關(guān)于中空玻璃氬氣填充和檢測的實踐研究

      第一期主要關(guān)注“充氣中空玻璃內(nèi)的氬氣含量及其保持力”。近期在溫哥華做的幾個測試說明了要對中空玻璃充氬氣可能會遇到的困難。

      對中空玻璃充氬氣是為了改善其熱工性能。對于節(jié)能窗戶，一開始就是以一個相對低的熱阻開始，每個改善（包括低輻射鍍膜，充氣，和多層玻璃在內(nèi)）都是重要的。在我們力求開發(fā)更多的節(jié)能建筑時代，使用充氣中空玻璃這樣的節(jié)能產(chǎn)品就變得更常見。根據(jù)近期我們檢測的幾個充氣項目，充氣初始濃度和保持力是不定的。
 

 

      圖1: 這些中空玻璃窗里真的充了附合我們要求含量的氬氣嗎？

      我們呼吸的空氣中含78%的氮氣，21%的氧氣和1%的氬氣。氬氣通常是在生產(chǎn)液態(tài)氮和氧時被餾分出來的。氬氣是無色無味且無毒的氣體，它的性質(zhì)不活躍，熱傳導(dǎo)率比空氣小30%。

在化學(xué)元素周期表上，氬氣被排在惰性氣體類，包括氦，氖，氪和氙。氪氣和氙氣也會被用來充中空玻璃以改善其熱工性能。但是它們遠(yuǎn)較氬氣貴很多。

      通常人們會問的第一問題是：充氣中空玻璃都能夠帶來哪些好處？

首先來看單層玻璃。這樣一片單層玻璃的傳熱系數(shù)(熱對流的測量)一般取決于玻璃的熱傳導(dǎo)和空氣膜表面。一片6mm的玻璃熱傳導(dǎo)系數(shù)一般為1.0 即隔熱系數(shù)為1.0個英熱單位（這里指的隔熱系數(shù)是英制計量，與熱傳導(dǎo)系數(shù)互為倒數(shù)，即1/熱傳導(dǎo)系數(shù)）。加上第二片玻璃，氣腔層厚為12mm，隔熱系數(shù)將增至R-2。加上第三片和第四片玻璃（或夾膠片），中間有多個氣腔間隔層，你就會得到R-4和R-5這樣的結(jié)果。（見圖2）當(dāng)整體熱傳導(dǎo)系數(shù)相對低的時候，對基于以上這些值的玻璃進(jìn)行一個小小的改變，就會對建筑的能耗造成很大的影響，尤其是當(dāng)建筑大面積使用玻璃窗時（提示：想想在Lower Mainland有多少高樓大廈）

圖2：玻璃的熱傳導(dǎo)系數(shù)與玻璃片數(shù)的關(guān)系

      再回過頭來看看R-2的雙層玻璃。為了改善其性能，可以在中空玻璃的其中一面鍍上一層低輻射膜（low-e）。Low-e鍍膜可以減少中空玻璃氣腔間隔層內(nèi)的熱輻射傳遞。Low-e鍍膜還可以有選擇性地阻隔進(jìn)入大樓的太陽光光波，即降低太陽得熱系數(shù)。這些鍍膜在夏天可以幫助室內(nèi)裝飾，地板以及家具避免遭受熱負(fù)荷，熱衰退和熱損害，同時仍可維持充分地可見光，這些光使室內(nèi)的植物茁壯成長。

      用一塊中空玻璃，內(nèi)側(cè)鍍一層較好low-e膜（0.04輻射率）來作為室內(nèi)玻璃，這樣會使隔熱系數(shù)從R-2提高到R-3.3（改善67%）。使用Low-e的好處是顯而易見的，在BC，大部分新安裝的窗戶都必須要使用low-e鍍膜玻璃，這是因為近期建筑規(guī)范的規(guī)定對整窗的隔熱系數(shù)要求有所提高，R-2.8（U 0.36），這是雙層白玻無法達(dá)到的。（見圖3）

圖3: Low-e和充氬氣中空玻璃的熱傳導(dǎo)系數(shù)對比
 

      不是所有的low-e鍍膜玻璃都是一樣的。先進(jìn)的Low-e技術(shù)可以生產(chǎn)出低輻射率為0.022的膜。作對照，大部分天然地球材料都有0.9的輻射率，而有光澤的材料，如鋁箔，其輻射率約為0.2。舊的和檔次較低的low-e鍍膜，其輻射率不在0.02到0.04范圍內(nèi)，但接近0.2，隔熱效果相對差些。Low-e鍍膜的性能與熱傳導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系是線性關(guān)系，詳圖4。所以，跟中空玻璃生產(chǎn)廠商問清楚low-e膜的輻射率總是個好主意，或者用類似WINDOW或者OPTIC軟件來確定鍍膜的輻射率，越低越好。

      氬氣比空氣密度大，所以其傳導(dǎo)性比空氣差，當(dāng)對密封的中空玻璃里填充氬氣時，氣腔間隔層里的對流大大降低，使得中空玻璃的隔熱性能更好。在圖3和4中可以看到，氬氣可以增大隔熱系數(shù)，從R-3.3增至R-4.2（25%的改善）。

     氬氣含量對于中空玻璃整體的隔熱系數(shù)是非常重要的，行業(yè)（IGMAC加拿大中空玻璃工業(yè)協(xié)會）可接受的標(biāo)準(zhǔn)最低氬氣含量為90%，出廠時測定為準(zhǔn)（剩下的10%是空氣）。如圖5所示，我們可以很容易地看到，氬氣含量越低等同于隔熱改善越差。因此，確定初始充氣濃度是否達(dá)到或超過90%是非常重要的 (IGMAC規(guī)定)。

 

圖5：Low-e鍍膜加充氬氣中空玻璃的熱傳導(dǎo)系數(shù)和不同氬氣含量關(guān)系
 

      因為對于建筑結(jié)構(gòu)眾多要素來說，玻璃通常是隔熱性能最弱的那個要素，為了推進(jìn)建筑的整體節(jié)能效率，使得改善玻璃隔熱性能變得尤為重要。目前，市場充氣雙層中空玻璃的售價為每平方英尺1-2美金，能源費用與日俱增，使投資回報期短的期待變得可以實現(xiàn)。

      把空氣排出把氬氣充入到一塊中空玻璃里看起來是一個艱難的任務(wù)，但是現(xiàn)代化的設(shè)備，包括真空箱或者更簡單的手動充氣法，都被證實了是有效的工具和方法。

圖6：充氣設(shè)備
 

     最簡單的方法就是在中空玻璃的間隔條上打兩個孔，然后把壓縮過的氬氣注入中空玻璃一側(cè)底部，同時測量另一段出氣孔中空氣排出量，直至氬氣含量達(dá)到90%。然后把兩個鉆孔用塞子堵起來并密封。在過去的案例中，有些塞子封堵失敗，導(dǎo)致氬氣泄露，或者導(dǎo)致中空玻璃首道密封膠涂布失敗，所以這種方法可能不是總是有效。

      更現(xiàn)代的方法是把涂布了首道密封膠的中空玻璃放進(jìn)一個真空箱里進(jìn)行至少90%的氬氣填充（用類似于圖6所示的機器），緊接著，進(jìn)行第二道密封膠涂布，使得氬氣被充分保留在中空玻璃中。

      在工廠里，為了質(zhì)量控制，這兩種充氣方法都需要用一種特別的檢測儀器對氬氣含量進(jìn)行檢驗（下節(jié)中討論）。
 

 

圖7: 玻璃標(biāo)簽上寫著充氬氣中空玻璃 － 但是氬氣真的在里面嗎？
 

      假設(shè)氬氣分子泄露，或者過了一段時間通過首道和第二道密封膠慢慢彌散出去，而又沒有被及時發(fā)現(xiàn)，至少在使用新的密封技術(shù)時有發(fā)生過這樣的狀況。研究顯示，對于既有的密封技術(shù)，氬氣或者其它被充入的氣體可以在中空玻璃里壽命期內(nèi)保留在里面，這也就有了“密封”這個術(shù)語。最多，氬氣可能通過某些密封膠材料彌散出去，年泄露率大概在0.5%到1%之間。任何比這高的泄露率很可能是首道或第二道密封失效了，那么中空玻璃也將失效或已經(jīng)失效。

      我們有一個客戶，對其70年代建造的混凝土高層建筑上使用的30年之久的單層玻璃進(jìn)行置換。此置換計劃有意更新外立面和兩幢建筑的性能，同時加強節(jié)能?？傮w上講，我們將改善建筑整體隔熱系數(shù)，從R-1.4改到R-2.7，簡單地通過置換掉老的漏氣窗以加強建筑氣密性。這是一個相對比較大的改造項目（改善+93%），但是此外的能源升級仍需要著手解決建筑的墻體和其它方面的問題。注意在溫哥華有很多新建的高層建筑，它們整體圍護(hù)部分的隔熱系數(shù)從R-2到最好情況下的R-6不等，所以R-2.7跟新建筑來比不是最差。

      在我們的規(guī)范里，我們規(guī)定了中空玻璃應(yīng)該有l(wèi)ow-e鍍膜，并且要充氬氣，以達(dá)到最低0.24的熱傳導(dǎo)系數(shù)(R-4.2)要求。窗戶部分分包給了當(dāng)?shù)匾粋€很大的玻璃生產(chǎn)企業(yè)，有能力生產(chǎn)中空玻璃，很巧地是，RDH的其它復(fù)原項目上大部分中空玻璃也是他們供應(yīng)的。

在生產(chǎn)已經(jīng)開始后，玻璃生產(chǎn)企業(yè)意識到對非常規(guī)尺寸的玻璃進(jìn)行充氣有困難。這就給我們提出了一個很現(xiàn)實的問題，我們怎么知道中空玻璃是否有充氬氣 － 在不破壞已經(jīng)安裝好的玻璃窗情況下。

      Sparklike, 一家芬蘭公司擁有一個專利技術(shù)，生產(chǎn)便攜式測量儀，可以快速并且無需破壞中空玻璃，就可以測量出氬氣的含量。這個測試方法在行業(yè)里已被應(yīng)用已久，并且被廣為接受。我們用的那款是Sparklike的GasGlass1002（圖8）。他們還有便攜式的儀器。

      儀器的原理是電極產(chǎn)生火花，激活氣腔層內(nèi)氬原子，發(fā)出光束，光纖將光束收集至分光計進(jìn)行光譜分析，通過換算以百分比形式顯示氬氣含量。氖燈和熒光燈的工作原理也是一樣，通過電來激活氣體（氖或氬）以發(fā)射光束。

圖8：Sparklike的GasGlass 1002氣體分析儀
 

      使用儀器來檢測玻璃窗的步驟如下：

      1. 將儀器的檢測面抵住中空玻璃low-e鍍膜相對面的表面. Low-e鍍膜用以火花接地（必須是鍍膜面相對面的表面才能工作）。

      2. 按下按鍵，瞬間發(fā)出高壓電火花穿透玻璃進(jìn)入氣腔層。如果有氬氣，電火花會電離氬原子發(fā)出光束給分光計。

      3. 分光計會對接收到的光束進(jìn)行檢測，然后嵌入式微電腦會解譯這些光譜信息，并計算出一個氬氣含量百分比，在顯示屏上顯示。（見圖9）
 

      圖9：氬氣分析儀測量流程
 

      分析儀的準(zhǔn)確度是當(dāng)充氣含量達(dá)90%以上時在±1%內(nèi)，80-90%時為±2%。低于80%時為±5%，低于50%時，由于中空玻璃內(nèi)氬氣不夠而不能使電弧穿越氣腔層，這時錯誤信息會回傳并顯示在屏幕上。 目測觀察電火花是否有穿透以說明測量讀數(shù)正確。
 

圖10: 檢測中空玻璃 – 在安裝前
 

      從我們的使用經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，背景光的強弱對儀器的測量讀數(shù)有影響，在艷陽天也比較難得到準(zhǔn)確的測量讀數(shù)。檢測最好在安裝前的室內(nèi)進(jìn)行，或者在晚上對已經(jīng)安裝好的中空玻璃進(jìn)行檢測。我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)中空玻璃的充氣量在60%-70%時，電火花比較難穿透氣腔間隔層。儀器上的錯誤信息顯示說明正確或不可讀數(shù)和錯誤等。

      作為窗戶置換項目的檢測協(xié)議一部分，我們一共分四次對245塊不同尺寸的中空玻璃進(jìn)行了檢測。約45,000平方英尺的玻璃窗在9個月內(nèi)供應(yīng)給建筑使用。在此期間，中空玻璃是分批生產(chǎn)的，以配合窗框生產(chǎn)進(jìn)度。

      我們檢測了245片，只有3片（1%）中空玻璃的充氣量在90%（附合IGMAC標(biāo)準(zhǔn)）以上。其中79片（32%）充氣量在75-90%, 52片(21%)充氣量在50-75%。剩下的111片（45%）沒有檢測到氬氣或氬氣含量低于50%。我們發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)批次的日期和充氣有著緊密關(guān)聯(lián)?？吹某鰜?，有幾個日期的生產(chǎn)批次質(zhì)量控制明顯好過其它日期的批次。從我們?nèi)路蓍_始檢測以來，生產(chǎn)企業(yè)對其質(zhì)量控制稍加做了改進(jìn)。這些結(jié)果說明，短期內(nèi)氬氣并沒有發(fā)生流失，而是生產(chǎn)上發(fā)生了操作錯誤。

      自這以后，我們對RDH參與的其它兩個建筑（在建項目）上用的充氬氣中空玻璃也做了檢測。在第一個項目上，就是在之前提到的兩個改造項目其中之一，中空玻璃是由同一個生產(chǎn)商供應(yīng)的。同樣的，氬氣含量低，我們發(fā)現(xiàn)其批次與不合格也是相關(guān)的。沒有一塊中空玻璃的氬氣含量超過90%，68%的產(chǎn)品經(jīng)檢測沒有發(fā)現(xiàn)可測氬氣含量（或者含量低于50%）。在第二個項目上，不同的生產(chǎn)商提供的中空玻璃。在這個項目上，大部分中空玻璃檢測到的氬氣含量都超過90%，附合IGMA標(biāo)準(zhǔn)。我們發(fā)現(xiàn)批次問題是跟不規(guī)則形狀有關(guān)，氬氣沒有充到位。

      在檢測了第三個項目后，我們發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)上是否做了基本的質(zhì)量控制變成很明顯。有些中空玻璃生產(chǎn)企業(yè)，包括那兩家被檢測的，在生產(chǎn)期間有對中空充氬氣進(jìn)行含量檢測。

      我們到目前還沒從中空玻璃生產(chǎn)企業(yè)那里收到可以接受的合理解釋。目前這個階段的問題是，我們客戶不能得到與其所付價錢相對稱品質(zhì)的建筑，這就會導(dǎo)致窗戶的隔熱效果比預(yù)期的要差。我們現(xiàn)在把氬氣含量的品質(zhì)保證作為我們的現(xiàn)場審查服務(wù)的一部分。

      此后，我們跟一個客戶一起發(fā)起了一個調(diào)研，在中空玻璃生產(chǎn)過程中檢測氬氣含量，并且在幾年后繼續(xù)這樣以檢測其氬氣保持力。檢測工作分不同階段進(jìn)行，在生產(chǎn)線上封裝時，在玻璃運到現(xiàn)場時，和在安裝后幾個月和幾年。這項研究將使人們能夠直接地了解充氣中空玻璃在工廠時的生產(chǎn)情況以及氬氣在安裝后沒有發(fā)生泄露。

      這個對RDH有何啟示？找到了更好的與中空玻璃生產(chǎn)企業(yè)合作方法，制定解決方案以解決質(zhì)量控制問題。充氬氣對中空玻璃性能的改善太大了，不應(yīng)該被簡單地忽視。我們現(xiàn)在面對越來越多的節(jié)能建筑項目，對充氣中空玻璃的應(yīng)用將變得更加普遍，也會成為一個標(biāo)準(zhǔn)要求。我們應(yīng)該鼓勵客戶選擇對他們投資回報最大的節(jié)能門窗，同時最大范圍減小其生命周期的成本。用充氬氣中空玻璃風(fēng)險低，相對低的成本投資有一個合理的投資回收期。