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公元七世紀(jì)，西方發(fā)明吹氣法制造平板玻璃，玻璃開始運(yùn)用在教堂門窗上。1000年后的清朝，平板玻璃窗傳入中國，雍正年間價格高達(dá)15兩紋銀/平方米，可在北京買半間房屋。玻璃給黑暗的房間帶來了陽光，這種曾經(jīng)昂貴的物品，現(xiàn)在已經(jīng)走近尋常人家，成為家裝居所的必備選擇。如今平板玻璃已經(jīng)形成一個巨大產(chǎn)業(yè)。國家統(tǒng)計(jì)局2015年數(shù)據(jù)顯示，全國住宅玻璃窗用量和玻璃幕墻用量均為2億平方米。
裴世鈾博士在2017FCD上發(fā)表主題演講
玻璃具有優(yōu)異的透光性，可以提供廣闊的視野，但是同時也讓太陽熱量進(jìn)入室內(nèi)，造成巨大的能量浪費(fèi)。為了減少陽光直射，人們普遍采用的傳統(tǒng)的內(nèi)/外遮陽的方式。內(nèi)遮陽，比如各種材質(zhì)的窗簾，僅遮擋了已經(jīng)透過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的陽光，由于能量已經(jīng)進(jìn)入室內(nèi)，所以節(jié)能效果有限。外遮陽裝置，尤其是電動外遮陽，節(jié)能效果優(yōu)于內(nèi)遮陽，但是大部分外遮陽產(chǎn)品很難避免可靠性差、壽命短以及清洗困難的弊端。而且，這種方式影響了建筑本身應(yīng)該具有的簡潔美，而且也限制了使用者的視野。
除了傳統(tǒng)的機(jī)械式遮陽，一種新興的電子遮陽玻璃產(chǎn)品正在走進(jìn)市場。其結(jié)合了玻璃材料和電子電控領(lǐng)域的最新技術(shù)，可以在玻璃上實(shí)現(xiàn)遮陽、隱私、節(jié)能的智能化。這種黑科技代表了玻璃未來的發(fā)展方向，可以應(yīng)用于智能建筑和智能汽車領(lǐng)域，達(dá)到智能遮陽、智能隱私的效果。在建筑領(lǐng)域，智能玻璃可以取代外遮陽，同時提供寬廣的視野、節(jié)能效果以及科技美學(xué)。裝有智能玻璃的汽車會有更好的隱私和節(jié)能效果，配合微電路，還能實(shí)現(xiàn)及時報(bào)警等安全性能。目前，奔馳的部分高端車型已經(jīng)配置了智能玻璃。
根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的方式，可以將智能玻璃分為被動式和主動式兩種。被動式智能玻璃主要包括熱致變色和光致變色。其中的典型代表是五氧化二釩材料，在特定溫度下其晶體結(jié)構(gòu)由單斜轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石四方晶結(jié)構(gòu)，并隨之發(fā)生光學(xué)性能的變化。被動式智能玻璃的優(yōu)點(diǎn)是，無需外界電源驅(qū)動、安裝簡單方便，缺點(diǎn)是在變色前后的透過率差值較小，且變色所需的溫度范圍較寬，所以容易發(fā)生夏季正常變色但是冬季變色不明顯的問題。
相比于被動式智能玻璃，主動式的智能玻璃因?yàn)榻Y(jié)合了電子電控技術(shù)，可以隨心所欲的實(shí)現(xiàn)主動控制，并且與物聯(lián)網(wǎng)、光熱傳感器等概念進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自主的智能調(diào)控。雖然難以避免略顯繁瑣的電路安裝，但是主動式的智能玻璃具有更加優(yōu)秀的智能、節(jié)能和變化效果。
主動式智能玻璃主要包括三種技術(shù)：聚合物（詞條“聚合物”由行業(yè)大百科提供）分散液晶(PDLC)、懸浮粒子(SPD)以及電致變色(EC)。PDLC是液晶以微米量級的小微滴分散在有機(jī)固態(tài)聚合物基體內(nèi)，由于由液晶分子構(gòu)成的小微滴的光軸自由取向，其折射率與基體的折射率不匹配，當(dāng)光通過基體時被微滴強(qiáng)烈散射而呈現(xiàn)不透明的乳白狀態(tài)或半透明狀態(tài)。施加交流電場可調(diào)節(jié)液晶微滴的光軸取向，當(dāng)基體和微滴折射率相匹配時，呈現(xiàn)透明態(tài)。除去電場，液晶微滴又恢復(fù)最初的散光狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。PDLC產(chǎn)品主要用于室內(nèi)隱私墻，目前國內(nèi)已經(jīng)有20家左右的PDLC膜生產(chǎn)及銷售企業(yè)。
SPD技術(shù)的工作原理如下，將具有取向光吸收特性的粒子分散在懸浮液中，斷電時由于布朗運(yùn)動粒子隨機(jī)排布，可以吸收99%以上的可見光。當(dāng)SPD膜被施加110V的交流電壓時，粒子在電場的作用下發(fā)生取向排列，進(jìn)而光線得以透過。
電致變色(EC)技術(shù)，這里指已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的全固態(tài)電致變色技術(shù)。玻璃基板上鍍有若干三明治結(jié)構(gòu)的功能層，上下導(dǎo)電（詞條“導(dǎo)電”由行業(yè)大百科提供）層之間夾有電致變色層、離子導(dǎo)體(IC)層和離子儲存層。以國外市場上常用的電致變色材料三氧化鎢為例，在透明狀態(tài)下，三氧化鎢變色層為空心立方結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下，只吸收少量的可見和紅外光。在+3V直流低壓的驅(qū)動下，鋰離子進(jìn)入三氧化鎢的晶格，形成實(shí)心立方結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)下，EC玻璃可以吸收98%以上的可見光和99%以上的紅外光，從而可以實(shí)現(xiàn)對可見和紅外光的調(diào)節(jié)。改變施加電壓的方向，鋰離子可以可逆地?fù)诫s或者去摻雜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)EC膜著色褪色的循環(huán)。
電致變色(EC)玻璃功能實(shí)物演示
對于這三種技術(shù)，我們用智能玻璃最重要的三個性能來進(jìn)行比較：調(diào)光、隔熱和隱私。PDLC只有透明和散射兩種狀態(tài)，沒有中間態(tài)，而SPD和EC在透明和著色態(tài)之間連續(xù)可調(diào)。PDLC依靠微滴和基底的折射率差異將光線散射開，因此可以完全阻擋視線，具有良好的隱私保護(hù)效果，但是不能有效阻擋散射開的紅外線和可見光透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，所以其隔熱效果非常有限。國內(nèi)市場上SPD的產(chǎn)品很少，我們通過查閱科技文獻(xiàn)了解其光學(xué)參數(shù)，在著色狀態(tài)下，其可見光和紅外光透過率分別是0.7%和27.4%，在透明狀態(tài)下分別為65%和77.6%。EC在著色狀態(tài)下可以阻擋絕大部分的可見和紅外光，因此在該狀態(tài)下具有極強(qiáng)的遮陽性能;在透明態(tài)時，60~70%的可見光以及30~40%的紅外光可以透過EC玻璃進(jìn)入室內(nèi)，適用于冬季采光和日曬取暖。SPD和EC技術(shù)具有良好的隔熱效果，雖然阻擋了絕大部分的可見光，但是由于人眼的高度敏感，百分之零點(diǎn)幾的可見光仍然不能完全阻擋視線。因此在某些場合下，比如夜晚從室外透過SPD或者EC窗往室內(nèi)看，仍然可以看到室內(nèi)的模糊影像，所以其隱私功能是有限的。
電致變色(EC)玻璃功能的動圖演示
我們將收集到的數(shù)據(jù)整合成下表，因?yàn)橛行⿺?shù)據(jù)的時效性難以把握，不排除未知的最新產(chǎn)品有更好性能，所以僅供大家參考：
通過該表的對比我們可以發(fā)現(xiàn)，PDLC具有良好的隱私效果，但不具有遮陽隔熱能力，適用于室內(nèi)隔斷浴室等隱私保護(hù)應(yīng)用。SPD能夠快速實(shí)現(xiàn)透明與深藍(lán)色之間的轉(zhuǎn)換，所以在汽車領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，但是目前SPD技術(shù)以及知識產(chǎn)權(quán)目前被Research Frontier公司獨(dú)家壟斷，所以價格居高不下。相比之下，EC技術(shù)的優(yōu)勢可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：
1. 連續(xù)可調(diào)的可見、紅外光透過率與遮陽系數(shù)，且具有較寬的變化范圍。
2. 唯一的直流低壓驅(qū)動方式，遠(yuǎn)低于人體安全電壓36V，更適合于電子產(chǎn)品與車載電源。
3. 全無機(jī)材料帶來的較長壽命。
國外的各種EC應(yīng)用實(shí)例顯示，在絕大部分應(yīng)用場合，比如建筑幕墻、門窗以及汽車車窗等，分鐘級別的變色速度目前可以被接受。再加上相比于SPD技術(shù)，EC知識產(chǎn)權(quán)的非壟斷性應(yīng)該會帶來更大市場規(guī)模、更親民的價格以及更快發(fā)展節(jié)奏。綜上所述，我們認(rèn)為三種技術(shù)中，EC技術(shù)是當(dāng)下最具市場發(fā)展?jié)摿Φ闹悄?a style="font-size:1em; border-bottom:1px;border-bottom-style:dashed;border-bottom-color:blue" onmouseover="openNewDiv('newDiv','玻璃技術(shù)');callServer('玻璃技術(shù)');">玻璃技術(shù)。
EC玻璃自身具有優(yōu)異的調(diào)光和隔熱效果，也可以進(jìn)一步加工成夾膠或中空玻璃。美國ViewInc在邁阿密、亞特蘭大、紐約、鳳凰城以及舊金山搭建了同尺寸、同朝向、同條件的EC樣板房和Low-E玻璃樣板房，進(jìn)行節(jié)能效果對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于Low-E，EC平均每年節(jié)省了27%的空調(diào)制冷容量，用電總能耗平均降低20%。
我們有理由相信，事實(shí)上我們也正在為之努力，EC智能玻璃將在10年之內(nèi)逐漸走進(jìn)中國的千家萬戶。我國的夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷以及溫和地區(qū)非常適合EC玻璃的使用。值得一提的是，合肥威迪變色玻璃有限公司生產(chǎn)的單片EC玻璃能夠滿足被動房在以上區(qū)域?qū)μ柤t外熱能總透射比gIR和太陽能總透射比g的要求。
在寒冷以及嚴(yán)寒區(qū)域，EC玻璃的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在透明態(tài)允許可見光和紅外光進(jìn)入室內(nèi)，不妨礙冬季通過日曬取暖。不過整體來說，EC玻璃在夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷以及溫和地區(qū)可以更有效的發(fā)揮自身的隔熱節(jié)能效果。
江蘇省對建筑節(jié)能水平的要求走在全國前列。由江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司主編的江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DGJ32/J 157-2013《居住建筑標(biāo)準(zhǔn)化外窗系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中要求：“建筑外窗不提倡采用Low-E玻璃，若采用Low-E玻璃，其外窗冬季遮陽系數(shù)不得小于0.6，以避免對冬季陽光的遮擋。”這就給玻璃產(chǎn)品提出了新的挑戰(zhàn)，如何兼顧“夏天不熱”和“冬季曬太陽”實(shí)現(xiàn)全面節(jié)能?一塊玻璃，如何在夏季具有較低的SC，而冬季SC≥0.6?合肥威迪的EC玻璃產(chǎn)品可以做到!所以，很多人把EC玻璃稱為可以變色的動態(tài)Low-E。該標(biāo)準(zhǔn)也提醒高端消費(fèi)者在選購EC產(chǎn)品的時候要留意SC值的變化范圍，透明態(tài)是否可以達(dá)到0.6.
為了對智能窗的節(jié)能效果有更深入的理解，我們請中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫煒教授對EC智能玻璃進(jìn)行了模擬和計(jì)算，以期能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)師提供EC窗節(jié)能效果和其朝向之間關(guān)系的參考。模擬房間設(shè)定處于合肥市的氣候環(huán)境(夏熱冬冷)，窗墻比為0.8，天窗開窗比為87.5%。計(jì)算結(jié)果顯示，天窗采用EC窗可以減少55%的空調(diào)制冷量，東西朝向節(jié)約的制冷量分別是42%和44%，朝南的EC窗為38%。該結(jié)果表明，EC智能窗最適合用于天窗、采光頂等長時間接受日曬的區(qū)域，在東西方向直接面對日曬，以及向陽但是帶有一定角度的南向，也有很好的節(jié)能效果。陽光房，原本用來享受陽光，親近自然，卻因?yàn)閺?qiáng)烈的日曬導(dǎo)致空調(diào)都無法實(shí)現(xiàn)制冷控溫，悶熱讓人不得不放棄這份通透的浪漫。如果陽光房使用EC玻璃，即便是盛夏的午后，人們也可以享受EC技術(shù)帶來的陰涼愜意。結(jié)合Wifi和物聯(lián)網(wǎng)，我們可以用手機(jī)、電腦對EC玻璃實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，甚至可以為高樓大廈披上動態(tài)的外衣。
EC技術(shù)本身具有較好的節(jié)能效果與智能優(yōu)勢，這種技術(shù)會不會快速發(fā)展，能不能給世界給中國帶來新的變化顯得尤為重要。EC智能玻璃率先在國外發(fā)展起來，法國圣戈班控股的Sage公司在2014年率先實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。
在國內(nèi)，EC玻璃吸引了各大學(xué)、科研院所、企業(yè)的廣泛的關(guān)注和投入。中國科技大學(xué)的徐春葉教授是電致變色學(xué)術(shù)界的領(lǐng)軍人物，國家“千人計(jì)劃”專家、中科院“百人計(jì)劃”入選者，其參與發(fā)明的電致變色材料已在波音787飛機(jī)舷窗上使用。寧波禰若電子于2014年建設(shè)了國內(nèi)第一條量產(chǎn)的基于EC技術(shù)的汽車防眩后視鏡生產(chǎn)線，產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了汽車后裝及前裝市場。浙江上方電子，在2014年底研制成功中國第一塊全固態(tài)電致變色智能玻璃樣品(尺寸370*470 mm)，目前在銷售電致變色玻璃設(shè)備。中建材集團(tuán)、南玻集團(tuán)也正在研發(fā)EC智能玻璃的相關(guān)產(chǎn)品。合肥威迪變色玻璃有限公司致力于電致變色智能玻璃的產(chǎn)業(yè)化和在中國的普及。公司核心團(tuán)隊(duì)包括國家“千人計(jì)劃”特聘專家、省百人計(jì)劃專家、美國硅谷產(chǎn)業(yè)化專家、高級工程師等專家。合肥威迪已經(jīng)建成國內(nèi)首條幅寬1.5米，年產(chǎn)能10萬平方米的智能玻璃產(chǎn)線。其產(chǎn)品和同尺寸(300*300 mm)的美國產(chǎn)品進(jìn)行了性能對比，變色時間、可見光、紅外光、紫外光透過率以及遮陽系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)處于相同水平。
威迪電致變色玻璃玻璃的產(chǎn)品經(jīng)國家玻璃檢驗(yàn)測試中心和國家安全玻璃與石英玻璃檢驗(yàn)測試中心的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：
EC玻璃作為一種全新產(chǎn)品，目前價格較高。國內(nèi)唯一的供應(yīng)商美國Sage，其售價為1萬人民幣每平方米，交貨期16周。很多門窗幕墻界的同行關(guān)心，EC玻璃的價格會有哪樣的走勢?所謂以史為鏡可以知興替，我們可以從PDLC的價格走勢一窺未來。2004年，國內(nèi)PDLC供應(yīng)商只有NSG一家，當(dāng)時的價格高達(dá)10000元每平方米。2006年，市場上PDLC供應(yīng)商為兩家，單價降為6000，銷量略有增長。2017年供應(yīng)商數(shù)量已經(jīng)達(dá)20家，單價降為1000元左右。與此同時銷量從04年的1000平方米穩(wěn)步增長為120,000。由此可以推測，EC玻璃的售價和銷量可能會有類似的發(fā)展規(guī)律。考慮到遮陽、智能、隱私、節(jié)能等多種功能，EC玻璃應(yīng)該比PDLC具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和更大的市場規(guī)模。以建筑領(lǐng)域?yàn)槔僭O(shè)1%的高端門窗幕墻使用EC玻璃，其市場規(guī)模可達(dá)4,000,000平方米。隨著更多的企業(yè)參與到該領(lǐng)域中來，EC玻璃售價可能會降至千元以下。
除了建筑領(lǐng)域以外，交通是EC玻璃第二大的應(yīng)用市場。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年生產(chǎn)的汽車和高鐵分別為2800萬輛和3474列。我國政府正在大力推廣電動汽車及智能汽車，所以我們相信節(jié)能智能的EC交通玻璃有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/P>
智能調(diào)光玻璃亮相上海展會裴世鈾博士向中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會副秘書長黃圻介紹智能調(diào)光玻璃
2017年對EC玻璃來說是一個起飛點(diǎn)，除了節(jié)能需求，智能化浪潮更是強(qiáng)力助推了智能玻璃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。美國Sage、View和KTI/AGC紛紛投入巨資開始建造新的產(chǎn)線以搶占全球市場。我國也迎來了EC玻璃首個規(guī)模化應(yīng)用，1700平方米北京騰訊大樓采光頂。我國的第一條電致變色生產(chǎn)線也在年內(nèi)將在合肥投產(chǎn)。所有的現(xiàn)象都表明，一場靜悄悄地革命正在到來，那就是玻璃也要智能化!
本文由鋁門窗幕墻委員會專家組專家牛曉先生供稿
