充气中空玻璃惰性气体含量相关研究

2022-05-27王东旭高伟王永帅王领

玻璃 2022年5期

王东旭高伟王永帅王领

（北京建筑材料检验研究院有限公司北京 100041）

0 引言

节能减排是我国的一项重要国策，建筑能耗约占我国社会总能耗的三分之一，建筑能耗中通过外围护结构的能耗约占50%，门窗幕墙是建筑外围护结构的重要组成部分，其节能性能对我国建筑节能工作具有重要意义。中空玻璃填充惰性气体能够有效降低其传热系数，对门窗的节能性能起到至关重要的作用。在惰性气体含量不足或泄露严重的情况下，会严重影响整个门窗产品的保温性能。由于惰性气体无色无味，没有专业的检测设备很难判断产品是否合格，因此这项指标在实际应用中并没有引起广泛关注，随着门窗节能指标的不断提高，目前国内外对气体含量及保持率的研究逐渐增多，且引起越来越多的关注。

1 研究现状

中空玻璃的生产技术最早起源于美国，20世纪60年代首先在发达国家开始工业化生产和使用，欧洲、北美、日本、韩国等地得到普遍应用。我国中空玻璃的研制始于60年代初，70年代生产线试制成功，并开始推广应用，随着建设部1999年10月76号文的发布，中空玻璃在我国建筑市场上的用量有了较大幅度的增长。

中空玻璃是指两片或多片玻璃以有效支撑均匀隔开并周边粘接密封，使玻璃层间形成有干燥气体空间的玻璃制品，制作中空玻璃的各种材料的质量与中空玻璃使用寿命密切相关［1］。中空玻璃应用初期最大的质量问题是中空层结露，即随着中空玻璃的使用，逐渐丧失密封性能，选择低透湿率密封层或密封层组合、优化干燥剂填充量及饱和吸湿量，可有效提高中空玻璃单元件的密封耐久性［2］。目前，中空玻璃常见的密封形式为双道密封，第一道所用密封胶为丁基胶，主要起预定位及隔离水汽的作用，中空玻璃使用寿命与外道密封胶关系密切，在同等条件下，对于普通中空玻璃，聚硫型的使用寿命约是硅酮型的2倍，对于充气中空玻璃，聚硫型的使用寿命约是硅酮型的4.4倍［3］。

随着建筑外门窗节能指标的不断提高，建筑用中空玻璃除不断推广的低辐射镀膜中空玻璃外，充气中空玻璃也得到了广泛应用。充气中空玻璃即中空腔内充入氩气、氪气等气体的中空玻璃［1］。惰性气体均为无色、无臭、无毒的单原子，处于元素周期表中零族，外层电子已达饱和，他们共同的特点是比空气密度大，导热小。

惰性气体中氩气在空气中的含量最丰富，在当前充气中空玻璃中的应用最为广泛，氪气的稳定性和氩气类似，热效能相比氩气高三分之一，但价格较昂贵，未在建筑玻璃行业广泛应用。目前充气的手段主要有两种，一是在中空玻璃下部充气孔进行惰性气体填充，通过玻璃上部排气孔将中空层内空气排出，并迅速将充气孔和排气孔进行密封；另一种是在线自动充气，将涂布了首道密封胶的玻璃在氩气环境箱内进行合片，并迅速进行第二道密封胶涂布。研究表明氩气浓度越高，中空玻璃的传热系数越小，相同氩气浓度下，充气对镀膜玻璃传热系数的改善更为明显［4］。因此，在惰性气体含量不足或泄露严重的情况下，会严重影响整个门窗产品的保温性能。

欧洲对充气中空玻璃惰性气体评价的主要指标是气体泄漏率，是指每年从中空玻璃中间气体层中泄露出气体的体积百分比，欧盟标准EN1279-3:2018《建筑用玻璃——中空玻璃第3部分：气体浓度和泄露率的试验方法及要求》中规定惰性气体年气体泄漏率应不大于1%。氩气含量对于中空玻璃传热系数的影响非常重要，IGMAC加拿大中空玻璃工业协会规定的行业标准充气中空玻璃最低氩气含量为90%，以出厂时测定为准。

我国现行有效的中空玻璃产品标准是GB/T 11944—2012《中空玻璃》，标准中规定充气中空玻璃的初始气体含量应≥85%（V/V），经气体密封耐久性试验后的气体含量应≥80%（V/V），标准中采用的测试方法为顺磁性氧分析仪法，采用气密注射器插入中空层进行取样，测量数据准确，但对样品具有破坏性，不能持续监测。GB/T 38214—2019《中空玻璃惰性气体含量测试方法》中规定了两种测试中空玻璃惰性气体含量的方法，分别是气相色谱分析法和顺磁性氧分析法，两种方法均需要破坏样品进行取样，其中气相色谱分析法能够对气体组分进行定性和定量分析。在JG/T 454—2014《建筑门窗、幕墙中空玻璃性能现场检测方法》中，惰性气体含量采用的是高压电火花法，该方法为无损检测方法，适用于中空玻璃寿命期限中任一阶段的测试，主要局限在于对测试样品的玻璃厚度及中空层厚度有一定要求。

2 研究内容

2.1 项目情况

检测送检样品惰性气体含量，按照送检类别进行统计，分析市场中充气中空玻璃合格率情况，送检类别分为工程复试、抽查测试、认证测试、研发测试四种情况。

选定中空玻璃样品，将中空玻璃直接暴露在室外，长期定时监测惰性气体含量变化情况，玻璃配置为5+12Ar+5暖边、6+12Ar+6暖边、6+14Ar+6暖边、8+12Ar +8冷边、8+15Ar +8冷边，对比不同玻璃厚度、不同空气层厚度、不同间隔条种类条件下，中空玻璃惰性气体泄露情况。

按照JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》的计算条件，对比当前常用中空玻璃配置在氩气含量为0、40%、60%、85%条件下的传热系数。

2.2 测试方法及设备

为长期监测不同时期中空玻璃惰性气体含量，检测方法采用的是JG/T 454—2014《建筑门窗、幕墙中空玻璃性能现场检测方法》，实验设备为激光气体分析仪，该设备按照JG/T 454—2014标准中惰性气体含量检测仪器校准方法与顺磁性氧分析仪进行比对，标准要求仪器测量结果相差小于2%为合格，比对结果符合标准要求，测量原理为通过对中空层中氧含量的分析，从而换算成惰性气体的浓度。针对上述方案中的样品，定期进行数据监测。

2.3 结果分析

对实验室接收的128个标称采用充气中空玻璃的建筑门窗样本进行测量及分析，合格样本量为43组，样品初始气体含量合格率为34%。按照送检类别进行统计，其中工程复试样品43组，抽查测试样品13组，认证测试样品22组，研发测试样品50组。

工程复试43组样品中，合格样本量为14组，样品合格率为33%，不合格样本中10组氩气含量为0，7组氩气含量在50%以下，12组氩气含量为50%～80%。抽查测试的13组样品中，合格样本量为1组，样品合格率为8%，不合格样本中7组氩气含量为0，4组氩气含量为10%～30%，1组氩气含量为50%。认证测试的22组样品中，合格样品量为10组，样品合格率为45%，不合格样本中5组氩气含量为0，3组氩气含量为10%～40%，4组氩气含量为60%～80%。研发测试的50组样品中，合格样品量为18组，样品合格率为36%，不合格样本中16组氩气含量为0，7组氩气含量在50%以下，9组氩气含量为50%～80%。

从抽查检测、工程复试检测、企业研发检测到产品认证检测四种不同类别，一方面生产者对门窗产品性能质量的关注度逐渐递增，充气中空玻璃惰性气体含量的合格率同步逐渐递增，另一方面抽查具有随机性，相对其他类别送检样品存放时间更长，因此惰性气体含量合格率较低。在惰性气体含量不合格的样品中，存在同一门窗产品不同部位充气中空玻璃或同一块多腔中空玻璃不同中空层惰性气体含量表现出不同合格情况，可见同一批次产品惰性气体含量及泄露情况存在不稳定性。

对不同玻璃配置中空玻璃每月定期进行氩气含量测试，测试结果见表1。

表1 充气中空玻璃氩气含量（V/V） %

充气中空玻璃测试样品初始气体含量均在85%以上，从10个月的监测数据看，以惰性气体含量80%（V/V）作为中空玻璃使用后合格标准进行判定，初始气体含量为85%的样品，在暴露6个月后氩气含量降低至79%，后续氩气泄露速度加快，暴露9个月后氩气含量下降至69%。初始气体含量在90%以上的样品，在暴露8个月后氩气含量降低至79%。初始气体含量在95%以上的样品，在暴露9个月后氩气含量均低于80%。

玻璃厚度、中空层厚度、间隔条形式对充气中空玻璃惰性气体含量保持情况的影响较小，受到中空玻璃边部的密封影响较大，与中空玻璃耐久性研究结果一致。数据监测过程中样品直接暴露于自然环境中，中空玻璃四周的密封情况受到天气环境的影响较大，样品初期惰性气体泄露较缓慢，前三个月氩气含量变化情况在检测设备允许误差范围内，随着暴露时间增长，氩气含量下降趋势逐渐加快，在数据监测9个月后样品的氩气含量均下降至80%以下，随着玻璃边部密封结构的破坏，惰性气体的泄露会更加严重。由于本研究将中空玻璃直接暴露于大气中存放进行监测，而中空玻璃在实际应用中大部分安装于门窗框型材槽口内，对玻璃边部的密封具有一定的保护作用。

按照JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》的计算条件，对当前行业常用的中空玻璃配置不同氩气含量%（V/V）下的传热系数进行计算，计算结果见表2。

表2 不同氩气含量充气中空玻璃传热系数K W/（m 2·K）

传热系数是表征中空玻璃节能效果的重要参数，物理意义为单位时间内通过单位面积的传热量，传热系数越低节能效果越好。随着建筑门窗节能指标的不断提高，低辐射镀膜玻璃在行业内得到了普遍应用，因此本研究选择的典型玻璃配置为双玻和三玻的低辐射镀膜充气中空玻璃。从计算结果可以看出，氩气含量在85%与无氩气填充的玻璃对比，中空玻璃传热系数低，为0.2～0.3 W/（m2·K），氩气含量每下降20%，充气中空玻璃整体传热系数下降0.06 W/（m2·K）左右。我国超低能耗建筑用窗对玻璃的传热系数要求是K≤0.8 W/（m2·K），常用的玻璃配置5双银Low-E +12Ar+5双银Low-E +12Ar+5在氩气含量低于60%条件下，将不符合要求。在门窗产品的设计中，玻璃通常占样品总面积的60%～80%，玻璃传热系数的变化直接影响建筑门窗的节能效果，当充气中空玻璃惰性气体含量低于50%时，建筑门窗产品传热系数与设计值会有0.05～0.1 W/（m2·K）的偏差。