納米鍍膜有機(jī)玻璃作為列車車窗傳熱分析

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

城鎮(zhèn)化發(fā)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(xiàn)出來了比較明顯的優(yōu)勢(shì)。截止2016年，我國有38座城市被準(zhǔn)許建設(shè)城市軌道交通線路, 接近一半的城市運(yùn)營開通的線路已達(dá)百條，總的里程多達(dá)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(duì)列車的節(jié)能具有非常重要的影響。PMMA俗稱有機(jī)玻璃，密度約為1 190 kg/m3，僅為傳統(tǒng)硅酸鹽玻璃的一半，可以實(shí)現(xiàn)列車輕量化的目的[2]。而納米透明隔熱膜是一種結(jié)合了納米粒子技術(shù)應(yīng)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(jī)玻璃作為列車車窗可以減小列車的傳熱系數(shù)，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(duì)中空玻璃節(jié)能效果的影響。于鳳嬌等人[7]通過Window軟件對(duì)中空玻璃的傳熱情況進(jìn)行了模擬研究。盧曉剛[8]通過實(shí)驗(yàn)研究了外遮陽和空氣流動(dòng)對(duì)窗戶性能的影響。劉道春[9]對(duì)各種節(jié)能玻璃的特點(diǎn)進(jìn)行了概述。徐斌等人[10]通過穩(wěn)態(tài)傳熱模型,用數(shù)值方法對(duì)涂層的參數(shù)及地區(qū)因素對(duì)能耗的影響進(jìn)行了研究。

本文主要通過實(shí)驗(yàn)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(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

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

實(shí)驗(yàn)首先分析單層玻璃的實(shí)驗(yàn)，之后保持對(duì)照組不變，改變實(shí)驗(yàn)組單層有機(jī)玻璃的鍍膜位置(把鍍膜面進(jìn)行調(diào)換)，進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)測量；然后將實(shí)驗(yàn)有機(jī)玻璃都換成雙層中空有機(jī)玻璃，中空腔空氣層厚度為6 mm，之后進(jìn)行不同鍍膜位置(鍍膜位置分別在內(nèi)玻璃內(nèi)層，內(nèi)玻璃外層，外玻璃內(nèi)層，外玻璃外層)4組實(shí)驗(yàn)測量；最后將2組實(shí)驗(yàn)有機(jī)玻璃的空氣層厚度改為9 mm、12 mm、15 mm,實(shí)驗(yàn)組的鍍膜位置為內(nèi)層有機(jī)玻璃內(nèi)部，再進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)。一共為9組實(shí)驗(yàn)，編號(hào)為1號(hào)到9號(hào)。每組的實(shí)驗(yàn)測試時(shí)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(duì)中空玻璃性能的影響。

圖2為溫濕度自記儀測量9組實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)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(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)箱的溫度普遍高于沒有鍍膜有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)箱的溫度，故可以得到：納米透明隔熱鍍膜在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中起到了隔熱保溫的作用。

為了進(jìn)一步分析單/雙層玻璃和對(duì)于中空有機(jī)玻璃不同鍍膜位置對(duì)其隔熱保溫的影響，取每組實(shí)驗(yàn)中對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組2個(gè)箱體內(nèi)的溫度，計(jì)算其溫度差的平均值。計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組箱內(nèi)溫差平均值

由表1可知，鍍膜后的雙層有機(jī)玻璃的隔熱保溫性能要比鍍膜后單層有機(jī)玻璃的要好，從而有機(jī)中空玻璃更合適在玻璃表面鍍膜，所以列車車窗應(yīng)用鍍膜后的有機(jī)中空玻璃將顯得十分必要。對(duì)于雙層玻璃而言，鍍膜位置在內(nèi)層玻璃內(nèi)部時(shí)，隔熱保溫的效果最好；鍍膜位置在外層玻璃外部時(shí)，隔熱保溫的效果最差；鍍膜位置在外層玻璃內(nèi)部和內(nèi)層玻璃外部時(shí)，隔熱保溫效果相差不是很大，主要的原因是鍍膜位置在內(nèi)層玻璃內(nèi)部時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)玻璃系統(tǒng)的熱阻增大，將會(huì)使玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)減小，體現(xiàn)出更好的隔熱保溫效果。

為了分析不同空氣層厚度對(duì)其隔熱保溫的影響，取每組實(shí)驗(yàn)中對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組2個(gè)箱體內(nèi)的溫度，計(jì)算其溫度差的平均值，其中實(shí)驗(yàn)組的鍍膜位置為內(nèi)層玻璃內(nèi)部。計(jì)算數(shù)據(jù)如圖3所示。

由圖3可知，對(duì)6 mm,9 mm,12 mm,15 mm的空氣層厚度而言，厚度為15 mm時(shí)，隔熱保溫的效果最好。因?yàn)樵黾涌諝鈱雍穸瓤梢栽龃蟛ＡУ膶?dǎo)熱熱阻，從而可以使玻璃的U值變小，熱量的散失會(huì)減小，從而會(huì)有更好的隔熱保溫的效果。

2 車窗傳熱系數(shù)模擬分析

2.1 幾何模型

本章節(jié)所研究的整個(gè)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(jī)玻璃，其中單面有機(jī)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(jì)算區(qū)域、計(jì)算方法及邊界條件

模型的網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)不同的區(qū)域采用不同的網(wǎng)格劃分。全局網(wǎng)格總數(shù)為400萬，網(wǎng)格質(zhì)量小于0.7，可以認(rèn)為網(wǎng)格已經(jīng)足夠密，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格獨(dú)立性，具體網(wǎng)格的細(xì)節(jié)如圖5。

在計(jì)算列車車窗傳熱系數(shù)的過程中，一般應(yīng)用的穩(wěn)態(tài)傳熱原理，即車內(nèi)的溫度分布和傳熱量始終都是常數(shù)，不隨時(shí)間的變化而發(fā)生改變[10]。

列車車窗按照傳統(tǒng)傳熱學(xué)的計(jì)算方法，具體計(jì)算公式如下

邊界條件的設(shè)定對(duì)于列車外壁面采用定壁溫12℃的第一類邊界條件，車內(nèi)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(shù)的計(jì)算結(jié)果與分析

(1)有無鍍膜車窗的傳熱系數(shù)計(jì)算與分析

由于基于有機(jī)玻璃所擁有的良好材料性質(zhì)和納米透明隔熱鍍膜的隔熱效果，所以本小節(jié)分為3個(gè)不同的Case，主要研究普通無機(jī)玻璃、有機(jī)玻璃、外鍍膜有機(jī)玻璃作為列車車窗的系數(shù)分析;分別記為Case1、Case2、Case3。其中三個(gè)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(shù)模擬結(jié)果

圖6是Case1、Case2、Case3的傳熱云圖，表2是Case1、Case2、Case3的模擬計(jì)算結(jié)果。由此可知：列車車窗的玻璃材料采用有機(jī)玻璃的傳熱系數(shù)比采用普通無機(jī)玻璃的傳熱系數(shù)小8%，可知有機(jī)玻璃比普通無機(jī)有機(jī)的隔熱保溫效果更好；列車車窗采用外鍍膜有機(jī)玻璃的傳熱系數(shù)比不采用鍍膜的有機(jī)玻璃和無機(jī)玻璃分別小10%和17%，造成這一原因是因?yàn)殄兡ぶ蟛Ａ到y(tǒng)的熱阻會(huì)加大。所以經(jīng)過鍍膜處理之后的有機(jī)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(jié)能作用。

(2)不同鍍膜位置車窗的傳熱系數(shù)計(jì)算與分析

由于納米透明隔熱鍍膜處于不同的位置將會(huì)對(duì)車窗的傳熱有一定的影響，所以本小節(jié)將探究納米透明隔熱鍍膜位于有機(jī)中空玻璃不同鍍膜位置(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)下的傳熱系數(shù)的分析，分別記為Case3、Case4、Case5、Case6。其中四個(gè)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(shù)模擬結(jié)果

圖7是Case3、Case4、Case5、Case6的傳熱云圖，表3是Case3、Case4、Case5、Case6的模擬計(jì)算結(jié)果。在列車車窗采用有機(jī)中空玻璃，鍍膜位置在內(nèi)層玻璃內(nèi)部時(shí)傳熱系數(shù)達(dá)到最小，比鍍膜位置在外層玻璃外部的傳熱系數(shù)要小9.6%，比采用不鍍膜的普通玻璃傳熱系數(shù)要小25.2%；造成這一原因的主要因素是納米隔熱鍍膜有機(jī)中空玻璃的傳熱系數(shù)主要是取決于內(nèi)層玻璃的換熱系數(shù)h,由玻璃內(nèi)表面的發(fā)射率ε的值越小，則內(nèi)層玻璃的換熱系數(shù)h越?。挥捎阱兡の恢迷趦?nèi)層玻璃內(nèi)部的發(fā)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(nèi)層玻璃內(nèi)部時(shí)K值最小。鍍膜位置在外層玻璃內(nèi)部和內(nèi)層玻璃外部時(shí)，傳熱系數(shù)基本變化不大。故鍍膜位置在內(nèi)層玻璃內(nèi)部時(shí)，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(jié)能作用。

(3)不同填充氣體下車窗的傳熱系數(shù)計(jì)算與分析

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

表4 不同填充氣體下車窗的傳熱系數(shù)計(jì)算

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

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

3 整車車體傳熱系數(shù)模擬分析

在明線運(yùn)行的列車,納米隔熱鍍膜有機(jī)玻璃作為列車車窗，其中鍍膜位置采取內(nèi)鍍膜，中空氣體填充氪氣的車窗組合的傳熱系數(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這種車窗組合可以大大降低車窗的傳熱系數(shù)，比普通的車窗傳熱系數(shù)要小52%，體現(xiàn)出了非常好的隔熱保溫作用。本節(jié)將分析把這種車窗組合運(yùn)用到列車中，對(duì)列車整體隔熱保溫與節(jié)能的貢獻(xiàn)。

3.1 車體模型、計(jì)算方法及邊界條件

對(duì)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(qū)域，門通過區(qū)域，窗區(qū)域選取3個(gè)典型截面，分別記為A、B、C；因?yàn)锳、C的截面中有窗結(jié)構(gòu)，將納米隔熱鍍膜有機(jī)玻璃，鍍膜位置采取內(nèi)鍍膜，中空氣體填充氪氣的車窗組合應(yīng)用到市域快軌車輛典型截面A和C中，對(duì)截面A和C進(jìn)行優(yōu)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(jì)算列車車窗傳熱系數(shù)的過程中，一般應(yīng)用的穩(wěn)態(tài)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(shù)的計(jì)算結(jié)果與分析

表6 不同截面?zhèn)鳠嵯禂?shù)模擬計(jì)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(shù)要比無門無窗截面B的傳熱系數(shù)大很多，因此列車車窗對(duì)車體的傳熱系數(shù)影響比較大，所以應(yīng)通過設(shè)法減小窗的傳熱系數(shù)，從而減小列車車體的傳熱系數(shù)。通過對(duì)車窗組合進(jìn)行優(yōu)化之后，截面A1和截面C1的傳熱系數(shù)相比于截面A和截面C的傳熱系數(shù)分別減小了12.7%和11.7%，達(dá)到了一個(gè)比較明顯隔熱保溫的效果。

由上文可知，對(duì)市域快軌車的車窗進(jìn)行一系列的優(yōu)化之后，帶窗的截面的傳熱系數(shù)有了明顯的改善。本節(jié)將分析普通車窗(玻璃材料采用無機(jī)玻璃，無鍍膜，中空腔填充空氣)和優(yōu)化后的車窗(玻璃材料采用有機(jī)玻璃，納米透明隔熱膜鍍?cè)趦?nèi)層玻璃內(nèi)部，中空腔填充氪氣)對(duì)市域快軌車整車傳熱系數(shù)的影響。

表7 普通車窗市域快軌車體傳熱系數(shù)模擬結(jié)果

表8 優(yōu)化車窗市域快軌車體傳熱系數(shù)模擬結(jié)果

由表7可知，通過沿車長方向進(jìn)行折算后，采用普通車窗的市域快軌車車體傳熱系數(shù)為2.31 W/(m2·K)。由表8可知，通過沿車長方向進(jìn)行折算后，采用優(yōu)化后車窗的市域快軌車車體傳熱系數(shù)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(shù)可得：優(yōu)化車窗(玻璃材料采用有機(jī)玻璃，納米透明隔熱膜鍍?cè)趦?nèi)層玻璃內(nèi)部，中空腔填充氪氣)后市域快軌車車體傳熱系數(shù)比普通車窗(玻璃材料采用無機(jī)玻璃，無鍍膜，中空腔填充空氣)的市域快軌車車體傳熱系數(shù)小7.8%。所以，優(yōu)化車窗后對(duì)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(duì)市域快軌車的節(jié)能起到一定的貢獻(xiàn)。

4 結(jié) 論

(1)通過簡易實(shí)驗(yàn)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(jī)中空玻璃的隔熱保溫效果；得出雙層玻璃，鍍膜位置在內(nèi)層玻璃內(nèi)部，氣體間隔層厚度為15 mm時(shí)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(shù)，對(duì)有無鍍膜車窗的傳熱系數(shù)計(jì)算與分析可得：采用外鍍膜有機(jī)玻璃的傳熱系數(shù)比不采用鍍膜的有機(jī)玻璃和無機(jī)玻璃分別小10%和17%；對(duì)不同鍍膜位置車窗的傳熱系數(shù)計(jì)算與分析可得：在列車車窗采用有機(jī)中空玻璃，鍍膜位置在內(nèi)層玻璃內(nèi)部時(shí)傳熱系數(shù)達(dá)到最小，比鍍膜位置在外層玻璃外部的傳熱系數(shù)要小9.6%，比采用不鍍膜的普通玻璃傳熱系數(shù)要小25.2%；對(duì)不同填充氣體下車窗的傳熱系數(shù)計(jì)算與分析可得：在列車車窗采用有機(jī)中空玻璃，鍍膜位置在內(nèi)層玻璃內(nèi)部，中空腔填充氪氣時(shí)傳熱系數(shù)達(dá)到最小，比填充空氣和填充氬氣時(shí)傳熱系數(shù)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(shù)要小52.0%。

(3)通過CFD軟件的方法模擬車體的傳熱系數(shù)，優(yōu)化車窗(玻璃材料采用有機(jī)玻璃，納米透明隔熱膜鍍?cè)趦?nèi)層玻璃內(nèi)部，中空腔填充氪氣)后市域快軌車車體傳熱系數(shù)比普通車窗(玻璃材料采用無機(jī)玻璃，無鍍膜，中空腔填充空氣)的市域快軌車車體傳熱系數(shù)小接近百分之7.8%。故優(yōu)化車窗后對(duì)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。