【建筑光学】智能玻璃在中国的发展前瞻

时间:2018-04-09   来源:建筑光学

  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。

  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。

  对于这三种技术,我们用智能玻璃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。(裴世铀)

86(0)530-8025815