浅谈建筑节能玻璃的使用寿命

前言
    2010年6月，中国住房和城乡建设部，下发了关于进一步加强建筑门窗节能性能标识工作的通知。明确指出“要利用3年左右时间，对全国规模以上门窗企业的主要产品进行节能标识，努力提高当前主要门窗产品的节能性能，使获得标识的门窗广泛应用于新建建筑和既有建筑节能改造。” 建筑门窗节能性能标识制度的实施将对建筑节能门窗行业产生很重要的影响，由于玻璃是建筑门窗的主要原材料和构件，建筑门窗的各项节能性能指标，绝大多数都和玻璃有关，能效标识制度的实行，从而也对整个玻璃行业的生产工艺、产品质量，特别是使用寿命提出了很高的要求。目前市场上主要的节能玻璃产品，如Low-e中空玻璃，真空玻璃等，价格较贵，使用寿命越长无疑代表着消费者可以得到更多的节能回报；并且随着建筑质量的提高，建筑物的使用寿命也在逐渐增长，例如，我国《民用建筑设计通则》规定，重要建筑和高层建筑主体结构的耐久年限为100年，一般性建筑为50～100年，这也对门窗玻璃的寿命提出了更高的要求。
    一、中空玻璃-10年之痒
    中空玻璃发明于1865年，在上世纪五十年代在全世界得到了广泛使用。在欧洲、北美、日本、韩国等应用普遍。目前，国外普遍使用的是单腔Low-e中空玻璃，并逐步开始使用具有更好节能效果的双腔中空玻璃。在国内，双白中空玻璃使用较多，近几年，国家各项节能标准的出台，促使Low-e中空玻璃的使用越来越广泛。
    目前普遍使用的中空玻璃是两块或者三块玻璃，用一定厚度的金属铝间隔条间隔，玻璃四周使用有机密封胶密封，并在间隔条内填充吸湿材料分子筛，使腔内空气保持干燥或者充入惰性气体，以获得较低的热传导率，达到隔热的目的。（见图1）
    1、影响中空玻璃寿命的因素
    当然，无论哪一种中空玻璃，关键技术都是耐久地隔绝湿气渗透，这也是影响中空玻璃寿命长短的根本原因。影响中空玻璃寿命的因素有：
    (一)由于玻璃及金属间隔条具有不透气性，湿气只能是透过密封胶层渗透。 当中空玻璃安装在建筑外墙上时，将承受振动、风压、日照、雨雪、高低温度及大气压力的交变循环作用，必然拉动中空玻璃胶粘接缝位移，增大产品内空间气压同大气的压差，加速湿气的渗透，据报道温差每波动10℃接缝渗透率大约增加一倍；接缝胶层还要经受日光、风雨、冰雪、盐雾及清洗剂等腐蚀介质的侵蚀，促使密封胶层逐渐老化，力学性能下降，出现软化，龟裂、粉化裂纹甚至脱胶；密封制造质量如果存在缺胶、气孔，夹杂等缺陷时，也会引起产品功能的过早丧失。
    (二) 中空玻璃吸湿材料的也是影响中空玻璃寿命的关键因素。在中空玻璃中即使是密封性最好的丁基胶也有一定的空气渗透率。而如果中空玻璃内空间渗透的水量，达到填充的干燥剂饱和吸水值时，一般认为中空玻璃将丧失使用功能，可以此作为产品功能寿命终结的标志。
    (三)中空玻璃的透水量还同使用条件有关，如：安装条件、使用环境和维护水平等。
    2、中空玻璃使用寿命现状
    目前，国内中空玻璃的质保期为10年，实际使用年限15年左右，远远小于建筑物的寿命。即使这样，很多产品的实际使用年限根本不到10年，甚至有的工程在竣工一至二年内甚至当年就出现“内结露”现象，严重者竟成了“小鱼缸”。生产工艺落后是造成中空玻璃质量水平整体不高的主要因素。另外，监督检查不利，生产厂家偷工减料、恶性价格竞争，也是导致伪劣产品充斥市场的另一主要因素。
    中空玻璃过早丧失功能危害极大，如果中空玻璃因密封失效而产生“漏气”，中空腔内与外界形成空气对流换热，同时空气层湿度提高而使其热传导率增大，中空玻璃隔热性能将大幅下降。而即使产品密封质量没有任何问题，当10-15年后，吸湿剂分子筛因外界水气的渗透而逐渐饱和失效，随着中空腔内湿度的持续增大，空气的传导系数也随之增大，将严重影响玻璃的节能效果，并且当空气湿度达到一定水平，在冬季气温较低时，中空腔内便会出现“内结露”现象。另外，由于目前使用Low-e玻璃产品已成为趋势，特别是一些节能效果优异的单银或者双银Low-e玻璃被大量使用，而无论是漏气还是分子筛失效都会使银层氧化而使其失去节能效果。
    3、提高中空玻璃的使用寿命的措施。
    (一) 正确选择质量合格的密封胶，目前中空玻璃普遍采用双道密封法，采用丁基胶做主密封，聚硫胶或者硅酮结构胶等做次密封。聚硫胶是目前中空玻璃密封胶中用量最大的一种，具有良好耐油性、耐熔性及密封性；硅酮密封胶具有优异的结构性（具有承受动静载荷能力）、耐老化性及抗紫外线性能，但它的致命弱点是水汽透过率高。所以消费者应根据玻璃的安装条件和使用环境正确选择合适的密封胶。例如，在普通住宅中大多为带窗框的窗户，对密封胶结构性要求不高，多使用气密性优异的聚硫胶；而在玻璃幕墙中，特别是隐框幕墙，从安全考虑中空玻璃必须采用硅酮密封胶粘结制造，这时应注意结构和选材问题，有效控制这些因素可延长产品的功能寿命。
    (二)应选择高吸附、低落粉、高吸气量的纯正3A分子筛中空玻璃干燥剂，填充量严格按照国家标准。
    (三)严格控制生产过程，例如，中空玻璃在生产中，对施工环境的温度湿度以及空气洁净度有一定要求；须采用科学的间隔框的组合方式及专用的玻璃清洗设备；间隔框方面，通常认为折弯方式比角插接方式的气密性要好；双组分次密封胶的配比，均匀度，胶的宽度等都须严格按照国家标准要求。
    二、真空玻璃——寿命50年
    1996年，真空玻璃由澳大利亚悉尼大学根据保温瓶原理研发成功。1997年日本板硝子生产出世界第一块真空玻璃。1998年，真空玻璃生产技术落户中国青岛。2006年，中国政府资助青岛亨达玻璃科技有限公司建成的中国第一条真空玻璃产业化示线。标志着中国真空玻璃行业进入产业化阶段。2008年中国颁布世界首部真空玻璃行业标准。而真空玻璃凭借着其超级节能的特点，一经问世，便被冠以“神奇”玻璃的称号。
    真空玻璃之所以“神奇”，来源于其特殊的结构和节能原理。真空玻璃是基于保温瓶原理开发的新型节能玻璃，两片玻璃之间用0.12mmg高的细小支撑物隔开，四周用低熔点无机材料焊接熔封，并经抽气管排气后封口，形成气压低于0.1Pa的真空层。由于0.1Pa的真空层几乎不存在气体传导传热和对流传热，从而使真空玻璃具有超级隔热性能,大幅降低了结露温度。同时真空玻璃的真空层能够有效的阻隔声音的传递.从而使真空玻璃具有优异的隔声性能.
    真空玻璃的各项节能性能全方位超越中空玻璃，见表1
    1、真空玻璃具有50年寿命的原因
    和中空玻璃的相似，真空玻璃的关键技术在于长时间保持0.1Pa真空度。真空玻璃保持真空度的方法：
    (一)真空玻璃的密封材料为无机玻璃焊料，广泛应用于封接电子显像管、VFD、PDP等电真空器件，用其将两片玻璃焊接后，形成刚性整体，强度高，不会因外力而产生变形；融封后的焊料形成致密玻璃体，与玻璃表面结合紧密，本身的空气透过率和放气率可忽略不计；化学稳定性高，受环境影响极小。
    (二)支撑物采用不锈钢材料，具有优良的真空性能，广泛用于真空器材中，并且在使用前经过超声波清洗和高温排气等表面处理，使支撑物的放气率达到最低。
    (三)在真空玻璃的加工过程中，真空玻璃要经过450℃的高温排气过程，可将大部分吸附在玻璃表面的空气分子排除。
    (四)经过以上工艺，并不能将玻璃表面的气体完全除去。玻璃、支撑物在受到环境高温，太阳光照射时，仍然会释放出少量水，CO2等氧化性气体。更重要的是，真空玻璃在封接抽气管时，抽气管熔化所释放的少量气体，除大部分被真空泵抽走外，还会有少量被封离进真空层，为了将这部分气体排除，并持续吸收那些吸附在玻璃表面的气体分子，就必须在真空层内加入吸气剂。
    2、真空玻璃寿命保证的关键 ——吸气剂
    吸气剂也叫消气剂，在电真空器件和真空科技领域它是指一种能吸收气体的材料。吸气剂的吸气效果取决与两个方面：吸气剂的含量和吸气类型；吸气剂与空气接触的面积。由于真空玻璃在边部封接过程中经过450℃以上的高温烘烤排气，在大气中如此高的温度下吸气剂还未激活就已经氧化失效，这是要解决的一个关键难题。
    (一)包封-解封式非蒸散吸气剂
    目前，国内有真空玻璃厂家采用包封-解封非蒸散吸气剂的方式来解决这个问题，既用不锈钢材料将吸气剂包裹，在密封的同时将吸气剂激活，使包裹内处于真空状态，然后将包裹放置于真空玻璃内，封口后用激光在包裹上钻2-3个小洞，使吸气剂与真空层连通以达到吸气效果。包封的方法可以解决吸气剂氧化的问题，采用这种吸气剂理论上可以保持真空度50年以上，但是在实际使用中这种非蒸散型吸气剂的并不能达到理想状态，这是因为：
    大部分非蒸散型吸气剂，属于高温吸气剂，广泛用于高强度气体放电灯、高压开关管、气体净化器、不锈钢保温容器等温度较高的地方，例如锆铝型吸气剂，最佳工作温度为400℃，且对H2吸收效果好最好。
    由于解封后只有2-3个小孔与真空层接触，实际上大幅减少了吸气剂与气体分子接触的几率，特别是后期吸气剂抽速降低的情况下，对游离于真空腔内的气体分子吸收能力也会降低；并且由于小孔直径非常小，有被堵塞的可能。
    吸气剂采用表面吸附-内部扩散的吸气方式，非蒸散吸气剂表面吸气后产生稳定化合物，形成一层“壳”，会阻碍气体分子向内部扩散，需要经过再次激活，才能持续保持吸气效果，但是一旦玻璃安装到窗户上，就无法进行此种操作。
    (二)抗氧化钡蒸散型吸气剂
    为了解决这些问题，一种抗氧化钡蒸散型吸气剂被开发出来，吸气剂效果较非蒸散吸气剂有很大提升,具体表现为:
    在常温下吸气效果最好；激活后在玻璃表面形成厚度很薄的钡膜，与气体接触的表面积增大，易于气体分子向内部扩散，不需要多次激活；蒸散型吸气剂对氧化性气体，如水，CO2,CO,吸收效果最好。
    在吸气剂中加入了抗氧化剂，并采取特殊方式放置与真空玻璃内，不需要包封既可解决吸气剂高温氧化问题。
    吸气剂激活后在玻璃表面形成银黑色薄膜，当吸气剂失去作用或者真空玻璃出现漏气时，会逐渐变成白色，利于及时发现真空玻璃出现的质量问题。
    使用此种吸气剂的真空玻璃在经过加速老化实验后，包括高温高湿，耐辐照，气候循环等一系列实验，真空度非常稳定，可以确保真空度50年不变。
    三、选择中空还是真空？
    正如前面所说，国内一般建筑物最低寿命要求50年，而中空玻璃的质保期在10年，实际使用寿命也就在15年左右，也就是说在建筑物使用期限剩下的35-40年间，玻璃的任何问题都要购买者自己买单。如果出现包括漏气，内结露，脱胶等一些明显的质量问题，消费者就不得不更换玻璃；分子筛失效后，节能性能的逐渐下降，也会在不知不觉中使消费者损失大量的金钱和浪费大量的社会资源。 相对而言，真空玻璃的寿命优势则是十分明显的。
    另外，从全球节能门窗的发展趋势来看，在中国，也许10年，也许更短，使用单腔Low-e中空玻璃的节能窗将被淘汰，取而代之的将会是使用双腔中空玻璃的窗户，到那时，广大消费者不仅要再次面对旧窗改造、使用寿命等问题，还要面对成本提高的问题，因为它的价格可能比真空玻璃还要高，况且使用这种玻璃的节能窗依然无法达到使用真空玻璃的节能水平，可以说真空玻璃已达到玻璃节能的极限，在未来50年甚至更长时间都是无法被超越的。
    然而，虽然真空玻璃在节能和使用寿命上均优于中空玻璃，但由于原材料，生产设备的成本较高，还未实现连续化生产等问题，真空玻璃销售价格一直处于较高的位置-节能效果为Low-e中空玻璃的2倍的同时，价格也是其2倍。这也是很多消费者不能接受的原因，可是真空玻璃真的“贵”吗，如果我门将价格平均到使用年限上，600元/m2的真空玻璃寿命50年，平均每年12块钱，价格300元的中空玻璃，寿命10年的话每年价格30元，20年的话每年15元，再加上消费者使用真空玻璃的长期节电收益，加上因为轻薄节省的窗框用料，加上更换或升级中空玻璃的花费、加上中空玻璃超年限使用性能下降带来经济损失，加上使用真空玻璃居住舒适度提高，加上使用真空玻璃为保护自然环境和节约社会资源所做的贡献我想答案已经很明确了。
    节能窗能效标识制度的实行只是一个开始，在全球节能的大主题下，中国政府必将出台越来越多的关于建筑节能的政策法规及各种补助奖励措施，我想无论是从眼前利益考虑，还是从长远利益考虑，使用真空玻璃都将是一个明智的选择。