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(1.上海海事大學 商船學院，上海 201306; 2.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804)

0 引言

城市化進程的加快，帶動了經(jīng)濟的飛速發(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注。據(jù)測算，2008年北京軌道交通線路共用電量達到6.5億kW·h；到2015年，北京軌道交通線路共用電量達到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)外學者在研究計算車體圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的過程中提出了一系列實驗方法，并將其進行應用[3-4]。

自二十世紀80年代，世界各國的玻璃學科的科研人員，對玻璃材料的隔熱、保溫等技術展開了一系列的研究，尤其是鍍膜技術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，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[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以及玻璃光學性能模擬Optics[7]。

Galuppi等人[8]通過簡化實際模型研究了關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，設計出了適合夏熱冬冷地區(qū)的窗戶形式，并對其效果進行了實驗測試，結(jié)果表明選擇外遮陽和加強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]。

從傳熱學角度分析，列車在行進過程中，經(jīng)過車窗的傳熱過程主要是輻射、對流、導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，進而分析出更適合列車的車窗玻璃類型[14]。

1 基礎分析

1.1 鍍膜玻璃的節(jié)能性評價指標

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準玻璃(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gt——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。

因標準厚度為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)境與列車車窗有機玻璃外表面的對流和輻射；(2)各層有機玻璃板內(nèi)部之間的熱傳導；(3)中空腔有機玻璃板之間的輻射；(4)中空腔內(nèi)氣體的對流和導熱；(5)列車車窗的有機玻璃內(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，應用傳熱學知識原理與分析，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，可以運用電學中的分壓定律，來求得各個有機玻璃面上的溫度，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準計算方法，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)品所具有的光學參數(shù)，并且對新玻璃品種的參數(shù)進行升級。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度為783 W/m2,車外溫度35℃，車內(nèi)溫度24℃，風速2.7 m/s[20]，用WINDOW7.1軟件進行模擬計算。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。其中有機玻璃的相關參數(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有機玻璃相關參數(shù)

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

表2有機玻璃相關參數(shù)

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

表3填充氣體的物理性質(zhì)

名稱導熱系數(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，鍍膜的有機中空玻璃的U值比未鍍膜的有機中空玻璃的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。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，未鍍膜的有機中空玻璃的SC值要比所有的鍍膜的有機中空玻璃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，而沒有直接到達車外，之后通過外層玻璃的反射和內(nèi)部的熱傳導，提高了外層玻璃的太陽光吸收比，經(jīng)過乘積效應的放大，使得整個的有機中空玻璃系統(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，但是探求超低導熱系數(shù)的惰性氣體是非常重要的。

表5有機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、導熱和輻射傳熱。當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，所以當氣體厚度達到一定的值后，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，當鍍膜有機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??；當厚度為16 mm時，列車車窗的U值達到最小值，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中空玻璃的U值、遮陽系數(shù)進行了分析，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識。所得到的結(jié)論如下：

(1)所有鍍膜的有機中空玻璃U值和SC值要比未鍍膜的有機中空玻璃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值最小；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值達到最??；鍍膜位置位于內(nèi)層玻璃外部時，SC值達到最大。

(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??；當厚度為16 mm，列車車窗的U值達到最小值，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，因此這時應該選用U值最低的內(nèi)層玻璃內(nèi)部鍍膜位置比較合適。