【分享】?美國 | 用于綠色建筑的氣凝膠窗戶
【分享】?美國 | 用于綠色建筑的氣凝膠窗戶
來自美國紐約的一組研究人員探索了用于窗戶設(shè)計的美觀氣凝膠的開發(fā)，這對減少結(jié)構(gòu)中的熱量損失具有重要意義，并有可能用于綠色建筑設(shè)計。他們的研究已于本周在線發(fā)表在《可持續(xù)性》雜志上。
研究：可持續(xù)建筑的美學氣凝膠窗戶設(shè)計。 圖片來源：ninimf/Shutterstock.com
建筑熱損失
建筑物通過窗戶和其他玻璃裝置損失了大約 25% 的熱量。熱損失，特別是通過非雙層玻璃窗的熱損失，會增加普通家庭的能源成本。雙層玻璃通過玻璃單元減少了一些熱損失，但技術(shù)上總是有改進的空間。
由于建筑物的能源需求增加，人們已經(jīng)認識到建筑物的熱損失對氣候變化的影響，政府頒布了幾項法規(guī)來管理新建筑物的建設(shè)和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的改造。例如，在美國，有能源之星評級，歐盟成員國必須遵守能源績效建筑指令。
三片式模具示意圖：（a）頂片；( b ) 中間件；( c ) 底片；( d ) 裝配圖。圖片來源：卡羅爾、MK 等人，可持續(xù)性
通過玻璃裝置減少熱損失
近年來，已經(jīng)提出和開發(fā)了多種技術(shù)解決方案來減少通過窗戶和玻璃窗的熱損失。這些包括雙層和三層玻璃窗、在其窗格之間具有惰性氣體的窗戶、真空玻璃、光致變色玻璃、低輻射窗玻璃涂層以及具有用戶控制的可變色調(diào)的智能窗戶。
氣凝膠是另一種提出的技術(shù)解決方案，因為它們具有吸引人的特性，例如低導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和聲導(dǎo)率，以及它們的光學半透明性甚至透明性。氣凝膠是由 99.8% 體積的空氣組成的低密度介孔結(jié)構(gòu)。它們非常堅固和輕盈，一直是多個技術(shù)領(lǐng)域和行業(yè)研究的焦點。
二氧化硅氣凝膠
二氧化硅氣凝膠由二氧化硅前體材料合成。合成過程通常是使用醇鹽如原硅酸四乙酯或原硅酸四甲酯的溶膠-凝膠反應(yīng)。將二氧化硅前體與溶劑混合物混合并添加酸或堿催化劑使混合物發(fā)生水解形成溶膠。隨后的縮合反應(yīng)形成濕硅膠。仔細干燥這種凝膠會產(chǎn)生一種氣凝膠，幾乎沒有或沒有發(fā)生收縮。
可以使用冷凍干燥、環(huán)境干燥和超臨界萃取來進行干燥過程。根據(jù)干燥過程，可以合成顆粒狀、整體式或粉末狀氣凝膠。
由以下材料制成的 13 × 12.5 × 0.5 cm 二氧化硅氣凝膠整體的圖像：（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。圖片來源：卡羅爾、MK 等人，可持續(xù)性
顆粒氣凝膠玻璃制品
目前，有一些市售的玻璃制品利用了顆粒氣凝膠材料的特性。其中包括由美國馬薩諸塞州波士頓的 Cabot 制造的 Lumira®。這些商用玻璃解決方案在其窗格間空間中加入了粒狀氣凝膠。
雖然這些產(chǎn)品具有出色的絕緣能力，但它們?nèi)狈ν该鞫?，這限制了它們在需要漫射光的應(yīng)用中的使用，例如天窗。制造包含氣凝膠的透明玻璃產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)促進了該領(lǐng)域研究的發(fā)展。
研究已經(jīng)進行了數(shù)十年，1983 年的一項研究討論了使用透明氣凝膠進行窗戶隔熱，1998 年的一篇論文將整體氣凝膠的卓越隔熱性能歸類，但指出這些材料中的光散射對其在玻璃窗中的應(yīng)用是一個顯著的缺點單位。
幾項研究已經(jīng)研究了集成氣凝膠的整體式窗玻璃的新制造策略，其方法包括改變化學前體配方以提高光學透明度和使用整體式氣凝膠柱，因此只有玻璃的一小部分區(qū)域被遮擋。雖然取得了進展，但仍有重大挑戰(zhàn)需要克服。該地區(qū)的幾家初創(chuàng)企業(yè)正在制造產(chǎn)品。
用 ( a ) 熒光素制成的 10 × 10 × 1.5 cm 二氧化硅氣凝膠的圖像；( b ) 羅丹明 6G；( c ) 羅丹明 B. 圖片來源：Carroll, MK et al., Sustainability
論文
在線發(fā)表在《可持續(xù)發(fā)展》雜志上的研究調(diào)查了幾種改善使用整體氣凝膠的玻璃系統(tǒng)美觀的方法。研究中討論了包括修改二氧化硅前體配方以提高光學透明度和使用模具來改變整體氣凝膠層厚度的方法。較薄的層在玻璃系統(tǒng)設(shè)計中是優(yōu)選的，因為它們具有較短的光路長度，從而導(dǎo)致較少的光散射。
該論文還描述了一種使用染料掩蓋整體氣凝膠中一些缺陷的方法，這使得它們在視覺上更具吸引力。該過程使用激光蝕刻氣凝膠表面并產(chǎn)生有色材料。作者已經(jīng)探索了快速超臨界萃取，它可以將顏色引入整體氣凝膠，而不會產(chǎn)生浸出或被洗掉的風險，從而創(chuàng)造出美觀的產(chǎn)品。
作者描述了三個原型玻璃單元，它們結(jié)合了整體硅膠，并包括一種或多種針對個別應(yīng)用量身定制的改進方法。原型玻璃單元的構(gòu)造具有視覺吸引力的多窗格窗口的外觀，具有不同的顏色、色調(diào)和表面蝕刻設(shè)計，并掩蓋了整體之間的接縫。
最后，作者已經(jīng)認識到隔熱和光學性能之間存在權(quán)衡。他們表示，他們正在進行的工作包括在設(shè)計中加入氣體層，以保持隔熱和提高光學性能。他們還指出，研究中尚未探索的疏散可以進一步提高未來設(shè)計的熱性能。
延伸閱讀
卡羅爾，MK 等人。(2022)可持續(xù)建筑的美學氣凝膠窗設(shè)計[在線]可持續(xù)性14(5) 2887 | mdpi.com。鏈接為：https ://www.mdpi.com/2071-1050/14/5/2887
本文來源：Aerogel Windows for Green Building (azom.com)
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