【分享】美国 | 用于绿色建筑的气凝胶窗户

来自美国纽约的一组研究人员探索了用于窗户设计的美观气凝胶的开发，这对减少结构中的热量损失具有重要意义，并有可能用于绿色建筑设计。他们的研究已于本周在线发表在《可持续性》杂志上。

研究：可持续建筑的美学气凝胶窗户设计。 图片来源：ninimf/Shutterstock.com

建筑热损失
建筑物通过窗户和其他玻璃装置损失了大约 25% 的热量。热损失，特别是通过非双层玻璃窗的热损失，会增加普通家庭的能源成本。双层玻璃通过玻璃单元减少了一些热损失，但技术上总是有改进的空间。
由于建筑物的能源需求增加，人们已经认识到建筑物的热损失对气候变化的影响，政府颁布了几项法规来管理新建筑物的建设和现有结构的改造。例如，在美国，有能源之星评级，欧盟成员国必须遵守能源绩效建筑指令。

三片式模具示意图：（a）顶片；( b ) 中间件；( c ) 底片；( d ) 装配图。图片来源：卡罗尔、MK 等人，可持续性

通过玻璃装置减少热损失
近年来，已经提出和开发了多种技术解决方案来减少通过窗户和玻璃窗的热损失。这些包括双层和三层玻璃窗、在其窗格之间具有惰性气体的窗户、真空玻璃、光致变色玻璃、低辐射窗玻璃涂层以及具有用户控制的可变色调的智能窗户。

气凝胶是另一种提出的技术解决方案，因为它们具有吸引人的特性，例如低导热性、导电性和声导率，以及它们的光学半透明性甚至透明性。气凝胶是由 99.8% 体积的空气组成的低密度介孔结构。它们非常坚固和轻盈，一直是多个技术领域和行业研究的焦点。
二氧化硅气凝胶
二氧化硅气凝胶由二氧化硅前体材料合成。合成过程通常是使用醇盐如原硅酸四乙酯或原硅酸四甲酯的溶胶-凝胶反应。将二氧化硅前体与溶剂混合物混合并添加酸或碱催化剂使混合物发生水解形成溶胶。随后的缩合反应形成湿硅胶。仔细干燥这种凝胶会产生一种气凝胶，几乎没有或没有发生收缩。
可以使用冷冻干燥、环境干燥和超临界萃取来进行干燥过程。根据干燥过程，可以合成颗粒状、整体式或粉末状气凝胶。

由以下材料制成的 13 × 12.5 × 0.5 cm 二氧化硅气凝胶整体的图像：（a）配方 A-1；( b ) 配方 A-2；( c ) 配方 B-1；( d ) 配方 B-2；( e ) 配方 B-3。图片来源：卡罗尔、MK 等人，可持续性
颗粒气凝胶玻璃制品
目前，有一些市售的玻璃制品利用了颗粒气凝胶材料的特性。其中包括由美国马萨诸塞州波士顿的 Cabot 制造的 Lumira®。这些商用玻璃解决方案在其窗格间空间中加入了粒状气凝胶。
虽然这些产品具有出色的绝缘能力，但它们缺乏透明度，这限制了它们在需要漫射光的应用中的使用，例如天窗。制造包含气凝胶的透明玻璃产品所面临的挑战促进了该领域研究的发展。
研究已经进行了数十年，1983 年的一项研究讨论了使用透明气凝胶进行窗户隔热，1998 年的一篇论文将整体气凝胶的卓越隔热性能归类，但指出这些材料中的光散射对其在玻璃窗中的应用是一个显着的缺点单位。
几项研究已经研究了集成气凝胶的整体式窗玻璃的新制造策略，其方法包括改变化学前体配方以提高光学透明度和使用整体式气凝胶柱，因此只有玻璃的一小部分区域被遮挡。虽然取得了进展，但仍有重大挑战需要克服。该地区的几家初创企业正在制造产品。

用 ( a ) 荧光素制成的 10 × 10 × 1.5 cm 二氧化硅气凝胶的图像；( b ) 罗丹明 6G；( c ) 罗丹明 B. 图片来源：Carroll, MK et al., Sustainability
论文
在线发表在《可持续发展》杂志上的研究调查了几种改善使用整体气凝胶的玻璃系统美观的方法。研究中讨论了包括修改二氧化硅前体配方以提高光学透明度和使用模具来改变整体气凝胶层厚度的方法。较薄的层在玻璃系统设计中是优选的，因为它们具有较短的光路长度，从而导致较少的光散射。
该论文还描述了一种使用染料掩盖整体气凝胶中一些缺陷的方法，这使得它们在视觉上更具吸引力。该过程使用激光蚀刻气凝胶表面并产生有色材料。作者已经探索了快速超临界萃取，它可以将颜色引入整体气凝胶，而不会产生浸出或被洗掉的风险，从而创造出美观的产品。
作者描述了三个原型玻璃单元，它们结合了整体硅胶，并包括一种或多种针对个别应用量身定制的改进方法。原型玻璃单元的构造具有视觉吸引力的多窗格窗口的外观，具有不同的颜色、色调和表面蚀刻设计，并掩盖了整体之间的接缝。
最后，作者已经认识到隔热和光学性能之间存在权衡。他们表示，他们正在进行的工作包括在设计中加入气体层，以保持隔热和提高光学性能。他们还指出，研究中尚未探索的疏散可以进一步提高未来设计的热性能。
延伸阅读
卡罗尔，MK 等人。(2022)可持续建筑的美学气凝胶窗设计[在线]可持续性14(5) 2887 | mdpi.com。链接为：https ://www.mdpi.com/2071-1050/14/5/2887

本文来源：Aerogel Windows for Green Building (azom.com)

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