关于中空玻璃氩气填充和检测的实践研究

      第一期主要关注“充气中空玻璃内的氩气含量及其保持力”。近期在温哥华做的几个测试说明了要对中空玻璃充氩气可能会遇到的困难。

      对中空玻璃充氩气是为了改善其热工性能。对于节能窗户，一开始就是以一个相对低的热阻开始，每个改善（包括低辐射镀膜，充气，和多层玻璃在内）都是重要的。在我们力求开发更多的节能建筑时代，使用充气中空玻璃这样的节能产品就变得更常见。根据近期我们检测的几个充气项目，充气初始浓度和保持力是不定的。
 

 

      图1: 这些中空玻璃窗里真的充了附合我们要求含量的氩气吗？

      我们呼吸的空气中含78%的氮气，21%的氧气和1%的氩气。氩气通常是在生产液态氮和氧时被馏分出来的。氩气是无色无味且无毒的气体，它的性质不活跃，热传导率比空气小30%。

在化学元素周期表上，氩气被排在惰性气体类，包括氦，氖，氪和氙。氪气和氙气也会被用来充中空玻璃以改善其热工性能。但是它们远较氩气贵很多。

      通常人们会问的第一问题是：充气中空玻璃都能够带来哪些好处？

首先来看单层玻璃。这样一片单层玻璃的传热系数(热对流的测量)一般取决于玻璃的热传导和空气膜表面。一片6mm的玻璃热传导系数一般为1.0 即隔热系数为1.0个英热单位（这里指的隔热系数是英制计量，与热传导系数互为倒数，即1/热传导系数）。加上第二片玻璃，气腔层厚为12mm，隔热系数将增至R-2。加上第三片和第四片玻璃（或夹胶片），中间有多个气腔间隔层，你就会得到R-4和R-5这样的结果。（见图2）当整体热传导系数相对低的时候，对基于以上这些值的玻璃进行一个小小的改变，就会对建筑的能耗造成很大的影响，尤其是当建筑大面积使用玻璃窗时（提示：想想在Lower Mainland有多少高楼大厦）

图2：玻璃的热传导系数与玻璃片数的关系

      再回过头来看看R-2的双层玻璃。为了改善其性能，可以在中空玻璃的其中一面镀上一层低辐射膜（low-e）。Low-e镀膜可以减少中空玻璃气腔间隔层内的热辐射传递。Low-e镀膜还可以有选择性地阻隔进入大楼的太阳光光波，即降低太阳得热系数。这些镀膜在夏天可以帮助室内装饰，地板以及家具避免遭受热负荷，热衰退和热损害，同时仍可维持充分地可见光，这些光使室内的植物茁壮成长。

      用一块中空玻璃，内侧镀一层较好low-e膜（0.04辐射率）来作为室内玻璃，这样会使隔热系数从R-2提高到R-3.3（改善67%）。使用Low-e的好处是显而易见的，在BC，大部分新安装的窗户都必须要使用low-e镀膜玻璃，这是因为近期建筑规范的规定对整窗的隔热系数要求有所提高，R-2.8（U 0.36），这是双层白玻无法达到的。（见图3）

图3: Low-e和充氩气中空玻璃的热传导系数对比
 

      不是所有的low-e镀膜玻璃都是一样的。先进的Low-e技术可以生产出低辐射率为0.022的膜。作对照，大部分天然地球材料都有0.9的辐射率，而有光泽的材料，如铝箔，其辐射率约为0.2。旧的和档次较低的low-e镀膜，其辐射率不在0.02到0.04范围内，但接近0.2，隔热效果相对差些。Low-e镀膜的性能与热传导系数的关系是线性关系，详图4。所以，跟中空玻璃生产厂商问清楚low-e膜的辐射率总是个好主意，或者用类似WINDOW或者OPTIC软件来确定镀膜的辐射率，越低越好。

      氩气比空气密度大，所以其传导性比空气差，当对密封的中空玻璃里填充氩气时，气腔间隔层里的对流大大降低，使得中空玻璃的隔热性能更好。在图3和4中可以看到，氩气可以增大隔热系数，从R-3.3增至R-4.2（25%的改善）。

     氩气含量对于中空玻璃整体的隔热系数是非常重要的，行业（IGMAC加拿大中空玻璃工业协会）可接受的标准最低氩气含量为90%，出厂时测定为准（剩下的10%是空气）。如图5所示，我们可以很容易地看到，氩气含量越低等同于隔热改善越差。因此，确定初始充气浓度是否达到或超过90%是非常重要的 (IGMAC规定)。

 

图5：Low-e镀膜加充氩气中空玻璃的热传导系数和不同氩气含量关系
 

      因为对于建筑结构众多要素来说，玻璃通常是隔热性能最弱的那个要素，为了推进建筑的整体节能效率，使得改善玻璃隔热性能变得尤为重要。目前，市场充气双层中空玻璃的售价为每平方英尺1-2美金，能源费用与日俱增，使投资回报期短的期待变得可以实现。

      把空气排出把氩气充入到一块中空玻璃里看起来是一个艰难的任务，但是现代化的设备，包括真空箱或者更简单的手动充气法，都被证实了是有效的工具和方法。

图6：充气设备
 

     最简单的方法就是在中空玻璃的间隔条上打两个孔，然后把压缩过的氩气注入中空玻璃一侧底部，同时测量另一段出气孔中空气排出量，直至氩气含量达到90%。然后把两个钻孔用塞子堵起来并密封。在过去的案例中，有些塞子封堵失败，导致氩气泄露，或者导致中空玻璃首道密封胶涂布失败，所以这种方法可能不是总是有效。

      更现代的方法是把涂布了首道密封胶的中空玻璃放进一个真空箱里进行至少90%的氩气填充（用类似于图6所示的机器），紧接着，进行第二道密封胶涂布，使得氩气被充分保留在中空玻璃中。

      在工厂里，为了质量控制，这两种充气方法都需要用一种特别的检测仪器对氩气含量进行检验（下节中讨论）。
 

 

图7: 玻璃标签上写着充氩气中空玻璃 － 但是氩气真的在里面吗？
 

      假设氩气分子泄露，或者过了一段时间通过首道和第二道密封胶慢慢弥散出去，而又没有被及时发现，至少在使用新的密封技术时有发生过这样的状况。研究显示，对于既有的密封技术，氩气或者其它被充入的气体可以在中空玻璃里寿命期内保留在里面，这也就有了“密封”这个术语。最多，氩气可能通过某些密封胶材料弥散出去，年泄露率大概在0.5%到1%之间。任何比这高的泄露率很可能是首道或第二道密封失效了，那么中空玻璃也将失效或已经失效。

      我们有一个客户，对其70年代建造的混凝土高层建筑上使用的30年之久的单层玻璃进行置换。此置换计划有意更新外立面和两幢建筑的性能，同时加强节能。总体上讲，我们将改善建筑整体隔热系数，从R-1.4改到R-2.7，简单地通过置换掉老的漏气窗以加强建筑气密性。这是一个相对比较大的改造项目（改善+93%），但是此外的能源升级仍需要着手解决建筑的墙体和其它方面的问题。注意在温哥华有很多新建的高层建筑，它们整体围护部分的隔热系数从R-2到最好情况下的R-6不等，所以R-2.7跟新建筑来比不是最差。

      在我们的规范里，我们规定了中空玻璃应该有low-e镀膜，并且要充氩气，以达到最低0.24的热传导系数(R-4.2)要求。窗户部分分包给了当地一个很大的玻璃生产企业，有能力生产中空玻璃，很巧地是，RDH的其它复原项目上大部分中空玻璃也是他们供应的。

在生产已经开始后，玻璃生产企业意识到对非常规尺寸的玻璃进行充气有困难。这就给我们提出了一个很现实的问题，我们怎么知道中空玻璃是否有充氩气 － 在不破坏已经安装好的玻璃窗情况下。

      Sparklike, 一家芬兰公司拥有一个专利技术，生产便携式测量仪，可以快速并且无需破坏中空玻璃，就可以测量出氩气的含量。这个测试方法在行业里已被应用已久，并且被广为接受。我们用的那款是Sparklike的GasGlass1002（图8）。他们还有便携式的仪器。

      仪器的原理是电极产生火花，激活气腔层内氩原子，发出光束，光纤将光束收集至分光计进行光谱分析，通过换算以百分比形式显示氩气含量。氖灯和荧光灯的工作原理也是一样，通过电来激活气体（氖或氩）以发射光束。

图8：Sparklike的GasGlass 1002气体分析仪
 

      使用仪器来检测玻璃窗的步骤如下：

      1. 将仪器的检测面抵住中空玻璃low-e镀膜相对面的表面. Low-e镀膜用以火花接地（必须是镀膜面相对面的表面才能工作）。

      2. 按下按键，瞬间发出高压电火花穿透玻璃进入气腔层。如果有氩气，电火花会电离氩原子发出光束给分光计。

      3. 分光计会对接收到的光束进行检测，然后嵌入式微电脑会解译这些光谱信息，并计算出一个氩气含量百分比，在显示屏上显示。（见图9）
 

      图9：氩气分析仪测量流程
 

      分析仪的准确度是当充气含量达90%以上时在±1%内，80-90%时为±2%。低于80%时为±5%，低于50%时，由于中空玻璃内氩气不够而不能使电弧穿越气腔层，这时错误信息会回传并显示在屏幕上。 目测观察电火花是否有穿透以说明测量读数正确。
 

图10: 检测中空玻璃 – 在安装前
 

      从我们的使用经验发现，背景光的强弱对仪器的测量读数有影响，在艳阳天也比较难得到准确的测量读数。检测最好在安装前的室内进行，或者在晚上对已经安装好的中空玻璃进行检测。我们还发现当中空玻璃的充气量在60%-70%时，电火花比较难穿透气腔间隔层。仪器上的错误信息显示说明正确或不可读数和错误等。

      作为窗户置换项目的检测协议一部分，我们一共分四次对245块不同尺寸的中空玻璃进行了检测。约45,000平方英尺的玻璃窗在9个月内供应给建筑使用。在此期间，中空玻璃是分批生产的，以配合窗框生产进度。

      我们检测了245片，只有3片（1%）中空玻璃的充气量在90%（附合IGMAC标准）以上。其中79片（32%）充气量在75-90%, 52片(21%)充气量在50-75%。剩下的111片（45%）没有检测到氩气或氩气含量低于50%。我们发现生产批次的日期和充气有着紧密关联。看的出来，有几个日期的生产批次质量控制明显好过其它日期的批次。从我们三月份开始检测以来，生产企业对其质量控制稍加做了改进。这些结果说明，短期内氩气并没有发生流失，而是生产上发生了操作错误。

      自这以后，我们对RDH参与的其它两个建筑（在建项目）上用的充氩气中空玻璃也做了检测。在第一个项目上，就是在之前提到的两个改造项目其中之一，中空玻璃是由同一个生产商供应的。同样的，氩气含量低，我们发现其批次与不合格也是相关的。没有一块中空玻璃的氩气含量超过90%，68%的产品经检测没有发现可测氩气含量（或者含量低于50%）。在第二个项目上，不同的生产商提供的中空玻璃。在这个项目上，大部分中空玻璃检测到的氩气含量都超过90%，附合IGMA标准。我们发现批次问题是跟不规则形状有关，氩气没有充到位。

      在检测了第三个项目后，我们发现在生产上是否做了基本的质量控制变成很明显。有些中空玻璃生产企业，包括那两家被检测的，在生产期间有对中空充氩气进行含量检测。

      我们到目前还没从中空玻璃生产企业那里收到可以接受的合理解释。目前这个阶段的问题是，我们客户不能得到与其所付价钱相对称品质的建筑，这就会导致窗户的隔热效果比预期的要差。我们现在把氩气含量的品质保证作为我们的现场审查服务的一部分。

      此后，我们跟一个客户一起发起了一个调研，在中空玻璃生产过程中检测氩气含量，并且在几年后继续这样以检测其氩气保持力。检测工作分不同阶段进行，在生产线上封装时，在玻璃运到现场时，和在安装后几个月和几年。这项研究将使人们能够直接地了解充气中空玻璃在工厂时的生产情况以及氩气在安装后没有发生泄露。

      这个对RDH有何启示？找到了更好的与中空玻璃生产企业合作方法，制定解决方案以解决质量控制问题。充氩气对中空玻璃性能的改善太大了，不应该被简单地忽视。我们现在面对越来越多的节能建筑项目，对充气中空玻璃的应用将变得更加普遍，也会成为一个标准要求。我们应该鼓励客户选择对他们投资回报最大的节能门窗，同时最大范围减小其生命周期的成本。用充氩气中空玻璃风险低，相对低的成本投资有一个合理的投资回收期。