一種新型玻璃的保溫隔熱性能模擬分析研究

毛開楠顏海蛟林晉慶

（1中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 城陽區(qū) 266111；2青島科林鐵路設(shè)備有限公司，山東 青島 城陽區(qū)266111；3巧燁科技股份有限公司，臺(tái)灣省新竹縣竹北區(qū)30264）

一種新型玻璃的保溫隔熱性能模擬分析研究

毛開楠1顏海蛟2林晉慶3

（1中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 城陽區(qū) 266111；2青島科林鐵路設(shè)備有限公司，山東 青島 城陽區(qū)266111；3巧燁科技股份有限公司，臺(tái)灣省新竹縣竹北區(qū)30264）

本文針對一種新型玻璃的保溫隔熱性能進(jìn)行了模擬分析。新型玻璃采用聚碳酸酯板、納米材料、玻璃相結(jié)合的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，新型玻璃在隔音、隔熱、抗紫外線、能耗等多方面性能均要優(yōu)于普通中空玻璃和夾層玻璃。通過車體模擬能耗分析發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)中空玻璃車窗相比，在夏熱冬暖區(qū)域采用此新型玻璃的車窗可以節(jié)省能源10%以上。

新型玻璃；保溫隔熱性能；模擬分析

1 引 言

節(jié)能減排是當(dāng)前社會(huì)的大勢所趨，也是每個(gè)企業(yè)應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任。在軌道車輛領(lǐng)域，傳統(tǒng)夾膠玻璃難以滿足更節(jié)能方面的要求，而市場上常見的中空玻璃破碎后，碎片脫落容易傷人，難以滿足安全要求。除了節(jié)能和安全性的需求之外，軌道車輛客室側(cè)窗玻璃，還須充分考慮提高隔音、隔熱性能和減輕玻璃重量等需求。

聚碳酸酯板是常見的玻璃替代材料，具有輕量化、防爆裂、難燃等優(yōu)點(diǎn)，近年來已有許多軌道車輛，尤其歐美高速鐵路上，已大量采用聚碳酸酯板。但聚碳酸酯材料本身具有耐磨性差、隔熱效果差等特性。聚碳酸酯板除了要克服材料自身的缺點(diǎn)之外，還要大幅提升自身材料特性，才能真正大批量替代鋼化玻璃，應(yīng)用在軌道交通車輛上。

新型玻璃比當(dāng)前軌道車輛常用的5mm+9mm(中空層)+4mm普通中空玻璃綜合性能明顯優(yōu)良，整體重量僅為常用中空玻璃結(jié)構(gòu)的75%，能隔絕99%以上的紫外線，可延緩車輛內(nèi)配件的老化，提高乘客的舒適度。同時(shí)將采用此新型玻璃的車窗結(jié)構(gòu)導(dǎo)入車體能源耗損模擬，并選定國內(nèi)寒冷與夏熱冬暖兩大區(qū)域進(jìn)行分析比對，發(fā)現(xiàn)新型玻璃除了具有更安全、更高的隔熱、隔音性能等優(yōu)點(diǎn)外，還能夠從整體車輛能耗上獲得更直接的節(jié)能效益[1]。

2 新型玻璃簡介

表1 玻璃性能比較表

考慮輕量化的設(shè)計(jì)理念，新型玻璃外側(cè)采用聚碳酸酯板替代鋼化玻璃，聚碳酸酯板的重量約為玻璃的一半，且透光率可達(dá)90%以上，與性能接近的聚甲基丙烯酸甲酯板相比，聚碳酸酯板的抗沖擊性能好，且原材本身就具有UL94V-0級的阻燃性能。

新型玻璃采用了最先進(jìn)的納米材料鍍膜技術(shù)，根據(jù)光譜篩選的隔熱原理，用最先進(jìn)的納米技術(shù)與優(yōu)越的噴濺技術(shù)制造生產(chǎn)而成，具有低反光（減少光污染）、高透光、高隔熱性等特點(diǎn)。

3 與普通中空玻璃性能對比

經(jīng)一系列的試驗(yàn)測試，新型玻璃與軌道車輛上常用的5mm+9mm(中空層)+4mm中空玻璃性能對比見表1。

4 新型玻璃在地鐵車輛上的模擬分析

為進(jìn)一步研究新型玻璃的隔熱保溫性能，本文利用AutoDesk開發(fā)的ECOTECT模擬軟件對該新型玻璃進(jìn)行模擬分析，該軟件是專門用來類比空調(diào)能耗的。

在本研究中，將分別模擬采用新型玻璃的地鐵車輛和采用普通中空玻璃的地鐵車輛運(yùn)行于北京與廣州兩地，通過不同方位的模擬計(jì)算來研究新型隔熱窗材的能源消耗[2]。其中設(shè)定一節(jié)地鐵車輛為一個(gè)基礎(chǔ)模擬單元，同時(shí)將客室內(nèi)的目標(biāo)溫度設(shè)定為21.5℃。

圖1 北京、廣州的夏季日晷圖

圖2 地鐵車輛在不同車窗隔熱性能上車室溫場分布模擬

圖1 為北京與廣州兩地的夏季日晷運(yùn)行軌跡，由于緯度的不同，從圖中可以清楚觀察到在廣州的地鐵車輛會(huì)有較長的時(shí)間受到陽光的曝曬，同時(shí)根據(jù)氣象資料顯示廣州的陽光輻射量指數(shù)也較北京地區(qū)的能量大很多。陽光輻射量的多少會(huì)直接影響地鐵車輛車內(nèi)的溫度變化，采用新型節(jié)能玻璃與普通中空玻璃在車內(nèi)的溫場變化上會(huì)有明顯的差異，如圖2所示。依照圖2的溫場顯示夏季無論在北京或廣州地區(qū)，只要采用低傳導(dǎo)系數(shù)以及低遮陽系數(shù)的玻璃均可以讓車室內(nèi)的溫度維持在目標(biāo)溫度21.5攝氏度的標(biāo)準(zhǔn)上，但是，如果使用傳統(tǒng)的中空玻璃作為車室窗戶，則在車輛窗戶的區(qū)域會(huì)有至少1攝氏度以上的室內(nèi)差異。此部分的模擬研究尚未考慮地鐵車門的開關(guān)過程所導(dǎo)入的環(huán)境溫度變化。

表2為地鐵車輛使用兩種類型的車窗玻璃根據(jù)列車在不同方位上的全年能耗統(tǒng)計(jì)分析。在北京地區(qū)的結(jié)果顯示，當(dāng)列車方位為西北-東南向時(shí)全年能耗最大，此地區(qū)能源損耗大多來自暖氣的部分，在熱傳導(dǎo)系數(shù)較低的玻璃結(jié)構(gòu)中能耗表現(xiàn)較好一些，但整體而言這兩種類型玻璃的差異不大。但如果固定熱傳導(dǎo)系數(shù)而提升車窗的遮蔽系數(shù)其結(jié)果反而會(huì)獲得較好的能耗表現(xiàn)，這個(gè)部分的差異應(yīng)該是北京的氣候區(qū)較為寒冷，在相同的熱傳導(dǎo)系數(shù)值之下，如果遮蔽系數(shù)較高則代表陽光的能量入射量較強(qiáng)，可以增加車室內(nèi)的直射式陽光能量而此能量可以被車室內(nèi)的其他材料（例如：椅子、地板、人員等）所吸收，然后再次放出更長波長的中紅外線（波長:8-20um），使車室內(nèi)的溫度上升[3]。

表2 地鐵車輛（單一節(jié)車輛）于北京及廣州的車窗玻璃系數(shù)與能耗分析

在廣州地區(qū)部分，根據(jù)數(shù)值模擬的資料顯示列車在南北向的方位時(shí)，所產(chǎn)生年度總能耗最大，并且在不同的遮蔽系數(shù)下能耗有顯著的差異，其原因主要為廣州地區(qū)的陽光能量較強(qiáng)導(dǎo)致采用較低遮蔽系數(shù)玻璃的車輛，可以有效地阻擋輻射能量，同時(shí)也因?yàn)檩^低的熱傳導(dǎo)系數(shù)使車室內(nèi)的冷房較不容易傳遞出去，使得車輛的保溫隔熱性能可以有效地獲得控制。

5 結(jié) 論

1）使用高性能納米材料隔熱涂層使整體車窗的隔熱節(jié)能特性大幅提升50%，搭配中空空氣層的設(shè)計(jì)，使車窗結(jié)構(gòu)能有效阻擋陽光熱輻射與降低熱傳導(dǎo)數(shù)值，可有效提高玻璃的保溫隔熱節(jié)能指標(biāo)。

2）采用新型玻璃車窗的整體能耗，在夏熱冬暖區(qū)域較傳統(tǒng)中空玻璃節(jié)省約10%的能源損耗。

[1]王歡，吳會(huì)軍，丁云飛，等．建筑外窗熱工性能對空調(diào)能耗與節(jié)能的影響分析[J]．節(jié)能技術(shù)，2011，29(2)：172－175．

[2]馬杰，聶金哲，馮瑩瑩，等．夏熱冬暖地區(qū)商業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能研究[J]．建筑科學(xué)，2012，28(8)：60－64．

[3]龍恩深，王勇，肖益民，等．遮陽系數(shù)對供暖與空調(diào)能耗影響差異的逐時(shí)解析[J]．暖通空調(diào)，2005，35(6)：46－51．

Simulation and analysis of a new type of glass insulation

This paper for analysis and Simulation of thermal insulation property of a new type of glass made The new glass multilayer composite structure,nano materials,polycarbonate plate glass combination, new glass is better than ordinary insulating glass and laminated glass in sound and heat insulation,anti ultraviolet radiation,energy consumption and other aspects of performance．Through the simulation analysis of car body energy consumption,it is found that compared with the traditional hollow glass window,it can save more than 10% of the energy consumption in the hot summer and warm winter area．

New type glass；thermal insulation performance；simulation analysis

U270．4+2文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

1003-8965(2017)03-0070-02