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一般認(rèn)為，為了取得1.不同的初始充氣濃度比較及實(shí)踐意義
一般認(rèn)為，為了取得中空玻璃的最佳熱工性能，充氣中空玻璃惰性氣體濃度應(yīng)該達(dá)到100%。但我們通過(guò)使用WINDOW5軟件對(duì)7個(gè)不同中空玻璃空腔間隔和6種不同氣體濃度的模擬發(fā)現(xiàn)，（1）對(duì)應(yīng)每種不同氣體組合和濃度，對(duì)應(yīng)一定的空氣間隔都有各自的最佳傳熱系數(shù)U值；（2）中空玻璃的95%的氬氣濃度與100%的氬氣濃度所達(dá)到的傳熱系數(shù)幾乎完全相同，表現(xiàn)在曲線上，幾乎完全重疊，分別參見(jiàn)表1和圖1。
2.利用中空玻璃充氣達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)、節(jié)能效果
接下來(lái)，我們考察一下，降低傳熱系數(shù)的三個(gè)手段，即熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，應(yīng)從哪方面先著手。有資料顯示，與配置為透明玻璃/鋁間隔條/空氣的普通中空玻璃比較，使用Low—E玻璃可帶來(lái)傳熱系數(shù)U值的改善約33%，暖邊為6%，氬氣改進(jìn)為13-15%?？梢?jiàn)，玻璃傳熱的三個(gè)方面，熱輻射最大、熱對(duì)流次之，最后是熱傳導(dǎo)。解決問(wèn)題的正確方法，應(yīng)該是從抓主要矛盾入手，因此，首先解決熱輻射問(wèn)題，亦即使用Low-E鍍膜玻璃。
應(yīng)該指出，離線單銀鍍膜Low-E玻璃的e = 0.1時(shí),可改善傳熱系數(shù)33%。如果進(jìn)一步改善傳熱系數(shù),我們至少有2種選擇，(1)采用雙銀鍍膜e = 0.05的Low-E玻璃, (2)采用充氬氣，二者結(jié)果不同。茲用表2分析如下：
可見(jiàn)，將普通中空玻璃提升到高性能中空玻璃，在熱輻射、對(duì)流和熱導(dǎo)3個(gè)方面中，應(yīng)該抓主要矛盾。從普通中空玻璃向高性能中空玻璃提升時(shí)，應(yīng)首先從降低熱輻射入手，即使用Low-E鍍膜玻璃。實(shí)踐表明，使用單銀鍍膜Low-E，可以大幅度降低熱輻射，改善傳熱。但是，從單銀Low-E鍍膜到雙銀Low-E鍍膜，所帶來(lái)的U值的改善是遞減的。原因是，中空玻璃采用單銀Low-E鍍膜以后，原先處于主要矛盾的熱輻射，相對(duì)熱對(duì)流而言，已經(jīng)下降到次要矛盾。與熱輻射對(duì)比，減少熱對(duì)流上升為降低傳熱的的主要矛盾?！ ∩鲜霰碇械臄?shù)據(jù)比較的實(shí)踐意義在于，采用單銀Low-E鍍膜的中空玻璃充氬氣帶來(lái)的U值改善明顯大于從單銀到雙銀/空氣帶來(lái)的改善，但成本卻低很多。因此，在使用單銀鍍膜玻璃之后，如欲進(jìn)一步改善節(jié)能效果的話，理智的選擇應(yīng)該首先是充氬氣。
必須說(shuō)明，上述中空玻璃充氣帶來(lái)的U值改善13-15%，是在中空玻璃使用Low-E鍍膜基礎(chǔ)之上取得的；如果是對(duì)普通中空玻璃充氣，所帶來(lái)的U值改善，僅僅為3-5%左右。由此可見(jiàn)，中空玻璃的充氣應(yīng)該放在使用射玻璃之后進(jìn)行。
3.充氣中空玻璃中惰性氣體泄漏的根本原因分析及后果
毋須諱言，充惰性氣的中空玻璃存在惰性氣體不可避免地向外泄漏的趨勢(shì)。隨著惰性氣體濃度的減少，中空玻璃會(huì)向內(nèi)撓曲，導(dǎo)致玻璃邊緣的密封膠和玻璃產(chǎn)生應(yīng)力、玻璃中央傳熱系數(shù)增加和視覺(jué)變形，如果嚴(yán)重的話，甚至導(dǎo)致中空玻璃的密封失效或炸裂。這表明，中空玻璃內(nèi)外的氣體交換速度是不同的。
但問(wèn)題是，為什么惰性氣體向外泄漏的速度大于外部空氣向內(nèi)補(bǔ)充的速度，對(duì)此，我們從分壓定律和密封膠的氣體滲透率入手分析。分壓強(qiáng)定律是導(dǎo)致惰性氣體從中空玻璃向外泄漏的主要因素，而密封膠氣體滲透率描述的是氣體穿透膠的能力。
3.1氬氣濃度為100%的中空玻璃的分壓差ΔP
氬氣：101.4 KPa – 0.69 KPa = 100.7 KPa （從中空玻璃的空腔到外面的空氣中）
氧氣： 21.4 KPa – 0.0 KPa = 21.4 KPa （從外面的空氣中到中空玻璃的空腔內(nèi)）
氮?dú)猓?79.3 KPa – 0.0 KPa = 79.3 KPa （從外面的空氣中到中空玻璃的空腔內(nèi)）
假定中空玻璃內(nèi)的氬氣濃度為100%，則氣壓=101.4 Kpa；空氣中的氬氣濃度<1%，其壓強(qiáng)=101.4 Kpa x 0.01 = 1.01 KPa，氬氣從中空玻璃空腔到外部空氣的分壓差=101.4 KPa– 0.69 KPa = 100.7 KPa；同理可以求出氧氣和氮?dú)鈴目諝庵邢蛑锌詹Ａ?nèi)滲透的分壓差，分別為21.4 KPa 和79.3 KPa。
3.2 密封膠的氣體滲透率α。
將氮?dú)獾臐B透率作為標(biāo)準(zhǔn)單位1，其他氣體滲透率按此折合得出，氬氣=4.1 X 氮?dú)?、氧?4.2 X 氮?dú)?，氮?dú)?1.0。這些系數(shù)表明，與密封膠的氣體具體滲透率無(wú)關(guān)，對(duì)應(yīng)每種密封膠的氣體滲透，氧氣和氬氣都比氮?dú)饪齑蠹s4倍。
3.3 氣體流速=α•ΔP
氬氣向外流速 = 4.1 x 100.7 = 412.9
氧氣向內(nèi)流速 = 4.2 x 21.4 = 89.9
氮?dú)庀騼?nèi)流速 = 1.0 x 79.3 = 79.3
可見(jiàn)，氬氣向外流速412.9是氧氣和氮?dú)庀騼?nèi)流速之和的2.4倍（=412.9/169.2）。惰性氣體向外泄漏的后果。氣體流速的不均衡導(dǎo)致中空玻璃的向內(nèi)撓曲，從而引起視覺(jué)變形、熱工性能降低、Low-E膜相互摩擦、密封失效，抑或玻璃炸裂。
4 如何提高中空玻璃惰性氣體的保證能力
雖然惰性氣體向外泄漏是不可避免的，但是只要我們能延緩其泄漏速度和量，并能在中空玻璃壽命其間保證熱工效果所應(yīng)有的濃度，我們對(duì)此就不必?fù)?dān)憂。茲分別討論。
如何保證充氣中空玻璃的惰性氣體保證能力？
的最佳熱工性能，充氣中空玻璃惰性氣體濃度應(yīng)該達(dá)到100%。但我們通過(guò)使用WINDOW5軟件對(duì)7個(gè)不同中空玻璃空腔間隔和6種不同氣體濃度的模擬發(fā)現(xiàn)，（1）對(duì)應(yīng)每種不同氣體組合和濃度，對(duì)應(yīng)一定的空氣間隔都有各自的最佳傳熱系數(shù)U值；（2）中空玻璃的95%的氬氣濃度與100%的氬氣濃度所達(dá)到的傳熱系數(shù)幾乎完全相同，表現(xiàn)在曲線上，幾乎完全重疊，分別參見(jiàn)表1和圖1。
2.利用中空玻璃充氣達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)、節(jié)能效果
接下來(lái)，我們考察一下，降低傳熱系數(shù)的三個(gè)手段，即熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，應(yīng)從哪方面先著手。有資料顯示，與配置為透明玻璃/鋁間隔條/空氣的普通中空玻璃比較，使用Low—E玻璃可帶來(lái)傳熱系數(shù)U值的改善約33%，暖邊為6%，氬氣改進(jìn)為13-15%?？梢?jiàn)，玻璃傳熱的三個(gè)方面，熱輻射最大、熱對(duì)流次之，最后是熱傳導(dǎo)。解決問(wèn)題的正確方法，應(yīng)該是從抓主要矛盾入手，因此，首先解決熱輻射問(wèn)題，亦即使用Low-E鍍膜玻璃。
應(yīng)該指出，離線單銀鍍膜Low-E玻璃的e = 0.1時(shí),可改善傳熱系數(shù)33%。如果進(jìn)一步改善傳熱系數(shù),我們至少有2種選擇，(1)采用雙銀鍍膜e = 0.05的Low-E玻璃, (2)采用充氬氣，二者結(jié)果不同。茲用表2分析如下：
可見(jiàn)，將普通中空玻璃提升到高性能中空玻璃，在熱輻射、對(duì)流和熱導(dǎo)3個(gè)方面中，應(yīng)該抓主要矛盾。從普通中空玻璃向高性能中空玻璃提升時(shí)，應(yīng)首先從降低熱輻射入手，即使用Low-E鍍膜玻璃。實(shí)踐表明，使用單銀鍍膜Low-E，可以大幅度降低熱輻射，改善傳熱。但是，從單銀Low-E鍍膜到雙銀Low-E鍍膜，所帶來(lái)的U值的改善是遞減的。原因是，中空玻璃采用單銀Low-E鍍膜以后，原先處于主要矛盾的熱輻射，相對(duì)熱對(duì)流而言，已經(jīng)下降到次要矛盾。與熱輻射對(duì)比，減少熱對(duì)流上升為降低傳熱的的主要矛盾。 上述表中的數(shù)據(jù)比較的實(shí)踐意義在于，采用單銀Low-E鍍膜的中空玻璃充氬氣帶來(lái)的U值改善明顯大于從單銀到雙銀/空氣帶來(lái)的改善，但成本卻低很多。因此，在使用單銀鍍膜玻璃之后，如欲進(jìn)一步改善節(jié)能效果的話，理智的選擇應(yīng)該首先是充氬氣。
必須說(shuō)明，上述中空玻璃充氣帶來(lái)的U值改善13-15%，是在中空玻璃使用Low-E鍍膜基礎(chǔ)之上取得的；如果是對(duì)普通中空玻璃充氣，所帶來(lái)的U值改善，僅僅為3-5%左右。由此可見(jiàn)，中空玻璃的充氣應(yīng)該放在使用低輻射玻璃之后進(jìn)行。
3.充氣中空玻璃中惰性氣體泄漏的根本原因分析及后果
毋須諱言，充惰性氣的中空玻璃存在惰性氣體不可避免地向外泄漏的趨勢(shì)。隨著惰性氣體濃度的減少，中空玻璃會(huì)向內(nèi)撓曲，導(dǎo)致玻璃邊緣的密封膠和玻璃產(chǎn)生應(yīng)力、玻璃中央傳熱系數(shù)增加和視覺(jué)變形，如果嚴(yán)重的話，甚至導(dǎo)致中空玻璃的密封失效或炸裂。這表明，中空玻璃內(nèi)外的氣體交換速度是不同的。
但問(wèn)題是，為什么惰性氣體向外泄漏的速度大于外部空氣向內(nèi)補(bǔ)充的速度，對(duì)此，我們從分壓定律和密封膠的氣體滲透率入手分析。分壓強(qiáng)定律是導(dǎo)致惰性氣體從中空玻璃向外泄漏的主要因素，而密封膠氣體滲透率描述的是氣體穿透膠的能力。
3.1氬氣濃度為100%的中空玻璃的分壓差ΔP
氬氣：101.4 KPa – 0.69 KPa = 100.7 KPa （從中空玻璃的空腔到外面的空氣中）
氧氣： 21.4 KPa – 0.0 KPa = 21.4 KPa （從外面的空氣中到中空玻璃的空腔內(nèi)）
氮?dú)猓?79.3 KPa – 0.0 KPa = 79.3 KPa （從外面的空氣中到中空玻璃的空腔內(nèi)）
假定中空玻璃內(nèi)的氬氣濃度為100%，則氣壓=101.4 Kpa；空氣中的氬氣濃度<1%，其壓強(qiáng)=101.4 Kpa x 0.01 = 1.01 KPa，氬氣從中空玻璃空腔到外部空氣的分壓差=101.4 KPa– 0.69 KPa = 100.7 KPa；同理可以求出氧氣和氮?dú)鈴目諝庵邢蛑锌詹Ａ?nèi)滲透的分壓差，分別為21.4 KPa 和79.3 KPa。
3.2 密封膠的氣體滲透率α。
將氮?dú)獾臐B透率作為標(biāo)準(zhǔn)單位1，其他氣體滲透率按此折合得出，氬氣=4.1 X 氮?dú)狻⒀鯕?4.2 X 氮?dú)?，氮?dú)?1.0。這些系數(shù)表明，與密封膠的氣體具體滲透率無(wú)關(guān)，對(duì)應(yīng)每種密封膠的氣體滲透，氧氣和氬氣都比氮?dú)饪齑蠹s4倍。
3.3 氣體流速=α•ΔP
氬氣向外流速 = 4.1 x 100.7 = 412.9
氧氣向內(nèi)流速 = 4.2 x 21.4 = 89.9
氮?dú)庀騼?nèi)流速 = 1.0 x 79.3 = 79.3
可見(jiàn)，氬氣向外流速412.9是氧氣和氮?dú)庀騼?nèi)流速之和的2.4倍（=412.9/169.2）。惰性氣體向外泄漏的后果。氣體流速的不均衡導(dǎo)致中空玻璃的向內(nèi)撓曲，從而引起視覺(jué)變形、熱工性能降低、Low-E膜相互摩擦、密封失效，抑或玻璃炸裂。
4 如何提高中空玻璃惰性氣體的保證能力
雖然惰性氣體向外泄漏是不可避免的，但是只要我們能延緩其泄漏速度和量，并能在中空玻璃壽命其間保證熱工效果所應(yīng)有的濃度，我們對(duì)此就不必?fù)?dān)憂。茲分別討論。
如何保證充氣中空玻璃的惰性氣體保證能力？
環(huán)境應(yīng)力的定量分析
在中空玻璃空氣層和外部空氣之間存在著巨大的分壓強(qiáng)差，始終作用在中空玻璃的密封膠上。氣壓、空氣溫度、太陽(yáng)輻射和相對(duì)濕度的變化，都會(huì)導(dǎo)致環(huán)境應(yīng)力和分壓強(qiáng)定律一起作用于中空玻璃上，導(dǎo)致中空玻璃內(nèi)部壓強(qiáng)的不斷變化，不停地?cái)D壓和拉伸中空玻璃的密封膠。
環(huán)境影響的物理應(yīng)力解析
在分壓梯度存在的條件下，所有聚合物密封膠都會(huì)在不同程度上沿密封膠，滲透出惰性氣體的分子。因此，達(dá)爾頓的分壓定律是不可避免的。
根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)等式，惰性氣體分子穿透密封膠的運(yùn)動(dòng)速度與密封膠表面積和壓強(qiáng)差的大小成正比：
作用在中空玻璃密封膠上的外力從未間斷過(guò)，包括在很大的溫差范圍內(nèi)變化的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，以及長(zhǎng)時(shí)期地蒙受紫外線照射和水氣的侵襲。
一般來(lái)說(shuō)，中空玻璃密封膠組成成分是聚合材料，惰性氣體分子能夠從中央滲透。但是，主要密封膠應(yīng)選擇那些在沒(méi)有張力作用和正常工作溫度范圍內(nèi)，水氣滲透率最低的膠。如果把中空玻璃的丁基膠作為一個(gè)孤立的材料的話，只要中空玻璃的制作保持在一個(gè)合理程度，就不會(huì)出現(xiàn)氣體交換現(xiàn)象。
密封膠和玻璃之間的粘接必需牢固。如果密封膠和玻璃粘接的邊界存在相當(dāng)?shù)膿p壞的話，形成的裂縫將導(dǎo)致中空玻璃空氣層和環(huán)境之間發(fā)生氣體交換。
還需要對(duì)“A”（密封膠的表面積）和“l”（密封膠的惰性氣體通道長(zhǎng)度）做進(jìn)一步細(xì)化分析。實(shí)驗(yàn)表明，增加第二道密封膠的深度和斷面面積，對(duì)惰性氣體滲透流量和水氣滲透沒(méi)有任何影響；有影響的是丁基膠。改變丁基膠的深度，即水氣通道的長(zhǎng)度，與惰性氣體流量和水氣滲透成反比；而增加丁基膠的寬度（玻璃與間隔條之間的距離），卻與水氣流量成正比。如在正常丁基膠寬度情況下，兩邊各增加0.01mm，TNO水氣滲透模型顯示，水氣增加約50%！見(jiàn)上圖3。
由此可見(jiàn)，增加丁基膠的寬度（即玻璃與間隔條之間的距離）會(huì)導(dǎo)致中空玻璃的密封性能的降低。這一點(diǎn)在實(shí)踐中必需引起重視。
5 中空玻璃年泄漏率<1%的實(shí)證依據(jù)及可能性
在分析完如何提高中空玻璃惰性氣體的保持能力之外，接下來(lái)我們考察充氣中空玻璃熱工性能所必需的最低濃度。
美國(guó)Cardinal公司公布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,中空玻璃在氬氣濃度90%和97%濃度條件下，中空玻璃中央的傳熱系數(shù)U1 =1.42，濃度70%條件下，U2=1.48。實(shí)驗(yàn)室結(jié)果和電腦模擬均表明氬氣含量在70-90%之間，中空玻璃的玻璃中央的傳熱系數(shù)增加不大，如從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)ΔU = 0.06 W/m2.K%。 因此，只要我們能夠?qū)⒍栊詺怏w的年滲透率控制在≤1%，則初始惰性氣體濃度<90%的中空玻璃不但壽命可保證在20年以上，而且20年后，中空玻璃U值提高僅僅為4%。年滲透率控制在1%以內(nèi)，可保證20年內(nèi)惰性氣體的最大滲透20%，傳熱系數(shù)提高為4%.
實(shí)踐表明，如果我們嚴(yán)格按照中空玻璃生產(chǎn)操作規(guī)程生產(chǎn)，使用在線自動(dòng)充氣并輔助必要的非破壞性惰性氣體含量檢測(cè)手段，是可以將中空玻璃的充氣初始濃度控制在90%以上的，保證年泄漏率<1%，甚至<0.5%，也不是不可能的。
其他
中空玻璃充惰性氣體，是目前行業(yè)建筑節(jié)能發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。但值得指出的是，充惰性氣體對(duì)炎熱地區(qū)減少空調(diào)制冷節(jié)能并無(wú)幫助。在這些地區(qū)，節(jié)能應(yīng)采用遮陽(yáng)手段和陽(yáng)光控制膜玻璃。
國(guó)外的中空玻璃檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，將惰性氣體的初始濃度檢測(cè)和加速老化實(shí)驗(yàn)后的氣體泄漏率列為檢測(cè)內(nèi)容，如EN1279和ISO DIS 20492；此外，IGMA（北美中空玻璃制造商聯(lián)盟或譯為北美中空玻璃協(xié)會(huì)）和IGCC（美國(guó)中空玻璃認(rèn)證委員會(huì)）都將惰性氣體的檢測(cè)列為認(rèn)證內(nèi)容，目前美國(guó)政府要求將認(rèn)證項(xiàng)目改為強(qiáng)制實(shí)行。
由于氣體流速的不均衡，使用露點(diǎn)/霜點(diǎn)判斷中空玻璃的密封壽命，對(duì)充氣中空玻璃來(lái)說(shuō)，是不準(zhǔn)確的。實(shí)驗(yàn)證明，加速老化實(shí)驗(yàn)后的充氣中空玻璃，雖然氣體已經(jīng)泄漏10%、30%甚至40%以上，但露點(diǎn)檢測(cè)仍能通過(guò)。實(shí)驗(yàn)還證明，現(xiàn)在使用的分子篩較以前有很大的改進(jìn)，即使分子篩飽和度達(dá)80%，露點(diǎn)/霜點(diǎn)仍然能達(dá)到-500C。因此，實(shí)踐中，對(duì)充氣中空玻璃，必須以檢測(cè)惰性氣體含量（濃度）及其變化為主，而露點(diǎn)/霜點(diǎn)檢測(cè)，似乎只能作為輔助手段。
檢測(cè)中空玻璃惰性氣體的手段主要分為破壞性和非破壞性兩類。前者以氣相色譜法為代表，優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)、破壞性、投資大，需要專業(yè)實(shí)驗(yàn)室專門(mén)人員操作，等等；后者以高壓放電惰性氣體分析。優(yōu)點(diǎn)：非破壞性、檢測(cè)速度快、價(jià)格合理、精度高和易于操作等等。不但適應(yīng)于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，更重要的是，為生產(chǎn)質(zhì)量控制、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等等提供了可行性。另外值得一提的是，目前這種檢測(cè)手段，不但在北美，而且在歐洲，主要的玻璃生產(chǎn)廠家都在使用，得到了廣泛的應(yīng)用。并且由于非損檢測(cè)手段的應(yīng)用，在很大程度上推動(dòng)了中空玻璃充氣的普及。
7 結(jié)論
在既有建筑中，充惰性氣體中空玻璃的氣體泄漏率，目前還不是公眾分享的信息。但人們對(duì)造成惰性氣體向外泄漏的原因卻已經(jīng)相對(duì)清楚，除了主要是密封膠和間隔條失效的原因所致之外，還包括設(shè)計(jì)、材料的選擇不當(dāng)、制作人員的不細(xì)心和極端環(huán)境循環(huán)導(dǎo)致的累計(jì)缺陷。
影響中空玻璃惰性氣體向外泄漏的原因和速度，是分壓強(qiáng)定律和密封膠的氣體滲透率。從分壓強(qiáng)強(qiáng)定律看，氬氣從中空玻璃向外滲透的速度大于周?chē)h(huán)境中的氧氣和氮?dú)獾难a(bǔ)充速度，從而導(dǎo)致中空玻璃空氣層內(nèi)的惰性氣體含量減少，使中空玻璃“崩潰”?！ 【唧w說(shuō)，氬氣從中空玻璃向外泄漏的速度是氧氣和氮?dú)庀蛑锌詹Ａ?nèi)補(bǔ)充速度的2.4倍，從這個(gè)角度看，中空玻璃的“崩潰”是不可避免的。但從積極的角度來(lái)看，正確地選用中空玻璃密封膠及結(jié)構(gòu)，可以使惰性氣體向外滲透的速度很容易控制在0.5%以內(nèi)，預(yù)期的中空玻璃的密封壽命達(dá)25年以上。
