充氣中空玻璃惰性氣體含量相關(guān)研究

王東旭 高偉 王永帥 王領(lǐng)

（北京建筑材料檢驗(yàn)研究院有限公司 北京 100041）

0 引言

節(jié)能減排是我國(guó)的一項(xiàng)重要國(guó)策，建筑能耗約占我國(guó)社會(huì)總能耗的三分之一，建筑能耗中通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗約占50%，門窗幕墻是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其節(jié)能性能對(duì)我國(guó)建筑節(jié)能工作具有重要意義。中空玻璃填充惰性氣體能夠有效降低其傳熱系數(shù)，對(duì)門窗的節(jié)能性能起到至關(guān)重要的作用。在惰性氣體含量不足或泄露嚴(yán)重的情況下，會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)門窗產(chǎn)品的保溫性能。由于惰性氣體無色無味，沒有專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備很難判斷產(chǎn)品是否合格，因此這項(xiàng)指標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用中并沒有引起廣泛關(guān)注，隨著門窗節(jié)能指標(biāo)的不斷提高，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氣體含量及保持率的研究逐漸增多，且引起越來越多的關(guān)注。

1 研究現(xiàn)狀

中空玻璃的生產(chǎn)技術(shù)最早起源于美國(guó)，20世紀(jì)60年代首先在發(fā)達(dá)國(guó)家開始工業(yè)化生產(chǎn)和使用，歐洲、北美、日本、韓國(guó)等地得到普遍應(yīng)用。我國(guó)中空玻璃的研制始于60年代初，70年代生產(chǎn)線試制成功，并開始推廣應(yīng)用，隨著建設(shè)部1999年10月76號(hào)文的發(fā)布，中空玻璃在我國(guó)建筑市場(chǎng)上的用量有了較大幅度的增長(zhǎng)。

中空玻璃是指兩片或多片玻璃以有效支撐均勻隔開并周邊粘接密封，使玻璃層間形成有干燥氣體空間的玻璃制品，制作中空玻璃的各種材料的質(zhì)量與中空玻璃使用壽命密切相關(guān)［1］。中空玻璃應(yīng)用初期最大的質(zhì)量問題是中空層結(jié)露，即隨著中空玻璃的使用，逐漸喪失密封性能，選擇低透濕率密封層或密封層組合、優(yōu)化干燥劑填充量及飽和吸濕量，可有效提高中空玻璃單元件的密封耐久性［2］。目前，中空玻璃常見的密封形式為雙道密封，第一道所用密封膠為丁基膠，主要起預(yù)定位及隔離水汽的作用，中空玻璃使用壽命與外道密封膠關(guān)系密切，在同等條件下，對(duì)于普通中空玻璃，聚硫型的使用壽命約是硅酮型的2倍，對(duì)于充氣中空玻璃，聚硫型的使用壽命約是硅酮型的4.4倍［3］。

隨著建筑外門窗節(jié)能指標(biāo)的不斷提高，建筑用中空玻璃除不斷推廣的低輻射鍍膜中空玻璃外，充氣中空玻璃也得到了廣泛應(yīng)用。充氣中空玻璃即中空腔內(nèi)充入氬氣、氪氣等氣體的中空玻璃［1］。惰性氣體均為無色、無臭、無毒的單原子，處于元素周期表中零族，外層電子已達(dá)飽和，他們共同的特點(diǎn)是比空氣密度大，導(dǎo)熱小。

惰性氣體中氬氣在空氣中的含量最豐富，在當(dāng)前充氣中空玻璃中的應(yīng)用最為廣泛，氪氣的穩(wěn)定性和氬氣類似，熱效能相比氬氣高三分之一，但價(jià)格較昂貴，未在建筑玻璃行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前充氣的手段主要有兩種，一是在中空玻璃下部充氣孔進(jìn)行惰性氣體填充，通過玻璃上部排氣孔將中空層內(nèi)空氣排出，并迅速將充氣孔和排氣孔進(jìn)行密封；另一種是在線自動(dòng)充氣，將涂布了首道密封膠的玻璃在氬氣環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行合片，并迅速進(jìn)行第二道密封膠涂布。研究表明氬氣濃度越高，中空玻璃的傳熱系數(shù)越小，相同氬氣濃度下，充氣對(duì)鍍膜玻璃傳熱系數(shù)的改善更為明顯［4］。因此，在惰性氣體含量不足或泄露嚴(yán)重的情況下，會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)門窗產(chǎn)品的保溫性能。

歐洲對(duì)充氣中空玻璃惰性氣體評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)是氣體泄漏率，是指每年從中空玻璃中間氣體層中泄露出氣體的體積百分比，歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1279-3:2018《建筑用玻璃——中空玻璃第3部分：氣體濃度和泄露率的試驗(yàn)方法及要求》中規(guī)定惰性氣體年氣體泄漏率應(yīng)不大于1%。氬氣含量對(duì)于中空玻璃傳熱系數(shù)的影響非常重要，IGMAC加拿大中空玻璃工業(yè)協(xié)會(huì)規(guī)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)充氣中空玻璃最低氬氣含量為90%，以出廠時(shí)測(cè)定為準(zhǔn)。

我國(guó)現(xiàn)行有效的中空玻璃產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 11944—2012《中空玻璃》，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定充氣中空玻璃的初始?xì)怏w含量應(yīng)≥85%（V/V），經(jīng)氣體密封耐久性試驗(yàn)后的氣體含量應(yīng)≥80%（V/V），標(biāo)準(zhǔn)中采用的測(cè)試方法為順磁性氧分析儀法，采用氣密注射器插入中空層進(jìn)行取樣，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但對(duì)樣品具有破壞性，不能持續(xù)監(jiān)測(cè)。GB/T 38214—2019《中空玻璃惰性氣體含量測(cè)試方法》中規(guī)定了兩種測(cè)試中空玻璃惰性氣體含量的方法，分別是氣相色譜分析法和順磁性氧分析法，兩種方法均需要破壞樣品進(jìn)行取樣，其中氣相色譜分析法能夠?qū)怏w組分進(jìn)行定性和定量分析。在JG/T 454—2014《建筑門窗、幕墻中空玻璃性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法》中，惰性氣體含量采用的是高壓電火花法，該方法為無損檢測(cè)方法，適用于中空玻璃壽命期限中任一階段的測(cè)試，主要局限在于對(duì)測(cè)試樣品的玻璃厚度及中空層厚度有一定要求。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 項(xiàng)目情況

檢測(cè)送檢樣品惰性氣體含量，按照送檢類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析市場(chǎng)中充氣中空玻璃合格率情況，送檢類別分為工程復(fù)試、抽查測(cè)試、認(rèn)證測(cè)試、研發(fā)測(cè)試四種情況。

選定中空玻璃樣品，將中空玻璃直接暴露在室外，長(zhǎng)期定時(shí)監(jiān)測(cè)惰性氣體含量變化情況，玻璃配置為5+12Ar+5暖邊、6+12Ar+6暖邊、6+14Ar+6暖邊、8+12Ar +8冷邊、8+15Ar +8冷邊，對(duì)比不同玻璃厚度、不同空氣層厚度、不同間隔條種類條件下，中空玻璃惰性氣體泄露情況。

按照J(rèn)GJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》的計(jì)算條件，對(duì)比當(dāng)前常用中空玻璃配置在氬氣含量為0、40%、60%、85%條件下的傳熱系數(shù)。

2.2 測(cè)試方法及設(shè)備

為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)不同時(shí)期中空玻璃惰性氣體含量，檢測(cè)方法采用的是JG/T 454—2014《建筑門窗、幕墻中空玻璃性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法》，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為激光氣體分析儀，該設(shè)備按照J(rèn)G/T 454—2014標(biāo)準(zhǔn)中惰性氣體含量檢測(cè)儀器校準(zhǔn)方法與順磁性氧分析儀進(jìn)行比對(duì)，標(biāo)準(zhǔn)要求儀器測(cè)量結(jié)果相差小于2%為合格，比對(duì)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)量原理為通過對(duì)中空層中氧含量的分析，從而換算成惰性氣體的濃度。針對(duì)上述方案中的樣品，定期進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

2.3 結(jié)果分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)室接收的128個(gè)標(biāo)稱采用充氣中空玻璃的建筑門窗樣本進(jìn)行測(cè)量及分析，合格樣本量為43組，樣品初始?xì)怏w含量合格率為34%。按照送檢類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中工程復(fù)試樣品43組，抽查測(cè)試樣品13組，認(rèn)證測(cè)試樣品22組，研發(fā)測(cè)試樣品50組。

工程復(fù)試43組樣品中，合格樣本量為14組，樣品合格率為33%，不合格樣本中10組氬氣含量為0，7組氬氣含量在50%以下，12組氬氣含量為50%～80%。抽查測(cè)試的13組樣品中，合格樣本量為1組，樣品合格率為8%，不合格樣本中7組氬氣含量為0，4組氬氣含量為10%～30%，1組氬氣含量為50%。認(rèn)證測(cè)試的22組樣品中，合格樣品量為10組，樣品合格率為45%，不合格樣本中5組氬氣含量為0，3組氬氣含量為10%～40%，4組氬氣含量為60%～80%。研發(fā)測(cè)試的50組樣品中，合格樣品量為18組，樣品合格率為36%，不合格樣本中16組氬氣含量為0，7組氬氣含量在50%以下，9組氬氣含量為50%～80%。

從抽查檢測(cè)、工程復(fù)試檢測(cè)、企業(yè)研發(fā)檢測(cè)到產(chǎn)品認(rèn)證檢測(cè)四種不同類別，一方面生產(chǎn)者對(duì)門窗產(chǎn)品性能質(zhì)量的關(guān)注度逐漸遞增，充氣中空玻璃惰性氣體含量的合格率同步逐漸遞增，另一方面抽查具有隨機(jī)性，相對(duì)其他類別送檢樣品存放時(shí)間更長(zhǎng)，因此惰性氣體含量合格率較低。在惰性氣體含量不合格的樣品中，存在同一門窗產(chǎn)品不同部位充氣中空玻璃或同一塊多腔中空玻璃不同中空層惰性氣體含量表現(xiàn)出不同合格情況，可見同一批次產(chǎn)品惰性氣體含量及泄露情況存在不穩(wěn)定性。

對(duì)不同玻璃配置中空玻璃每月定期進(jìn)行氬氣含量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 充氣中空玻璃氬氣含量（V/V） %

充氣中空玻璃測(cè)試樣品初始?xì)怏w含量均在85%以上，從10個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，以惰性氣體含量80%（V/V）作為中空玻璃使用后合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，初始?xì)怏w含量為85%的樣品，在暴露6個(gè)月后氬氣含量降低至79%，后續(xù)氬氣泄露速度加快，暴露9個(gè)月后氬氣含量下降至69%。初始?xì)怏w含量在90%以上的樣品，在暴露8個(gè)月后氬氣含量降低至79%。初始?xì)怏w含量在95%以上的樣品，在暴露9個(gè)月后氬氣含量均低于80%。

玻璃厚度、中空層厚度、間隔條形式對(duì)充氣中空玻璃惰性氣體含量保持情況的影響較小，受到中空玻璃邊部的密封影響較大，與中空玻璃耐久性研究結(jié)果一致。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過程中樣品直接暴露于自然環(huán)境中，中空玻璃四周的密封情況受到天氣環(huán)境的影響較大，樣品初期惰性氣體泄露較緩慢，前三個(gè)月氬氣含量變化情況在檢測(cè)設(shè)備允許誤差范圍內(nèi)，隨著暴露時(shí)間增長(zhǎng)，氬氣含量下降趨勢(shì)逐漸加快，在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)9個(gè)月后樣品的氬氣含量均下降至80%以下，隨著玻璃邊部密封結(jié)構(gòu)的破壞，惰性氣體的泄露會(huì)更加嚴(yán)重。由于本研究將中空玻璃直接暴露于大氣中存放進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而中空玻璃在實(shí)際應(yīng)用中大部分安裝于門窗框型材槽口內(nèi)，對(duì)玻璃邊部的密封具有一定的保護(hù)作用。

按照J(rèn)GJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》的計(jì)算條件，對(duì)當(dāng)前行業(yè)常用的中空玻璃配置不同氬氣含量%（V/V）下的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同氬氣含量充氣中空玻璃傳熱系數(shù)K W/（m 2·K）

傳熱系數(shù)是表征中空玻璃節(jié)能效果的重要參數(shù)，物理意義為單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的傳熱量，傳熱系數(shù)越低節(jié)能效果越好。隨著建筑門窗節(jié)能指標(biāo)的不斷提高，低輻射鍍膜玻璃在行業(yè)內(nèi)得到了普遍應(yīng)用，因此本研究選擇的典型玻璃配置為雙玻和三玻的低輻射鍍膜充氣中空玻璃。從計(jì)算結(jié)果可以看出，氬氣含量在85%與無氬氣填充的玻璃對(duì)比，中空玻璃傳熱系數(shù)低，為0.2～0.3 W/（m2·K），氬氣含量每下降20%，充氣中空玻璃整體傳熱系數(shù)下降0.06 W/（m2·K）左右。我國(guó)超低能耗建筑用窗對(duì)玻璃的傳熱系數(shù)要求是K≤0.8 W/（m2·K），常用的玻璃配置5雙銀Low-E +12Ar+5雙銀Low-E +12Ar+5在氬氣含量低于60%條件下，將不符合要求。在門窗產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，玻璃通常占樣品總面積的60%～80%，玻璃傳熱系數(shù)的變化直接影響建筑門窗的節(jié)能效果，當(dāng)充氣中空玻璃惰性氣體含量低于50%時(shí)，建筑門窗產(chǎn)品傳熱系數(shù)與設(shè)計(jì)值會(huì)有0.05～0.1 W/（m2·K）的偏差。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)采用充氣中空玻璃的建筑門窗樣品進(jìn)行測(cè)量，中空玻璃初始?xì)怏w含量合格率較低，隨著對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量及存放條件關(guān)注度的提高，惰性氣體含量合格率隨之提高，行業(yè)應(yīng)增加對(duì)惰性氣體實(shí)際含量的關(guān)注度，提高產(chǎn)品初始合格率。

充氣中空玻璃惰性氣體隨著應(yīng)用時(shí)間的推移存在氣體泄露的情況，隨著密封結(jié)構(gòu)的破壞，惰性氣體泄露情況愈加嚴(yán)重，提高惰性氣體初始含量、加強(qiáng)中空玻璃四周密封可延長(zhǎng)充氣中空玻璃有效時(shí)間。建議對(duì)采用充氣中空玻璃的建筑，關(guān)注惰性氣體含量情況，科學(xué)評(píng)估建筑能耗。

由于研究樣本量有限，且為實(shí)驗(yàn)室送檢產(chǎn)品，對(duì)行業(yè)內(nèi)充氣中空玻璃惰性氣體含量合格率情況的評(píng)估具有一定局限性，后續(xù)研究建議針對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研。