、內(nèi)層玻璃外部、內(nèi)層玻璃內(nèi)部5種情況進(jìn)行U值、SC、SHGC以及各個表面的溫度模擬計算，其中中空玻璃填充的氣體為空氣。計算結(jié)果見表4所示。

表1有機(jī)玻璃相關(guān)參數(shù)

名稱尺寸/mm2厚度/mm太陽能透射比可見光透過率有機(jī)玻璃900×90060.8340.921鍍膜有機(jī)玻璃900×9006.50.3850.865

表2有機(jī)玻璃相關(guān)參數(shù)

輻射率太陽能直接反射比未鍍膜的有機(jī)玻璃表面0.860.35鍍膜的有機(jī)玻璃表面0.1750.067

表3填充氣體的物理性質(zhì)

名稱導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-2·℃-1動力粘度×106/Pa·s比熱/J·kg-1·℃-1密度/kg·m-3氪氣0.008 723248.0913.739氬氣0.016 321521.9291.782空氣0.024 1171 006.1031.292

表4不同鍍膜位置的有機(jī)中空玻璃熱工性能計算

鍍膜位置U值SC值SHGC值玻璃表面溫度/℃外層外表面T1外層內(nèi)表面T2內(nèi)層外表面T3內(nèi)層內(nèi)表面T4無3.0620.8750.77138.437.634.834.6外玻璃外層2.7520.5710.49554.254.341.641.1外玻璃內(nèi)層2.6120.4850.41544.544.734.133.9內(nèi)玻璃外層2.6080.7640.66242.142.454.653.8內(nèi)玻璃內(nèi)層2.4420.5620.48543.944.551.651.4

由表4可知，鍍膜的有機(jī)中空玻璃的U值比未鍍膜的有機(jī)中空玻璃的U值都小，由此可知鍍膜之后可以起到隔熱的作用。其次分析不同鍍膜位置有機(jī)中空玻璃的U值，由表4可得鍍膜位置隨著不斷靠近車內(nèi)玻璃，U值不斷減小，其中納米透明隔熱鍍膜位于內(nèi)層玻璃內(nèi)部時U值最??；鍍膜層位于外層玻璃外部時U值最大；而鍍膜位置在中間2層時，U值的差別不大。造成這一現(xiàn)象的主要原因是因為納米隔熱鍍膜有機(jī)中空玻璃的U值主要是取決于內(nèi)層玻璃的換熱系數(shù)hi,而換熱系數(shù)hi是由表面發(fā)射率e0決定的，并且是正相關(guān)。由于鍍膜位置在內(nèi)層玻璃內(nèi)部的發(fā)射率e0比其他三處的反射率e要小，U值鍍膜位置隨著靠近車內(nèi)玻璃而不斷減小，所以納米透明隔熱鍍膜位于車窗內(nèi)層玻璃內(nèi)部時，U值最小。

而對于遮陽系數(shù)SC，未鍍膜的有機(jī)中空玻璃的SC值要比所有的鍍膜的有機(jī)中空玻璃SC值高。鍍膜位置位于外層玻璃外部和內(nèi)層玻璃內(nèi)部時，兩者的SC值區(qū)別不是很大。而鍍膜位置位于外層玻璃內(nèi)部時，SC值達(dá)到最??；鍍膜位置在內(nèi)層玻璃外部時，SC值比其他三種情況要大。造成上述現(xiàn)象的主要原因是因為二次傳熱的不同所引起的。當(dāng)鍍膜位置位于內(nèi)層玻璃外部時，熱量反射到了車窗系統(tǒng)中的氣體間隔層中，而沒有直接到達(dá)車外，之后通過外層玻璃的反射和內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，提高了外層玻璃的太陽光吸收比，經(jīng)過乘積效應(yīng)的放大，使得整個的有機(jī)中空玻璃系統(tǒng)的二次傳熱變大。故鍍膜位置在外層玻璃內(nèi)部時，獲得了比較好的遮陽效果。

納米透明隔熱鍍膜玻璃的鍍膜位置具體放在什么位置合適列車車窗，要根據(jù)各種因素綜合考慮。如果列車全年運行在溫度比較高的溫和地區(qū)，那么列車在地面行駛中，影響列車內(nèi)部得熱主要因素是太陽輻射，這時應(yīng)該選用遮陽系數(shù)最低的外層玻璃內(nèi)部鍍膜位置比較合適；如果列車全年運行在溫度比較低的寒冷地區(qū)，影響車內(nèi)主要得熱因素是從車內(nèi)散失的熱輻射，因此這時應(yīng)該選用U值最低的內(nèi)層玻璃內(nèi)部鍍膜位置比較合適。

3.1 有機(jī)中空玻璃不同填充氣體玻璃熱工性能影響

取雙層中空有機(jī)玻璃的厚度為6 mm，中空氣體間隔層的厚度也為6 mm，膜層厚度為0.5 mm的車窗組合為例，運用WINDOW7.1軟件對比不同填充氣體種類下玻璃組合的熱工性能分析[21]。其中，鍍膜的位置為內(nèi)層玻璃內(nèi)部，氣候條件為夏季。計算結(jié)果見表5所示。由表5可知，在這三種填充氣體中，氪氣的U值最小。氪氣的U值比空氣的U值減小了35.1%，氬氣的U值比空氣的U值減小了14.2%；而對于遮陽系數(shù)SC和太陽得熱系數(shù)SHGC，三種氣體雖然變化不大，但氪氣的遮陽系數(shù)SC與SHGC值都比其他兩種氣體的小，所以總體上氪氣的填充效果是最好的。雖然氪氣比較難得，但是探求超低導(dǎo)熱系數(shù)的惰性氣體是非常重要的。

表5有機(jī)中空玻璃不同填充氣體種類玻璃熱工性能計算結(jié)果

填充氣體U值遮陽系數(shù)SCSHGC空氣2.4420.5620.485氬氣2.0850.5560.476氪氣1.5850.5490.469

3.2 有機(jī)中空玻璃不同氣體間隔層厚度對玻璃熱工性能影響

取雙層中空有機(jī)玻璃的厚度為6 mm，膜層厚度為0.5 mm的車窗組合為例，運用WINDOW7.1軟件對比不同氣體間隔層厚度下玻璃組合的熱工性能分析。其中，鍍膜的位置為內(nèi)層玻璃內(nèi)部，中空玻璃填充的氣體為空氣，氣候條件為夏季。數(shù)據(jù)計算結(jié)果見表6所示。

表6有機(jī)中空玻璃不同填充氣體厚度玻璃熱工性能計算結(jié)果

空氣層厚度/mmU值遮陽系數(shù)/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

圖2 U值隨氣體間隔層厚度的變化圖

對列車車窗而言，隨著中空腔填充氣體的厚度逐漸增大，U值將會逐漸變小，但是中空腔氣體的間隔層厚度也不是越厚越好，存在一個臨界值，超過這個臨界值之后，列車車窗的U值將緩慢升高。造成這一原因的主要因素是由于有機(jī)中空玻璃中空腔的氣體間隔層里同時存在三大傳熱過程：對流、導(dǎo)熱和輻射傳熱。當(dāng)氣體間隔層厚度比較小時，對流傳熱可以忽略，所以影響傳熱系數(shù)主要的原因是導(dǎo)熱熱阻；隨著氣體間隔層慢慢增大，氣體間隔中的對流傳熱影響會慢慢增大，所以當(dāng)氣體厚度達(dá)到一定的值后，U值會不降反升。由表6可知，納米透明隔熱鍍膜的SC和SHGC隨著間隔層厚度的增加變化不大。圖2是U值隨氣體間隔層厚度的變化圖。

結(jié)合表6和圖2可以看出，當(dāng)鍍膜有機(jī)中空玻璃中空腔氣體厚度為3 mm到16 mm逐漸增加時，列車車窗U值逐漸變??；當(dāng)厚度為16 mm時，列車車窗的U值達(dá)到最小值，此后隨著氣體間隔層的厚度增加，車窗U值將緩慢上升，故氣體間隔層厚度為16 mm是氣體間隔層厚度的最佳值，此時U值最小。

4 小結(jié)

本文主要從宏觀介紹了納米透明隔熱鍍膜的隔熱原理，介紹了列車鍍膜玻璃的節(jié)能性能評價參數(shù)，如U值，SC值，SHGC值等，同時對列車車窗進(jìn)行了傳熱分析，闡述了U值和遮陽系數(shù)的計算方法。其次運用WINDOW軟件模擬計算了列車在明線運行的情況下，對有無鍍膜、不同鍍膜位置、不同填充氣體種類、不同氣體間隔層厚度等條件下對列車有機(jī)中空玻璃的U值、遮陽系數(shù)進(jìn)行了分析，并且分析了在各個情況下的傳熱過程，對其傳熱過程有了比較深入的認(rèn)識。所得到的結(jié)論如下：

(1)所有鍍膜的有機(jī)中空玻璃U值和SC值要比未鍍膜的有機(jī)中空玻璃U值和SC值要小。所以納米透明隔熱鍍膜可以起到隔熱保溫的作用。

(2)納米透明隔熱鍍膜位于內(nèi)層玻璃內(nèi)部時U值最??；鍍膜位置位于外層玻璃外部時U值最大；而鍍膜位置在中間2層時，U值的差別不大。鍍膜位置位于外層玻璃外部和內(nèi)層玻璃內(nèi)部時，兩者的SC值區(qū)別不是很大。而鍍膜位置位于外層玻璃內(nèi)部時，SC值達(dá)到最小；鍍膜位置位于內(nèi)層玻璃外部時，SC值達(dá)到最大。

(3)在文中提到的三種填充氣體中，氪氣的U值最小。氪氣的U值比空氣的U值減小了35.1%，氬氣的U值比空氣的U值減小了14.2%；而對于遮陽系數(shù)SC和太陽得熱系數(shù)SHGC，三種氣體變化不大，所以總體上氪氣的填充效果是最好的。

(4)當(dāng)中空腔氣體厚度為3 mm到16 mm逐漸增加時，列車車窗U值逐漸變小；當(dāng)厚度為16 mm，列車車窗的U值達(dá)到最小值，此后隨著氣體間隔層的厚度增加，列車車窗U值將慢慢增大，故氣體間隔層厚度為16 mm是厚度的最佳值，此時U值最小。

(5)納米透明隔熱鍍膜玻璃的鍍膜位置具體放在什么位置合適列車車窗，還要根據(jù)各種因素綜合考慮。如果列車全年運行在溫度比較高的溫和地區(qū)，那么列車在地面行駛中，影響列車內(nèi)部得熱主要原因是太陽輻射，因此這時應(yīng)該選用遮陽系數(shù)最低的外層玻璃內(nèi)部鍍膜位置比較合適；如果列車全年運行在溫度比較低的寒冷地區(qū)，影響車內(nèi)主要得熱因素是從車內(nèi)散失的熱輻射，因此這時應(yīng)該選用U值最低的內(nèi)層玻璃內(nèi)部鍍膜位置比較合適。