车窗传热系数计算及优化建议

车窗传热系数计算及优化建议

刘天天

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000

摘要：介绍了一种基于多层平壁稳态和GB/T 22476-2008的车窗传热系数计算方法，经与试验值对比，误差均在5%以下，可以用于车窗传热系数预估及设计期优化，并根据计算公式提供了车窗隔热性能优化方向。

关键词：车窗、传热系数、中空玻璃

1 引言

随着铁路技术应用领域的扩展，应用在高寒地区的车辆对隔热性能提出了更高的要求。铁路客车车窗面积约占整车面积的10%，车窗传热系数直接影响整车传热系数，进而影响空调能耗和整车舒适性。因此快速、准确地计算传热系数，进行隔热性能分析对车窗设计和优化是很有必要的。

2 传热系数计算

2.1.整窗传热系数计算

车窗隔热性能用其传热系数K来定义，K值指在稳定传热条件下，车窗两侧空气温差为1度(℃，K），1秒内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/(平方米·度)。

车窗由窗框结构与玻璃结构组成，假定玻璃与窗框是严格的并联关系，分别求出车窗窗框和中空玻璃的传热系数，再根据面积加权平均的方法求出车窗的传热系数U值，具体公式见式（1）：

（1）

式（1）中：U_g为玻璃部分传热系数；A_g为玻璃部分面积；U_f为窗框部分传热系数；

A_f为窗框部分面积；

2.2.窗框传热系数计算

窗框部分多为铝型材窗框与非金属胶层分层布置，传热过程符合平壁一维稳态导热，可利用热力学公式进行计算。

（2）

式（2）中： ：第i层厚度； ：第i层传热系数；h_e：室外表面换热系数；h_t：室内表面换热系数；

2.3.中空玻璃传热系数计算

中空玻璃传热系数常用计算方式包括经验公式和有限元计算方法，传统公式只考虑中空层气体和玻璃的热阻系数及厚度，计算误差较大，有限元方法计算准确率较高，但划分网格、建模、计算，耗时耗力，不适于设计前期指导及优化。本文根据GB/T 22476-2008 《中空玻璃稳态U值（传热系数）的计算及测定》计算中空玻璃传热系数：

（2）

式中：h_t为多层玻璃系统内部热传导系数，与中空层气体厚度及种类，是否采用镀膜玻璃及玻璃厚度与材质有关。

2.3.计算方法验证

计算现有典型车窗传热系数并与试验值对比，结果如表1所示。

结构A为粘接车窗，外侧为6mm玻璃+0.76mmPVB+4mm玻璃夹层玻璃结构，内侧为4mm厚镀Low-E膜钢化玻璃，中间层为14mm厚氩气中空层。结构B为粘接车窗，内外侧均为5mm厚钢化玻璃，中间为12mm厚氩气中空层。结构C为拉紧滑块固定车窗，外侧为8mm厚钢化玻璃，内侧为5mm厚钢化玻璃，中间为6mm厚空气中空层。

表1 计算值与试验值对比表

由表1可以看出，计算误差均在5%以下，可以作为工程计算与优化使用。

3. 车窗隔热性能优化方向

由2章式（2）知，平壁一维稳态导热传热系数只与材料热阻系数与厚度有关，由于金属材料良好的导热性能，往往在窗框中增加非金属隔热层形成隔断热桥以降低传热系数，常用的非金属材料有尼龙、模压玻璃钢、结构胶等。

GB/T 22476-2008 中将中空玻璃系统内部传热系数分别三部分，包括玻璃的热传导、中空侧玻璃表面的辐射换热以及中空层气体传热。中空层气体传热方式与中空层厚度、气体种类、温度等参数有关，有热传导和对流换热两种形式。具体界定依靠格拉晓夫准数与普朗特准数的乘积界定，当二者乘积小于6800时，热传递只有热传导形式，当二者乘积大于6800时，热传导与对流换热共同存在。

玻璃的热传导与玻璃材质热阻系数和玻璃厚度有关，热阻越大、厚度越厚，传热系数越小，隔热性能越好，由于增加玻璃厚度势必会增加车窗重量，不利于车辆轻量化设计，因此工程中并不常用这种方法提升隔热性能，而是采用PC板车窗，提升隔热性能的同时也更好地满足轻量化要求。中空侧玻璃辐射换热与玻璃表面校正辐射率有关，辐射率越小传热系数越低，工程应用中常采用镀Low-E膜玻璃降低传热系数。同种气体，中空气体层传热系数随中空层厚度先减小后增大，换热形式的临界值即为传热系数的最优值，采用换热系数低的惰性气体可有效降低传热系数，如氩气和氪气，实际应用中，氩气应用更广泛，氪气因为提取困难，价格昂贵并不常用。

4. 结论

研究车窗隔热性能对于拓宽轨道车辆应用范围，提高车辆舒适性及环保建设具有重要意义。推荐采用新型隔热材料、优化车窗安装结构和玻璃结构以提高车窗隔热性能。

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