中空玻璃的充氣控制和低輻射鍍膜探測

　　一、概述

　　不管在當今世界哪個地方，對于高品質(zhì)中空玻璃的需求都與日俱增。很多國家都在國際上或本土承諾要減少二氧化碳排放。能源需求受世界上日益增長的人口和經(jīng)濟增長驅(qū)動的影響在不斷增長。能源生產(chǎn)和環(huán)境效應的基本目標是降低全球氣候變暖的速度，和以安全方式生產(chǎn)能源。在21世紀初，能耗的增加已經(jīng)以平均每年3%的最快增長呈現(xiàn)出來，這個現(xiàn)象來自于快速的經(jīng)濟增長，如印度和中國。在全球范圍能源的生產(chǎn)是基于化石材料。二氧化碳排放被認為是所謂溫室效應中最主要的原因，而能源是其最大的來源。碳排放預計要降低其年均水平，尤其對最大來源的工業(yè)領域的設定就非常高。在建筑領域達到目標將需要對既有實踐和法規(guī)進行更改。在建筑領域目標分兩個階段，首先是降低建筑物的能源使用，其次是用可再生能源來替代縮減后的能源需求。根據(jù)多個國際建筑項目就可以知道，投資節(jié)能建筑是明智的選擇。盡管低能耗的建筑造價比普通建筑要高2到5個百分點，但是從長期成本來看還是低的，因為能源成本低了。為了減少建筑施工帶來的碳排放，政府機構(gòu)出臺了正式的法令法規(guī)來控制保溫和建筑材料的節(jié)能性。當涉及到建筑的保溫效果時，玻璃通常是最薄弱的一個環(huán)節(jié)，所以提高建筑的整體節(jié)能水平成了提高中空玻璃質(zhì)量的強大驅(qū)動力。在芬蘭，建筑的用電和取暖方面大概占總能耗的34%。這些法規(guī)里同樣對門窗（詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供）和用于制作門窗的玻璃設定了要求，其中就包括中空玻璃所用的材料和結(jié)構(gòu)。

　　當研究中空玻璃的節(jié)能效果時，觀察員將注重其隔熱效果和玻璃的輻射率。這篇文章將重點放在中空玻璃所用玻璃部分。除非另有定義，這篇文章中所指的U值為熱傳導系數(shù)。它描述了在標準條件下，單位時間內(nèi)從單位面積的玻璃組件一側(cè)空氣到另一側(cè)空氣的傳輸熱量。即U = 1/R = Qa/dT(W/m2K)(單位：瓦每平方米每開氏溫度)。它亦以R值的導數(shù)為人所知，R值為熱阻系數(shù)。U值越低，玻璃的隔熱性能越好。

　　表1：玻璃部分對窗戶性能的影響

　　二、低輻射鍍膜中空玻璃

　　術語“選擇型輻射”或“低輻射”玻璃是指玻璃帶有一層或多層的金屬氧化物的透明膜。選擇型輻射是指輻射的傳輸和反射依賴于輻射的光波波長。低輻射鍍膜的意義在于減少中空玻璃的玻璃片間的熱輻射，以提高它的隔熱性能。

　　熱傳遞是通過氣體流動，傳導和輻射來實現(xiàn)的。輻射被分為長波和短波輻射。短波輻射如可見太陽光，射入玻璃的一部分長波熱輻射會被低輻射鍍膜給濾過。這會改善玻璃的隔熱性能和整體的熱力性能。同樣，內(nèi)部表面的結(jié)霜也會由于低輻射鍍膜而降低。結(jié)霜是由于不同玻璃片的溫度差和濕度差引起的。如果中空玻璃的表面溫度比其內(nèi)部的空氣的溫度低的話，同樣也會在窗戶周邊引起冷空氣流動，但如果用的中空玻璃隔熱性能好的話就沒有問題，因為中空表面的溫度會相對高些，不會與其內(nèi)部空氣產(chǎn)生那么大的溫度差。

　　對一個標準的窗戶來說，其近乎一半的熱損失（詞條“熱損失”由行業(yè)大百科提供）是由于玻璃片間的輻射引起的，而另一半是由于惰性氣體的熱傳導和其間的對流。

　　表2：不同窗戶結(jié)構(gòu)的U值舉例：自1978年以來芬蘭所用的窗戶

　　圖1：低輻射鍍膜在中空玻璃內(nèi)的效果

　　三、惰性氣體

　　3.1為什么要充氣?

　　稀有氣體如氬氣和氪氣，甚至氙氣一般被作為惰性氣體填充于中空玻璃里，因為他們對于熱的傳輸和傳導要比標準空氣要小的多。這也是為什么要用惰性氣體作為填充氣體。最大的改進方法可以通過鍍低輻射膜和充氬氣來實現(xiàn)。氬氣是最被廣泛運用的惰性氣體，因為它的價格便宜，且易提取。氬氣無毒不活躍，比空氣在熱傳導性上低大概30%左右(0,0179 W/mk 對 0,0262 W/mK)，它是通過液態(tài)氮和氧制作過程中從空氣中提煉出來的。作為一種非活性氣體，氬氣也可以保護中空玻璃內(nèi)其它有價值的材料。比氬氣貴的選擇是氪氣和氙氣，它們相對氬氣來說更穩(wěn)定和不活躍。六氟化硫由于它的聲學特質(zhì)也被用于絕緣，但現(xiàn)在認為它會對環(huán)境造成污染，所以已經(jīng)很少使用。

　　中空玻璃的熱損失也可通過優(yōu)化玻璃片間的間隔條寬度來降低。常用的間隔條寬度為16mm或12mm，很少有用超過18mm的間隔條。通過選擇密度（詞條“密度”由行業(yè)大百科提供）高過空氣的最佳惰性氣體可以降低氣體的對流。間隔條通常是用導熱材料制造的，如鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）或鋼，創(chuàng)建一種線性熱橋。先進的間隔條材料可以通過其熱導性來降低熱損失，使得中空玻璃內(nèi)側(cè)在寒冷的時候也可以保持與加熱了建筑物同樣的溫度。

　　通過對建筑的U值的要求有著間接或直接的不同標準，而根據(jù)這些標準，對于氬氣充氣率需求也不一樣。不同的標準可能會根據(jù)市場區(qū)域不同而有所變化，但它們大部分都為生產(chǎn)設定了高要求，那就是要求充氣含量達到90%，且年泄露率低于1%。

　　圖2：在不同氣體與不同含量下，間隔條寬度12 mm時，玻璃第三面的U值與輻射率的關系

　　3.2充氣和氣體保持力的問題

　　一些潛在的問題會在對中空玻璃充氣過程中發(fā)生。充氣可以通過自動箱式充氣或手動式充氣的方法來執(zhí)行，但是兩者都有各自的風險和質(zhì)量控制問題。當使用自動充氣線時，操作者需要檢驗機械和充氣過程是否都正常工作。因為惰性氣體是看不見且無味的，所以沒有正確的工具是很難探測到的。手動充氣同樣可能會因操作過程中人為的錯誤而易泄露掉，例如在填補充氣孔或在封第二道密封膠時。另外，充氣結(jié)果可能會產(chǎn)生湍流，或者氣體沒有均勻分布的問題。盡管充氣過程可能成功了，但問題仍會發(fā)生。惰性氣體可能會由于生產(chǎn)過程中使用的不良的材料或做工而慢慢地泄露掉。因此，在生產(chǎn)過程中應該多次檢驗氣體含量，以確保整個生產(chǎn)階段都按其設置地一樣運轉(zhuǎn)。

　　四、檢測和探測中空玻璃內(nèi)惰性氣體含量和低輻射鍍膜

　　4.1探測低輻射鍍膜

　　選擇性輻射玻璃的鍍膜一般是金屬類和導電性鍍膜。另外鍍了膜的玻璃比白玻會反射更多的光，這個可以在用來檢測玻璃是否有低輻射鍍膜時采用。

　　對于電容式探測儀來說，交流電通過電極被導在玻璃表面。探測儀可以為低輻射鍍膜探測或潮氣探測而設計。這類探測儀將可以探測電流的強度。一片選擇性輻射玻璃可以比白玻會產(chǎn)生更強的電流。這個方法在檢測低輻射鍍膜玻璃是否真的有低輻射鍍膜時使用。但是它不能用于多層玻璃結(jié)構(gòu)的低輻射鍍膜檢測。

　　另外一種檢測玻璃表面是否有低輻射鍍膜的方法是，把直流電通過一個電極導至到另一個電極然后導在玻璃表面。這時，有鍍膜的表面會引導電流而沒有鍍膜的那一面則表現(xiàn)為絕緣，因為玻璃不是導體而是一個絕緣體。操作者在使用這種解決方案時，需要從已知的鍍膜表面進行測量。

　　光學測量儀器也被應用于檢測玻璃的低輻射鍍膜探測和玻璃間隔厚度檢測。這些光學測量儀器使得操作者在檢測中空玻璃各玻璃片厚度時同步地檢測到玻璃間隔的厚度。儀器的實例如圖2。這個技術是基于激光光柱，它以45度角射出，然后被反射到儀器傳感器。玻璃片和間隔厚度就是由這個反射回來的激光柱到傳感器的距離決定。該技術同時需要預先知道玻璃和空氣的折射參數(shù)。

　　市場有很多這樣用于探測低輻射鍍膜和間隔條厚度的儀器。其系列功能和價格視最終用戶的需求，范圍很廣。對于有些儀器，操作者必須根據(jù)在某些范圍的反射進行總結(jié)。同樣，一些較復雜但用戶界面友好的儀器是可以以圖形的方式告訴使用者中空玻璃的檢測結(jié)果。這樣的儀器可以去檢測整個配置結(jié)構(gòu)，檢查低輻射鍍膜是否在正確的位置上，同時檢測玻璃片和間隔寬度是否在允許的公差范圍內(nèi)。關于潛在的過剩壓力的結(jié)論是通過適當?shù)膬x器也是可以測量的。

　　圖3：一臺檢測玻璃和間隔厚度的光學檢測儀器

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