公元七世纪,西方发明吹气法制造平板玻璃,玻璃开始运用在教堂门窗上。1000年后的清朝,平板玻璃窗传入中国,雍正年间价格高达15两纹银/平方米,可在北京买半间房屋。玻璃给黑暗的房间带来了阳光,这种曾经昂贵的物品,现在已经走近寻常人家,成为家装居所的必备选择。如今平板玻璃已经形成一个巨大产业。国家统计局2015年数据显示,全国住宅玻璃窗用量和玻璃幕墙用量均为2亿平方米。

  裴世铀博士在2017FCD上发表主题演讲

  玻璃具有优异的透光性,可以提供广阔的视野,但是同时也让太阳热量进入室内,造成巨大的能量浪费。为了减少阳光直射,人们普遍采用的传统的内/外遮阳的方式。内遮阳,比如各种材质的窗帘,仅遮挡了已经透过窗户进入室内的阳光,由于能量已经进入室内,所以节能效果有限。外遮阳装置,尤其是电动外遮阳,节能效果优于内遮阳,但是大部分外遮阳产品很难避免可靠性差、寿命短以及清洗困难的弊端。而且,这种方式影响了建筑本身应该具有的简洁美,而且也限制了使用者的视野。

  除了传统的机械式遮阳,一种新兴的电子遮阳玻璃产品正在走进市场。其结合了玻璃材料和电子电控领域的最新技术,可以在玻璃上实现遮阳、隐私、节能的智能化。这种黑科技代表了玻璃未来的发展方向,可以应用于智能建筑和智能汽车领域,达到智能遮阳、智能隐私的效果。在建筑领域,智能玻璃可以取代外遮阳,同时提供宽广的视野、节能效果以及科技美学。装有智能玻璃的汽车会有更好的隐私和节能效果,配合微电路,还能实现及时报警等安全性能。目前,奔驰的部分高端车型已经配置了智能玻璃。

  根据功能实现的方式,可以将智能玻璃分为被动式和主动式两种。被动式智能玻璃主要包括热致变色和光致变色。其中的典型代表是五氧化二钒材料,在特定温度下其晶体结构由单斜转变为金红石四方晶结构,并随之发生光学性能的变化。被动式智能玻璃的优点是,无需外界电源驱动、安装简单方便,缺点是在变色前后的透过率差值较小,且变色所需的温度范围较宽,所以容易发生夏季正常变色但是冬季变色不明显的问题。

  相比于被动式智能玻璃,主动式的智能玻璃因为结合了电子电控技术,可以随心所欲的实现主动控制,并且与物联网、光热传感器等概念进行结合,实现自主的智能调控。虽然难以避免略显繁琐的电路安装,但是主动式的智能玻璃具有更加优秀的智能、节能和变化效果。

  主动式智能玻璃主要包括三种技术:聚合物(词条“聚合物”由行业大百科提供)分散液晶(PDLC)、悬浮粒子(SPD)以及电致变色(EC)。PDLC是液晶以微米量级的小微滴分散在有机固态聚合物基体内,由于由液晶分子构成的小微滴的光轴自由取向,其折射率与基体的折射率不匹配,当光通过基体时被微滴强烈散射而呈现不透明的乳白状态或半透明状态。施加交流电场可调节液晶微滴的光轴取向,当基体和微滴折射率相匹配时,呈现透明态。除去电场,液晶微滴又恢复最初的散光状态,从而实现调光。PDLC产品主要用于室内隐私墙,目前国内已经有20家左右的PDLC膜生产及销售企业。

  SPD技术的工作原理如下,将具有取向光吸收特性的粒子分散在悬浮液中,断电时由于布朗运动粒子随机排布,可以吸收99%以上的可见光。当SPD膜被施加110V的交流电压时,粒子在电场的作用下发生取向排列,进而光线得以透过。

  电致变色(EC)技术,这里指已经实现产业化的全固态电致变色技术。玻璃基板上镀有若干三明治结构的功能层,上下导电(词条“导电”由行业大百科提供)层之间夹有电致变色层、离子导体(IC)层和离子储存层。以国外市场上常用的电致变色材料三氧化钨为例,在透明状态下,三氧化钨变色层为空心立方结构,该结构下,只吸收少量的可见和红外光。在+3V直流低压的驱动下,锂离子进入三氧化钨的晶格,形成实心立方结构。该结构下,EC玻璃可以吸收98%以上的可见光和99%以上的红外光,从而可以实现对可见和红外光的调节。改变施加电压的方向,锂离子可以可逆地掺杂或者去掺杂,进而实现EC膜着色褪色的循环。

  电致变色(EC)玻璃功能实物演示

  对于这三种技术,我们用智能玻璃最重要的三个性能来进行比较:调光、隔热和隐私。PDLC只有透明和散射两种状态,没有中间态,而SPD和EC在透明和着色态之间连续可调。PDLC依靠微滴和基底的折射率差异将光线散射开,因此可以完全阻挡视线,具有良好的隐私保护效果,但是不能有效阻挡散射开的红外线和可见光透过玻璃进入室内,所以其隔热效果非常有限。国内市场上SPD的产品很少,我们通过查阅科技文献了解其光学参数,在着色状态下,其可见光和红外光透过率分别是0.7%和27.4%,在透明状态下分别为65%和77.6%。EC在着色状态下可以阻挡绝大部分的可见和红外光,因此在该状态下具有极强的遮阳性能;在透明态时,60~70%的可见光以及30~40%的红外光可以透过EC玻璃进入室内,适用于冬季采光和日晒取暖。SPD和EC技术具有良好的隔热效果,虽然阻挡了绝大部分的可见光,但是由于人眼的高度敏感,百分之零点几的可见光仍然不能完全阻挡视线。因此在某些场合下,比如夜晚从室外透过SPD或者EC窗往室内看,仍然可以看到室内的模糊影像,所以其隐私功能是有限的。

  电致变色(EC)玻璃功能的动图演示

  我们将收集到的数据整合成下表,因为有些数据的时效性难以把握,不排除未知的最新产品有更好性能,所以仅供大家参考:

  通过该表的对比我们可以发现,PDLC具有良好的隐私效果,但不具有遮阳隔热能力,适用于室内隔断浴室等隐私保护应用。SPD能够快速实现透明与深蓝色之间的转换,所以在汽车领域有较好的应用前景,但是目前SPD技术以及知识产权目前被Research Frontier公司独家垄断,所以价格居高不下。相比之下,EC技术的优势可以归结为以下几点:

  1. 连续可调的可见、红外光透过率与遮阳系数,且具有较宽的变化范围。

  2. 唯一的直流低压驱动方式,远低于人体安全电压36V,更适合于电子产品与车载电源。

  3. 全无机材料带来的较长寿命。

  国外的各种EC应用实例显示,在绝大部分应用场合,比如建筑幕墙、门窗以及汽车车窗等,分钟级别的变色速度目前可以被接受。再加上相比于SPD技术,EC知识产权的非垄断性应该会带来更大市场规模、更亲民的价格以及更快发展节奏。综上所述,我们认为三种技术中,EC技术是当下最具市场发展潜力的智能玻璃技术。

  EC玻璃自身具有优异的调光和隔热效果,也可以进一步加工成夹胶或中空玻璃。美国ViewInc在迈阿密、亚特兰大、纽约、凤凰城以及旧金山搭建了同尺寸、同朝向、同条件的EC样板房和Low-E玻璃样板房,进行节能效果对比。结果发现,相比于Low-E,EC平均每年节省了27%的空调制冷容量,用电总能耗平均降低20%。

  我们有理由相信,事实上我们也正在为之努力,EC智能玻璃将在10年之内逐渐走进中国的千家万户。我国的夏热冬暖地区、夏热冬冷以及温和地区非常适合EC玻璃的使用。值得一提的是,合肥威迪变色玻璃有限公司生产的单片EC玻璃能够满足被动房在以上区域对太阳红外热能总透射比gIR和太阳能总透射比g的要求。

  在寒冷以及严寒区域,EC玻璃的节能效果主要体现在透明态允许可见光和红外光进入室内,不妨碍冬季通过日晒取暖。不过整体来说,EC玻璃在夏热冬暖地区、夏热冬冷以及温和地区可以更有效的发挥自身的隔热节能效果。

  江苏省对建筑节能水平的要求走在全国前列。由江苏省建筑科学研究院有限公司主编的江苏省工程建设标准DGJ32/J 157-2013《居住建筑标准化外窗系统应用技术规程》中要求:“建筑外窗不提倡采用Low-E玻璃,若采用Low-E玻璃,其外窗冬季遮阳系数不得小于0.6,以避免对冬季阳光的遮挡。”这就给玻璃产品提出了新的挑战,如何兼顾“夏天不热”和“冬季晒太阳”实现全面节能?一块玻璃,如何在夏季具有较低的SC,而冬季SC≥0.6?合肥威迪的EC玻璃产品可以做到!所以,很多人把EC玻璃称为可以变色的动态Low-E。该标准也提醒高端消费者在选购EC产品的时候要留意SC值的变化范围,透明态是否可以达到0.6.

  为了对智能窗的节能效果有更深入的理解,我们请中国科学技术大学孙炜教授对EC智能玻璃进行了模拟和计算,以期能够为设计师提供EC窗节能效果和其朝向之间关系的参考。模拟房间设定处于合肥市的气候环境(夏热冬冷),窗墙比为0.8,天窗开窗比为87.5%。计算结果显示,天窗采用EC窗可以减少55%的空调制冷量,东西朝向节约的制冷量分别是42%和44%,朝南的EC窗为38%。该结果表明,EC智能窗最适合用于天窗、采光顶等长时间接受日晒的区域,在东西方向直接面对日晒,以及向阳但是带有一定角度的南向,也有很好的节能效果。阳光房,原本用来享受阳光,亲近自然,却因为强烈的日晒导致空调都无法实现制冷控温,闷热让人不得不放弃这份通透的浪漫。如果阳光房使用EC玻璃,即便是盛夏的午后,人们也可以享受EC技术带来的阴凉惬意。结合Wifi和物联网,我们可以用手机、电脑对EC玻璃实现远程控制,甚至可以为高楼大厦披上动态的外衣。

  EC技术本身具有较好的节能效果与智能优势,这种技术会不会快速发展,能不能给世界给中国带来新的变化显得尤为重要。EC智能玻璃率先在国外发展起来,法国圣戈班控股的Sage公司在2014年率先实现了量产。

  在国内,EC玻璃吸引了各大学、科研院所、企业的广泛的关注和投入。中国科技大学的徐春叶教授是电致变色学术界的领军人物,国家“千人计划”专家、中科院“百人计划”入选者,其参与发明的电致变色材料已在波音787飞机舷窗上使用。宁波祢若电子于2014年建设了国内第一条量产的基于EC技术的汽车防眩后视镜生产线,产品已经进入了汽车后装及前装市场。浙江上方电子,在2014年底研制成功中国第一块全固态电致变色智能玻璃样品(尺寸370*470 mm),目前在销售电致变色玻璃设备。中建材集团、南玻集团也正在研发EC智能玻璃的相关产品。合肥威迪变色玻璃有限公司致力于电致变色智能玻璃的产业化和在中国的普及。公司核心团队包括国家“千人计划”特聘专家、省百人计划专家、美国硅谷产业化专家、高级工程师等专家。合肥威迪已经建成国内首条幅宽1.5米,年产能10万平方米的智能玻璃产线。其产品和同尺寸(300*300 mm)的美国产品进行了性能对比,变色时间、可见光、红外光、紫外光透过率以及遮阳系数等关键指标处于相同水平。

  威迪电致变色玻璃玻璃的产品经国家玻璃检验测试中心和国家安全玻璃与石英玻璃检验测试中心的检验数据如下:

  EC玻璃作为一种全新产品,目前价格较高。国内唯一的供应商美国Sage,其售价为1万人民币每平方米,交货期16周。很多门窗幕墙界的同行关心,EC玻璃的价格会有哪样的走势?所谓以史为镜可以知兴替,我们可以从PDLC的价格走势一窥未来。2004年,国内PDLC供应商只有NSG一家,当时的价格高达10000元每平方米。2006年,市场上PDLC供应商为两家,单价降为6000,销量略有增长。2017年供应商数量已经达20家,单价降为1000元左右。与此同时销量从04年的1000平方米稳步增长为120,000。由此可以推测,EC玻璃的售价和销量可能会有类似的发展规律。考虑到遮阳、智能、隐私、节能等多种功能,EC玻璃应该比PDLC具有更广泛的应用领域和更大的市场规模。以建筑领域为例,假设1%的高端门窗幕墙使用EC玻璃,其市场规模可达4,000,000平方米。随着更多的企业参与到该领域中来,EC玻璃售价可能会降至千元以下。

  除了建筑领域以外,交通是EC玻璃第二大的应用市场。据统计,2016年生产的汽车和高铁分别为2800万辆和3474列。我国政府正在大力推广电动汽车及智能汽车,所以我们相信节能智能的EC交通玻璃有巨大的发展潜力。

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  2017年对EC玻璃来说是一个起飞点,除了节能需求,智能化浪潮更是强力助推了智能玻璃产业的发展。美国Sage、View和KTI/AGC纷纷投入巨资开始建造新的产线以抢占全球市场。我国也迎来了EC玻璃首个规模化应用,1700平方米北京腾讯大楼采光顶。我国的第一条电致变色生产线也在年内将在合肥投产。所有的现象都表明,一场静悄悄地革命正在到来,那就是玻璃也要智能化!

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