实现建筑领域的节能减碳已成为当今行业关注并亟需解决的问题。2025年，全球建筑行业(含建造与运行全链条)能源消耗约占全球总能源消耗的32%;建筑领域二氧化碳排放量，占全球能源及工艺相关二氧化碳总排放量的34%。
为将气温增幅限制在比工业化前的水平高出1.5°C以内，世界各地都提出了节能降碳措施，以实现2030年前减少温室气体排放的目标。
建筑围护结构的热工性能是影响建筑碳排放及建筑能耗的关键因素。建筑围护结构的能源性能是对我国建筑能效影响最大的因素之一，因此选择节能的围护结构材料至关重要。
氧化硅气凝胶具有优异的隔热性能(导热率:0.012~0.025W/(m·K))、密度低(0.003~0.5g/cm3)、耐火性强、孔隙率高，同时具有良好的光学、声学特性，在建筑节能领域显现出卓越的应用潜力，应用在建筑中有利于实现节能降耗的目的，但氧化硅气凝胶在建筑中的广泛应用还需评估其节能潜力与经济性。
氧化硅气凝胶目前在建筑不同部件中的应用形式包括：用于墙体的气凝胶毡、用于窗户的气凝胶玻璃以及用于可再生能源系统的气凝胶隔热部件等。
为评估氧化硅气凝胶在建筑领域的减碳潜力，可对其进行全生命周内的二氧化碳排放量计算分析分析。
另外，为实现氧化硅气凝胶在建筑中的大规模广泛应用，需要考虑新型隔热材料及其建筑应用的经济性评估，如投资回收期、生命周期成本等。
氧化硅气凝胶具有密度低、隔热性能好以及透光性等特点，经过疏水改性还可实现良好的疏水性能，是目前最有前途的隔热材料之一。
首先是气凝胶的隔热性能。
氧化硅气凝胶具有纳米孔径(平均孔径约为20nm，低于空气分子自由程约70nm)和高孔隙率(高达99%)，氧化硅气凝胶在标准大气压下的热导率约为0.02W/(m·K),在真空时约为0.01W/(m.K)，呈现出优异的隔热性能。
气凝胶的热量传递方式包括固体传导、气态传导和红外辐射三种。固体热导率取决于气凝胶颗粒间的连通性和密度，以及气凝胶的组成成分。气态热导率主要由气凝胶的孔径大小和孔隙率决定，而气凝胶的辐射传热热导率则取决于气凝胶材料的光学厚度。
降低固体热导率，可采用控制气凝胶堆积密度的方式;降低气体热导率，可通过将孔径范围控制在介孔范围内(孔径为2~50nmm)的方式;降低辐射热导率，可以通过添加TiO2、SiC等红外遮光剂的方式。
其次是气凝胶的疏水性。
应用在湿热地区的建筑隔热材料应具有疏水性能，防止材料吸水导致开裂、发霉等问题。氧化硅气凝胶表面拥有大量亲水性的羟基基团且表面水接触角较低，易使气凝胶的结构崩塌。
为保证气凝胶在湿热地区的建筑应用，需要对其进行疏水改性。疏水改性的方式有多种，例如将共硅烷源前驱体与柔性基团掺入，或者采用非极性基团的烷基改性剂在溶剂交换过程中对表面进行疏水改性。
第三个方面就是气凝胶的力学性能。
氧化硅气凝胶的多孔结构和Si-O键的弱应变导致了气凝胶结构强度低、易碎的问题。通常的强化方法有纤维增强、用聚合物进行表面交联、添加柔性基团、延长老化时间等。
其中最常用的途径之一是纤维增强法。纤维增强法利用纤维本身的骨架支撑以及对断裂扩展的阻碍作用，既提高复合气凝胶的力学性能，也使气凝胶颗粒的粒径分布更加均匀。
第四个方面就是光学性能。
氧化硅气凝胶的微观结构尺度与光的波长相比较小，由瑞利散射理论可知，可见光在气凝胶中有少量散射，因此氧化硅气凝胶呈现半透明的光学特性。加上气凝胶的高隔热性能，因此氧化硅气凝胶材料可以应用于节能窗、太阳能集热器和光纤设备等。
如果要增强氧化硅气凝胶的可见光透过率，就要保持二氧化硅颗粒的尺寸在较小范围内，一般在制备时采用调整合成参数、选择不同的干燥方法等方式可以对气凝胶的微观结构进行调整，以获得高可见光透过率。
综上，气凝胶作为隔热材料，在建筑领域使用，可带来可衡量的环境效益和经济效益。
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首先看环境效益：气凝胶毡、气凝胶玻璃和气凝胶光伏光热系统均可显著减少二氧化碳排放。
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其次，我们分析气凝胶保温材料在建筑中应用的经济性，评价指标通常包括投资回收期、投资回报率以及生命周期成本等。气凝胶毡相比传统保温材料的投资回收期长，在亚热带湿润气候区可达26年。但对于窗户，气凝胶玻璃比普通双层玻璃投资回收期短，在寒冷气候区仅为4.4年。
所以，我们想要实现氧化硅气凝胶在建筑中广泛的应用仍然存在以下两个问题:
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其一，气凝胶材料的成本相对较高，直接影响其在建筑应用中的经济性；
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其二，气凝胶材料的投资回收期与气候条件密切相关，然而我们对于不同气候区气凝胶材料在建筑中的应用经济性分析的研究仍然较少。
尽管存在一些挑战，但通过不断的技术创新和深入研究，氧化硅气凝胶有望在未来的建筑隔热领域中发挥更加重要的作用，为实现全球减碳目标和可持续发展做出更大贡献。
资料来源：广州大学
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