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(gè)測(cè)試說(shuō)明了要對(duì)中空玻璃充氬氣可能會(huì)遇到的困難。

      對(duì)中空玻璃充氬氣是為了改善其熱工性能。對(duì)于節(jié)能窗戶(hù)，一開(kāi)始就是以一個(gè)相對(duì)低的熱阻開(kāi)始，每個(gè)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(kāi)發(fā)更多的節(jié)能建筑時(shí)代，使用充氣中空玻璃這樣的節(jié)能產(chǎn)品就變得更常見(jiàn)。根據(jù)近期我們檢測(cè)的幾個(gè)充氣項(xiàng)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?dú)猓?1%的氧氣和1%的氬氣。氬氣通常是在生產(chǎn)液態(tài)氮和氧時(shí)被餾分出來(lái)的。氬氣是無(wú)色無(wú)味且無(wú)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(lèi)，包括氦，氖，氪和氙。氪氣和氙氣也會(huì)被用來(lái)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(huì)問(wèn)的第一問(wèn)題是：充氣中空玻璃都能夠帶來(lái)哪些好處？

首先來(lái)看單層玻璃。這樣一片單層玻璃的傳熱系數(shù)(熱對(duì)流的測(cè)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(gè)英熱單位（這里指的隔熱系數(shù)是英制計(jì)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(gè)氣腔間隔層，你就會(huì)得到R-4和R-5這樣的結(jié)果。（見(jiàn)圖2）當(dāng)整體熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)低的時(shí)候，對(duì)基于以上這些值的玻璃進(jìn)行一個(gè)小小的改變，就會(huì)對(duì)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(shí)（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(guò)頭來(lái)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(yáng)光光波，即降低太陽(yáng)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(shí)仍可維持充分地可見(jiàn)光，這些光使室內(nèi)的植物茁壯成長(zhǎng)。

      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(lái)作為室內(nèi)玻璃，這樣會(huì)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(jiàn)的，在BC，大部分新安裝的窗戶(hù)都必須要使用low-e鍍膜玻璃，這是因?yàn)榻诮ㄖ?guī)范的規(guī)定對(duì)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(wú)法達(dá)到的。（見(jiàn)圖3）

圖3: Low-e和充氬氣中空玻璃的熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)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(duì)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(duì)差些。Low-e鍍膜的性能與熱傳導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系是線(xiàn)性關(guān)系，詳圖4。所以，跟中空玻璃生產(chǎn)廠商問(wèn)清楚low-e膜的輻射率總是個(gè)好主意，或者用類(lèi)似WINDOW或者OPTIC軟件來(lái)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(duì)密封的中空玻璃里填充氬氣時(shí)，氣腔間隔層里的對(duì)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(duì)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(huì)）可接受的標(biāo)準(zhǔn)最低氬氣含量為90%，出廠時(shí)測(cè)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(guò)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?yàn)閷?duì)于建筑結(jié)構(gòu)眾多要素來(lái)說(shuō)，玻璃通常是隔熱性能最弱的那個(gè)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(chǎng)充氣雙層中空玻璃的售價(jià)為每平方英尺1-2美金，能源費(fèi)用與日俱增，使投資回報(bào)期短的期待變得可以實(shí)現(xiàn)。

      把空氣排出把氬氣充入到一塊中空玻璃里看起來(lái)是一個(gè)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(jiǎn)單的手動(dòng)充氣法，都被證實(shí)了是有效的工具和方法。

圖6：充氣設(shè)備
 

     最簡(jiǎn)單的方法就是在中空玻璃的間隔條上打兩個(gè)孔，然后把壓縮過(guò)的氬氣注入中空玻璃一側(cè)底部，同時(shí)測(cè)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(gè)鉆孔用塞子堵起來(lái)并密封。在過(guò)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(gè)真空箱里進(jìn)行至少90%的氬氣填充（用類(lèi)似于圖6所示的機(jī)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(cè)儀器對(duì)氬氣含量進(jìn)行檢驗(yàn)（下節(jié)中討論）。
 

 

圖7: 玻璃標(biāo)簽上寫(xiě)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(guò)了一段時(shí)間通過(guò)首道和第二道密封膠慢慢彌散出去，而又沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，至少在使用新的密封技術(shù)時(shí)有發(fā)生過(guò)這樣的狀況。研究顯示，對(duì)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(gè)術(shù)語(yǔ)。最多，氬氣可能通過(guò)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(gè)客戶(hù)，對(duì)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(jì)劃有意更新外立面和兩幢建筑的性能，同時(shí)加強(qiáng)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(jiǎn)單地通過(guò)置換掉老的漏氣窗以加強(qiáng)建筑氣密性。這是一個(gè)相對(duì)比較大的改造項(xiàng)目（改善+93%），但是此外的能源升級(jí)仍需要著手解決建筑的墻體和其它方面的問(wèn)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(lái)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(hù)部分分包給了當(dāng)?shù)匾粋€(gè)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(xiàng)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(kāi)始后，玻璃生產(chǎn)企業(yè)意識(shí)到對(duì)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(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，我們?cè)趺粗乐锌詹Ａ欠裼谐錃鍤?－ 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(gè)專(zhuān)利技術(shù)，生產(chǎn)便攜式測(cè)量?jī)x，可以快速并且無(wú)需破壞中空玻璃，就可以測(cè)量出氬氣的含量。這個(gè)測(cè)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(jì)進(jìn)行光譜分析，通過(guò)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(guò)電來(lái)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(lái)檢測(cè)玻璃窗的步驟如下：

      1. 將儀器的檢測(cè)面抵住中空玻璃low-e鍍膜相對(duì)面的表面. Low-e鍍膜用以火花接地（必須是鍍膜面相對(duì)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(huì)電離氬原子發(fā)出光束給分光計(jì)。

      3. 分光計(jì)會(huì)對(duì)接收到的光束進(jìn)行檢測(cè)，然后嵌入式微電腦會(huì)解譯這些光譜信息，并計(jì)算出一個(gè)氬氣含量百分比，在顯示屏上顯示。（見(jiàn)圖9）
 

      圖9：氬氣分析儀測(cè)量流程
 

      分析儀的準(zhǔn)確度是當(dāng)充氣含量達(dá)90%以上時(shí)在±1%內(nèi)，80-90%時(shí)為±2%。低于80%時(shí)為±5%，低于50%時(shí)，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(shí)錯(cuò)誤信息會(huì)回傳并顯示在屏幕上。 目測(cè)觀察電火花是否有穿透以說(shuō)明測(cè)量讀數(shù)正確。
 

圖10: 檢測(cè)中空玻璃 – 在安裝前
 

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

      作為窗戶(hù)置換項(xiàng)目的檢測(cè)協(xié)議一部分，我們一共分四次對(duì)245塊不同尺寸的中空玻璃進(jìn)行了檢測(cè)。約45,000平方英尺的玻璃窗在9個(gè)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(cè)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(méi)有檢測(cè)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?lái)，有幾個(gè)日期的生產(chǎn)批次質(zhì)量控制明顯好過(guò)其它日期的批次。從我們?nèi)路蓍_(kāi)始檢測(cè)以來(lái)，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)其質(zhì)量控制稍加做了改進(jìn)。這些結(jié)果說(shuō)明，短期內(nèi)氬氣并沒(méi)有發(fā)生流失，而是生產(chǎn)上發(fā)生了操作錯(cuò)誤。

      自這以后，我們對(duì)RDH參與的其它兩個(gè)建筑（在建項(xiàng)目）上用的充氬氣中空玻璃也做了檢測(cè)。在第一個(gè)項(xiàng)目上，就是在之前提到的兩個(gè)改造項(xiàng)目其中之一，中空玻璃是由同一個(gè)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(méi)有一塊中空玻璃的氬氣含量超過(guò)90%，68%的產(chǎn)品經(jīng)檢測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可測(cè)氬氣含量（或者含量低于50%）。在第二個(gè)項(xiàng)目上，不同的生產(chǎn)商提供的中空玻璃。在這個(gè)項(xiàng)目上，大部分中空玻璃檢測(cè)到的氬氣含量都超過(guò)90%，附合IGMA標(biāo)準(zhǔn)。我們發(fā)現(xiàn)批次問(wèn)題是跟不規(guī)則形狀有關(guān)，氬氣沒(méi)有充到位。

      在檢測(cè)了第三個(gè)項(xiàng)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(cè)的，在生產(chǎn)期間有對(duì)中空充氬氣進(jìn)行含量檢測(cè)。

      我們到目前還沒(méi)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(gè)階段的問(wèn)題是，我們客戶(hù)不能得到與其所付價(jià)錢(qián)相對(duì)稱(chēng)品質(zhì)的建筑，這就會(huì)導(dǎo)致窗戶(hù)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(chǎng)審查服務(wù)的一部分。

      此后，我們跟一個(gè)客戶(hù)一起發(fā)起了一個(gè)調(diào)研，在中空玻璃生產(chǎn)過(guò)程中檢測(cè)氬氣含量，并且在幾年后繼續(xù)這樣以檢測(cè)其氬氣保持力。檢測(cè)工作分不同階段進(jìn)行，在生產(chǎn)線(xiàn)上封裝時(shí)，在玻璃運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，和在安裝后幾個(gè)月和幾年。這項(xiàng)研究將使人們能夠直接地了解充氣中空玻璃在工廠時(shí)的生產(chǎn)情況以及氬氣在安裝后沒(méi)有發(fā)生泄露。

      這個(gè)對(duì)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(wèn)題。充氬氣對(duì)中空玻璃性能的改善太大了，不應(yīng)該被簡(jiǎn)單地忽視。我們現(xiàn)在面對(duì)越來(lái)越多的節(jié)能建筑項(xiàng)目，對(duì)充氣中空玻璃的應(yīng)用將變得更加普遍，也會(huì)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求。我們應(yīng)該鼓勵(lì)客戶(hù)選擇對(duì)他們投資回報(bào)最大的節(jié)能門(mén)窗，同時(shí)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(xiǎn)低，相對(duì)低的成本投資有一個(gè)合理的投資回收期。