引言
我國的建筑能耗約占全國能源消耗總量30%, 目前我國建筑單位面積能耗仍是氣候相近的發達國家的2 ～ 3倍左右。北方寒冷地區建筑采暖能耗已占當地能耗總量20%以上, 而與此同時卻是全國由南及北空調逐步熱起來的浪潮。對于整幢建筑來說, 門窗（詞條“門窗”由行業大百科提供）的面積占建筑面積的比例超過20%,玻璃在其中約占70%以上, 而從節能角度來講, 整個建筑的能耗中, 通過門窗散熱能耗約占50%, 比例很高, 特別是村鎮建筑中門窗的傳熱與氣密性是整個外圍護結構最薄弱的環節。因而, 降低建筑門窗的能耗, 提高建筑門窗保溫隔熱性、氣密性是我們面臨的緊迫任務。隨著建筑節能工作的深入, 大量不節能的村鎮建筑外門窗也將采用中空玻璃, 市場潛力巨大, 這其中, 中空玻璃使用量的日益增加, 提高中空玻璃的保溫性、耐久性, 避免其功能失效對建筑節能行業意義重大。
據國內對使用兩年后的中空玻璃進行調查, 中空玻璃的失效率為3% ～ 5%, 造成失效的原因一是中空玻璃空氣層內露點上升, 內部結露(見圖2), 占63%;二是中空玻璃炸裂, 占26%, 這兩種原因構成了總失效的89%, 其余的只占11%。從圖1中可以看出, 中空玻璃空氣層內部結露問題突出, 不僅影響其透濕度, 并降低中空玻璃的隔熱效果, 必須引起高度重視, 分析原因, 采取一定的控制措施。
1 中空玻璃內部結露原因分析
結露的定義是表面溫度低于附近空氣露點溫度時, 結構表面出現冷凝水（詞條“冷凝水”由行業大百科提供）的現象。結露的關鍵是濕空氣露點溫度, 中空玻璃的露點是指密封于空氣層中的空氣濕度達到飽和狀態時的溫度, 當面層溫度低于該溫度時, 空氣層中的水汽便會在玻璃內表面結露或結霜(玻璃內表面溫度高于0℃時為結露, 低于0℃時為結霜)。露點與空氣中的含濕量和相對濕度（詞條“相對濕度”由行業大百科提供）有一一對應關系, 含濕量越高, 露點的溫度也越高。見表1。
國家標準GB11944-2002《中空玻璃》規定中空玻璃的露點為-40℃, 按照此規定, 建筑用塑鋼中空玻璃窗在日常使用中應不會出現內層結露或結霜問題, 出現這種現象的原因可歸結為內層空氣層露點上升。而中空玻璃空氣層露點上升的原因主要是由于外界的水分進入空氣層而又不被干燥劑吸收所造成的。具體來說, 有以下三種原因可導致中空玻璃露點上升。
1.1 密封膠擠壓不實或含有機械雜質
中空玻璃與鋁管間隔體之間用兩道彈性密封膠粘結, 第一道采用丁基橡膠密封, 第二道采用結構硅酮膠密封。實際生產過程中, 如果密封膠中存在機械雜質或涂膠過程中擠壓不實, 致使膠體內部存在毛細管, 并在間隔層內外壓差或濕度差的作用下, 空氣中的水分進入空氣層, 使中空玻璃間隔層中含水量增加。
1.2 水汽通過密封膠進入間隔空氣層
密封膠一般為均勻高分子聚合物（詞條“聚合物”由行業大百科提供）, 而聚合物又不是絕對不透氣的, 其兩側由于逸度差(壓差或濃度差)的存在, 成了聚合物做等溫擴散的驅動力。對于中空玻璃的密封膠而言, 主要擴散物就是空氣中的水分, 水分的擴散遵循以下關系式
J=P/L·Δp (1)
式中，J——擴散速率, 指單位時間單位面積上氣體通過一定厚度的聚合物的擴散量;
L——聚合物厚度;
P——氣體滲透系數, 是材料固有的一種物理性質;
Δp——聚合物兩側的氣體分壓差。
從式(1)可知, 影響水蒸氣擴散的因素主要是聚合物的氣體滲透系數(氣密性);膠層厚度和空氣內外的水汽分壓差。水份擴散是中空玻璃失效的最主要原因。
1.3 干燥劑的有效吸附能力低
對干燥劑的要求是不但要吸附掉中空玻璃密封單元在組裝過程中密封于空氣中的水分, 使得中空玻璃有合格的初始露點, 還要不斷地吸附通過膠層擴散到空氣層中的水分, 繼續保持符合使用要求的露點。如果干燥劑的吸附能力差, 不能有效地吸附通過擴散進入空氣層中的水份, 就會導致水份在空氣中聚集, 水分壓提高, 中空玻璃的露點上升。
2 避免內層結露的措施
要想延長中空玻璃的使用壽命, 必須嚴格控制中空玻璃露點上升, 需從各個環節加以控制。
2.1 嚴格控制生產環境的濕度
生產環境的濕度主要是影響干燥劑的有效吸附能力的剩余吸附能力。剩余吸附能力是指中空玻璃密封后, 干燥劑吸收空氣層的水份, 使之初始露點達到要求, 干燥劑還具有吸附能力, 這部分吸附能力稱之為剩余吸附能力或剩余吸附量。剩余吸附量的作用是不斷地吸附從周邊擴散到空氣層中的水份。剩余吸附量的大小決定著對中空玻璃在使用過程中, 通過擴散進入空氣層的水份吸附量的大小, 也就決定著水份在空氣層中聚集速度的快慢, 從而決定著中空玻璃有效使用時間的長短。那么, 中空玻璃生產車間相對濕度控制到多少比較合適呢? 根據上述觀點和國外生產試驗得出的初步數據來分析, 采用濕度平衡法比較科學合理。首先要確定用足夠干燥劑來除去生產中進入中空玻璃空氣隔熱層內的水分, 以及在中空玻璃使用壽命期內, 進入中空玻璃隔熱層內的水分。根據分析和國外相關資料表明, 相對濕度在50% ～ 55%(20 ±1℃)為宜。
2.2 減少水分通過密封膠的擴散
選擇低滲透系數的密封膠。由式(1)可知, 水分通過密封膠的擴散量與氣體滲透系數成正比, 因此, 選擇氣體滲透系數低的中空玻璃密封膠是減少氣體擴散速度的有效措施之一。中空玻璃生產常用的密封膠有:丁基橡膠（詞條“橡膠”由行業大百科提供）、聚硫橡膠和硅橡膠等。它們的氣體滲透系數為:丁基橡膠1 ～ 1.5 g/m2·d·cm,聚硫橡膠7～8 g/m2·d·cm, 硅橡膠10～15 g/m2·d·cm。可見丁基橡膠的氣體滲透系數最小, 所以雙道密封玻璃由于使用了丁基橡膠, 其有效使用期要好于單道密封的中空玻璃。單道密封的中空玻璃的密封膠要采用聚硫膠而不宜采用硅橡膠。
合理確定膠層厚度。從式(1)中可知, 氣體通過聚合物擴散的量與膠層厚度成反比。膠層越厚其擴散量越小, 所以GB11944-2002 中規定:使用雙道密封膠時, 膠層厚度為5～7mm, 使用單層密封膠時, 膠層厚度為8±2mm, 保證膠層厚度也是減少水汽擴散的重要一環。
減少中空玻璃膠層的內外濕度差。從式(1)中可知, 減小中空玻璃內外的水汽分壓差可以減少水汽通過膠層的擴散量, 作為中空玻璃其空氣層的濕度(水汽分壓)越低越好, 要減少Δp, 只有減小外部環境的濕度(或水汽分壓), 這可以采用在安裝框架上開排水孔, 使沿玻璃表面流到框架內部的積水能迅速排出, 從而保持玻璃周邊干燥, 以延長中空玻璃的有效使用時間。
2.3 減少干燥劑與大氣接觸時間
縮短生產工藝時間, 盡量減少干燥劑與大氣接觸時間, 提高干燥劑的剩余吸附能力。
2.4 合理控制間隔的導氣縫隙
干燥劑一般都是在密封的情況下灌注到間隔框中的, 吸附大氣中的水是通過導氣縫隙進行的, 導氣縫隙越大, 干爆劑的吸水速率越快, 有效吸附能力的損失也就越多, 因此要求中空玻璃間隔框的導氣縫隙盡量小些, 但要確保中空玻璃符合標準要求的初始露點。
2.5 選擇適當吸附速率的干燥劑
適當選擇干燥劑的吸附速率, 合理的包裝運輸,較小玻璃的破損等都是一些很有效的措施。另外, 需要著重指出的是, 目前市場上存在以雙層玻璃頂替中空玻璃的現象, 甲方使用時發現有內層結露失效現象, 雙層玻璃內層結露的原因與上述中空玻璃內層結露原因不同。雙層玻璃一般采用雙面貼或其它方法, 將兩片預先劃裁好的玻璃間隔一定距離, 然后進行粘結固定, 后進行二道膠密封, 構成雙層玻璃窗。這種窗內層結露的原因是由于雙層玻璃內層沒有干燥劑吸附水分, 致使密封于玻璃內層的空氣相對濕度與生產車間的相對濕度相同, 濕度較高, 露點較高, 極易結露。若雙層玻璃密封嚴實, 則雙層玻璃內層空氣的露點溫度與生產車間的溫濕度一一對應(見表2)。
由表2可以看出, 同一相對濕度下, 雙層玻璃內層空氣露點溫度隨著使用環境溫度的升高而升高;同一溫度下, 雙層玻璃內層空氣露點溫度隨著生產車間相對濕度的增大而升高, 且生產車間相對濕度的變化對內層空氣露點影響很大。因此, 即使生產雙層玻璃也應該嚴格控制生產車間的溫濕度。若雙層玻璃露點溫度若雙層玻璃生產車間溫度為25℃, 相對濕度60%, 則玻璃內層空氣的露點溫度16.7℃, 此類窗戶使用過程中, 當環境溫度變化時, 夾層空氣被密封且沒有干燥劑吸附水分, 也就是說, 當環境溫度低于16.7℃時, 雙層玻璃內層玻璃上就會出現結露現象。而16.7℃這一溫度在我國北方地區春、秋季節都比較常見, 更不用說冬季,因此此類窗戶若在我國北方地區使用, 將會大面積出現內層結露現象。鑒于上述原因, 國家建設部早在2001年就禁止非中空玻璃單框雙玻門窗(659號公告)用于民用建筑工程。
3 結論
建筑物門窗、外墻、屋面、地面等外圍護結構構件中, 門窗的保溫性能最差, 通過門窗的耗熱最多,是建筑節能的最薄弱環節, 所以, 改善門窗的絕熱性能是抓好建筑節能的重點。而中空玻璃作為公共建筑50%節能、居住建筑65%節能的主推產品, 提高其質量更是當今建筑節能技術的重中之重。因此,通過選料、加工制造、工藝環境等各個環節加以控制, 能夠防止中空玻璃結露失效, 延長其使用時間,減少維修費用, 這不僅能帶來經濟效益, 同時可以獲得更好的社會效益。
