高速动车组侧窗玻璃隔热性能影响因素

庞世红,陈 曦,杨学东,杨爱莲,谭 磊,韩 磊

(1.中国国检测试控股集团股份有限公司,北京 100024;2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,青岛 266111)

0 引 言

随着生活水平的不断提高,人们对铁路客运条件的要求越来越高,动车组列车不但要保证安全高速运转,还要尽可能地为旅客和车上工作人员创造舒适的乘车环境。动车组在运行过程中,高速气流对列车的气密性、隔热性能均产生重要影响,另外车体密封及隔热性能对列车空调系统的热负荷影响较大。提高动车组车体的隔热性能,降低空调负荷,进而达到节能降耗、降低列车运行成本的目的是新一代动车组技术开发关注的重点。

动车组车厢内能量损失的主要途径包括门窗缝隙的泄漏、侧窗玻璃的传热和车体围护结构的传热。侧窗玻璃的面积约为车身侧墙面积的30%,因此其隔热性能对列车的空调负荷有很重要的影响。在进行隔热性能计算时,侧窗玻璃内外表面换热系数对计算结果有重要影响[1]。王兴龙等[2]对比分析了动车组车体传热系数计算方法,常用的企业经验公式算法与日本标准算法得到的某型号动车组整车传热系数(K值)与实测值偏差为20.19%～23.08%;曹长业等[3]研究了高寒动车组隔热结构,并对比4种不同防寒方案,优选方案中侧窗的适宜传热系数为1.2 W/(m2·K);欧阳仲志[4]研究了隔热性能对动车组空调系统的影响,通过采用透光率低的车窗玻璃、中空玻璃等防止过多的太阳辐射热进入车内,以减少空调机组夏季制冷的负荷。

目前的铁路行业标准没有给出侧窗外侧玻璃换热系数的计算方法,设计人员通常采用列车静止状态下的车外换热系数[5-7]。在列车运动过程中,该计算结果与实际有偏差,尤其在计算高速动车组侧窗玻璃的传热时偏差更大。

为进一步确定玻璃隔热性能的影响因素,文章研究了辐射率、车外换热系数、侧窗玻璃组成与隔热性能的关系,为动车组侧窗玻璃设计选型提供了技术依据。

1 基本原理

确定中空玻璃的传热系数通常有两种方法,一种是实测方法,将样品固定在冷室和热室之间,通过冷室和热室达到稳定传热时的功率计算侧窗玻璃的传热系数[8-9],该方法简便直观,得到的结果为列车静止状态侧窗玻璃的性能;另一种方法是用理论公式计算侧窗玻璃的传热系数[10]。

根据式(1)计算得到传热系数K。

(1)

式中:he为车外侧玻璃表面换热系数,W/(m2·K);ht为侧窗玻璃所有组成单元的传热系数,W/(m2·K);hi为车内侧玻璃表面换热系数,W/(m2·K)。

由式(1)可以看出,列车在静止和运动状态下车外侧玻璃的换热系数对侧窗玻璃的传热系数影响很大。

根据式(2)、(3)[11]计算车外侧玻璃表面的换热系数,v为列车运行速度。

he=5.57+3.94×v(v<5 m/s)

(2)

he=7.1×v0.78(v≥5 m/s)

(3)

列车静止状态下车外侧和内侧玻璃表面的换热条件与实测时两表面的换热条件接近,因此计算值与实测方法得到的侧窗玻璃传热系数比较接近。

2 样品及计算条件

2.1 试验样品

选取2种典型的动车组侧窗玻璃组成,组成1为夹层中空玻璃,具体配置是6 mm灰玻璃+1.52 mm PVB+4 mm coating玻璃(外)+14 mm氩气+4 mm灰玻璃+1.52 mm PVB+4 mm无色玻璃(内),内外侧均是夹层玻璃,中空腔充氩气厚度为14 mm,总厚度为35.04 mm;组成2为夹层-中空真空复合玻璃,具体配置是6 mm灰玻璃+1.52 mm PVB+4 mm无色玻璃(外)+14 mm氩气+(3 mm coating+0.3 mm真空层+3 mm灰玻璃)(真空玻璃)+0.76 mm PVB+2 mm无色玻璃(内),内外侧均是夹层玻璃,中空腔充氩气厚度为14 mm,内侧夹层玻璃包含1片真空玻璃,总厚度为34.58 mm。通过改变4 mm coating和3 mm coating玻璃的辐射率(见表1),研究2种侧窗组成传热系数的变化。

表1 玻璃辐射率

上述内和外是指车内侧和车外侧,4 mm coating和3 mm coating是在普通无色玻璃表面镀低辐射率膜层,通过控制膜层厚度来调节膜层的辐射率。分别制备了4块辐射率不同的4 mm coating和3 mm coating共8块玻璃,用8块玻璃分别制备了4块组成1结构的夹层中空玻璃样品(表1中样品1～4)和4块组成2结构的夹层-中空真空复合玻璃样品(表1中样品5～8)。用理论公式计算8个样品在列车静止和运动状态下的传热系数,对比2种典型结构的传热系数。0.070的辐射率一般为双银或三银镀膜玻璃,0.150的辐射率一般为单银、SnO∶F或InSnO镀膜玻璃,0.350的辐射率是通过改变银、SnO∶F或InSnO膜层厚度得到的,0.837的辐射率是普通玻璃的辐射率(即无需镀膜)。

2.2 计算条件

车内侧玻璃表面换热系数取8 W/(m2·K)。计算车外侧玻璃表面换热系数时选取2种典型条件,分别为列车静止和列车高速运行。列车静止时用式(2)按运动速度v=3 m/s计算得到车外侧玻璃表面换热系数为17.39 W/(m2·K);列车运行时选用复兴号列车最高运行速度,用式(3)按v=100 m/s计算得到车外侧玻璃表面换热系数为257.80 W/(m2·K)。

车内外温差ΔT=25 K,中空腔内氩气按90%(体积分数)计算,真空玻璃内压强P=0.1 Pa,玻璃导热系数为1.0 W/(m·K),胶片导热系数为0.212 W/(m·K),玻璃辐射率见表1。

3 结果与讨论

表2为8个样品传热系数计算结果,偏差值为列车静止和运动条件下样品传热系数的差值的百分比。

表2 样品传热系数

图1为列车静止状态和运动状态下样品的传热系数变化,由图1可以看出,辐射率对样品传热系数K值有重要影响,样品的传热系数K值随着玻璃辐射率的增加而显著增加。

图1 样品传热系数

由式(1)可以看出,在内外条件相同的条件下,侧窗玻璃的传热系数K取决于玻璃组成的传热系数ht。材料的传热形式有3种:热传导、热对流和热辐射,对于组成1和组成2中空玻璃样品,通过样品制备的中空腔降低了热传导和热对流,通过在样品表面制备低辐射率膜层,降低了样品的热辐射。由表2中数据可以看出,在相同结构下(组成1或组成2),仅仅通过降低镀膜玻璃的辐射率就能大大降低样品的传热能力。

对于组成1,在列车静止(v=3 m/s)时,随着玻璃的辐射率从0.070增加到0.837,样品的传热系数从1.167 2 W/(m2·K)增加到2.387 6 W/(m2·K),传热系数增加了104%;在列车运动(v=100 m/s)时,随着玻璃的辐射率从0.070增加到0.837,样品的传热系数从1.245 1 W/(m2·K)增加到2.738 2 W/(m2·K),传热系数增加了120%;样品1、2、3、4在列车运动时的传热系数比静止时分别增加了6.7%、8.0%、10.6%、14.7%,表明随着玻璃辐射率的增加,样品在列车静止和运动时的传热系数偏差变大。

对于组成2,在列车静止(v=3 m/s)时,随着玻璃的辐射率从0.070增加到0.837,样品的传热系数从0.487 7 W/(m2·K)增加到1.509 3 W/(m2·K),传热系数增加了209%;在列车运动(v=100 m/s)时,随着玻璃的辐射率从0.070增加到0.837,样品的传热系数从0.500 8 W/(m2·K)增加到1.642 2 W/(m2·K),传热系数增加了228%;样品5、6、7、8在列车运动时的传热系数比静止时分别增加了2.7%、4.0%、6.0%、8.8%,表明随着玻璃辐射率的增加,样品在列车静止和运动时的传热系数偏差变大,但偏差值比组成1小。

组成1和组成2的一个重要区别是组成2采用了一块真空玻璃,真空玻璃能够很好地降低结构的热传导,因此能够进一步降低组成的传热系数。表2中数据表明,列车运动状态下,辐射率相同的夹层-真空中空复合玻璃(组成2)和夹层中空玻璃(组成1)相比,传热系数分别降低了149%(玻璃辐射率0.070)、101%(玻璃辐射率0.150)、72%(玻璃辐射率0.350)、66%(玻璃辐射率0.837);列车静止状态下,组成2比组成1传热系数分别降低了140%(玻璃辐射率0.070)、93%(玻璃辐射率0.150)、65%(玻璃辐射率0.350)、58%(玻璃辐射率0.837)。

4 结 论

1)玻璃低辐射性能优异(辐射率为0.070)时,列车运动状态下侧窗玻璃的传热系数比静止状态下的传热系数增加了6.7%,随着玻璃辐射率增加到0.837,传热系数增加了14.7%。

2)玻璃低辐射性能优异(辐射率为0.070)时,列车运动状态下夹层-中空真空复合玻璃的传热系数比总厚度接近的夹层中空玻璃传热系数降低了149%。

3)玻璃辐射率对夹层中空玻璃和夹层-中空真空复合玻璃的传热系数均有重要影响,且对夹层-中空真空复合玻璃的影响更大。

4)基于动车组动态隔热性能的考虑,动车组车窗玻璃应选用低辐射率玻璃。