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一般認為，為了取得1.不同的初始充氣濃度比較及實踐意義
一般認為，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該達到100%。但我們通過使用WINDOW5軟件對7個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）對應每種不同氣體組合和濃度，對應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，分別參見表1和圖1。
2.利用中空玻璃充氣達到最大經(jīng)濟、節(jié)能效果
接下來，我們考察一下，降低傳熱系數(shù)的三個手段，即熱輻射、熱對流和熱傳導，應從哪方面先著手。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玻璃可帶來傳熱系數(shù)U值的改善約33%，暖邊為6%，氬氣改進為13-15%?？梢?，玻璃傳熱的三個方面，熱輻射最大、熱對流次之，最后是熱傳導。解決問題的正確方法，應該是從抓主要矛盾入手，因此，首先解決熱輻射問題，亦即使用Low-E鍍膜玻璃。
應該指出，離線單銀鍍膜Low-E玻璃的e = 0.1時,可改善傳熱系數(shù)33%。如果進一步改善傳熱系數(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，將普通中空玻璃提升到高性能中空玻璃，在熱輻射、對流和熱導3個方面中，應該抓主要矛盾。從普通中空玻璃向高性能中空玻璃提升時，應首先從降低熱輻射入手，即使用Low-E鍍膜玻璃。實踐表明，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，相對熱對流而言，已經(jīng)下降到次要矛盾。與熱輻射對比，減少熱對流上升為降低傳熱的的主要矛盾。 上述表中的數(shù)據(jù)比較的實踐意義在于，采用單銀Low-E鍍膜的中空玻璃充氬氣帶來的U值改善明顯大于從單銀到雙銀/空氣帶來的改善，但成本卻低很多。因此，在使用單銀鍍膜玻璃之后，如欲進一步改善節(jié)能效果的話，理智的選擇應該首先是充氬氣。
必須說明，上述中空玻璃充氣帶來的U值改善13-15%，是在中空玻璃使用Low-E鍍膜基礎之上取得的；如果是對普通中空玻璃充氣，所帶來的U值改善，僅僅為3-5%左右。由此可見，中空玻璃的充氣應該放在使用射玻璃之后進行。
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。隨著惰性氣體濃度的減少，中空玻璃會向內(nèi)撓曲，導致玻璃邊緣的密封膠和玻璃產(chǎn)生應力、玻璃中央傳熱系數(shù)增加和視覺變形，如果嚴重的話，甚至導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)補充的速度，對此，我們從分壓定律和密封膠的氣體滲透率入手分析。分壓強定律是導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)）
氮氣： 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=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氣從空氣中向中空玻璃內(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。
將氮氣的滲透率作為標準單位1，其他氣體滲透率按此折合得出，氬氣=4.1 X 氮氣、氧氣=4.2 X 氮氣，氮氣=1.0。這些系數(shù)表明，與密封膠的氣體具體滲透率無關，對應每種密封膠的氣體滲透，氧氣和氬氣都比氮氣快大約4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
氮氣向內(nèi)流速 = 1.0 x 79.3 = 79.3
可見，氬氣向外流速412.9是氧氣和氮氣向內(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致中空玻璃的向內(nèi)撓曲，從而引起視覺變形、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有的濃度，我們對此就不必擔憂。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該達到100%。但我們通過使用WINDOW5軟件對7個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）對應每種不同氣體組合和濃度，對應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，分別參見表1和圖1。
2.利用中空玻璃充氣達到最大經(jīng)濟、節(jié)能效果
接下來，我們考察一下，降低傳熱系數(shù)的三個手段，即熱輻射、熱對流和熱傳導，應從哪方面先著手。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玻璃可帶來傳熱系數(shù)U值的改善約33%，暖邊為6%，氬氣改進為13-15%?？梢姡Ａ鳠岬娜齻€方面，熱輻射最大、熱對流次之，最后是熱傳導。解決問題的正確方法，應該是從抓主要矛盾入手，因此，首先解決熱輻射問題，亦即使用Low-E鍍膜玻璃。
應該指出，離線單銀鍍膜Low-E玻璃的e = 0.1時,可改善傳熱系數(shù)33%。如果進一步改善傳熱系數(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，將普通中空玻璃提升到高性能中空玻璃，在熱輻射、對流和熱導3個方面中，應該抓主要矛盾。從普通中空玻璃向高性能中空玻璃提升時，應首先從降低熱輻射入手，即使用Low-E鍍膜玻璃。實踐表明，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，相對熱對流而言，已經(jīng)下降到次要矛盾。與熱輻射對比，減少熱對流上升為降低傳熱的的主要矛盾?！ ∩鲜霰碇械臄?shù)據(jù)比較的實踐意義在于，采用單銀Low-E鍍膜的中空玻璃充氬氣帶來的U值改善明顯大于從單銀到雙銀/空氣帶來的改善，但成本卻低很多。因此，在使用單銀鍍膜玻璃之后，如欲進一步改善節(jié)能效果的話，理智的選擇應該首先是充氬氣。
必須說明，上述中空玻璃充氣帶來的U值改善13-15%，是在中空玻璃使用Low-E鍍膜基礎之上取得的；如果是對普通中空玻璃充氣，所帶來的U值改善，僅僅為3-5%左右。由此可見，中空玻璃的充氣應該放在使用低輻射玻璃之后進行。
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。隨著惰性氣體濃度的減少，中空玻璃會向內(nèi)撓曲，導致玻璃邊緣的密封膠和玻璃產(chǎn)生應力、玻璃中央傳熱系數(shù)增加和視覺變形，如果嚴重的話，甚至導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)補充的速度，對此，我們從分壓定律和密封膠的氣體滲透率入手分析。分壓強定律是導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)）
氮氣： 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=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氣從空氣中向中空玻璃內(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。
將氮氣的滲透率作為標準單位1，其他氣體滲透率按此折合得出，氬氣=4.1 X 氮氣、氧氣=4.2 X 氮氣，氮氣=1.0。這些系數(shù)表明，與密封膠的氣體具體滲透率無關，對應每種密封膠的氣體滲透，氧氣和氬氣都比氮氣快大約4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
氮氣向內(nèi)流速 = 1.0 x 79.3 = 79.3
可見，氬氣向外流速412.9是氧氣和氮氣向內(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致中空玻璃的向內(nèi)撓曲，從而引起視覺變形、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有的濃度，我們對此就不必擔憂。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差，始終作用在中空玻璃的密封膠上。氣壓、空氣溫度、太陽輻射和相對濕度的變化，都會導致環(huán)境應力和分壓強定律一起作用于中空玻璃上，導致中空玻璃內(nèi)部壓強的不斷變化，不停地擠壓和拉伸中空玻璃的密封膠。
環(huán)境影響的物理應力解析
在分壓梯度存在的條件下，所有聚合物密封膠都會在不同程度上沿密封膠，滲透出惰性氣體的分子。因此，達爾頓的分壓定律是不可避免的。
根據(jù)流體運動等式，惰性氣體分子穿透密封膠的運動速度與密封膠表面積和壓強差的大小成正比：
作用在中空玻璃密封膠上的外力從未間斷過，包括在很大的溫差范圍內(nèi)變化的機械應力和熱應力，以及長時期地蒙受紫外線照射和水氣的侵襲。
一般來說，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，主要密封膠應選擇那些在沒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孤立的材料的話，只要中空玻璃的制作保持在一個合理程度，就不會出現(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?shù)膿p壞的話，形成的裂縫將導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“A”（密封膠的表面積）和“l”（密封膠的惰性氣體通道長度）做進一步細化分析。實驗表明，增加第二道密封膠的深度和斷面面積，對惰性氣體滲透流量和水氣滲透沒有任何影響；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%！見上圖3。
由此可見，增加丁基膠的寬度（即玻璃與間隔條之間的距離）會導致中空玻璃的密封性能的降低。這一點在實踐中必需引起重視。
5 中空玻璃年泄漏率<1%的實證依據(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，接下來我們考察充氣中空玻璃熱工性能所必需的最低濃度。
美國Cardinal公司公布的實驗數(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。實驗室結(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，如從上述實驗數(shù)據(jù)可見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%.
實踐表明，如果我們嚴格按照中空玻璃生產(chǎn)操作規(guī)程生產(chǎn)，使用在線自動充氣并輔助必要的非破壞性惰性氣體含量檢測手段，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)展的一個趨勢。但值得指出的是，充惰性氣體對炎熱地區(qū)減少空調(diào)制冷節(jié)能并無幫助。在這些地區(qū)，節(jié)能應采用遮陽手段和陽光控制膜玻璃。
國外的中空玻璃檢測標準，將惰性氣體的初始濃度檢測和加速老化實驗后的氣體泄漏率列為檢測內(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）和IGCC（美國中空玻璃認證委員會）都將惰性氣體的檢測列為認證內(nèi)容，目前美國政府要求將認證項目改為強制實行。
由于氣體流速的不均衡，使用露點/霜點判斷中空玻璃的密封壽命，對充氣中空玻璃來說，是不準確的。實驗證明，加速老化實驗后的充氣中空玻璃，雖然氣體已經(jīng)泄漏10%、30%甚至40%以上，但露點檢測仍能通過。實驗還證明，現(xiàn)在使用的分子篩較以前有很大的改進，即使分子篩飽和度達80%，露點/霜點仍然能達到-500C。因此，實踐中，對充氣中空玻璃，必須以檢測惰性氣體含量（濃度）及其變化為主，而露點/霜點檢測，似乎只能作為輔助手段。
檢測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)點是精度高，缺點是時間長、破壞性、投資大，需要專業(yè)實驗室專門人員操作，等等；后者以高壓放電惰性氣體分析。優(yōu)點：非破壞性、檢測速度快、價格合理、精度高和易于操作等等。不但適應于實驗室檢測，更重要的是，為生產(chǎn)質(zhì)量控制、現(xiàn)場檢測等等提供了可行性。另外值得一提的是，目前這種檢測手段，不但在北美，而且在歐洲，主要的玻璃生產(chǎn)廠家都在使用，得到了廣泛的應用。并且由于非損檢測手段的應用，在很大程度上推動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。但人們對造成惰性氣體向外泄漏的原因卻已經(jīng)相對清楚，除了主要是密封膠和間隔條失效的原因所致之外，還包括設計、材料的選擇不當、制作人員的不細心和極端環(huán)境循環(huán)導致的累計缺陷。
影響中空玻璃惰性氣體向外泄漏的原因和速度，是分壓強定律和密封膠的氣體滲透率。從分壓強強定律看，氬氣從中空玻璃向外滲透的速度大于周圍環(huán)境中的氧氣和氮氣的補充速度，從而導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”。 具體說，氬氣從中空玻璃向外泄漏的速度是氧氣和氮氣向中空玻璃內(nèi)補充速度的2.4倍，從這個角度看，中空玻璃的“崩潰”是不可避免的。但從積極的角度來看，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)，預期的中空玻璃的密封壽命達25年以上。
