氣凝膠應用丨低能耗建筑用氣凝膠中空玻璃
近年來，我國建筑能耗依舊呈增長趨勢，建筑玻璃是建筑外圍護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是建筑物熱交換、熱傳導最活躍的部位，熱損失是傳統(tǒng)墻體的5～6 倍，能耗約占整個建筑能耗的40％。據(jù)統(tǒng)計，我國建筑能耗占社會總能耗的近40%。開展建筑玻璃節(jié)能研究，推廣綠色低碳建材及建材循環(huán)利用有助于我國碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)。
氣凝膠具有透光性好、低傳熱的特性，將透明片狀氣凝膠填充在中空玻璃的空氣腔內(nèi)，替代空氣層，構(gòu)成氣凝膠中空玻璃。氣凝膠中空玻璃可用在建筑上，在保證采光性能的前提下，可提高玻璃保溫效果，減少建筑物熱量散失，對建筑節(jié)能有積極意義。與傳統(tǒng)的中空玻璃對比，氣凝膠中空玻璃傳熱系數(shù)降低1.61W/(㎡·K)。
氣凝膠中空玻璃
氣凝膠是密度最小的固體物質(zhì)，由納米顆粒堆積而成，為三維納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中間充滿氣體介質(zhì)，具有高孔隙率、低傳熱性特征。將二氧化硅溶質(zhì)溶解于特殊溶劑中形成均勻的SiO2溶液,溶液中的膠體顆粒在一定的條件下發(fā)生交聯(lián)，形成空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使溶劑揮發(fā)，即得多孔的網(wǎng)絡SiO2氣凝膠固體。其內(nèi)部微觀孔徑約為50nm，網(wǎng)絡骨架顆粒為1~20nm。固體硅基氣凝膠顆粒均勻，團聚少，骨架結(jié)構(gòu)疏松，比表面積大，孔徑分布窄，高溫熱穩(wěn)定性較好。
圖 1 氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)
氣凝膠的高孔隙率使其具有低傳熱性，導熱系數(shù)在0.01~0.02W/(m·K)。其高隔熱性主要表現(xiàn)在：1）對流。當氣凝膠中的孔隙小于70nm時，空氣分子活動減弱，相對地附著在氣孔壁上，近似呈現(xiàn)真空狀態(tài)。2）輻射。氣凝膠內(nèi)部充滿無數(shù)的納米氣孔，每個氣孔都有隔熱作用，趨于無限多的氣孔使氣凝膠的熱輻射接近于最低值。3）熱傳導。熱傳遞與路徑相關，路徑越長，傳導效果越差，氣凝膠內(nèi)部的納米網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)大大增加了固體熱傳遞路徑。
基于以上優(yōu)點，將氣凝膠填充于中空玻璃中間，替代空氣隔熱，形成氣凝膠中空玻璃。與傳統(tǒng)中空玻璃相比，氣凝膠中空玻璃采光性能好、傳熱系數(shù)低、保溫隔熱性能優(yōu)異。各種建筑玻璃的光熱性能見表1。
表 1：不同玻璃的光熱性能
從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，氣凝膠玻璃是介于中空玻璃與夾層玻璃之間的一種新型玻璃產(chǎn)品，都由兩層玻璃構(gòu)成，但中間填充物質(zhì)不同，見圖2。因中間層材料不同，玻璃系統(tǒng)的保溫隔熱效果有很大差異，主要參數(shù)及影響因素見表2。
圖 2：氣凝膠玻璃、傳統(tǒng)中空玻璃及夾層玻璃結(jié)構(gòu)示意圖
表 2：不同玻璃系統(tǒng)主要參數(shù)及影響因素
氣凝膠中空玻璃的光熱性能
目前，針對氣凝膠中空玻璃光熱參數(shù)的計算尚無標準方法，上述數(shù)據(jù)中傳熱系數(shù)采用ISO 10292《建筑玻璃—中空玻璃穩(wěn)態(tài)U值(傳熱系數(shù))的計算》熱力學模型計算，可見光透射比采用ISO 9050《建筑玻璃—可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數(shù)的測定》光學方法測試，其原理與測試方法與氣凝膠中空玻璃系統(tǒng)存在一定的差異，遮陽系數(shù)測試及計算按簡單均質(zhì)固體材料進行。就光熱傳遞機理進行分析研究，力求尋找一種準確的評價測試方法。
影響玻璃采光節(jié)能效果的有傳熱系數(shù)、可見光透射比、遮陽系數(shù)。其光輻射及熱傳遞分析如圖3所示。1）傳熱系數(shù)：在穩(wěn)定條件下，玻璃內(nèi)外表面在單位時間、單位溫差通過單位面積的熱量，W/(㎡·K)。2）可見光透射比：在可見光譜（380~780nm）范圍內(nèi)，CIE D65標準照明體條件下，CIE標準視見函數(shù)為接收條件的通過光通量與入射光通量之比，即透光率。3）遮陽系數(shù)：太陽入射到室內(nèi)的總熱量與3mm無色透明玻璃入射到室內(nèi)的總熱量的比值，表征玻璃遮擋太陽能量的性能。
圖 3：氣凝膠玻璃的傳熱分析
采用美國勞倫斯伯克利的Window及Therm軟件進行玻璃系統(tǒng)有限元傳熱分析。本文的環(huán)境條件為室外溫度-20℃，室內(nèi)溫度20℃；對比對象為6mm玻璃+12mm空氣層+6mm玻璃及6mm玻璃+12mm氣凝膠+6mm玻璃，對比結(jié)果見圖4。
圖 4 氣凝膠中空玻璃、傳統(tǒng)中空玻璃有限元傳熱分析
由表3發(fā)現(xiàn)，氣凝膠中空玻璃相比傳統(tǒng)中空玻璃，玻璃系統(tǒng)內(nèi)表面溫度由7.3℃提高到15.3℃，提高了8℃，室內(nèi)外溫差提高了10.7℃，保溫性及舒適性大大提高。
表 3：氣凝膠中空玻璃和傳統(tǒng)中空玻璃溫度對比
氣凝膠中空玻璃的可見光透射比
采用PE公司的Lambda950分光光度計分別測試氣凝膠玻璃在300~2500nm范圍內(nèi)透射、反射光譜曲線，如圖5所示。
圖 5 300~2500nm太陽光光譜曲線示例
可見光透射比是透射可見光光通量與入射可見光光通量比值，透射比越大，透明度越高，室內(nèi)采光效果越好。本文采用ISO 9050 測試方法，可準確反應氣凝膠中空玻璃的采光性能。
氣凝膠中空玻璃的遮陽系數(shù)
氣凝膠中空玻璃采用不同透射比和反射比玻璃時，遮陽系數(shù)會有變化，氣凝膠中空玻璃遮陽系數(shù)的計算是把玻璃作為整體進行光譜測試，當內(nèi)外片玻璃的光譜性能相同時，為均勻傳熱，計算結(jié)果與理論相符；當內(nèi)外片玻璃的光譜性能不同時，內(nèi)外片玻璃因?qū)μ柟獾奈詹煌?，導致二次傳熱產(chǎn)生不同的效果，此時把氣凝膠中空玻璃作為整體測試會導致與實際不符。如果內(nèi)片玻璃為高吸熱玻璃，此時玻璃產(chǎn)生的熱量因氣凝膠的阻隔，只能傳遞到室內(nèi)。對于注重遮陽的建筑，建議高吸熱玻璃放在外片。
結(jié)論
通過對氣凝膠中空玻璃光熱性能測試發(fā)現(xiàn)，氣凝膠玻璃和傳統(tǒng)中空玻璃相比，具有較好的保溫隔熱性能，傳熱系數(shù)可降低1.61W/(㎡·K)。在滿足室內(nèi)采光的情況下，氣凝膠中空玻璃可降低建筑能耗，保持室內(nèi)舒適度，其應用符合國家減排低碳要求。
氣凝膠中空玻璃作為一種新型建筑玻璃，應用前景廣泛，其優(yōu)異的保溫隔熱性能符合“雙碳”政策。目前氣凝膠中空玻璃尚以實驗室或示范工程為主，未大量推廣， 研究與發(fā)展相關節(jié)能技術將有利于氣凝膠玻璃的推廣應用。
