高速動車組側窗玻璃隔熱性能影響因素

龐世紅,陳 曦,楊學東,楊愛蓮,譚 磊,韓 磊

(1.中國國檢測試控股集團股份有限公司,北京 100024;2.中車青島四方機車車輛股份有限公司,青島 266111)

0 引 言

隨著生活水平的不斷提高,人們對鐵路客運條件的要求越來越高,動車組列車不但要保證安全高速運轉,還要盡可能地為旅客和車上工作人員創造舒適的乘車環境。動車組在運行過程中,高速氣流對列車的氣密性、隔熱性能均產生重要影響,另外車體密封及隔熱性能對列車空調系統的熱負荷影響較大。提高動車組車體的隔熱性能,降低空調負荷,進而達到節能降耗、降低列車運行成本的目的是新一代動車組技術開發關注的重點。

動車組車廂內能量損失的主要途徑包括門窗縫隙的泄漏、側窗玻璃的傳熱和車體圍護結構的傳熱。側窗玻璃的面積約為車身側墻面積的30%,因此其隔熱性能對列車的空調負荷有很重要的影響。在進行隔熱性能計算時,側窗玻璃內外表面換熱系數對計算結果有重要影響[1]。王興龍等[2]對比分析了動車組車體傳熱系數計算方法,常用的企業經驗公式算法與日本標準算法得到的某型號動車組整車傳熱系數(K值)與實測值偏差為20.19%～23.08%;曹長業等[3]研究了高寒動車組隔熱結構,并對比4種不同防寒方案,優選方案中側窗的適宜傳熱系數為1.2 W/(m2·K);歐陽仲志[4]研究了隔熱性能對動車組空調系統的影響,通過采用透光率低的車窗玻璃、中空玻璃等防止過多的太陽輻射熱進入車內,以減少空調機組夏季制冷的負荷。

目前的鐵路行業標準沒有給出側窗外側玻璃換熱系數的計算方法,設計人員通常采用列車靜止狀態下的車外換熱系數[5-7]。在列車運動過程中,該計算結果與實際有偏差,尤其在計算高速動車組側窗玻璃的傳熱時偏差更大。

為進一步確定玻璃隔熱性能的影響因素,文章研究了輻射率、車外換熱系數、側窗玻璃組成與隔熱性能的關系,為動車組側窗玻璃設計選型提供了技術依據。

1 基本原理

確定中空玻璃的傳熱系數通常有兩種方法,一種是實測方法,將樣品固定在冷室和熱室之間,通過冷室和熱室達到穩定傳熱時的功率計算側窗玻璃的傳熱系數[8-9],該方法簡便直觀,得到的結果為列車靜止狀態側窗玻璃的性能;另一種方法是用理論公式計算側窗玻璃的傳熱系數[10]。

根據式(1)計算得到傳熱系數K。

(1)

式中:he為車外側玻璃表面換熱系數,W/(m2·K);ht為側窗玻璃所有組成單元的傳熱系數,W/(m2·K);hi為車內側玻璃表面換熱系數,W/(m2·K)。

由式(1)可以看出,列車在靜止和運動狀態下車外側玻璃的換熱系數對側窗玻璃的傳熱系數影響很大。

根據式(2)、(3)[11]計算車外側玻璃表面的換熱系數,v為列車運行速度。

he=5.57+3.94×v(v<5 m/s)

(2)

he=7.1×v0.78(v≥5 m/s)

(3)

列車靜止狀態下車外側和內側玻璃表面的換熱條件與實測時兩表面的換熱條件接近,因此計算值與實測方法得到的側窗玻璃傳熱系數比較接近。

2 樣品及計算條件

2.1 試驗樣品

選取2種典型的動車組側窗玻璃組成,組成1為夾層中空玻璃,具體配置是6 mm灰玻璃+1.52 mm PVB+4 mm coating玻璃(外)+14 mm氬氣+4 mm灰玻璃+1.52 mm PVB+4 mm無色玻璃(內),內外側均是夾層玻璃,中空腔充氬氣厚度為14 mm,總厚度為35.04 mm;組成2為夾層-中空真空復合玻璃,具體配置是6 mm灰玻璃+1.52 mm PVB+4 mm無色玻璃(外)+14 mm氬氣+(3 mm coating+0.3 mm真空層+3 mm灰玻璃)(真空玻璃)+0.76 mm PVB+2 mm無色玻璃(內),內外側均是夾層玻璃,中空腔充氬氣厚度為14 mm,內側夾層玻璃包含1片真空玻璃,總厚度為34.58 mm。通過改變4 mm coating和3 mm coating玻璃的輻射率(見表1),研究2種側窗組成傳熱系數的變化。

表1 玻璃輻射率

上述內和外是指車內側和車外側,4 mm coating和3 mm coating是在普通無色玻璃表面鍍低輻射率膜層,通過控制膜層厚度來調節膜層的輻射率。分別制備了4塊輻射率不同的4 mm coating和3 mm coating共8塊玻璃,用8塊玻璃分別制備了4塊組成1結構的夾層中空玻璃樣品(表1中樣品1～4)和4塊組成2結構的夾層-中空真空復合玻璃樣品(表1中樣品5～8)。用理論公式計算8個樣品在列車靜止和運動狀態下的傳熱系數,對比2種典型結構的傳熱系數。0.070的輻射率一般為雙銀或三銀鍍膜玻璃,0.150的輻射率一般為單銀、SnO∶F或InSnO鍍膜玻璃,0.350的輻射率是通過改變銀、SnO∶F或InSnO膜層厚度得到的,0.837的輻射率是普通玻璃的輻射率(即無需鍍膜)。

2.2 計算條件

車內側玻璃表面換熱系數取8 W/(m2·K)。計算車外側玻璃表面換熱系數時選取2種典型條件,分別為列車靜止和列車高速運行。列車靜止時用式(2)按運動速度v=3 m/s計算得到車外側玻璃表面換熱系數為17.39 W/(m2·K);列車運行時選用復興號列車最高運行速度,用式(3)按v=100 m/s計算得到車外側玻璃表面換熱系數為257.80 W/(m2·K)。

車內外溫差ΔT=25 K,中空腔內氬氣按90%(體積分數)計算,真空玻璃內壓強P=0.1 Pa,玻璃導熱系數為1.0 W/(m·K),膠片導熱系數為0.212 W/(m·K),玻璃輻射率見表1。

3 結果與討論

表2為8個樣品傳熱系數計算結果,偏差值為列車靜止和運動條件下樣品傳熱系數的差值的百分比。

表2 樣品傳熱系數

圖1為列車靜止狀態和運動狀態下樣品的傳熱系數變化,由圖1可以看出,輻射率對樣品傳熱系數K值有重要影響,樣品的傳熱系數K值隨著玻璃輻射率的增加而顯著增加。

圖1 樣品傳熱系數

由式(1)可以看出,在內外條件相同的條件下,側窗玻璃的傳熱系數K取決于玻璃組成的傳熱系數ht。材料的傳熱形式有3種:熱傳導、熱對流和熱輻射,對于組成1和組成2中空玻璃樣品,通過樣品制備的中空腔降低了熱傳導和熱對流,通過在樣品表面制備低輻射率膜層,降低了樣品的熱輻射。由表2中數據可以看出,在相同結構下(組成1或組成2),僅僅通過降低鍍膜玻璃的輻射率就能大大降低樣品的傳熱能力。

對于組成1,在列車靜止(v=3 m/s)時,隨著玻璃的輻射率從0.070增加到0.837,樣品的傳熱系數從1.167 2 W/(m2·K)增加到2.387 6 W/(m2·K),傳熱系數增加了104%;在列車運動(v=100 m/s)時,隨著玻璃的輻射率從0.070增加到0.837,樣品的傳熱系數從1.245 1 W/(m2·K)增加到2.738 2 W/(m2·K),傳熱系數增加了120%;樣品1、2、3、4在列車運動時的傳熱系數比靜止時分別增加了6.7%、8.0%、10.6%、14.7%,表明隨著玻璃輻射率的增加,樣品在列車靜止和運動時的傳熱系數偏差變大。

對于組成2,在列車靜止(v=3 m/s)時,隨著玻璃的輻射率從0.070增加到0.837,樣品的傳熱系數從0.487 7 W/(m2·K)增加到1.509 3 W/(m2·K),傳熱系數增加了209%;在列車運動(v=100 m/s)時,隨著玻璃的輻射率從0.070增加到0.837,樣品的傳熱系數從0.500 8 W/(m2·K)增加到1.642 2 W/(m2·K),傳熱系數增加了228%;樣品5、6、7、8在列車運動時的傳熱系數比靜止時分別增加了2.7%、4.0%、6.0%、8.8%,表明隨著玻璃輻射率的增加,樣品在列車靜止和運動時的傳熱系數偏差變大,但偏差值比組成1小。

組成1和組成2的一個重要區別是組成2采用了一塊真空玻璃,真空玻璃能夠很好地降低結構的熱傳導,因此能夠進一步降低組成的傳熱系數。表2中數據表明,列車運動狀態下,輻射率相同的夾層-真空中空復合玻璃(組成2)和夾層中空玻璃(組成1)相比,傳熱系數分別降低了149%(玻璃輻射率0.070)、101%(玻璃輻射率0.150)、72%(玻璃輻射率0.350)、66%(玻璃輻射率0.837);列車靜止狀態下,組成2比組成1傳熱系數分別降低了140%(玻璃輻射率0.070)、93%(玻璃輻射率0.150)、65%(玻璃輻射率0.350)、58%(玻璃輻射率0.837)。

4 結 論

1)玻璃低輻射性能優異(輻射率為0.070)時,列車運動狀態下側窗玻璃的傳熱系數比靜止狀態下的傳熱系數增加了6.7%,隨著玻璃輻射率增加到0.837,傳熱系數增加了14.7%。

2)玻璃低輻射性能優異(輻射率為0.070)時,列車運動狀態下夾層-中空真空復合玻璃的傳熱系數比總厚度接近的夾層中空玻璃傳熱系數降低了149%。

3)玻璃輻射率對夾層中空玻璃和夾層-中空真空復合玻璃的傳熱系數均有重要影響,且對夾層-中空真空復合玻璃的影響更大。

4)基于動車組動態隔熱性能的考慮,動車組車窗玻璃應選用低輻射率玻璃。