纳米镀膜有机玻璃作为列车车窗传热分析

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

城镇化发展迅速，使得轨道交通工具相比城市中的其他交通工具体现出来了比较明显的优势。截止2016年，我国有38座城市被准许建设城市轨道交通线路, 接近一半的城市运营开通的线路已达百条，总的里程多达2 500多公里。到2015年, 北京城市交通耗电量为13.9亿kW·h, 并且每年耗电以12%的速度增加[1]。所以解决轨道交通耗电量的问题显得尤为重要。

车窗玻璃是轨道交通大量使用的材料，对列车的节能具有非常重要的影响。PMMA俗称有机玻璃，密度约为1 190 kg/m3，仅为传统硅酸盐玻璃的一半，可以实现列车轻量化的目的[2]。而纳米透明隔热膜是一种结合了纳米粒子技术应用于玻璃表面，具有一定的隔热保温的效果[3-4]。故采用纳米镀膜有机玻璃作为列车车窗可以减小列车的传热系数，降低能耗。

姚晨等人[5]通过隔热测试装置测试了纳米透明镀膜的隔热效果。王丽丽等人[6]分析了膜层位置对中空玻璃节能效果的影响。于凤娇等人[7]通过Window软件对中空玻璃的传热情况进行了模拟研究。卢晓刚[8]通过实验研究了外遮阳和空气流动对窗户性能的影响。刘道春[9]对各种节能玻璃的特点进行了概述。徐斌等人[10]通过稳态传热模型,用数值方法对涂层的参数及地区因素对能耗的影响进行了研究。

本文主要通过实验的方法研究镀膜玻璃的隔热效果，然后通过模拟来研究车窗及整车的传热系数。

1 实验研究

本节通过简易实验的方法探究纳米透明隔热镀膜有机玻璃的传热性质。主要的实验是基于在2个相同大小箱体(如图1)上的有机玻璃上，其中一个箱体有机玻璃表面上不镀纳米透明隔热膜，作为对照组；另外一个箱体有机玻璃表面镀有纳米透明隔热膜，作为实验组。将准备3个温湿度自记仪，其中的2个温湿度自记仪分别置于实验组和对照组的2个箱体正中央，用来每60s记录箱体内的温度一次，另外一个温湿度自记仪用来测量室外空气温度。

实验首先分析单层玻璃的实验，之后保持对照组不变，改变实验组单层有机玻璃的镀膜位置(把镀膜面进行调换)，进行2组实验测量；然后将实验有机玻璃都换成双层中空有机玻璃，中空腔空气层厚度为6 mm，之后进行不同镀膜位置(镀膜位置分别在内玻璃内层，内玻璃外层，外玻璃内层，外玻璃外层)4组实验测量；最后将2组实验有机玻璃的空气层厚度改为9 mm、12 mm、15 mm,实验组的镀膜位置为内层有机玻璃内部，再进行3组实验。一共为9组实验，编号为1号到9号。每组的实验测试时间为35 min。中空腔空气层厚度为6 mm、9 mm、12 mm、15 mm的主要目的是为了探究不同厚度对中空玻璃性能的影响。

图2为温湿度自记仪测量9组实验箱内温度与室外空气温度的比较示意图。由上图可知，纳米透明隔热镀膜的有机玻璃实验箱的温度普遍高于没有镀膜有机玻璃实验箱的温度，故可以得到：纳米透明隔热镀膜在实际实验中起到了隔热保温的作用。

为了进一步分析单/双层玻璃和对于中空有机玻璃不同镀膜位置对其隔热保温的影响，取每组实验中对照组和实验组2个箱体内的温度，计算其温度差的平均值。计算数据如表1所示。

表1 实验组与对照组箱内温差平均值

由表1可知，镀膜后的双层有机玻璃的隔热保温性能要比镀膜后单层有机玻璃的要好，从而有机中空玻璃更合适在玻璃表面镀膜，所以列车车窗应用镀膜后的有机中空玻璃将显得十分必要。对于双层玻璃而言，镀膜位置在内层玻璃内部时，隔热保温的效果最好；镀膜位置在外层玻璃外部时，隔热保温的效果最差；镀膜位置在外层玻璃内部和内层玻璃外部时，隔热保温效果相差不是很大，主要的原因是镀膜位置在内层玻璃内部时，将会导致整个玻璃系统的热阻增大，将会使玻璃系统的传热系数减小，体现出更好的隔热保温效果。

为了分析不同空气层厚度对其隔热保温的影响，取每组实验中对照组和实验组2个箱体内的温度，计算其温度差的平均值，其中实验组的镀膜位置为内层玻璃内部。计算数据如图3所示。

由图3可知，对6 mm,9 mm,12 mm,15 mm的空气层厚度而言，厚度为15 mm时，隔热保温的效果最好。因为增加空气层厚度可以增大玻璃的导热热阻，从而可以使玻璃的U值变小，热量的散失会减小，从而会有更好的隔热保温的效果。

2 车窗传热系数模拟分析

2.1 几何模型

本章节所研究的整个模型的外形尺寸为3 400 mm×1 600 mm×1 000 mm；车窗玻璃采用中空有机玻璃，其中单面有机玻璃的厚度和中间气体层厚度为6 mm；车窗窗框的尺寸50 mm×50 mm×1 600 mm；热源的尺寸为70 mm×70 mm×1 600 mm。如图4所示。

2.2 计算区域、计算方法及边界条件

模型的网格划分采用结构化网格和非结构化网格，对不同的区域采用不同的网格划分。全局网格总数为400万，网格质量小于0.7，可以认为网格已经足够密，可以实现数值计算的网格独立性，具体网格的细节如图5。

在计算列车车窗传热系数的过程中，一般应用的稳态传热原理，即车内的温度分布和传热量始终都是常数，不随时间的变化而发生改变[10]。

列车车窗按照传统传热学的计算方法，具体计算公式如下

边界条件的设定对于列车外壁面采用定壁温12℃的第一类边界条件，车内的电加热器的表面采用恒定热流密度的第二类边界条件。

2.3 车窗传热系数的计算结果与分析

(1)有无镀膜车窗的传热系数计算与分析

由于基于有机玻璃所拥有的良好材料性质和纳米透明隔热镀膜的隔热效果，所以本小节分为3个不同的Case，主要研究普通无机玻璃、有机玻璃、外镀膜有机玻璃作为列车车窗的系数分析;分别记为Case1、Case2、Case3。其中三个Case中，玻璃中空腔中填充的气体都为空气。

表2 有无镀膜车窗传热系数模拟结果

图6是Case1、Case2、Case3的传热云图，表2是Case1、Case2、Case3的模拟计算结果。由此可知：列车车窗的玻璃材料采用有机玻璃的传热系数比采用普通无机玻璃的传热系数小8%，可知有机玻璃比普通无机有机的隔热保温效果更好；列车车窗采用外镀膜有机玻璃的传热系数比不采用镀膜的有机玻璃和无机玻璃分别小10%和17%，造成这一原因是因为镀膜之后玻璃系统的热阻会加大。所以经过镀膜处理之后的有机玻璃作为列车车窗有很好的隔热保温的作用，能为列车起到一定的节能作用。

(2)不同镀膜位置车窗的传热系数计算与分析

由于纳米透明隔热镀膜处于不同的位置将会对车窗的传热有一定的影响，所以本小节将探究纳米透明隔热镀膜位于有机中空玻璃不同镀膜位置(外层玻璃外部，外层玻璃内部，内层玻璃外部，内层玻璃内部)下的传热系数的分析，分别记为Case3、Case4、Case5、Case6。其中四个Case中，玻璃中空腔中填充的气体都为空气。

表3 不同镀膜位置车窗传热系数模拟结果

图7是Case3、Case4、Case5、Case6的传热云图，表3是Case3、Case4、Case5、Case6的模拟计算结果。在列车车窗采用有机中空玻璃，镀膜位置在内层玻璃内部时传热系数达到最小，比镀膜位置在外层玻璃外部的传热系数要小9.6%，比采用不镀膜的普通玻璃传热系数要小25.2%；造成这一原因的主要因素是纳米隔热镀膜有机中空玻璃的传热系数主要是取决于内层玻璃的换热系数h,由玻璃内表面的发射率ε的值越小，则内层玻璃的换热系数h越小；由于镀膜位置在内层玻璃内部的发射率ε0比其他三处的反射率ε要小，所以纳米透明隔热镀膜位于车窗内层玻璃内部时K值最小。镀膜位置在外层玻璃内部和内层玻璃外部时，传热系数基本变化不大。故镀膜位置在内层玻璃内部时，列车车窗有很好的隔热保温的作用，能为列车起到一定的节能作用。

(3)不同填充气体下车窗的传热系数计算与分析

由于在有机玻璃的中空腔中填充不同的气体将会对车窗的传热有不同的影响，所以本小节将探究不同填充气体(空气，氩气，氪气)下车窗的传热系数的分析，分别记为Case6、Case7、Case8。其中三个Case中，镀膜位置都为内层玻璃内部。

表4 不同填充气体下车窗的传热系数计算

图8是Case6、Case7、Case8的传热云图，表4是Case6、Case7、Case8的模拟计算结果。在列车车窗采用有机中空玻璃，镀膜位置在内层玻璃内部，中空腔填充氪气时传热系数达到最小，比填充空气和填充氩气时传热系数小了35.8%和23.3%，比采用不镀膜的普通玻璃传热系数要小52.0%；造成这一原因的主要因素是填充氪气之后会大大增加整体玻璃系统的热阻，从而降低玻璃系统的传热系数，起到隔热保温和节能的作用。

由此可得：列车车窗材料采用有机玻璃，镀膜位置在内层玻璃内部，中空腔填充气体为氪气时，车窗的传热系数将最小，能够体现出较好的隔热保温效果。

3 整车车体传热系数模拟分析

在明线运行的列车,纳米隔热镀膜有机玻璃作为列车车窗，其中镀膜位置采取内镀膜，中空气体填充氪气的车窗组合的传热系数进行了分析，发现这种车窗组合可以大大降低车窗的传热系数，比普通的车窗传热系数要小52%，体现出了非常好的隔热保温作用。本节将分析把这种车窗组合运用到列车中，对列车整体隔热保温与节能的贡献。

3.1 车体模型、计算方法及边界条件

对市域快轨车辆典型截面的选取如图9所示，将整车沿车长方向在车区域，门通过区域，窗区域选取3个典型截面，分别记为A、B、C；因为A、C的截面中有窗结构，将纳米隔热镀膜有机玻璃，镀膜位置采取内镀膜，中空气体填充氪气的车窗组合应用到市域快轨车辆典型截面A和C中，对截面A和C进行优化后，记为A1截面和C1截面。表5为不同典型截面所占的车长比。

表5 不同典型截面所占的车长比例

计算列车车窗传热系数的过程中，一般应用的稳态传热原理，列车的外墙面采用定壁温285 K的第一类边界条件。热源的表面采用恒热流密度的第二类边界条件。温差在满足24～26 K。

3.2 车体传热系数的计算结果与分析

表6 不同截面传热系数模拟计算

由表6可知，可以直观的看出有窗的门截面A和窗截面C的传热系数要比无门无窗截面B的传热系数大很多，因此列车车窗对车体的传热系数影响比较大，所以应通过设法减小窗的传热系数，从而减小列车车体的传热系数。通过对车窗组合进行优化之后，截面A1和截面C1的传热系数相比于截面A和截面C的传热系数分别减小了12.7%和11.7%，达到了一个比较明显隔热保温的效果。

由上文可知，对市域快轨车的车窗进行一系列的优化之后，带窗的截面的传热系数有了明显的改善。本节将分析普通车窗(玻璃材料采用无机玻璃，无镀膜，中空腔填充空气)和优化后的车窗(玻璃材料采用有机玻璃，纳米透明隔热膜镀在内层玻璃内部，中空腔填充氪气)对市域快轨车整车传热系数的影响。

表7 普通车窗市域快轨车体传热系数模拟结果

表8 优化车窗市域快轨车体传热系数模拟结果

由表7可知，通过沿车长方向进行折算后，采用普通车窗的市域快轨车车体传热系数为2.31 W/(m2·K)。由表8可知，通过沿车长方向进行折算后，采用优化后车窗的市域快轨车车体传热系数为2.13 W/(m2·K)。

通过上述的不同组合车窗下的市域快轨车传热系数可得：优化车窗(玻璃材料采用有机玻璃，纳米透明隔热膜镀在内层玻璃内部，中空腔填充氪气)后市域快轨车车体传热系数比普通车窗(玻璃材料采用无机玻璃，无镀膜，中空腔填充空气)的市域快轨车车体传热系数小7.8%。所以，优化车窗后对市域快轨车起到了一定的隔热保温的作用，减小了市域快轨车的能耗，对市域快轨车的节能起到一定的贡献。

4 结 论

(1)通过简易实验的方法分析单双层玻璃、不同镀膜位置、不同气体间隔层厚度下的有机中空玻璃的隔热保温效果；得出双层玻璃，镀膜位置在内层玻璃内部，气体间隔层厚度为15 mm时隔热保温效果最佳。

(2)通过CFD软件的方法模拟车窗的传热系数，对有无镀膜车窗的传热系数计算与分析可得：采用外镀膜有机玻璃的传热系数比不采用镀膜的有机玻璃和无机玻璃分别小10%和17%；对不同镀膜位置车窗的传热系数计算与分析可得：在列车车窗采用有机中空玻璃，镀膜位置在内层玻璃内部时传热系数达到最小，比镀膜位置在外层玻璃外部的传热系数要小9.6%，比采用不镀膜的普通玻璃传热系数要小25.2%；对不同填充气体下车窗的传热系数计算与分析可得：在列车车窗采用有机中空玻璃，镀膜位置在内层玻璃内部，中空腔填充氪气时传热系数达到最小，比填充空气和填充氩气时传热系数小了百分之35.8%和23.3%，比采用不镀膜的普通玻璃传热系数要小52.0%。

(3)通过CFD软件的方法模拟车体的传热系数，优化车窗(玻璃材料采用有机玻璃，纳米透明隔热膜镀在内层玻璃内部，中空腔填充氪气)后市域快轨车车体传热系数比普通车窗(玻璃材料采用无机玻璃，无镀膜，中空腔填充空气)的市域快轨车车体传热系数小接近百分之7.8%。故优化车窗后对市域快轨车起到了一定的隔热保温的作用，减小了市域快轨车的能耗。