气凝胶应用丨低能耗建筑用气凝胶中空玻璃
近年来，我国建筑能耗依旧呈增长趋势，建筑玻璃是建筑外围护结构的重要组成部分，是建筑物热交换、热传导最活跃的部位，热损失是传统墙体的5～6 倍，能耗约占整个建筑能耗的40％。据统计，我国建筑能耗占社会总能耗的近40%。开展建筑玻璃节能研究，推广绿色低碳建材及建材循环利用有助于我国碳达峰、碳中和目标的实现。
气凝胶具有透光性好、低传热的特性，将透明片状气凝胶填充在中空玻璃的空气腔内，替代空气层，构成气凝胶中空玻璃。气凝胶中空玻璃可用在建筑上，在保证采光性能的前提下，可提高玻璃保温效果，减少建筑物热量散失，对建筑节能有积极意义。与传统的中空玻璃对比，气凝胶中空玻璃传热系数降低1.61W/(㎡·K)。
气凝胶中空玻璃
气凝胶是密度最小的固体物质，由纳米颗粒堆积而成，为三维纳米网状结构，结构中间充满气体介质，具有高孔隙率、低传热性特征。将二氧化硅溶质溶解于特殊溶剂中形成均匀的SiO2溶液,溶液中的胶体颗粒在一定的条件下发生交联，形成空间网络结构，使溶剂挥发，即得多孔的网络SiO2气凝胶固体。其内部微观孔径约为50nm，网络骨架颗粒为1~20nm。固体硅基气凝胶颗粒均匀，团聚少，骨架结构疏松，比表面积大，孔径分布窄，高温热稳定性较好。
图 1 气凝胶的微观结构
气凝胶的高孔隙率使其具有低传热性，导热系数在0.01~0.02W/(m·K)。其高隔热性主要表现在：1）对流。当气凝胶中的孔隙小于70nm时，空气分子活动减弱，相对地附着在气孔壁上，近似呈现真空状态。2）辐射。气凝胶内部充满无数的纳米气孔，每个气孔都有隔热作用，趋于无限多的气孔使气凝胶的热辐射接近于最低值。3）热传导。热传递与路径相关，路径越长，传导效果越差，气凝胶内部的纳米网络结构大大增加了固体热传递路径。
基于以上优点，将气凝胶填充于中空玻璃中间，替代空气隔热，形成气凝胶中空玻璃。与传统中空玻璃相比，气凝胶中空玻璃采光性能好、传热系数低、保温隔热性能优异。各种建筑玻璃的光热性能见表1。
表 1：不同玻璃的光热性能
从产品结构分析，气凝胶玻璃是介于中空玻璃与夹层玻璃之间的一种新型玻璃产品，都由两层玻璃构成，但中间填充物质不同，见图2。因中间层材料不同，玻璃系统的保温隔热效果有很大差异，主要参数及影响因素见表2。
图 2：气凝胶玻璃、传统中空玻璃及夹层玻璃结构示意图
表 2：不同玻璃系统主要参数及影响因素
气凝胶中空玻璃的光热性能
目前，针对气凝胶中空玻璃光热参数的计算尚无标准方法，上述数据中传热系数采用ISO 10292《建筑玻璃—中空玻璃稳态U值(传热系数)的计算》热力学模型计算，可见光透射比采用ISO 9050《建筑玻璃—可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》光学方法测试，其原理与测试方法与气凝胶中空玻璃系统存在一定的差异，遮阳系数测试及计算按简单均质固体材料进行。就光热传递机理进行分析研究，力求寻找一种准确的评价测试方法。
影响玻璃采光节能效果的有传热系数、可见光透射比、遮阳系数。其光辐射及热传递分析如图3所示。1）传热系数：在稳定条件下，玻璃内外表面在单位时间、单位温差通过单位面积的热量，W/(㎡·K)。2）可见光透射比：在可见光谱（380~780nm）范围内，CIE D65标准照明体条件下，CIE标准视见函数为接收条件的通过光通量与入射光通量之比，即透光率。3）遮阳系数：太阳入射到室内的总热量与3mm无色透明玻璃入射到室内的总热量的比值，表征玻璃遮挡太阳能量的性能。
图 3：气凝胶玻璃的传热分析
采用美国劳伦斯伯克利的Window及Therm软件进行玻璃系统有限元传热分析。本文的环境条件为室外温度-20℃，室内温度20℃；对比对象为6mm玻璃+12mm空气层+6mm玻璃及6mm玻璃+12mm气凝胶+6mm玻璃，对比结果见图4。
图 4 气凝胶中空玻璃、传统中空玻璃有限元传热分析
由表3发现，气凝胶中空玻璃相比传统中空玻璃，玻璃系统内表面温度由7.3℃提高到15.3℃，提高了8℃，室内外温差提高了10.7℃，保温性及舒适性大大提高。
表 3：气凝胶中空玻璃和传统中空玻璃温度对比
气凝胶中空玻璃的可见光透射比
采用PE公司的Lambda950分光光度计分别测试气凝胶玻璃在300~2500nm范围内透射、反射光谱曲线，如图5所示。
图 5 300~2500nm太阳光光谱曲线示例
可见光透射比是透射可见光光通量与入射可见光光通量比值，透射比越大，透明度越高，室内采光效果越好。本文采用ISO 9050 测试方法，可准确反应气凝胶中空玻璃的采光性能。
气凝胶中空玻璃的遮阳系数
气凝胶中空玻璃采用不同透射比和反射比玻璃时，遮阳系数会有变化，气凝胶中空玻璃遮阳系数的计算是把玻璃作为整体进行光谱测试，当内外片玻璃的光谱性能相同时，为均匀传热，计算结果与理论相符；当内外片玻璃的光谱性能不同时，内外片玻璃因对太阳光的吸收不同，导致二次传热产生不同的效果，此时把气凝胶中空玻璃作为整体测试会导致与实际不符。如果内片玻璃为高吸热玻璃，此时玻璃产生的热量因气凝胶的阻隔，只能传递到室内。对于注重遮阳的建筑，建议高吸热玻璃放在外片。
结论
通过对气凝胶中空玻璃光热性能测试发现，气凝胶玻璃和传统中空玻璃相比，具有较好的保温隔热性能，传热系数可降低1.61W/(㎡·K)。在满足室内采光的情况下，气凝胶中空玻璃可降低建筑能耗，保持室内舒适度，其应用符合国家减排低碳要求。
气凝胶中空玻璃作为一种新型建筑玻璃，应用前景广泛，其优异的保温隔热性能符合“双碳”政策。目前气凝胶中空玻璃尚以实验室或示范工程为主，未大量推广， 研究与发展相关节能技术将有利于气凝胶玻璃的推广应用。
