基于专利分析的气候调节窗技术发展研究

陈爱华

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

0 引言

现代社会经济高速发展，人们对于提高生活水平质量的需求日益强烈，安居乐业是古往今来的朴素诉求，而居住环境的优化是提高生活幸福感的基础所在。随着科学技术的发展，绿色、环保的节能建筑应运而生，在节能建筑的设计中，窗户对整体节能效果影响也被考虑进来［1］。能够调节室内气候的节能窗户可以更好地实现绿色环保，这些窗户在传统窗户的采光、通风的基础功能之上，还通过巧妙的设计调节室内气温（以下简称“气候调节窗”），净化室内空气。在窗户的漫长发展历程中，窗户结构和功能的更新迭代往往是基于新材料、新技术的诞生和运用［2］，从古早的涂油窗纸到19世纪中叶平板玻璃的大规模使用，再到现代窗户中的覆膜技术、生态仿生技术，窗户对室内气候的调节手段不断升级，调节效果不断加强。而在知识产权领域，科研人员对这些技术不断改进，申请了大量专利，本研究主要对相关专利申请的情况进行探究分析。

1 专利申请数据分析

1950—1999年，“气候调节窗”的专利申请主要集中在美国、欧洲、日本，其中以美国申请时间最早，申请量最多。21 世纪以来，我国在该领域的专利申请量显著增长，参见图1，在2012 年申请量达到峰值，之后数年间，申请量不再稳定增长，但申请总量已经逐渐赶超其他国家。

图1 2001—2021主要申请国家申请量统计

传统观念认为，通风是窗户的主要功能，而不同温度的室外环境往往也会通过通风来影响室内温度［3］。专利研究自然早就注意到了这个问题，在20世纪五六十年代，专利申请的技术重点往往在于降低室内气候受到的不利影响，达到绿色节能的目的，例如当时的美国专利申请US3255688A 是一种双层的可自动通风的窗户，其为了降低玻璃窗处的热量损失，设置了双层窗扇，并在窗户上设置与双层窗扇形成的空腔连通的通风结构，该结构设置不仅能降低室外温度变化对室内气温的影响，另一方面也无须设置单独的通风管道结构。与该专利申请相似的隔断结构还有在专利申请中广泛运用的断桥铝、多层玻璃结构，上述结构设置的技术效果也是类似的，即降低室内外的热量交换效率，从而提升窗户的隔热、保温性能。

2 专利申请人的基本情况

在中国、欧洲、美国、日本、韩国范围内，“气候调节窗”领域的专利申请量的主要申请人有VKR控股公司、哈尔滨森鹰窗业股份有限公司、株式会社佐原，具体申请数量参见图2。而对其申请年份进行统计可以发现，1987—2000 年，VKR 控股公司在该领域的申请量为20 件，2001 年之后，哈尔滨森鹰窗业股份有限公司、株式会社佐原的申请量逐渐赶上，其中哈尔滨森鹰窗业股份有限公司的相关领域申请主要集中在2011—2015年。

图2 主要申请人申请量

2.1 国内申请人

国内申请人中哈尔滨森鹰窗业股份有限公司明确提出“空调窗”的概念，其申请的专利技术主要通过采用断桥结构及复合型材的低热传导性框体，搭配中空玻璃多腔体结构，内充氩气，与LOW-E 玻璃相结合，使中空玻璃更加节能保温，从而达到调节室内气候的目的。此外，国内申请人中高校申请人也较为多见，重庆大学、昆明理工大学、华北理工大学、长沙理工大学等高校均有相关专利申请。

2.2 国外申请人

国外申请人中申请量较大的有丹麦的VKR 控股公司和日本的株式会社佐原，此外，生产电子产品和建筑设备的日本公司三菱电机株式会社也有“气候调节窗”的相关专利申请。

3 “气候调节窗”的主要类型

3.1 换气量调节型

图3 主要申请人申请年份分布

该类型“空调窗”主要通过调节窗户的通风情况，进而达到调节室内气候的目的。早期的专利申请在调节上以手动调节为主，随着技术的发展，后期的专利申请在窗户上装设温度传感器，对室内温度进行监控，并据此对窗户的通风换气量进行调节，进而调节室内气候。例如专利申请CN103403462A 公开了一种可根据室外的气温自动调节换气量的双层窗，其用于寒冷地区，在室外侧的遮蔽结构体和室内侧的遮蔽结构体，双方设有换气装置，换气装置包括装置主体、工作板、温度感应促动器，温度感应促动器响应室外侧的气温使工作板转动，以温度越低越减小换气通路的开口面积的方式自动地调节。

3.2 太阳辐射热量吸收调节型

该类型“空调窗”在窗户上设置了能够吸收或反射太阳辐射热量的结构，其相较于仅能够进行换气量调节的空调窗，对太阳能进行了更多利用，达到更好的调节效果，这也顺应了对新能源的研究利用趋势［4-5］。例如专利申请CN206360609U 公开了一种用于外墙的活动百叶结构，其将活动百叶结构附加于建筑外墙，能够起到夏季防热、冬季保温的作用，对南方地区室内热环境起到改善作用，工作时转动室内外连杆，通过机械装置转动外墙外面的叶片；冬季时，吸收大量太阳辐射热量，加热外墙，提高室内温度，减少热消耗；夏季时，反射太阳辐射热，同时外墙形成气流通风，降低外墙温度，减少空调使用。相似的技术构思在专利申请JP2013044223A也有应用，在该申请的技术方案中，在不同的卷帘上涂覆吸收功能或者反射功能的薄膜，并在夏天打开反射型卷帘，减少由太阳辐射引起的热量输入，在冬天打开吸收型卷帘，降低室内热量流失。

3.3 多功能组合型

该类型“空调窗”通过通风口设计、特殊的百叶结构等技术组合达到对室内气候调节的目的。例如专利申请CN108915116A 公开了一种自适应节能墙体结构，在建筑墙体向阳侧上由外到内间隔设有玻璃幕墙和可驱动的百叶窗，所述玻璃幕墙和百叶窗之间的间隔形成空气流道，所述玻璃幕墙的上下分别对应设有可启闭的上通风口和下通风口，所述上通风口和下通风口的两端连通室外和空气流道，所述百叶窗的叶片为由相变材料层和反射隔热层组成的组合式结构，利用反射隔热层的太阳光辐射高反射率以及相变层内的相变换热作用，大幅度提高了隔热保温效果与能量储存与利用的效率。此外，部分窗户还通过在通风口上设置过滤层，达到换气过程的过滤，从而净化室内空气，但是如何平衡过滤等级和通风效率也是需要考虑的问题［6］。

4 重要申请人的技术发展

4.1 申请人VKR控股公司的技术发展

VKR 控股公司与节能门窗相关的专利申请量为90 余件，其技术要点在于窗户结构、窗户上百叶的控制设备、节能玻璃制作等方面。其早期专利技术主要研究窗户的简单隔热结构，例如专利申请EP0948692B1，其窗扇上设置双层隔热结构，窗扇的四边构件也均由隔热性能良好的材料制成。此外，该申请人还研究窗户上的通风结构，可知窗户的通风效率，并随着技术的发展，其专利申请的技术方案通过自动测量设备辅助来实现窗户的差别控制，研究门窗上对太阳能的利用，并结合光照强度和室内温度来调节室内通风情况，进而调节室内气候，后续还有研究针对室外温度和光照情况来调节窗上屏蔽装置的开关来调整室内气候舒适性。例如专利申请US8639387B2，其主要是针对天窗的控制方法的改进，根据用户输入的窗户的位置、方向和倾斜度等参数，计算气候和舒适度程序的变化，此外，还兼顾季节、绝缘建筑材料、用户是否在家等参数，来确定窗户开关的时间和开启程度，进而使得室内人员获得舒适的光照、气候，以及节省室内空调的能耗。该公司研究还涉及窗户的配件结构，例如通风结构的调节结构、锁定结构、窗户阻尼器、隔热型材等。近年来，该申请人在真空绝缘玻璃（VIG）单元方面的申请逐渐增多，其申请的专利类型包括整体窗户产品和相关配件，以及制作真空绝缘玻璃（VIG）单元的设备和方法。

4.2 申请人哈尔滨森鹰窗业股份有限公司的技术发展

哈尔滨森鹰窗业股份有限公司在节能门窗领域目前申请专利80 余件，类型包括发明和实用新型，其初期主要技术要点在于隔热、保温门窗型材，主要通过设置断桥结构、铝木塑复合结构来降低门窗型材的传热系数，从而保证室内气候稳定，降低空调能耗。例如专利申请CN2489059Y，其要求保护一种内开式内镶木隔热铝合金窗，窗框及窗扇由铝合金与塑料通过挤压复合连接组成框体，通过卡口镶嵌及自攻钉固定将木材安装在铝合金内侧面，窗框与窗扇之间装有三道密封胶条，上述结构设置提高窗户隔热性能。该申请人在后期申请了大量节能门窗的整体结构，其在隔热、保温门窗型材的基础上，加入多层玻璃结构，以及在多层玻璃腔体内填充惰性气体，进一步降低门窗整体热传递效率，提高节能效果。

5 结语

在建筑设计中，传统的门窗作用是通风和采光，然而技术发展使得门窗能够兼顾室内气候调节，使得建筑整体更为节能，通过对相关专利技术的分析研究可以发现以下三点。

①现有技术中，通过门窗型材、通风结构的设置以及对太阳辐射的吸收与反射等手段，能够起到稳定或调节室内气温的目的，使得居住环境更为舒适。由于基础技术的研究目前已经进入平缓发展期，专利技术的研究技术目前主要着眼于整体结构的性能提升，或者细部结构材料的改进。

②“气候调节窗”的相关技术已经被国内外创新主体所熟知，但是具体技术分支的深入研究依然是十分必要的，例如窗户上的覆膜材料和覆膜工艺、生态仿生技术的应用等，都值得进一步深耕探索，并进行针对性的专利布局。

③先进技术在学术研究或专利申请上较为活跃，但是受限于生产成本、设备维护难度等原因，在实际生活中推广应用较少，后续期望能够有更多性价比更高、效果更好的“气候调节窗”技术，能让这样的神奇窗户走进千家万户，服务人们的幸福生活。