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电致变色智能玻璃在既有玻璃门窗改造上的应用前景

来源:2018《建筑门窗幕墙创新与发展》  作者:米赛 牛晓 刘钧  日期:2018-5-9
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  摘要:电致变色(EC)智能遮阳系统是将EC玻璃搭配先进的电子控制系统,在给住户提供宽广视野的同时,可以实现对EC玻璃的智能化调光、遮阳、隔热、保温、节能、隔音以及隐私效果。在新兴建筑的门窗幕墙上,EC玻璃已经开始崭露头角。在既有建筑的节能改造上,将EC夹胶玻璃与微中空改造技术进行组合,则可以将既有门窗轻松改造成智能、节能的EC智能遮阳门窗系统。
  关键词:微中空改造;电致变色玻璃;EC玻璃;智能;节能;调光;遮阳;隔音;隐私

  门窗是建筑物的重要组成部分,是实现建筑功能与美感、决定居住环境舒适度的重要因素之一。门窗在我国的发展历程,大致可以归结为从木门窗一统天下,钢门窗部分代替木门窗,70年代铝合金门窗(词条“铝合金门窗”由行业大百科提供)进入中国、90年代的塑钢门窗逐渐出现、再到05年断桥铝门窗在国内兴起,目前是多种材质门窗百花齐放的概貌。但是在多元化发展的过程中,绿色化、节能化的趋势愈加明显。

  我国各个气候区的《居住建筑节能设计标准》以及《公共建筑节能设计标准(词条“公共建筑节能设计标准”由行业大百科提供)》的实施,标志着我国建筑节能工作在民用建筑领域全面铺开,对建筑门窗(词条“建筑门窗”由行业大百科提供)幕墙行业的发展提出了新的要求。发展高性能、高技术生态建筑门窗与幕墙,不仅要从建筑外观效果、门窗及幕墙自身的基本物理性能以及造价等方面去思考,也要把幕墙及门窗的整体设计与生态环境,节能要求挂钩,要求建造后的门窗及幕墙具有良好的节能特性,在给人们营造舒适的环境的同时,实现建筑节能。

  中国能源消费构成中的建筑能耗比例已经接近30%。在建筑能耗中,采暖及空调能耗占到55%以上。降低建筑能耗,尤其是降低采暖及空调能耗已经成为中国社会节能降耗工作的重要构成部分。2010年以后,我国对节能门窗的要求越来越高,常规的断热铝合金门窗产品已经无法满足相应的节能设计标准。例如北京市的居住建筑节能设计标准中对门窗传热系数的最严格要求已经到1.8W/(m2·k);而南方的江苏省、上海市已经要求门窗的传热系数低于2.4W/(m2·k)。被动房建筑对门窗的保温传热要求会更高。

  除了更低的传热系数,更好的隔热保温(词条“隔热保温”由行业大百科提供)性能,未来人们对于房间的更高要求还体现在以下几个方面:

  1)更好的遮阳体验,尤其在夏季的南方,更好的遮阳效果意味着更舒适的温度和光照,以及更好的节能效果。在遮阳的同时,可以最充分地利用自然光室内采光

  2)在节能的前提下,实现更精细的温度控制、更舒适的居住体验。

  3)更好的景观视野,让窗外的美景和我们融为一体,仿佛身处其中,有利于医院病人的快速康复、提高办公室里面人员的工作效率。

  4)更好的噪音控制,房间的噪音水平应该控制的40分贝以下,有利于家庭里面给孩子提供一个更安静的学习环境。

  5)多功能化,集成更多的科技功能,比如实现显示屏功能,显示出美丽的图案及文字字幕。

  6)智能化,结合智能家居概念,实现智能控制,定制舒适的光照度生活环境,在周末可以定时让阳光从睡梦中唤醒您。

  为了使门窗达到上述效果,只从门窗型材上做文章是远远不够的。除了型材以外,对门窗效果影响最大的因素就是玻璃(词条“玻璃”由行业大百科提供)本身。目前节能门窗使用的双银、三银low-E玻璃已经具有较低的K值,可以实现较好的节能效果。但是距离理想中的智能化遮阳、调光、节能的要求,尚远不能及。

  研究国内外的最新科技走向,我们可以发现,助力传统的中空门窗实现上述功能,电致变色玻璃是最佳的选择!电致变色是指材料的光学属性,包括透过率反射率、雾度、色度等,在-3V~3V之间的低电压驱动下实现稳定可逆的变化的现象。电致变色玻璃结合了电致变色薄膜材料、玻璃封装领域和电子电控领域的最新技术,可以在玻璃上实现遮阳、隐私、节能效果的智能化控制。电致变色玻璃代表了玻璃未来的发展方向,在建筑领域,未来电致变色玻璃可以部分取代传统的外遮阳及内遮阳系统,同时提供宽广的视野、节能效果以及科技美感,实现智能遮阳(词条“智能遮阳”由行业大百科提供)、智能隐私、智能调光、智能节能的多重功能。

  在这里简单介绍一下全固态电致变色玻璃(All-solid electrochromic glass,以下简称EC玻璃)的结构。在玻璃基板上通过磁控溅射镀上若干三明治结构的功能层,其中的上下导电层之间夹有电致变色层、离子导体层和离子储存层。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,三氧化钨分子为空心立方结构,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,金属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,在该状态下具有极强的遮阳性能和良好的隐私性能,适合于夏季遮阳避暑。改变施加电压的方向,锂离子可以从三氧化钨晶格中可逆地脱离,恢复透明态,60~70%的可见光以及33%以上的红外光可以透过EC玻璃进入室内,适用于冬季采光和日晒取暖。

  所以,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遮阳、隔热、调光、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(词条“遮阳系数”由行业大百科提供)不得小于0.6,以避免对冬季阳光的遮挡。”这就给门窗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?如何在夏季具有较低的遮阳系数(SC<0.1),而冬季具有较高的遮阳系数(SC≥0.6),合肥威迪的EC玻璃产品可以做到!所以,很多科研工作者把EC玻璃称为具有变色功能的动态Low-E。

  EC玻璃可以进一步加工成夹胶或中空玻璃。美国的View, Inc.公司在迈阿密、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中空玻璃样板房和Low-E中空玻璃样板房,进行节能效果对比。结果发现,相比于Low-E,EC平均每年节省27%的空调制冷容量,用电总能耗平均降低20%。应用实例已经证实,EC玻璃有效帮助建筑实现的更好的节能性、智能性与舒适性。

  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、安徽省“百人计划”特聘专家、美国硅谷产业化专家、高级工程师等专家。合肥威迪于2017年底建成国内首条年产能10万平方米的智能玻璃产线,产品最大幅宽1.5米,最大尺寸为1.5*3.3米的EC智能中空玻璃、EC微中空、EC智能夹胶玻璃以及各类控制器产品。秦皇岛国家玻璃质量监督检验中心对我司EC智能中空玻璃(12mm充氩气,EC玻璃置于中空第二面)的检验结果如下:

  由上表可知,在着色状态下,EC智能中空玻璃的遮阳系数最低至0.08,尤其适合南方没有安装外遮阳的用户,可以称为高科技的“遮阳神器”!冬季可以将玻璃调成透明态,遮阳系数高达0.64,不影响夏热冬冷以及其他冬季寒冷地区的用户通过日光采暖。

  此外值得一提的是,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(词条“透射比”由行业大百科提供)gIR和太阳能总透射比g的要求。

  目前为止,国外仅有的两家EC玻璃生产商SageGlass公司和上述的View, Inc.公司,他们生产的内充惰性气体的EC中空玻璃基本都是应用在新增建筑的门窗幕墙。随着社会发展,新增建筑市场不断趋于饱和,建筑节能的重点已经从新建建筑转移至既有建筑上。据中国幕墙网统计,国内既有门窗面积110亿平方米;旧门窗更换每年新增用量10亿平方米;城镇化建设每年新增门窗用量15亿平方米;新农村建设每年新增门窗用量5亿平方米;旧房改造每年新增旧门窗更换用量20亿平方米。如果将EC玻璃应用于既有门窗的智能节能改造项目中,EC玻璃可能会有更大的舞台!

  在既有建筑的智能节能改造中,最快速的方法之一是贴片式的微中空方法。微中空改造技术即在既有门窗(幕墙)玻璃的基础上,再复合一片玻璃(单玻或者夹胶玻璃),使之与既有门窗(幕墙)玻璃形成微中空结构,从而达到降低建筑运行能耗、改善既有建筑室内环境和室内人员舒适度的目的。既有玻璃和改造用玻璃之间形成了3~6mm的微中空腔体,使得原有的单玻变成了中空玻璃,或使得原有的普通中空变成了三玻两腔。同时,微中空腔体可以降噪音约10分贝。由于玻璃选型目前大多采用Low-E夹胶玻璃,所以在K值、抗紫外和安全性能上也有较大的提升。如果将EC玻璃应用在既有门窗的微中空改造上,则可以在不破坏原有门窗结构的基础上,享受EC技术带来的科技体验。但是想将EC玻璃和微中空技术进行结合,必须克服以下问题:由于电致变色玻璃的功能层中的金属锂元素对水汽敏感,不能长期跟空气接触,SageGlass和View都是将EC玻璃的背面与钢化玻璃胶合,然后加工成内充氩气或者氪气的中空玻璃,依靠惰性气体保护EC膜面。但是中空玻璃重量和厚度过大,难以应用在微中空技术上。如果可以克服EC膜层与胶片的相容性问题,将EC膜面与胶片直接接触,并同时解决防水封装和电极引出问题,就可以减小EC玻璃的厚度和重量,实现EC玻璃在微中空后装改造中的应用!

  合肥威迪通过不懈的努力,无数次的工艺调整、方案优化与性能测试,实现了EC膜面与胶片直接接触式的EC夹胶玻璃的工业化生产,并将这种夹胶方式命名为“EC内夹胶”。EC内夹胶玻璃的微中空操作与标准的微中空安装无异(可以参考《工程建设协会标准既有门窗幕墙玻璃微中空改造施工规范》),只需在打二道胶之前将一部分导线嵌于玻璃与窗框直接的凹槽内即可,导线引出的部分外接控制器和电源。通过遥控器或者手机APP可以随心所欲地控制玻璃的在着色态和褪色态之间无级或者多档变化。而且每平方米耗电量低至0.8W。EC内夹胶玻璃搭配微中空改造,可以轻松让您的门窗实现夏季造阴凉,冬季晒太阳。我们通过windows 6.3对EC玻璃微中空改造改造前后的光学数据进行了模拟比较。将EC夹胶玻璃至于室内侧的计算结果如下:

  不管是新建门窗还是既有门窗的改造,电致变色技术都可以为国内建筑的节能化和智能化贡献力量。我们有理由相信,搭载EC智能玻璃的门窗将在10年之内逐渐走进中国的千家万户。我们期待与各位门窗幕墙界的同仁精诚合作,为中国门窗行业的发展注入新的活力。

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专家介绍

 牛晓

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:合肥威迪变色玻璃有限公司

技术职称:高级工程师

专业:超白玻璃、LOW-E玻璃生产工艺研究

专长:建筑玻璃深加工技术

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2018-5-9/44673-1.htm
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