讓科技照進來

劉宇琦

摘 要：本文整理了文獻中關于中國窗戶發(fā)展進程的研究，介紹了窗戶各個時期的功能樣式，探討了中國窗戶樣式發(fā)展的原因和趨勢。并介紹了窗框使用材質的傳統(tǒng)分類，對Low-E玻璃的化學性質、物理性質進行了簡略闡述。基于良好的隔熱和較高透光率的特點，該玻璃有較大的實際應用價值。最后本文探討了一些特殊玻璃的制作工藝，并對窗戶未來的材質和功能做了較為合理的猜想。

關鍵詞：窗戶 科技 發(fā)展史 Low-E玻璃

中圖分類號：TQ17 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0230-04

科技的發(fā)展離不開生活的需求，可以說是需求帶動了發(fā)展，現(xiàn)如今科技已與人們的日常生活緊密的聯(lián)系在了一起，人們也不僅僅只追求簡單的吃飽穿暖，特別是在買房這件大事上。中國人買房講究南北通透，要求最好冬暖夏涼，甚至還關系到風水問題，而其中最重要的便是光照和通風，窗戶正是起到這一作用。但窗戶的發(fā)展史卻不是那么順利，甚至可以說充滿曲折。

1 中國窗戶樣式發(fā)展史

窗戶具體出現(xiàn)時間在目前的文獻中并未有明確記載，我們只能從相關文獻還有遠古時期的建筑遺跡中發(fā)現(xiàn)一些歷史的痕跡。當人們從洞穴走向地面建筑，墻首先出現(xiàn)。然而人們在屋內燒篝火時會面臨大量煙氣的問題，用于通風排煙的屋頂開口也就應運而生，古人稱這種結構為“囪”。“囪”也叫“天窗”，它實際還有采光功能。這種在屋頂上固定洞口，是天窗最初的形態(tài)。囪雖然具備采光、通風和排煙功能，但不能抵抗雨雪的侵擾。因此“牖”應運而生，牖也叫側窗，是開在墻壁側面的，是我們現(xiàn)在日常見到的窗戶的最初形態(tài)。牖的誕生具有我國古代通風技術史上里程碑式的意義，這是一種難能可貴的突破，體現(xiàn)了人類旺盛熱烈的創(chuàng)造力。正是一代一代人的創(chuàng)作熱情，才讓我們可以“閑坐小窗讀周易，不知春去幾多時”。

早期的窗功能原始，造型簡單，毫無美觀，也無法開啟或關閉，雖然能夠通風透光，但是遮擋不住風雨，就像是剛剛出生的嬰兒，只能咿呀學語。窗戶發(fā)展為可以開關的確切年代已經(jīng)湮沒在漫漫歷史之中，我們可以追溯的最早時期是秦，秦咸陽宮第一號遺址挖掘出了窗用的銅百葉，表明那時的窗已經(jīng)可以開啟了。大約在漢代，建筑上開始出現(xiàn)直欞窗，這只能從出土的明器中得到證實。

隋唐至宋，我們國家的發(fā)展不斷繁榮昌盛，在國際上嶄露頭角，甚至八方來朝，窗的發(fā)展也越來越完善，主要是直欞窗，另外花飾窗也是有的。直欞窗主要分為版欞窗和破子欞窗，版欞木條橫斷面多為方形或者扁方形；破子欞的則為三角形，尖角向外展開，平面向里面內縮，從而方便裱糊，裱糊了后窗戶遮擋風霜的等級就又上升了一個層次，但相對的，視野就變得狹小了一些。此外，紀錄片《營造法式》里也描述了電窗和闌檻鉤窗的形態(tài)。唐代的房屋空間面積大，窗的大小也相應變大，并且可以打開或者關閉，方便了室內通風采光。才有“吹燈窗更明，月照一天雪”和“平野無山遮落日，西窗紅到月來時”的美妙意境。

到了明清時代，檻窗、支摘窗已經(jīng)登堂入室。這一階段的窗戶工藝日臻純熟，裝飾的手法也多種多樣，整體構思和局部刻畫這兩面都做的很好。這樣增添了這類窗戶的藝術效果，從遠處看有“力拔山兮氣蓋世”的巍峨，從近處看又顯得精妙絕倫，從而達到了剛柔并濟的藝術境界。并且，這階段的園林理論和實踐水平，得到了蓬勃發(fā)展，蘇浙一帶發(fā)展尤其迅猛，漏窗也隨著時代潮流迅速完善起來。從此以后窗的發(fā)展階段過渡到了現(xiàn)代窗階段。

新中國成立后，全國上下掀起一股建設風，窗戶也漸漸地向西方現(xiàn)代化的樣式發(fā)展，逐步豐富成我們今天的樣子，如平開窗、推拉窗、倒窗、百葉窗、天窗等。

2 材質的發(fā)展

窗框負責支撐窗體的主結構，是整個窗戶的核心，它決定窗戶是否結實耐用。窗框使用材料按照材料的使用壽命劃分，主要分為木、鋼、鋁合金、塑鋼，其中木質結構最為“年長”，塑鋼和鋁合金則是近代才出現(xiàn)的新星。這樣一種看似簡單的演變歷程，在時間上將近耗費了人類數(shù)千年。實際上，建筑材料的升級速度遠遠低于人們的期望速度，這種情形直到20世紀才發(fā)生了轉機。到如今在鋼窗占領市場的情況下，古老的木窗已經(jīng)逐步淘汰。住宅窗戶材料用得最多的是鋁合金和塑鋼，其中塑鋼占據(jù)較大份額。

總的來說，可分成三大類——木質、塑鋼窗、斷橋鋁窗。三者各有所長。

（1）木質。相對來說，木質應該是最為完美的窗體框架材質，木質在隔熱和隔音方面有壓倒性的優(yōu)勢，并且獨一無二的質感和自然的雕刻讓人著迷。其實用于窗框制造的實木在經(jīng)過多個工藝環(huán)節(jié)的處理后，已經(jīng)失去了水分，如果要求高的話，脂肪也會被抽掉。經(jīng)過這些殘酷的工業(yè)處理，天然木質事實上已經(jīng)和動物化石并無二致。這樣處理過的實木，只剩下了木材的表面觀感，耐用程度已經(jīng)大大提高，沒有開裂變形的風險，可以抵御蚊蟲侵咬和化學材料的腐蝕，此外，硬度也提高了。木質窗唯一的一個缺點就是造價太高。

為了減少木質所需的高額造價，人們引入鋁包木，即木質框架的戶外部分為一層鋁合金結構，實際上，這是綜合了木質框架的隔熱性好以及鋁合金強度高的優(yōu)點，合而為一，揚長避短。

（2）塑鋼。因為是塑料材質，所以重量小，隔熱性能好，而且價格相對較低。因為經(jīng)常要面對風吹雨打太陽曬，所以最讓人關心的是塑鋼窗的防老化問題。實際上，高品質的塑鋼窗的使用年限可達一百年左右。

（3）鋁合金。因為是金屬材質，所以不會存在老化問題，而且堅固，耐撞擊，強度大。但鋁合金窗最容易被攻擊的一個弱點就是隔熱性能，因為金屬是熱的良導體，外界與室內的溫度會隨著窗的框架傳遞。

為了防止這個問題，在有的鋁合金窗戶上采用了“斷橋”技術，即在鋁合金窗框中加一層樹脂材料，徹底斷絕了導熱的途徑。

斷橋鋁合金窗的特點如下所述。

①應用隔熱鋁合金型材。

②采用中空玻璃。

③采用獨立的密封結構。

④選用高檔附件，造型優(yōu)美，操作靈活，安全可靠，有利于窗戶的隔熱效果。

除了窗框，還有一個透明部分依附在窗框上，一般是紙、布、絲綢或玻璃材料，現(xiàn)在一般以玻璃為主，這其中質量最好的玻璃是Low-E玻璃。

Low-E玻璃有低輻射的特點，通過在玻璃表面加上化學物質的涂染和鍍上金屬混合物的膜層。這樣使得該玻璃具備良好的物理性質，對于可見光的通透率高，并且可以反射中遠程紅外射線。隔熱效果良好，透光率也高。

①良好的隔熱性能。

外門窗玻璃導致了建筑物消耗了不少能源，該能耗占據(jù)了建筑物能耗的五成以上。根據(jù)相關科學文獻考證，輻射是玻璃內部傳熱的主要方式，將近占據(jù)了六成。也就是說，降低熱能損耗可以從改變玻璃的物理性能入手。

抑制玻璃內部的輻射是著有成效的策略。通過鍍上銀做的地輻射薄膜可以將玻璃輻射率從0.84降低至0.15。所以，用該工藝的玻璃當作建筑物門窗，可以有效降低熱能損耗，從而使建筑物更有效的節(jié)能。

降低室內熱能耗散可以有效地提升環(huán)保效果。在冬天，建筑采暖會釋放很多污染氣體比如二氧化碳和二氧化硫，對大氣環(huán)境有嚴重污染。Low-E玻璃的投入使用，可以降低熱損失，從而減少采暖的能源消耗量，更進一步減少排放到大氣中的有害氣體。

熱量可以通過玻璃雙向傳導，并且有即時性的特點。只要有溫差就可以發(fā)生。冬天外冷內熱，就要求保溫。夏天外熱內冷就要求隔熱。讓室外的熱量盡量不進入室內。Low-E玻璃可以做到冬暖夏涼，需要保溫的時候就保溫需要隔熱的時間就隔熱，方便用戶使用，并且綠色環(huán)保無污染。

②良好的透光率。

Low-E玻璃的可見光透過率分布在0%～95%之間，普通6mm白玻璃無法分布在這個區(qū)間。該玻璃在室外的反射率高達30%，可見光反射率等于室外反光率，物理意義是反光程度或者說是刺眼程度，事實上，幕墻的可見光反射率的國內行業(yè)標準是小于等于30%。

盡管我國是能源大國，但分攤到每一個人，能源的人均占有率并不是很高。建筑導致的能耗占據(jù)了全國能源消耗的三成左右。考慮到這些原因，Low-E玻璃的相關理論研究和實際生產的大力推廣，可以帶來社會效益的顯著提升，并且經(jīng)濟效益也十分可觀。當然事物具有兩面性，該玻璃也有如下缺點。

①不易清潔。

Low-E玻璃所需的生產材質很特別，需要經(jīng)過清洗劑的清洗，需要清洗毛刷十分干凈。刷絲的材質必須是尼龍的，最好是高端產品，比如PA1010、PA612等，刷絲直徑最好控制在0.1～0.15mm之間。這樣尺寸的刷絲較為柔軟，很有彈性，抗化學制品的腐蝕，能抵抗高溫，清理表面塵埃也比較方便，清潔的時候不會留下刮痕。

②成本高。

Low-E玻璃目前只有有限的兩種方法，一種是通過高溫，使得玻璃材料熱降解并沉積，但其為了增強隔熱能力，會影響玻璃的透光率；還有一種方法是通過真空來使化學材料濺射，這種工藝方法需一層純銀薄膜作為功能膜，離線Low—E玻璃具備很好的柔韌性，如果沒有添加功能膜的話，這種玻璃可能會因為潮濕空氣或者氧化物而被氧化，這樣就大大增加了其制作成本。

隨著建筑技術的發(fā)展以及人類生活水平的提高，窗的構造也日趨復雜以滿足更高的熱工要求，更加需要我們不斷的創(chuàng)新。

3 對未來窗戶發(fā)展的猜想

窗戶從最基礎的通風透光，遮擋風雪逐漸產生了其他的作用，例如隔音隔熱等，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，房屋的進深越來越大，人工采光的比例越來越高，換氣也不再依靠窗的自然通風，窗已經(jīng)越來越失去其最初采光通風的作用，甚至很有可能被替換和放棄，只不過是時間長短的問題，如果窗要繼續(xù)存在，就要開發(fā)出性能更佳的材料，或者增加窗戶的功能。

3.1 Low-E玻璃

從材質這一角度來看，筆者認為，其會順應目前全球環(huán)保綠色的大前提，盡量做到低碳環(huán)保。現(xiàn)代人多注重隱私，所以窗戶需要盡量隔音，綜合這幾點來看筆者更傾向于上文提到過的Low-E玻璃。

目前的兩種Low-E玻璃生產方法，一種是折疊在線高溫熱解沉積法，將金屬粉末高溫高速噴射到玻璃表面上，這些化學物質冷卻下來后，會是玻璃表面的一部分即金屬膜層。所以，這種玻璃硬度高，耐用性強。通過這種工藝，Low-E玻璃柔韌性能好，可以彎曲折疊，長期放置不會有什么影響。但缺陷也是有的，隔熱能力并不好，改善化學性能需要增加薄膜的厚度，但是這樣會降低透明能力。另一種是折疊離線真空濺射法，通過離線法來生產Low-E玻璃，國際上主要以真空磁控濺射鍍膜技術為主流方法。與前一種方法不同，濺射法是無需在線使用的。并且可以在玻璃傳輸位置上選中垂直或者水平的擺放方式。

生產工藝也可采用垂直的方法，在架子上垂直放置玻璃，控制真空環(huán)境為10-1帕數(shù)量級，加入特定的化學氣體，使得真空度保持恒定。將靶材Ag、Si放入電池的陰極，陰極垂直的與地面平行的方向上要加入合適的磁場以保證生成磁控靶。陰極是磁控靶，交直流電源均可，加上高壓，可使化學氣體產生電離反應，變成等離子狀態(tài)。電子在電磁場的交互作用下，進行等螺旋高速運動，運動過程中會碰撞氣體分子，從而雪崩式地電離出正離子和電子；正電荷在相應電場的力的作用下，收集到足夠動能后可以撞擊到陰極的靶材，靶材被碰撞濺射接著沉積在玻璃表面，漸漸凝固形成薄膜。為了使得膜層的厚度均勻一致，我們需要控制陰極靶來回移動對應玻璃表面。多層膜的形成必須通過多個陰極，各個陰極都需要來回移動對應玻璃表面，使得形成的膜層厚度適中。

水平法幾乎與垂直法很相似，沒有很大不同。兩者最大的區(qū)別是玻璃的放置角度，玻璃放置水平放置的輪子上，通過輪子傳輸，經(jīng)過陰極，閥門開度會發(fā)生一系列變化，真空程度也會相應有所變化。

現(xiàn)在，國產以及大量的國外公司想生產的產品主要是鍍制單質膜和金屬膜為主的陽光控制膜玻璃。之所以是那樣，是因為這樣的目標產品不需要太復雜的工藝，不需要太精良的生產設備。自然的，這些簡單的工藝和粗糙的設備是無法生產出質量良好的Low-E玻璃的。

Low-E玻璃不便清理和制作成本高究其原因，是其不論單面鍍金屬或雙面鍍金屬都要鍍銀，銀屬于貴金屬，又質軟，自然不便清洗且抬高制作成本。

筆者的想法是將銀換為鎳鉻合金。銀價過高是因其不僅可用于工業(yè)，而且可投入市場，制成飾品，但銀又是最穩(wěn)定的金屬之一，所以筆者認為我們可以改變方向使用合金，合金往往比起自身組成金屬的強度更高，硬度更大，其價格雖比其他合金偏高，但比起銀來說也是大大可降低成本的。

3.2 熱敏變色玻璃

市場上有一種光敏變色玻璃，當光照強度改變時，玻璃的顏色也會隨之改變，光照越強玻璃顏色越暗，光照越弱玻璃透光性能越好。

出于現(xiàn)實考慮，筆者認為光敏的設想雖好，但用途不大，筆者的改進是將光敏玻璃改為熱敏玻璃，與光敏變色的區(qū)別是，其在僅有光照強度變化時顏色不會出現(xiàn)很大改變，但當室外溫度出現(xiàn)變化時則會。

變色玻璃一般使用的原理是溴化銀的分解反應，常見的基于含鹵化銀變色性質的玻璃，是將鈉鋁硼酸鹽玻璃中與鹵化銀（AgX）作感光劑，與微量銅反應，另外還需鎘離子作增感劑，生成玻璃后，在一定溫度下做處理，鹵化銀會變成微粒狀。當它受紫外線或可見光照射，銀離子被還原銀原子，許多銀原子變成膠體通過丁達爾效應使得玻璃顯色；停止光照條件，熱輻射或者照射長波光（紅光或紅外），銀原子轉化為銀離子從而失去顯色現(xiàn)象。鹵化銀變色玻璃的特征是耐疲勞使用壽命長，可承受30萬以上次數(shù)的化學變化，長期有效。熱敏變色玻璃則不能和其運用一樣的原理，因為鹵化銀一般見光就會分解，不能達到我們預期的效果，而室溫的差別一般不大，化學反應作用較小，所以筆者選擇使用熱敏電阻與電致變色材料。

電致變色材料能在合適的外加電壓或外加電流作用下，顏色有化學變化，該過程是可逆的，這是材料的價態(tài)和組分的變化。這類變化可以使材料的光學性能發(fā)生改變或恒定。三氧化鎢是無機電致變色材料的典型材料。現(xiàn)在， WO3為主的材料以及推廣開廣泛用于電致變色器件。

電致變色智能玻璃在電場作用下具有光吸收透過的可調節(jié)性，可選擇性地吸收或反射外界的熱輻射和內部的熱的擴散，減少辦公大樓和民用住宅在夏季保持涼爽和冬季保持溫暖而必須消耗的大量能源。同時起到改善自然光照程度、防窺的目的。電致變色材料具有雙穩(wěn)態(tài)的性能，達到節(jié)能的目的。

筆者的設想是利用已漸漸產業(yè)化的三氧化鎢材料，在玻璃的一角安裝一個小型電路，電路中連接一個或幾個靈敏的負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC），這種電阻器在溫度越高時電阻值越低，即溫度越高玻璃越易變色，這樣一來當天氣炎熱之時，玻璃顏色會變深，減少輻射與太陽光所攜帶的熱量，天氣寒冷，玻璃又會盡可能透光，從而使室內溫度與室外溫度形成一定差距，減少對空調的使用頻率。

因為要感知外界環(huán)境所以要裝在玻璃外側，且為了不與室內環(huán)境聯(lián)系，須得中間隔開，做成中通的雙層玻璃，但帶電用品放在室外容易遭受風雨而失效，故可以將其裝在雙層玻璃之間，緊貼外層玻璃。

并且，關于這種變色玻璃，還有另一種非常有優(yōu)勢的作用，即這種變色玻璃，從室內看外面很清楚，從外面看室內卻什么也看不清。這樣就形成了變色玻璃理論。它還可以反射陽光、改變顏色、調節(jié)室內光線。也叫“自動窗簾”。

以上想法雖未推入運用過，但無論創(chuàng)意或者發(fā)明，都離不開人們的創(chuàng)新與努力，即使是小事物也會有發(fā)展的可能，更不用說是與人們生活息息相關的窗戶了。

3.3 商業(yè)運用

在當今時代，窗戶已不僅僅是一種功能用品，還需滿足用戶其他方面的需求，特別是可以投入商用。比如說，從房地產的角度，可以將窗戶做成帶有放大效果的，特別是可以運用在江景房或別墅上，這種放大效果可以使人近距離欣賞遠處的美景，使人仿佛身處大自然中。而其運用原理簡單，材料易得，成本不高，適合那種私人定制的別墅。

也可以在窗戶中加入光元素，一通電就可以做成風景的不同樣式或者只是點綴，可以隨意開關，夜晚打開顯得溫暖而絢爛。前者簡單就可達到，后者稍微麻煩，但也不至于繁瑣，只需將玻璃加厚，在隔層間分為很多個透明隔間，其中加入稀有氣體，利用其特性，通電便可照亮。這可運用在理發(fā)店，餐館等服務行業(yè)，吸引顧客進入，又可隨時利用窗戶發(fā)布通知，一舉兩得。

3.4 藝術運用

現(xiàn)代人生活水平上升，不僅僅追求實用還追求美觀，但現(xiàn)在大多數(shù)建筑走簡約風，連帶著窗戶也只能不斷簡化，雖然不是說不美，但在筆者看來，其藝術價值還是要綜合東西文化，尤其是要融入一些中國風元素。古代窗戶大多以木質材料制成，多以雕花，鏤刻為主，富貴一些的人家會在上面描金，雖耐用性稍差一些，但其制作工藝水平可以說跨越時空來到現(xiàn)在仍令人嘆為觀止。對于窗戶來說，最為中國風的元素莫過于窗框的雕花，雕花不僅給窗戶留下一種精致的美感，更可以寄托主人對家庭對未來美好的期望。如故宮中乾清門的窗戶。乾清門在清代也是處理政務的場所，清代的“御門聽政”、齋戒、請寶接寶等典禮儀式都在乾清門舉行。乾清門的窗子格紋又稱“網(wǎng)格紋”，民間俗稱“豆腐格”。網(wǎng)格紋的各個正方形孔洞象征著處處正直之意。“網(wǎng)格紋”作為門窗出現(xiàn)在建筑上，就寓意建筑的主人富有又很正直。筆者認為現(xiàn)代窗戶也應突破桎梏，不再拘泥于西方化，而是多一些中國元素。

窗在很多時候和墻結合在一起甚至取代了墻的作用，比如說商店為了“透明化”會使用玻璃材質的墻，亦或是很多家里為了更好的采光會采用落地窗等等，這都是窗與其他事物結合而產生的結果，但這一加反而產生了大于二的效果。

窗戶的發(fā)展逐漸融合了不同的科學領域，不再是簡單的建筑學，這也是當下社會的一種現(xiàn)象，高科技逐漸在改變人的生活，但無論將來窗戶的材質和樣式如何變化，人性化、安全性、舒適度，仍依舊是人們不斷改進、不斷創(chuàng)新的基準，科技因人而進步，這一切的發(fā)展都來源于兩點：創(chuàng)意與需求。

而窗戶的不斷改進也正如我們所處的這個時代，不僅僅是窗戶，很多東西都在被新的東西取代，一成不變的結果很大的可能是被人們遺忘，被時代所拋棄，我們青少年更是如此，只有不斷的發(fā)展自身，對未來保持濃厚的好奇心，不斷改進，不斷反思，不斷創(chuàng)新，才能更好地適應當下的潮流。

很多時候窗戶被比喻成心靈之窗，如果將窗戶比喻為溝通之路，我們要做的就是不斷更新與提高，不僅引進國外高端的技術，更要發(fā)展自己國家的科技力量，讓科技之光照耀大地，照耀進我們自己的窗戶里來。

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