我國建筑業在近二十年取得了巨大進步，但同時建筑耗能也成為不能忽視的問題。建筑節能已成為我國節能減排規劃的重點內容。從2019年GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術標準》的發布可以看出，全力解決建筑耗能 問題已迫在眉睫。目前，傳統玻璃的傳熱系數較大，導致建筑圍護結構耗能占據了整體建筑耗能的40%，而低能耗建筑用節能玻璃是解決問題的突破點。由于氣凝膠具備各項優異物理性能，因此氣凝膠玻璃在近年來備受關注。根據建筑用節能玻璃原理可知，影響建筑玻璃耗能的主要因素是玻璃的傳熱系數及遮蔽系數。目前市面上的主流節能玻璃分為三類，分別為隔熱性能型節能玻璃的中空玻璃、真空玻璃；遮陽性能型節能玻璃的鍍膜玻璃、調光玻璃；吸熱性能型節能玻璃的吸熱玻璃（見表1）。氣凝膠材料是三維空間納米網絡結構新材料，具有密度低（低至0.003g/cm )、導熱系數低（0.013W/（m·K））、 孔隙率高(高達98%）、比表面積大(800~1200m /g)、折射率低、透過率高、隔音效果好和介電常數低（1.0~2.0）等優異的物理性能。氣凝膠的各項性能使得氣凝膠玻璃具有良好的隔音和隔熱效果、較低的傳熱系數、較好的遮陽系數及較高的透明度。
一、氣凝膠玻璃
氣凝膠由Kistler在1931年第一次成功制備，而氣凝膠玻璃在1977年由日內瓦歐洲核研究中心第一次制備。氣凝膠玻璃雖然具有良好的透光性、較低的傳熱系數和極好的隔音性效果，但由于造價昂貴，當時并沒有得到進一 步的研究與開發，是近年來低碳和綠色建筑的提出使得其備受關注。目前，氣凝膠玻璃分為三類，分別是整塊氣凝膠玻璃、鍍膜氣凝膠玻璃和顆粒氣凝膠玻璃(見表2），其中顆粒氣凝膠玻璃由于優異的物理性能、簡單的制備工藝和較高的良品率而應用前景最佳。
1.1 整塊氣凝膠玻璃
在三種氣凝膠玻璃制備工藝中，整塊氣凝膠玻璃的太陽能熱系數（SHGC）最佳、導熱系數最低、透明度最高。經測試，10mm厚度的整塊氣凝膠玻璃的太陽能熱系數為0.9，而同樣厚度的顆粒氣凝膠玻璃只能達到0.5；20mm厚度的整塊氣凝膠玻璃的傳熱系數為0.5W/(m2 K)，導熱系數為0.017W/(m·K)，而相同厚度的顆粒氣凝膠玻璃的傳熱系數為0.7W/(m2 K)，導熱系數為0.025W/（m·K）；20mm厚度的整塊氣凝膠玻璃的可見光透光率為90%，而相同厚度的顆粒氣凝膠玻璃僅為60%。但由于氣凝膠本身的物理性質導致的易碎、整塊良品率極低，使得制備大體積整塊氣凝膠有著很大的難度，且成本極高，因此其目前只應用于實驗室階段和示范工程階段。
1.1.1 整塊氣凝膠制備
SiO2氣凝膠制備工藝流程主要有溶膠凝膠、老化、干燥三個步驟（見圖1）。透明氣凝膠制備硅源選擇以TEOS、TMOS兩種單一硅源為主，但由于剛性的硅氧鍵（Si-O-Si） 鏈接，使得此類SiO2氣凝膠骨架的力學性能較差，制備整塊氣凝膠相對困難，且制備后損壞率極高。因此，如何在不影響透明度的基礎上改進力學性能成為了關注的重點。在硅源選擇上，一些專家選擇了柔性氣凝膠制備常用的MTES、MTMS作為硅源，通過表面活性劑的添加和制備工藝的調整制備出透明柔性氣凝膠。2007年，Kanamori等使用MTES為單一硅源，甲醇為溶劑，草酸和氨水為酸堿催化劑，十六烷基三甲基溴化銨為表面改性劑（CTAB)，制備出可見光透射率60%、75%、80%的整塊透明柔性氣凝膠（見圖2），同時具備一定的壓縮回彈性，為整塊透明氣凝膠發展提供了新的研究思路。2016年，Shuimizu等首次使用ETMS與VTNS分別制備了對應氣凝膠，都表現出了良好的透光率和力學性能（見圖3）。由于此類透明柔性氣凝膠導熱系數低、透明度較高、力學性能良好，使得其在建筑圍護結構的發展中具有很好的發展前景。目前，國外的整塊氣凝膠玻璃示范工程以此類氣凝膠為主。除了提高柔性氣凝膠的透明度，很多專家針對提高TEOS、TMOS為硅源的透明氣凝膠的力學強度進行了大量研究。例如，使用TEOS、TMOS和MTES、MTMS復合，應用雜化前驅體法制備氣凝膠，但在提高柔性的同時會降低透明度，此項研究正在進行中。
1.1.2 不同氣候地區建筑用整塊氣凝膠玻璃模擬
Schultz等制備了芯材為15mm、20mm的氣凝膠塊體，將其夾在兩塊4mm的玻璃中間，兩塊樣品中心的傳熱系數分別為0.66W/(m2 K)和0.5W/(m2 K)，太陽能總透射率為76%和75%。Cb A等針對建筑用氣凝膠玻璃研究發現，整塊氣凝膠玻璃的導熱系數在常壓和真空狀態下分別為0.017W/（m·K）和 0.007W/（m·K），且可見光透射率高達90%，霧度為0.01，和浮法玻璃霧度相同，且相對于傳統玻璃能將噪音多降低3分貝。王歡等以廣州大學圖書館為樣本（見圖4），使用建筑性能模擬分析軟件IES<VE>對氣凝膠玻璃在內的五種玻璃進行了夏熱冬暖地區建筑空調冷負荷模擬計算，結果表明，在夏熱冬暖地區通過玻璃的太陽輻射形成的輻射熱是冷負荷的主要消耗原因，由此可知玻璃的遮陽性能是影響空調冷負荷的主要因素，最終得出結論氣凝膠玻璃能顯著減少夏熱冬暖地區的空調冷負荷。
Wang等制備了15mm的整塊氣凝膠玻璃在哈爾濱、北京和上海進行能耗測試，一年分別可以節省20%、11%和9%的能耗，證明氣凝膠玻璃具有極大的節能優勢，且在寒冷地區的節能效果更加明顯。當使用三層玻璃進一步降低玻璃U值時，在嚴寒地區的最高節能可達到73%。有結果表明，傳熱系數和遮蔽系數對玻璃能耗的高低起到決定性的作用。
1.1.3 整塊氣凝膠玻璃應用實例
Berardi等對整塊氣凝膠玻璃的熱測試、照明測試等多學科進行了分析，并將整體式氣凝膠玻璃應用于20世紀60年代完工的教學樓的改造工程（見圖5）。
在改造過程中，使用300mm×400m×12mm小塊氣凝膠塊與4mm厚度的普通浮法玻璃進行復合，將教學樓不同房間的玻璃按比例進行替換，分別替換40%、60%、80%、100%，和原始樣本進行對比，玻璃的U值隨著氣凝膠面積 替換比例的增加而增加，空白樣本的U值為1.5W/(m2 K)、40%替換面積的U值為1.2W/(m2 K)、60%替換面積的U值為0.9W/(m2 K)、80%替換面積的U值為0.7W/(m2 K)、100%替換面積的U值為0.6W/(m2 K)。通過加熱和制冷試驗證實，氣凝膠替換量達到60%時就可以保證制冷相同溫度能耗不變，而加熱能耗則隨著替換率增高而不斷降低。在日照方面，使用40%替換量可以改善UDI（使用單一透明玻璃 的UDI為36.2，而40%替換面積可以達到36.8），但繼續提高氣凝膠替換面積會對日照可用性造成一定影響。經測試和模擬得到結論，通過氣凝膠玻璃的替換可以實現高達80%的節能效果。
1.2 鍍膜氣凝膠玻璃
鍍膜氣凝膠玻璃也叫氣凝膠涂膜玻璃，由于其工藝不完善、使用壽命較短及節能效果不明顯，目前國內外研究較少。Kim等將浮法玻璃浸泡在SiO2氣凝膠前驅體溶液中，使用常壓干燥制備了鍍膜氣凝膠玻璃，數據推測，當鍍膜厚度為100μm時，鍍膜本身導熱系數為0.016W/（m·K），透光率超過90%。楊麗修等通過酸堿兩步法制備氣凝膠溶液后使用浸漬提拉法和旋轉鍍膜法實現了氣凝膠玻璃鍍膜。趙娥將氣凝膠用甲醇溶解后通過旋轉鍍膜法將氣凝膠均值分散后均勻鍍膜在玻璃上，成功制備了鍍膜氣凝膠玻璃，將玻璃導熱系數由1.332W/（m·K）降低至1.302W/（m·K）， 但同時透光度降低了12%，且發現此樣品具有一定的自潔能力。此外，趙娥等[30]在FTO玻璃表面也進行了SiO2氣凝膠鍍膜，成功制備了兼具低輻射性、低導熱性的FTOSiO2氣凝膠鍍膜復合玻璃，輻射率為0.53，導熱系數降低了0.247W/（m·K）。李金等使用兩步法將聚合物沉淀法制備的80nm VO2薄膜與溶膠凝膠法制備的1μm SiO2氣凝膠薄膜復合在玻璃表面，制備了SiO2-VO2復合氣凝膠鍍膜玻璃，導熱系數為0.019W/(m·k)，且具有熱致變色性能，可見光區透射率達到45%，并具有46%的透光率調控幅度。
1.3 顆粒氣凝膠玻璃
顆粒氣凝膠玻璃由于其填充物氣凝膠顆粒使得太陽輻射擴散，導致其允許太陽輻射進入，但不允許太陽輻射透過，從而呈現透光但不透明的狀態。這使得顆粒氣凝膠玻璃的適配建筑應用為不需要視覺互動的場景，如機場棚頂、火車站幕墻、籃球館透光幕墻等。顆粒氣凝膠玻璃樣品如圖6所示。
呂亞軍等制備了8種不同結構的顆粒氣凝膠玻璃，發現氣凝膠填充顆粒粒徑大小與填充厚度對氣凝膠透光和隔熱性能具有一定影響，由試驗數據可得，氣凝膠顆粒粒徑從0.41mm增大至0.93mm時，在相同填充厚度的情況下， 透明度增長較明顯，繼續增大粒徑則無明顯變化；顆粒粒徑從0.41mm增大至2.7mm時，在相同填充厚度的情況下，氣凝膠玻璃的傳熱系數增加了15%。在填充顆粒粒徑相同時，填充厚度越大，透明度越差，傳熱系數越高，且相較于相同尺寸的中空玻璃，顆粒氣凝膠玻璃的傳熱系數最多可降低51.43%，在紅外加熱燈的照射下，隔熱效果提高了5.1~10.2℃。
1.3.1 透明顆粒氣凝膠制備
相對于整塊透明氣凝膠制備，透明顆粒氣凝膠的制備成本和技術要求都較低，使用傳統的SiO2氣凝膠制備方式，TEOS、TMOS都是較好的硅源選擇。由于需要制得成品為顆粒狀，對力學強度要求降低，主要關注點在于提高透光度。根據相關測試，在使用TEOS、TMOS為單一硅源制備SiO2氣凝膠時，用水量越低，透明度越好，制備完成后進行破碎、篩分就可以使用。
1.3.2 不同氣候地區建筑用顆粒氣凝膠玻璃模擬
陳友明等采用光學模型與動態傳熱模型，通過對雙層中空玻璃模型、三層中空玻璃模型、高透型Low-E中空玻璃模型、雙銀型Low-E中空玻璃模型和遮陽型Low-E中空玻璃模型等的研究，提出了以太陽能效用量為指標對顆粒氣凝膠玻璃的適應性進行模擬測試。結論顯示，氣凝膠玻璃在嚴寒地區（哈爾濱）、寒冷地區（北京）、溫和地區（昆明）和夏熱冬冷地區（長沙）都具有全年氣候適用性，相較于以上5種玻璃，顆粒氣凝膠玻璃在節能降耗方面表現突出，其適候性排序為嚴寒>寒冷>夏熱冬冷>溫和地區，此結論也符合整塊氣凝膠玻璃的適侯性規律。張燚等通過對顆粒氣凝膠玻璃住宅夏季室內熱環境進行研究，得出結論氣凝膠玻璃作為建筑圍護結構比其他建筑圍護結構的建筑耗能降低了26.06%，在采光方面，雖然顆粒氣凝膠玻璃無法做到視覺互動性，且可見光透射率低于中空玻璃，但其室內光線散射后柔和，無眩光，完全可以達到相關采光設計要求，見圖7所示。
目前，國內外在氣凝膠玻璃應用方面已有一定進展， 但相對成熟的應用技術集中在歐美國家，國內尚處于實驗室階段或中試階段，未能擴大產量。Garnier等在意大利對一棟4m×4m×3m的房屋進行改建，將玻璃換成由兩塊4mm的低發射率鍍膜玻璃制備的中空玻璃后，填入不同顆粒的半透明氣凝膠顆粒，填充厚度為16mm，以此研究顆粒氣凝膠玻璃隔音、隔熱和透光性能，經測試，制備的氣凝膠顆粒玻璃U值為1.4W/(m ·K)。在冬季，相較于未灌裝的中空玻璃，節能效果到達50%以上，可見光透射率降低10%，室內噪音降低3dB以上。國外已有大量的建筑試驗點（見圖8~圖9）。顆粒氣凝膠玻璃在不同的建筑應用上有不同的要求，從建筑外部來看，在裝飾效果極佳的同時能保證建筑耗能大大減少，從建筑內部來看，能避免眩光，雖然視覺互動效果較差，但可見光透射率完全能達到應用標準，可用于運動館、教堂、機場等有透光保溫需求的建筑上。美國底特律藝術學院就應用了氣凝膠復合玻璃進行節能改造，此外還有紐約州立大學石溪分校諾貝爾大廳的CABOT氣凝膠玻璃系統等。
二、結語與展望
目前，我國氣凝膠玻璃產業化較低，且成本較高，更多處于實驗室階段或示范工程階段。世界上顆粒氣凝膠玻璃制備廠家集中在歐美國家。2015年，國內于長沙首次出現小規模量產。低能耗建筑用氣凝膠玻璃除了極佳的節能效果外，還具有諸多優異性能，如優良的隔熱性、隔音降噪性、抗風壓能力、不燃阻燃能力，防結露，無冷熱自爆危險，使用壽命較長等，但尚未得到進一步發展。要實現低能耗建筑用氣凝膠玻璃的普及，需要著重解決以下問題：
1）相較于傳統保溫材料，SiO2氣凝膠的原材料、制備工藝、生產設備成本都較高，這給氣凝膠玻璃的發展與普及帶來了較大阻力。需要探索的有：如何采用價格低廉的硅源制備透明度較好、有一定柔性的氣凝膠，如何改變干燥方式降低生產工藝成本，如何減少氣凝膠產品生產周期， 降低人工機械成本等。
2）國內相關標準還不夠完善，導致氣凝膠玻璃普及困難。氣凝膠玻璃產品質量參差不齊，未來可能出現以次充好的情況，這對于一種新型建筑用材料的發展極為不利。需要相關部門、企業攜手撰寫相關材料檢測標準和工程應用技術規范。
3）目前國內外還是以顆粒氣凝膠玻璃為主，但是整塊氣凝膠玻璃的各項性能遠遠優于顆粒氣凝膠玻璃，需要開發新型復合工藝或交聯方法，使得SiO2氣凝膠在具有透明性的同時具有一定柔性和完整性，降低其脆性和損壞概率。在雙碳和節能減排的大背景下，由于氣凝膠玻璃能極大降低建筑圍護結構的能量耗損，因而是零能耗建筑極為重要的一環。雖然目前國內的氣凝膠玻璃尚以實驗室或示范工程為主，但是氣凝膠玻璃未來將會服務于社會，有著廣闊的應用前景和發展空間。
