列车车窗隔热性能研究

列车车窗隔热性能研究

黄少东

（中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 063035）

摘要：为提高列车车窗隔热性能，提升车辆舒适度，减少空调能耗，从安装结构和车窗玻璃两方面对列车车窗进行隔热性能分析，并对其隔热性能进行优化，通过计算，优化后的车窗传热系数显著减小。

关键词：车窗 隔热性能 结构优化

随着轨道交通行业的高速发展，基于高寒地区的应用环境、降低空调系统能耗以及获得更高车辆舒适性等原因，行业对车窗隔热性能提出了更高的要求。各列车平台对运营速度、环境、成本及运营要求不同，使用的车窗形式不尽相同，其中影响车窗隔热性能的因素主要分为安装结构和玻璃形式两方面。本文针对这两方面因素对车窗隔热性能进行优化，并通过计算车窗的传热系数来进行验证。

1 隔热性能分析

1.1典型车窗安装结构及玻璃形式

动车、城轨、客车平台的典型结构分别为棘轮调整粘接车窗，小托框粘接车窗和框架式拉紧块车窗。其安装结构如图1-1所示。

图1-1 典型车窗结构图

现有车窗玻璃普遍采用钢化中空玻璃,中空层填充干燥空气或惰性气体，惰性气体常用氩气。组成中空玻璃的单侧玻璃根据结构不同可分为单片玻璃和夹层玻璃。其中现用夹层玻璃由两块玻璃板构成，在玻璃之间夹进聚乙烯醇缩丁醛（PVB），其具有更高的强度和隔音性能。根据是否镀Low-E膜，钢化玻璃可分为普通钢化玻璃和镀Low-E膜钢化玻璃，镀Low-E膜钢化玻璃拥有更好的隔热性能。三种典型车窗的玻璃形式如表1-1所示。

表1-1 典型车窗的玻璃形式参数表

1.2不同安装结构的隔热性能分析

针对现有典型车窗的安装结构，分析其热传递过程并计算传热系数，见表1-2。

表1-2 典型车窗的安装结构隔热性能分析表

由表3-2得:标动250和福州5的粘接车窗，非金属胶层起到了隔断热桥的作用，隔热性能较好。且福州5粘接胶层厚度大于标动250胶层厚度，传热系数更低。160动力集中车窗热量直接通过一体式铝型材窗框进行车内外的传递，安装结构传热系数最高，隔热性能最差。

安装结构的隔热性能主要取决于非金属隔热层的厚度和热阻系数，非金属层越厚，热阻越大，隔热性能越好。

1.3不同玻璃结构的隔热性能分析

（1）玻璃材质和厚度

不同的车窗面板材料，具有不同的隔热性能。聚碳酸酯板(PC)具有透明、隔热、阻燃、环保、轻量化的优点，其导热系数仅为0.19 (普通玻璃导热系数为1)，但其具有易刮痕、变黄、刚性差的缺点。可将PC板用作内侧玻璃，以在减重、提高隔热性能的同时规避其缺点。

分别计算车窗内层为玻璃和PC板时，中空玻璃的传热系数，结果如表1-3所示。

表1-3 PC板车窗与玻璃车窗传热系数对比

由表3-3可以得出，使用PC板代替车窗内层玻璃，传热系数下降最高为5%左右，可以降低传热系数，但效果不明显。

玻璃厚度同样会影响其隔热性能。为研究玻璃厚度对中空玻璃传热系数的影响，计算一侧玻璃厚度为5mm，中空层为12mm厚氩气，另一侧玻璃厚度为5mm~24mm时，中空玻璃的传热系数，如图1-2所示。

图1-2 玻璃厚度与中空玻璃传热系数关系图

由图1-2得，随玻璃厚度增大，中空玻璃的传热系数下降，但当玻璃厚度由5mm增加至24mm时，传热系数仅下降4.9%，且增加玻璃厚度势必导致车窗重量增大，因此不推荐为单纯提高隔热性能而增加玻璃厚度。

（2）中空层气体厚度与种类

由GB/T 22476-2008知，中空层气体换热有热传导和对流换热两种传热形式。当Gr·Pr<6800时，仅存在热传导，传热系数随中空层厚度增大而减小，当Gr·Pr>6800时，热传导和对流换热同时存在，传热系数随中空层厚度增大而增大。当Gr·Pr=6800时，对应的中空层厚度即为最优中空层厚度。由式(1-1)、(1-2) 计算中空层气体分别为空气、氩气、氪气时，对应的最优中空层厚度，计算结果如表1-4所示。

式中：Gr为格拉晓夫准数；

      Pr为普朗特准数；

      S为气体间隔层厚度；

  为气体间隔层两侧玻璃表面的温差；

  为气体密度；

  为气体间隔层的平均绝对温度；

  为气体的动态粘度；

  c为气体比热容；

  为气体导热系数。

表1-4 最优中空层厚度表

为更加直观的分析中空层气体种类和厚度对传热系数的影响，计算两侧均为5mm厚玻璃,中空层厚度为1mm~30mm,中空层气体分别为空气、氩气、氪气时中空玻璃的传热系数，如图1-3所示。

图1-3 中空层厚度和气体种类与中空玻璃传热系数关系图

由图1-3得，当中空层厚度一定时，中空层为空气、氩气、氪气的中空玻璃传热系数依次降低。当中空层气体种类一定时，随中空层厚度增大，传热系数先快速下降，后缓慢上升。

（3）是否采用Low-E膜玻璃

Low-E玻璃膜辐射率为0.13 (普通玻璃辐射率为1)，采用镀Low-E玻璃可以降低玻璃辐射换热，进而降低中空玻璃传热系数。

分别计算典型车窗结构无镀膜玻璃、采用一片镀膜玻璃、两片镀膜玻璃时中空玻璃的传热系数,并计算采用镀膜玻璃相对于无镀膜玻璃传热系数下降百分比，如表1-5所示。

表1-5 不同镀膜玻璃数量隔热系数对比

由表1-5可知，采用镀Low-E膜玻璃可以有效降低中空玻璃传热系数，采用两片镀膜玻璃相对一片镀膜玻璃，传热系数有下降但效果不明显。

计算两侧均为5mm厚玻璃，中空层厚度1mm~30mm，无镀膜玻璃和一片镀膜玻璃，中空层气体分别为空气、氩气、氮气时中空玻璃的传热系数，如图1-4所示。

图1-4 无镀膜中空玻璃与一片镀膜中空玻璃传热系数对比表

由图1-4得，当中空层厚度较小时，采用镀膜玻璃对传热系数的影响较小，随中空层厚度增大，传热系数趋于稳定。如表1-6所示。

表1-6 无镀膜中空玻璃与一片镀膜中空玻璃传热系数值

2 隔热性能优化

本章以160动力集中动车组车窗为例，进行车窗隔热性能优化。

2.1安装结构优化

现有车窗采用一体式铝型材窗框，拉紧块固定，优点是不用等待粘接胶固化，可以实现快速更换，缺点是热量直接经铝型材窗框进行车内外传递，隔热性能较差。

为满足可以快速更换的要求，依然采用拉紧块车窗，将一体式铝型材窗框分为内框和外框，二者采用粘接胶连接，保证强度的同时，提高了隔热性能。如图2-1所示。

图2-1 改进后160动力集中动车组车窗结构图

改进后热量经外框、粘接胶层、内框在车内和车外之间传递。粘接胶层形成了隔断热桥，降低了传热系数，经计算，改进后传热系数为5.19。

2.2中空玻璃结构优化

现有车窗中空玻璃采用8mm钢化玻璃+6mm厚空气+5mm镀Low-E钢化玻璃结构。由上文分析知，在结构允许的情况下，可以适当增加中空层厚度，采用惰性气体代替空气以降低传热系数。结合现车结构以及整车传热系数，为了保证窗口尺寸与现车一致，将中空玻璃结构优化为8mm钢化玻璃+9mm厚氩气+5mm镀Low-E钢化玻璃结构，经计算，改进后中空玻璃的传热系数为1.73。

2.3传热系数对比

计算改进前和改进后传热系数对比，如表4-1 所示。

表4-1 改进前后传热系数对比表

由表4-1得，改进后车窗，安装结构传热系数下降10.82%， 中空玻璃传热系数下降32.68%，整窗传热系数下降28.98%。

3 结论

(1)车窗安装结构的隔热性能主要取决于是否有隔断热桥，非金属隔断热桥的厚度越大、热阻越高隔热越好。

(2)车窗透明板采用PC板代替普通玻璃，增加玻璃厚度均可以提高隔热性能，但效果不明显。

(3)相同结构形式的车窗，中空层为空气、氩气、氪气的传热系数依次降低，最优中空层分别为15.54mm，13.91mm， 9.69mm。 中空层气体一定时，随中空层厚度增加，传热系数先快速减小，后缓慢增大，基本稳定。

(4)采用镀Low-E玻璃可以有效降低中空玻璃传热系数。采用两片镀膜玻璃相对一片镀膜玻璃，传热系数有下降但效果不明显。

(5)采用上述结论对160动力集中车窗安装结构和中空玻璃做了隔热性能的优化，优化后安装结构传热系数下降10.82%，中空玻璃传热系数下降32.68%，整窗传热系数下降28.98%。

参考文献：

1. GB/T 22476-2008 中空玻璃稳态U值(传热系数)的计算及测定。