基于專利分析的氣候調(diào)節(jié)窗技術(shù)發(fā)展研究

陳愛華

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們對(duì)于提高生活水平質(zhì)量的需求日益強(qiáng)烈，安居樂業(yè)是古往今來的樸素訴求，而居住環(huán)境的優(yōu)化是提高生活幸福感的基礎(chǔ)所在。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，綠色、環(huán)保的節(jié)能建筑應(yīng)運(yùn)而生，在節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)中，窗戶對(duì)整體節(jié)能效果影響也被考慮進(jìn)來［1］。能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候的節(jié)能窗戶可以更好地實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，這些窗戶在傳統(tǒng)窗戶的采光、通風(fēng)的基礎(chǔ)功能之上，還通過巧妙的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)室內(nèi)氣溫（以下簡稱“氣候調(diào)節(jié)窗”），凈化室內(nèi)空氣。在窗戶的漫長發(fā)展歷程中，窗戶結(jié)構(gòu)和功能的更新迭代往往是基于新材料、新技術(shù)的誕生和運(yùn)用［2］，從古早的涂油窗紙到19世紀(jì)中葉平板玻璃的大規(guī)模使用，再到現(xiàn)代窗戶中的覆膜技術(shù)、生態(tài)仿生技術(shù)，窗戶對(duì)室內(nèi)氣候的調(diào)節(jié)手段不斷升級(jí)，調(diào)節(jié)效果不斷加強(qiáng)。而在知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域，科研人員對(duì)這些技術(shù)不斷改進(jìn)，申請(qǐng)了大量專利，本研究主要對(duì)相關(guān)專利申請(qǐng)的情況進(jìn)行探究分析。

1 專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)分析

1950—1999年，“氣候調(diào)節(jié)窗”的專利申請(qǐng)主要集中在美國、歐洲、日本，其中以美國申請(qǐng)時(shí)間最早，申請(qǐng)量最多。21 世紀(jì)以來，我國在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量顯著增長，參見圖1，在2012 年申請(qǐng)量達(dá)到峰值，之后數(shù)年間，申請(qǐng)量不再穩(wěn)定增長，但申請(qǐng)總量已經(jīng)逐漸趕超其他國家。

圖1 2001—2021主要申請(qǐng)國家申請(qǐng)量統(tǒng)計(jì)

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，通風(fēng)是窗戶的主要功能，而不同溫度的室外環(huán)境往往也會(huì)通過通風(fēng)來影響室內(nèi)溫度［3］。專利研究自然早就注意到了這個(gè)問題，在20世紀(jì)五六十年代，專利申請(qǐng)的技術(shù)重點(diǎn)往往在于降低室內(nèi)氣候受到的不利影響，達(dá)到綠色節(jié)能的目的，例如當(dāng)時(shí)的美國專利申請(qǐng)US3255688A 是一種雙層的可自動(dòng)通風(fēng)的窗戶，其為了降低玻璃窗處的熱量損失，設(shè)置了雙層窗扇，并在窗戶上設(shè)置與雙層窗扇形成的空腔連通的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)置不僅能降低室外溫度變化對(duì)室內(nèi)氣溫的影響，另一方面也無須設(shè)置單獨(dú)的通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)。與該專利申請(qǐng)相似的隔斷結(jié)構(gòu)還有在專利申請(qǐng)中廣泛運(yùn)用的斷橋鋁、多層玻璃結(jié)構(gòu)，上述結(jié)構(gòu)設(shè)置的技術(shù)效果也是類似的，即降低室內(nèi)外的熱量交換效率，從而提升窗戶的隔熱、保溫性能。

2 專利申請(qǐng)人的基本情況

在中國、歐洲、美國、日本、韓國范圍內(nèi)，“氣候調(diào)節(jié)窗”領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量的主要申請(qǐng)人有VKR控股公司、哈爾濱森鷹窗業(yè)股份有限公司、株式會(huì)社佐原，具體申請(qǐng)數(shù)量參見圖2。而對(duì)其申請(qǐng)年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，1987—2000 年，VKR 控股公司在該領(lǐng)域的申請(qǐng)量為20 件，2001 年之后，哈爾濱森鷹窗業(yè)股份有限公司、株式會(huì)社佐原的申請(qǐng)量逐漸趕上，其中哈爾濱森鷹窗業(yè)股份有限公司的相關(guān)領(lǐng)域申請(qǐng)主要集中在2011—2015年。

圖2 主要申請(qǐng)人申請(qǐng)量

2.1 國內(nèi)申請(qǐng)人

國內(nèi)申請(qǐng)人中哈爾濱森鷹窗業(yè)股份有限公司明確提出“空調(diào)窗”的概念，其申請(qǐng)的專利技術(shù)主要通過采用斷橋結(jié)構(gòu)及復(fù)合型材的低熱傳導(dǎo)性框體，搭配中空玻璃多腔體結(jié)構(gòu)，內(nèi)充氬氣，與LOW-E 玻璃相結(jié)合，使中空玻璃更加節(jié)能保溫，從而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候的目的。此外，國內(nèi)申請(qǐng)人中高校申請(qǐng)人也較為多見，重慶大學(xué)、昆明理工大學(xué)、華北理工大學(xué)、長沙理工大學(xué)等高校均有相關(guān)專利申請(qǐng)。

2.2 國外申請(qǐng)人

國外申請(qǐng)人中申請(qǐng)量較大的有丹麥的VKR 控股公司和日本的株式會(huì)社佐原，此外，生產(chǎn)電子產(chǎn)品和建筑設(shè)備的日本公司三菱電機(jī)株式會(huì)社也有“氣候調(diào)節(jié)窗”的相關(guān)專利申請(qǐng)。

3 “氣候調(diào)節(jié)窗”的主要類型

3.1 換氣量調(diào)節(jié)型

圖3 主要申請(qǐng)人申請(qǐng)年份分布

該類型“空調(diào)窗”主要通過調(diào)節(jié)窗戶的通風(fēng)情況，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候的目的。早期的專利申請(qǐng)?jiān)谡{(diào)節(jié)上以手動(dòng)調(diào)節(jié)為主，隨著技術(shù)的發(fā)展，后期的專利申請(qǐng)?jiān)诖皯羯涎b設(shè)溫度傳感器，對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)控，并據(jù)此對(duì)窗戶的通風(fēng)換氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候。例如專利申請(qǐng)CN103403462A 公開了一種可根據(jù)室外的氣溫自動(dòng)調(diào)節(jié)換氣量的雙層窗，其用于寒冷地區(qū)，在室外側(cè)的遮蔽結(jié)構(gòu)體和室內(nèi)側(cè)的遮蔽結(jié)構(gòu)體，雙方設(shè)有換氣裝置，換氣裝置包括裝置主體、工作板、溫度感應(yīng)促動(dòng)器，溫度感應(yīng)促動(dòng)器響應(yīng)室外側(cè)的氣溫使工作板轉(zhuǎn)動(dòng)，以溫度越低越減小換氣通路的開口面積的方式自動(dòng)地調(diào)節(jié)。

3.2 太陽輻射熱量吸收調(diào)節(jié)型

該類型“空調(diào)窗”在窗戶上設(shè)置了能夠吸收或反射太陽輻射熱量的結(jié)構(gòu)，其相較于僅能夠進(jìn)行換氣量調(diào)節(jié)的空調(diào)窗，對(duì)太陽能進(jìn)行了更多利用，達(dá)到更好的調(diào)節(jié)效果，這也順應(yīng)了對(duì)新能源的研究利用趨勢［4-5］。例如專利申請(qǐng)CN206360609U 公開了一種用于外墻的活動(dòng)百葉結(jié)構(gòu)，其將活動(dòng)百葉結(jié)構(gòu)附加于建筑外墻，能夠起到夏季防熱、冬季保溫的作用，對(duì)南方地區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境起到改善作用，工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)室內(nèi)外連桿，通過機(jī)械裝置轉(zhuǎn)動(dòng)外墻外面的葉片；冬季時(shí)，吸收大量太陽輻射熱量，加熱外墻，提高室內(nèi)溫度，減少熱消耗；夏季時(shí)，反射太陽輻射熱，同時(shí)外墻形成氣流通風(fēng)，降低外墻溫度，減少空調(diào)使用。相似的技術(shù)構(gòu)思在專利申請(qǐng)JP2013044223A也有應(yīng)用，在該申請(qǐng)的技術(shù)方案中，在不同的卷簾上涂覆吸收功能或者反射功能的薄膜，并在夏天打開反射型卷簾，減少由太陽輻射引起的熱量輸入，在冬天打開吸收型卷簾，降低室內(nèi)熱量流失。

3.3 多功能組合型

該類型“空調(diào)窗”通過通風(fēng)口設(shè)計(jì)、特殊的百葉結(jié)構(gòu)等技術(shù)組合達(dá)到對(duì)室內(nèi)氣候調(diào)節(jié)的目的。例如專利申請(qǐng)CN108915116A 公開了一種自適應(yīng)節(jié)能墻體結(jié)構(gòu)，在建筑墻體向陽側(cè)上由外到內(nèi)間隔設(shè)有玻璃幕墻和可驅(qū)動(dòng)的百葉窗，所述玻璃幕墻和百葉窗之間的間隔形成空氣流道，所述玻璃幕墻的上下分別對(duì)應(yīng)設(shè)有可啟閉的上通風(fēng)口和下通風(fēng)口，所述上通風(fēng)口和下通風(fēng)口的兩端連通室外和空氣流道，所述百葉窗的葉片為由相變材料層和反射隔熱層組成的組合式結(jié)構(gòu)，利用反射隔熱層的太陽光輻射高反射率以及相變層內(nèi)的相變換熱作用，大幅度提高了隔熱保溫效果與能量儲(chǔ)存與利用的效率。此外，部分窗戶還通過在通風(fēng)口上設(shè)置過濾層，達(dá)到換氣過程的過濾，從而凈化室內(nèi)空氣，但是如何平衡過濾等級(jí)和通風(fēng)效率也是需要考慮的問題［6］。

4 重要申請(qǐng)人的技術(shù)發(fā)展

4.1 申請(qǐng)人VKR控股公司的技術(shù)發(fā)展

VKR 控股公司與節(jié)能門窗相關(guān)的專利申請(qǐng)量為90 余件，其技術(shù)要點(diǎn)在于窗戶結(jié)構(gòu)、窗戶上百葉的控制設(shè)備、節(jié)能玻璃制作等方面。其早期專利技術(shù)主要研究窗戶的簡單隔熱結(jié)構(gòu)，例如專利申請(qǐng)EP0948692B1，其窗扇上設(shè)置雙層隔熱結(jié)構(gòu)，窗扇的四邊構(gòu)件也均由隔熱性能良好的材料制成。此外，該申請(qǐng)人還研究窗戶上的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，可知窗戶的通風(fēng)效率，并隨著技術(shù)的發(fā)展，其專利申請(qǐng)的技術(shù)方案通過自動(dòng)測量設(shè)備輔助來實(shí)現(xiàn)窗戶的差別控制，研究門窗上對(duì)太陽能的利用，并結(jié)合光照強(qiáng)度和室內(nèi)溫度來調(diào)節(jié)室內(nèi)通風(fēng)情況，進(jìn)而調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候，后續(xù)還有研究針對(duì)室外溫度和光照情況來調(diào)節(jié)窗上屏蔽裝置的開關(guān)來調(diào)整室內(nèi)氣候舒適性。例如專利申請(qǐng)US8639387B2，其主要是針對(duì)天窗的控制方法的改進(jìn)，根據(jù)用戶輸入的窗戶的位置、方向和傾斜度等參數(shù)，計(jì)算氣候和舒適度程序的變化，此外，還兼顧季節(jié)、絕緣建筑材料、用戶是否在家等參數(shù)，來確定窗戶開關(guān)的時(shí)間和開啟程度，進(jìn)而使得室內(nèi)人員獲得舒適的光照、氣候，以及節(jié)省室內(nèi)空調(diào)的能耗。該公司研究還涉及窗戶的配件結(jié)構(gòu)，例如通風(fēng)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、鎖定結(jié)構(gòu)、窗戶阻尼器、隔熱型材等。近年來，該申請(qǐng)人在真空絕緣玻璃（VIG）單元方面的申請(qǐng)逐漸增多，其申請(qǐng)的專利類型包括整體窗戶產(chǎn)品和相關(guān)配件，以及制作真空絕緣玻璃（VIG）單元的設(shè)備和方法。

4.2 申請(qǐng)人哈爾濱森鷹窗業(yè)股份有限公司的技術(shù)發(fā)展

哈爾濱森鷹窗業(yè)股份有限公司在節(jié)能門窗領(lǐng)域目前申請(qǐng)專利80 余件，類型包括發(fā)明和實(shí)用新型，其初期主要技術(shù)要點(diǎn)在于隔熱、保溫門窗型材，主要通過設(shè)置斷橋結(jié)構(gòu)、鋁木塑復(fù)合結(jié)構(gòu)來降低門窗型材的傳熱系數(shù)，從而保證室內(nèi)氣候穩(wěn)定，降低空調(diào)能耗。例如專利申請(qǐng)CN2489059Y，其要求保護(hù)一種內(nèi)開式內(nèi)鑲木隔熱鋁合金窗，窗框及窗扇由鋁合金與塑料通過擠壓復(fù)合連接組成框體，通過卡口鑲嵌及自攻釘固定將木材安裝在鋁合金內(nèi)側(cè)面，窗框與窗扇之間裝有三道密封膠條，上述結(jié)構(gòu)設(shè)置提高窗戶隔熱性能。該申請(qǐng)人在后期申請(qǐng)了大量節(jié)能門窗的整體結(jié)構(gòu)，其在隔熱、保溫門窗型材的基礎(chǔ)上，加入多層玻璃結(jié)構(gòu)，以及在多層玻璃腔體內(nèi)填充惰性氣體，進(jìn)一步降低門窗整體熱傳遞效率，提高節(jié)能效果。

5 結(jié)語

在建筑設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的門窗作用是通風(fēng)和采光，然而技術(shù)發(fā)展使得門窗能夠兼顧室內(nèi)氣候調(diào)節(jié)，使得建筑整體更為節(jié)能，通過對(duì)相關(guān)專利技術(shù)的分析研究可以發(fā)現(xiàn)以下三點(diǎn)。

①現(xiàn)有技術(shù)中，通過門窗型材、通風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)置以及對(duì)太陽輻射的吸收與反射等手段，能夠起到穩(wěn)定或調(diào)節(jié)室內(nèi)氣溫的目的，使得居住環(huán)境更為舒適。由于基礎(chǔ)技術(shù)的研究目前已經(jīng)進(jìn)入平緩發(fā)展期，專利技術(shù)的研究技術(shù)目前主要著眼于整體結(jié)構(gòu)的性能提升，或者細(xì)部結(jié)構(gòu)材料的改進(jìn)。

②“氣候調(diào)節(jié)窗”的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)被國內(nèi)外創(chuàng)新主體所熟知，但是具體技術(shù)分支的深入研究依然是十分必要的，例如窗戶上的覆膜材料和覆膜工藝、生態(tài)仿生技術(shù)的應(yīng)用等，都值得進(jìn)一步深耕探索，并進(jìn)行針對(duì)性的專利布局。

③先進(jìn)技術(shù)在學(xué)術(shù)研究或?qū)＠暾?qǐng)上較為活躍，但是受限于生產(chǎn)成本、設(shè)備維護(hù)難度等原因，在實(shí)際生活中推廣應(yīng)用較少，后續(xù)期望能夠有更多性價(jià)比更高、效果更好的“氣候調(diào)節(jié)窗”技術(shù)，能讓這樣的神奇窗戶走進(jìn)千家萬戶，服務(wù)人們的幸福生活。