一种新型玻璃的保温隔热性能模拟分析研究

毛开楠颜海蛟林晋庆

（1中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 城阳区 266111；2青岛科林铁路设备有限公司，山东 青岛 城阳区266111；3巧烨科技股份有限公司，台湾省新竹县竹北区30264）

一种新型玻璃的保温隔热性能模拟分析研究

毛开楠1颜海蛟2林晋庆3

（1中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 城阳区 266111；2青岛科林铁路设备有限公司，山东 青岛 城阳区266111；3巧烨科技股份有限公司，台湾省新竹县竹北区30264）

本文针对一种新型玻璃的保温隔热性能进行了模拟分析。新型玻璃采用聚碳酸酯板、纳米材料、玻璃相结合的多层复合结构，新型玻璃在隔音、隔热、抗紫外线、能耗等多方面性能均要优于普通中空玻璃和夹层玻璃。通过车体模拟能耗分析发现，与传统中空玻璃车窗相比，在夏热冬暖区域采用此新型玻璃的车窗可以节省能源10%以上。

新型玻璃；保温隔热性能；模拟分析

1 引 言

节能减排是当前社会的大势所趋，也是每个企业应尽的社会责任。在轨道车辆领域，传统夹胶玻璃难以满足更节能方面的要求，而市场上常见的中空玻璃破碎后，碎片脱落容易伤人，难以满足安全要求。除了节能和安全性的需求之外，轨道车辆客室侧窗玻璃，还须充分考虑提高隔音、隔热性能和减轻玻璃重量等需求。

聚碳酸酯板是常见的玻璃替代材料，具有轻量化、防爆裂、难燃等优点，近年来已有许多轨道车辆，尤其欧美高速铁路上，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、隔热效果差等特性。聚碳酸酯板除了要克服材料自身的缺点之外，还要大幅提升自身材料特性，才能真正大批量替代钢化玻璃，应用在轨道交通车辆上。

新型玻璃比当前轨道车辆常用的5mm+9mm(中空层)+4mm普通中空玻璃综合性能明显优良，整体重量仅为常用中空玻璃结构的75%，能隔绝99%以上的紫外线，可延缓车辆内配件的老化，提高乘客的舒适度。同时将采用此新型玻璃的车窗结构导入车体能源耗损模拟，并选定国内寒冷与夏热冬暖两大区域进行分析比对，发现新型玻璃除了具有更安全、更高的隔热、隔音性能等优点外，还能够从整体车辆能耗上获得更直接的节能效益[1]。

2 新型玻璃简介

表1 玻璃性能比较表

考虑轻量化的设计理念，新型玻璃外侧采用聚碳酸酯板替代钢化玻璃，聚碳酸酯板的重量约为玻璃的一半，且透光率可达90%以上，与性能接近的聚甲基丙烯酸甲酯板相比，聚碳酸酯板的抗冲击性能好，且原材本身就具有UL94V-0级的阻燃性能。

新型玻璃采用了最先进的纳米材料镀膜技术，根据光谱筛选的隔热原理，用最先进的纳米技术与优越的喷溅技术制造生产而成，具有低反光（减少光污染）、高透光、高隔热性等特点。

3 与普通中空玻璃性能对比

经一系列的试验测试，新型玻璃与轨道车辆上常用的5mm+9mm(中空层)+4mm中空玻璃性能对比见表1。

4 新型玻璃在地铁车辆上的模拟分析

为进一步研究新型玻璃的隔热保温性能，本文利用AutoDesk开发的ECOTECT模拟软件对该新型玻璃进行模拟分析，该软件是专门用来类比空调能耗的。

在本研究中，将分别模拟采用新型玻璃的地铁车辆和采用普通中空玻璃的地铁车辆运行于北京与广州两地，通过不同方位的模拟计算来研究新型隔热窗材的能源消耗[2]。其中设定一节地铁车辆为一个基础模拟单元，同时将客室内的目标温度设定为21.5℃。

图1 北京、广州的夏季日晷图

图2 地铁车辆在不同车窗隔热性能上车室温场分布模拟

图1 为北京与广州两地的夏季日晷运行轨迹，由于纬度的不同，从图中可以清楚观察到在广州的地铁车辆会有较长的时间受到阳光的曝晒，同时根据气象资料显示广州的阳光辐射量指数也较北京地区的能量大很多。阳光辐射量的多少会直接影响地铁车辆车内的温度变化，采用新型节能玻璃与普通中空玻璃在车内的温场变化上会有明显的差异，如图2所示。依照图2的温场显示夏季无论在北京或广州地区，只要采用低传导系数以及低遮阳系数的玻璃均可以让车室内的温度维持在目标温度21.5摄氏度的标准上，但是，如果使用传统的中空玻璃作为车室窗户，则在车辆窗户的区域会有至少1摄氏度以上的室内差异。此部分的模拟研究尚未考虑地铁车门的开关过程所导入的环境温度变化。

表2为地铁车辆使用两种类型的车窗玻璃根据列车在不同方位上的全年能耗统计分析。在北京地区的结果显示，当列车方位为西北-东南向时全年能耗最大，此地区能源损耗大多来自暖气的部分，在热传导系数较低的玻璃结构中能耗表现较好一些，但整体而言这两种类型玻璃的差异不大。但如果固定热传导系数而提升车窗的遮蔽系数其结果反而会获得较好的能耗表现，这个部分的差异应该是北京的气候区较为寒冷，在相同的热传导系数值之下，如果遮蔽系数较高则代表阳光的能量入射量较强，可以增加车室内的直射式阳光能量而此能量可以被车室内的其他材料（例如：椅子、地板、人员等）所吸收，然后再次放出更长波长的中红外线（波长:8-20um），使车室内的温度上升[3]。

表2 地铁车辆（单一节车辆）于北京及广州的车窗玻璃系数与能耗分析

在广州地区部分，根据数值模拟的资料显示列车在南北向的方位时，所产生年度总能耗最大，并且在不同的遮蔽系数下能耗有显着的差异，其原因主要为广州地区的阳光能量较强导致采用较低遮蔽系数玻璃的车辆，可以有效地阻挡辐射能量，同时也因为较低的热传导系数使车室内的冷房较不容易传递出去，使得车辆的保温隔热性能可以有效地获得控制。

5 结 论

1）使用高性能纳米材料隔热涂层使整体车窗的隔热节能特性大幅提升50%，搭配中空空气层的设计，使车窗结构能有效阻挡阳光热辐射与降低热传导数值，可有效提高玻璃的保温隔热节能指标。

2）采用新型玻璃车窗的整体能耗，在夏热冬暖区域较传统中空玻璃节省约10%的能源损耗。

[1]王欢，吴会军，丁云飞，等．建筑外窗热工性能对空调能耗与节能的影响分析[J]．节能技术，2011，29(2)：172－175．

[2]马杰，聂金哲，冯莹莹，等．夏热冬暖地区商业建筑围护结构节能研究[J]．建筑科学，2012，28(8)：60－64．

[3]龙恩深，王勇，肖益民，等．遮阳系数对供暖与空调能耗影响差异的逐时解析[J]．暖通空调，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文献识别码：A

1003-8965(2017)03-0070-02