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公元七世紀，西方發(fā)明吹氣法制造平板玻璃，玻璃開始運用在教堂門窗上。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入室內(nèi)，造成巨大的能量浪費。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)透過窗戶進入室內(nèi)的陽光，由于能量已經(jīng)進入室內(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)的機械式遮陽，一種新興的電子遮陽玻璃產(chǎn)品正在走進市場。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，還能實現(xiàn)及時報警等安全性能。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)點是，無需外界電源驅(qū)動、安裝簡單方便，缺點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為結(jié)合了電子電控技術(shù)，可以隨心所欲的實現(xiàn)主動控制，并且與物聯(lián)網(wǎng)、光熱傳感器等概念進行結(jié)合，實現(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，當光通過基體時被微滴強烈散射而呈現(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，斷電時由于布朗運動粒子隨機排布，可以吸收99%以上的可見光。當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，進而光線得以透過。
電致變色(EC)技術(shù)，這里指已經(jīng)實現(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，鋰離子進入三氧化鎢的晶格，形成實心立方結(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，鋰離子可以可逆地摻雜或者去摻雜，進而實現(xiàn)EC膜著色褪色的循環(huán)。
電致變色(EC)玻璃功能實物演示
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，因為有些數(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應(yīng)用。SPD能夠快速實現(xiàn)透明與深藍色之間的轉(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：
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. 全無機材料帶來的較長壽命。
國外的各種EC應(yīng)用實例顯示，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，我們認為三種技術(shù)中，EC技術(shù)是當下最具市場發(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)標準DGJ32/J 157-2013《居住建筑標準化外窗系統(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。該標準也提醒高端消費者在選購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智能玻璃進行了模擬和計算，以期能夠為設(shè)計師提供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，卻因為強烈的日曬導(dǎo)致空調(diào)都無法實現(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、電腦對EC玻璃實現(xiàn)遠程控制，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“千人計劃”專家、中科院“百人計劃”入選者，其參與發(fā)明的電致變色材料已在波音787飛機舷窗上使用。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、南玻集團也正在研發(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。公司核心團隊包括國家“千人計劃”特聘專家、省百人計劃專家、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)國家玻璃檢驗測試中心和國家安全玻璃與石英玻璃檢驗測試中心的檢驗數(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，當時的價格高達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)域為例，假設(shè)1%的高端門窗幕墻使用EC玻璃，其市場規(guī)模可達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，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，除了節(jié)能需求，智能化浪潮更是強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
