让科技照进来

刘宇琦

摘 要：本文整理了文献中关于中国窗户发展进程的研究，介绍了窗户各个时期的功能样式，探讨了中国窗户样式发展的原因和趋势。并介绍了窗框使用材质的传统分类，对Low-E玻璃的化学性质、物理性质进行了简略阐述。基于良好的隔热和较高透光率的特点，该玻璃有较大的实际应用价值。最后本文探討了一些特殊玻璃的制作工艺，并对窗户未来的材质和功能做了较为合理的猜想。

关键词：窗户 科技 发展史 Low-E玻璃

中图分类号：TQ17 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0230-04

科技的发展离不开生活的需求，可以说是需求带动了发展，现如今科技已与人们的日常生活紧密的联系在了一起，人们也不仅仅只追求简单的吃饱穿暖，特别是在买房这件大事上。中国人买房讲究南北通透，要求最好冬暖夏凉，甚至还关系到风水问题，而其中最重要的便是光照和通风，窗户正是起到这一作用。但窗户的发展史却不是那么顺利，甚至可以说充满曲折。

1 中国窗户样式发展史

窗户具体出现时间在目前的文献中并未有明确记载，我们只能从相关文献还有远古时期的建筑遗迹中发现一些历史的痕迹。当人们从洞穴走向地面建筑，墙首先出现。然而人们在屋内烧篝火时会面临大量烟气的问题，用于通风排烟的屋顶开口也就应运而生，古人称这种结构为“囱”。“囱”也叫“天窗”，它实际还有采光功能。这种在屋顶上固定洞口，是天窗最初的形态。囱虽然具备采光、通风和排烟功能，但不能抵抗雨雪的侵扰。因此“牖”应运而生，牖也叫侧窗，是开在墙壁侧面的，是我们现在日常见到的窗户的最初形态。牖的诞生具有我国古代通风技术史上里程碑式的意义，这是一种难能可贵的突破，体现了人类旺盛热烈的创造力。正是一代一代人的创作热情，才让我们可以“闲坐小窗读周易，不知春去几多时”。

早期的窗功能原始，造型简单，毫无美观，也无法开启或关闭，虽然能够通风透光，但是遮挡不住风雨，就像是刚刚出生的婴儿，只能咿呀学语。窗户发展为可以开关的确切年代已经湮没在漫漫历史之中，我们可以追溯的最早时期是秦，秦咸阳宫第一号遗址挖掘出了窗用的铜百叶，表明那时的窗已经可以开启了。大约在汉代，建筑上开始出现直棂窗，这只能从出土的明器中得到证实。

隋唐至宋，我们国家的发展不断繁荣昌盛，在国际上崭露头角，甚至八方来朝，窗的发展也越来越完善，主要是直棂窗，另外花饰窗也是有的。直棂窗主要分为版棂窗和破子棂窗，版棂木条横断面多为方形或者扁方形；破子棂的则为三角形，尖角向外展开，平面向里面内缩，从而方便裱糊，裱糊了后窗户遮挡风霜的等级就又上升了一个层次，但相对的，视野就变得狭小了一些。此外，纪录片《营造法式》里也描述了电窗和阑槛钩窗的形态。唐代的房屋空间面积大，窗的大小也相应变大，并且可以打开或者关闭，方便了室内通风采光。才有“吹灯窗更明，月照一天雪”和“平野无山遮落日，西窗红到月来时”的美妙意境。

到了明清时代，槛窗、支摘窗已经登堂入室。这一阶段的窗户工艺日臻纯熟，装饰的手法也多种多样，整体构思和局部刻画这两面都做的很好。这样增添了这类窗户的艺术效果，从远处看有“力拔山兮气盖世”的巍峨，从近处看又显得精妙绝伦，从而达到了刚柔并济的艺术境界。并且，这阶段的园林理论和实践水平，得到了蓬勃发展，苏浙一带发展尤其迅猛，漏窗也随着时代潮流迅速完善起来。从此以后窗的发展阶段过渡到了现代窗阶段。

新中国成立后，全国上下掀起一股建设风，窗户也渐渐地向西方现代化的样式发展，逐步丰富成我们今天的样子，如平开窗、推拉窗、倒窗、百叶窗、天窗等。

2 材质的发展

窗框负责支撑窗体的主结构，是整个窗户的核心，它决定窗户是否结实耐用。窗框使用材料按照材料的使用寿命划分，主要分为木、钢、铝合金、塑钢，其中木质结构最为“年长”，塑钢和铝合金则是近代才出现的新星。这样一种看似简单的演变历程，在时间上将近耗费了人类数千年。实际上，建筑材料的升级速度远远低于人们的期望速度，这种情形直到20世纪才发生了转机。到如今在钢窗占领市场的情况下，古老的木窗已经逐步淘汰。住宅窗户材料用得最多的是铝合金和塑钢，其中塑钢占据较大份额。

总的来说，可分成三大类——木质、塑钢窗、断桥铝窗。三者各有所长。

（1）木质。相对来说，木质应该是最为完美的窗体框架材质，木质在隔热和隔音方面有压倒性的优势，并且独一无二的质感和自然的雕刻让人着迷。其实用于窗框制造的实木在经过多个工艺环节的处理后，已经失去了水分，如果要求高的话，脂肪也会被抽掉。经过这些残酷的工业处理，天然木质事实上已经和动物化石并无二致。这样处理过的实木，只剩下了木材的表面观感，耐用程度已经大大提高，没有开裂变形的风险，可以抵御蚊虫侵咬和化学材料的腐蚀，此外，硬度也提高了。木质窗唯一的一个缺点就是造价太高。

为了减少木质所需的高额造价，人们引入铝包木，即木质框架的户外部分为一层铝合金结构，实际上，这是综合了木质框架的隔热性好以及铝合金强度高的优点，合而为一，扬长避短。

（2）塑钢。因为是塑料材质，所以重量小，隔热性能好，而且价格相对较低。因为经常要面对风吹雨打太阳晒，所以最让人关心的是塑钢窗的防老化问题。实际上，高品质的塑钢窗的使用年限可达一百年左右。

（3）铝合金。因为是金属材质，所以不会存在老化问题，而且坚固，耐撞击，强度大。但铝合金窗最容易被攻击的一个弱点就是隔热性能，因为金属是热的良导体，外界与室内的温度会随着窗的框架传递。

为了防止这个问题，在有的铝合金窗户上采用了“断桥”技术，即在铝合金窗框中加一层树脂材料，彻底断绝了导热的途径。

断桥铝合金窗的特点如下所述。

①应用隔热铝合金型材。

②采用中空玻璃。

③采用独立的密封结构。

④选用高档附件，造型优美，操作灵活，安全可靠，有利于窗户的隔热效果。

除了窗框，还有一个透明部分依附在窗框上，一般是纸、布、丝绸或玻璃材料，现在一般以玻璃为主，这其中质量最好的玻璃是Low-E玻璃。

Low-E玻璃有低辐射的特点，通过在玻璃表面加上化學物质的涂染和镀上金属混合物的膜层。这样使得该玻璃具备良好的物理性质，对于可见光的通透率高，并且可以反射中远程红外射线。隔热效果良好，透光率也高。

①良好的隔热性能。

外门窗玻璃导致了建筑物消耗了不少能源，该能耗占据了建筑物能耗的五成以上。根据相关科学文献考证，辐射是玻璃内部传热的主要方式，将近占据了六成。也就是说，降低热能损耗可以从改变玻璃的物理性能入手。

抑制玻璃内部的辐射是著有成效的策略。通过镀上银做的地辐射薄膜可以将玻璃辐射率从0.84降低至0.15。所以，用该工艺的玻璃当作建筑物门窗，可以有效降低热能损耗，从而使建筑物更有效的节能。

降低室内热能耗散可以有效地提升环保效果。在冬天，建筑采暖会释放很多污染气体比如二氧化碳和二氧化硫，对大气环境有严重污染。Low-E玻璃的投入使用，可以降低热损失，从而减少采暖的能源消耗量，更进一步减少排放到大气中的有害气体。

热量可以通过玻璃双向传导，并且有即时性的特点。只要有温差就可以发生。冬天外冷内热，就要求保温。夏天外热内冷就要求隔热。让室外的热量尽量不进入室内。Low-E玻璃可以做到冬暖夏凉，需要保温的时候就保温需要隔热的时间就隔热，方便用户使用，并且绿色环保无污染。

②良好的透光率。

Low-E玻璃的可见光透过率分布在0%～95%之间，普通6mm白玻璃无法分布在这个区间。该玻璃在室外的反射率高达30%，可见光反射率等于室外反光率，物理意义是反光程度或者说是刺眼程度，事实上，幕墙的可见光反射率的国内行业标准是小于等于30%。

尽管我国是能源大国，但分摊到每一个人，能源的人均占有率并不是很高。建筑导致的能耗占据了全国能源消耗的三成左右。考虑到这些原因，Low-E玻璃的相关理论研究和实际生产的大力推广，可以带来社会效益的显著提升，并且经济效益也十分可观。当然事物具有两面性，该玻璃也有如下缺点。

①不易清洁。

Low-E玻璃所需的生产材质很特别，需要经过清洗剂的清洗，需要清洗毛刷十分干净。刷丝的材质必须是尼龙的，最好是高端产品，比如PA1010、PA612等，刷丝直径最好控制在0.1～0.15mm之间。这样尺寸的刷丝较为柔软，很有弹性，抗化学制品的腐蚀，能抵抗高温，清理表面尘埃也比较方便，清洁的时候不会留下刮痕。

②成本高。

Low-E玻璃目前只有有限的两种方法，一种是通过高温，使得玻璃材料热降解并沉积，但其为了增强隔热能力，会影响玻璃的透光率；还有一种方法是通过真空来使化学材料溅射，这种工艺方法需一层纯银薄膜作为功能膜，离线Low—E玻璃具备很好的柔韧性，如果没有添加功能膜的话，这种玻璃可能会因为潮湿空气或者氧化物而被氧化，这样就大大增加了其制作成本。

随着建筑技术的发展以及人类生活水平的提高，窗的构造也日趋复杂以满足更高的热工要求，更加需要我们不断的创新。

3 对未来窗户发展的猜想

窗户从最基础的通风透光，遮挡风雪逐渐产生了其他的作用，例如隔音隔热等，随着现代科技的发展，房屋的进深越来越大，人工采光的比例越来越高，换气也不再依靠窗的自然通风，窗已经越来越失去其最初采光通风的作用，甚至很有可能被替换和放弃，只不过是时间长短的问题，如果窗要继续存在，就要开发出性能更佳的材料，或者增加窗户的功能。

3.1 Low-E玻璃

从材质这一角度来看，笔者认为，其会顺应目前全球环保绿色的大前提，尽量做到低碳环保。现代人多注重隐私，所以窗户需要尽量隔音，综合这几点来看笔者更倾向于上文提到过的Low-E玻璃。

目前的两种Low-E玻璃生产方法，一种是折叠在线高温热解沉积法，将金属粉末高温高速喷射到玻璃表面上，这些化学物质冷却下来后，会是玻璃表面的一部分即金属膜层。所以，这种玻璃硬度高，耐用性强。通过这种工艺，Low-E玻璃柔韧性能好，可以弯曲折叠，长期放置不会有什么影响。但缺陷也是有的，隔热能力并不好，改善化学性能需要增加薄膜的厚度，但是这样会降低透明能力。另一种是折叠离线真空溅射法，通过离线法来生产Low-E玻璃，国际上主要以真空磁控溅射镀膜技术为主流方法。与前一种方法不同，溅射法是无需在线使用的。并且可以在玻璃传输位置上选中垂直或者水平的摆放方式。

生产工艺也可采用垂直的方法，在架子上垂直放置玻璃，控制真空环境为10-1帕数量级，加入特定的化学气体，使得真空度保持恒定。将靶材Ag、Si放入电池的阴极，阴极垂直的与地面平行的方向上要加入合适的磁场以保证生成磁控靶。阴极是磁控靶，交直流电源均可，加上高压，可使化学气体产生电离反应，变成等离子状态。电子在电磁场的交互作用下，进行等螺旋高速运动，运动过程中会碰撞气体分子，从而雪崩式地电离出正离子和电子；正电荷在相应电场的力的作用下，收集到足够动能后可以撞击到阴极的靶材，靶材被碰撞溅射接着沉积在玻璃表面，渐渐凝固形成薄膜。为了使得膜层的厚度均匀一致，我们需要控制阴极靶来回移动对应玻璃表面。多层膜的形成必须通过多个阴极，各个阴极都需要来回移动对应玻璃表面，使得形成的膜层厚度适中。

水平法几乎与垂直法很相似，没有很大不同。两者最大的区别是玻璃的放置角度，玻璃放置水平放置的轮子上，通过轮子传输，经过阴极，阀门开度会发生一系列变化，真空程度也会相应有所变化。

现在，国产以及大量的国外公司想生产的产品主要是镀制单质膜和金属膜为主的阳光控制膜玻璃。之所以是那样，是因为这样的目标产品不需要太复杂的工艺，不需要太精良的生产设备。自然的，这些简单的工艺和粗糙的设备是无法生产出质量良好的Low-E玻璃的。

Low-E玻璃不便清理和制作成本高究其原因，是其不论单面镀金属或双面镀金属都要镀银，银属于贵金属，又质软，自然不便清洗且抬高制作成本。

笔者的想法是将银换为镍铬合金。银价过高是因其不仅可用于工业，而且可投入市场，制成饰品，但银又是最稳定的金属之一，所以笔者认为我们可以改变方向使用合金，合金往往比起自身组成金属的强度更高，硬度更大，其价格虽比其他合金偏高，但比起银来说也是大大可降低成本的。

3.2 热敏变色玻璃

市场上有一种光敏变色玻璃，当光照强度改变时，玻璃的颜色也会随之改变，光照越强玻璃颜色越暗，光照越弱玻璃透光性能越好。

出于现实考虑，笔者认为光敏的设想虽好，但用途不大，笔者的改进是将光敏玻璃改为热敏玻璃，与光敏变色的区别是，其在仅有光照强度变化时颜色不会出现很大改变，但当室外温度出现变化时则会。

变色玻璃一般使用的原理是溴化银的分解反应，常见的基于含卤化银变色性质的玻璃，是将钠铝硼酸盐玻璃中与卤化银（AgX）作感光剂，与微量铜反应，另外还需镉离子作增感剂，生成玻璃后，在一定温度下做处理，卤化银会变成微粒状。当它受紫外线或可见光照射，银离子被还原银原子，许多银原子变成胶体通过丁达尔效应使得玻璃显色；停止光照条件，热辐射或者照射长波光（红光或红外），银原子转化为银离子从而失去显色现象。卤化银变色玻璃的特征是耐疲劳使用寿命长，可承受30万以上次数的化学变化，长期有效。热敏变色玻璃则不能和其运用一样的原理，因为卤化银一般见光就会分解，不能达到我们预期的效果，而室温的差别一般不大，化学反应作用较小，所以笔者选择使用热敏电阻与电致变色材料。

电致变色材料能在合适的外加电压或外加电流作用下，颜色有化学变化，该过程是可逆的，这是材料的价态和组分的变化。这类变化可以使材料的光学性能发生改变或恒定。三氧化钨是无机电致变色材料的典型材料。现在， WO3为主的材料以及推广开广泛用于电致变色器件。

电致变色智能玻璃在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热的扩散，减少办公大楼和民用住宅在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须消耗的大量能源。同时起到改善自然光照程度、防窥的目的。电致变色材料具有双稳态的性能，达到节能的目的。

笔者的设想是利用已渐渐产业化的三氧化钨材料，在玻璃的一角安装一个小型电路，电路中连接一个或几个灵敏的负温度系数热敏电阻器（NTC），这种电阻器在温度越高时电阻值越低，即温度越高玻璃越易变色，这样一来当天气炎热之时，玻璃颜色会变深，减少辐射与太阳光所携带的热量，天气寒冷，玻璃又会尽可能透光，从而使室内温度与室外温度形成一定差距，减少对空调的使用频率。

因为要感知外界环境所以要装在玻璃外侧，且为了不与室内环境联系，须得中间隔开，做成中通的双层玻璃，但带电用品放在室外容易遭受风雨而失效，故可以将其装在双层玻璃之间，紧贴外层玻璃。

并且，關于这种变色玻璃，还有另一种非常有优势的作用，即这种变色玻璃，从室内看外面很清楚，从外面看室内却什么也看不清。这样就形成了变色玻璃理论。它还可以反射阳光、改变颜色、调节室内光线。也叫“自动窗帘”。

以上想法虽未推入运用过，但无论创意或者发明，都离不开人们的创新与努力，即使是小事物也会有发展的可能，更不用说是与人们生活息息相关的窗户了。

3.3 商业运用

在当今时代，窗户已不仅仅是一种功能用品，还需满足用户其他方面的需求，特别是可以投入商用。比如说，从房地产的角度，可以将窗户做成带有放大效果的，特别是可以运用在江景房或别墅上，这种放大效果可以使人近距离欣赏远处的美景，使人仿佛身处大自然中。而其运用原理简单，材料易得，成本不高，适合那种私人定制的别墅。

也可以在窗户中加入光元素，一通电就可以做成风景的不同样式或者只是点缀，可以随意开关，夜晚打开显得温暖而绚烂。前者简单就可达到，后者稍微麻烦，但也不至于繁琐，只需将玻璃加厚，在隔层间分为很多个透明隔间，其中加入稀有气体，利用其特性，通电便可照亮。这可运用在理发店，餐馆等服务行业，吸引顾客进入，又可随时利用窗户发布通知，一举两得。

3.4 艺术运用

现代人生活水平上升，不仅仅追求实用还追求美观，但现在大多数建筑走简约风，连带着窗户也只能不断简化，虽然不是说不美，但在笔者看来，其艺术价值还是要综合东西文化，尤其是要融入一些中国风元素。古代窗户大多以木质材料制成，多以雕花，镂刻为主，富贵一些的人家会在上面描金，虽耐用性稍差一些，但其制作工艺水平可以说跨越时空来到现在仍令人叹为观止。对于窗户来说，最为中国风的元素莫过于窗框的雕花，雕花不仅给窗户留下一种精致的美感，更可以寄托主人对家庭对未来美好的期望。如故宫中乾清门的窗户。乾清门在清代也是处理政务的场所，清代的“御门听政”、斋戒、请宝接宝等典礼仪式都在乾清门举行。乾清门的窗子格纹又称“网格纹”，民间俗称“豆腐格”。网格纹的各个正方形孔洞象征着处处正直之意。“网格纹”作为门窗出现在建筑上，就寓意建筑的主人富有又很正直。笔者认为现代窗户也应突破桎梏，不再拘泥于西方化，而是多一些中国元素。

窗在很多时候和墙结合在一起甚至取代了墙的作用，比如说商店为了“透明化”会使用玻璃材质的墙，亦或是很多家里为了更好的采光会采用落地窗等等，这都是窗与其他事物结合而产生的结果，但这一加反而产生了大于二的效果。

窗户的发展逐渐融合了不同的科学领域，不再是简单的建筑学，这也是当下社会的一种现象，高科技逐渐在改变人的生活，但无论将来窗户的材质和样式如何变化，人性化、安全性、舒适度，仍依旧是人们不断改进、不断创新的基准，科技因人而进步，这一切的发展都来源于两点：创意与需求。

而窗户的不断改进也正如我们所处的这个时代，不仅仅是窗户，很多东西都在被新的东西取代，一成不变的结果很大的可能是被人们遗忘，被时代所抛弃，我们青少年更是如此，只有不断的发展自身，对未来保持浓厚的好奇心，不断改进，不断反思，不断创新，才能更好地适应当下的潮流。

很多时候窗户被比喻成心灵之窗，如果将窗户比喻为沟通之路，我们要做的就是不断更新与提高，不仅引进国外高端的技术，更要发展自己国家的科技力量，让科技之光照耀大地，照耀进我们自己的窗户里来。

参考文献

[1] 黄纯颖.工程设计方法[M].北京：中国科学技术出版社，1989.

[2] （印度）维杰伊·格普泰，P.N.默赛.工程设计方法导论[M].魏发辰，译.北京：国防工业出版社，1987.

[3] 张钦南.建筑设计方法学[M].西安：陕西科学技术出版社，2004.

[4] 刘先觉.现代建筑理论[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[5] 来增祥.室内设计原理[M].上海：上海科技出版社，2002.

[6] 武换娥，巩玉志，梅其君.论现代建筑设计中的人本思想[J].山西建筑，2007，33（9）：73-75.

[7]姚业峰.刍议建筑外窗保温性能检测的若干问题[J].门窗，2017（8）：22.