论文信息：
Lin Tian, Haibo Xu, Zengyao Li, Xinpeng Zhao, Thermally insulating and sunlight selective aerogel film for window retrofits in hot regions, Solar Energy Materials and Solar Cells 295, 113958 (2026).
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2025.113958
预计到2030年，最终能源消耗总量每年将增长约1.1%，其中建筑业约占34%。采暖、通风和空调(HVAC)系统占建筑能耗的40%-50%，预计其能源需求将从2018年的约35,000 pJ增加到2100年的约80,000 pJ。大约60%的建筑围护结构的能量损失是由于窗户[5]，因为它们的太阳透过率高达0.92，这在许多发展中地区仍然很常见。为了减少与玻璃窗相关的冷负荷，已经证明了各种节能方法，如相变材料(PCM)、热致变色/电致变色材料、半导体太阳能电池和Low-E膜。然而，这些策略只调节太阳的热增量，缺乏隔热性能。
本文通过开发一种ITO掺杂气凝胶薄膜来介绍一种窗户改造解决方案，该薄膜可同时实现低近红外透射率和高可见光透射率，同时具有高耐热性。结果发现，掺杂直径为4nm的0.099vol%ITO纳米颗粒的5mm厚气凝胶可以达到2.30W/（m2·K），太阳热增益系数为0.60，透光率为0.60，近红外透射率为0.27。
图1(a)说明了所提出的ITO掺杂二氧化硅气凝胶薄膜的结构，该薄膜作为改造解决方案层压在单层玻璃窗的外表面上。二氧化硅气凝胶具有超低导热系数（0.018 W/（m·K））的特点，用于增强窗玻璃的热阻并最大限度地减少能量损失。ITO纳米颗粒随机分散在二氧化硅气凝胶中，通过局部表面等离子体共振吸收近红外辐射来减少冷却负荷，同时仍允许可见光通过室内照明。图1(b)描绘了在单层玻璃窗上通过二氧化硅气凝胶膜的传热过程，包括热传导、对流和辐射。二氧化硅气凝胶膜窗户室内外环境之间的传热受到环境和室温、外部风速、厚度、表面发射率、二氧化硅气凝胶膜的太阳吸收等多种因素的影响。白天，太阳辐照度（高达800 W/m2）在到达室内环境之前被窗玻璃部分吸收并在玻璃和二氧化硅气凝胶之间的表面以及玻璃和空气之间的表面上反射。然后，窗口和二氧化硅气凝胶膜吸收的太阳辐射被传导到内表面和外表面，在那里通过表面对流和热辐射消散。
图1覆盖有二氧化硅气凝胶薄膜的单层玻璃窗的传热。(a) 层压在玻璃窗外表面的改造用硅胶气凝胶薄膜的结构。(b)硅气凝胶薄膜和窗玻璃的传热示意图。
为了验证用Mie理论计算的光学参数计算了二氧化硅气凝胶中浓度为3%、直径为4μm的SiC颗粒贡献的消光系数。如图2(a)所示，我们的结果与赵等人报告的结果最大差异为4.5%。我们使用有限元法（FEM）求解耦合传热方程，考虑热传导、对流和辐射。验证传热框架以及我们工作中的数值方法，我们计算了从高温环境（308.15K）到冷藏室（297.15K）的热通量，穿过各种厚度（3-8mm）的单层玻璃窗，其中玻璃窗的导热系数kg=0.96W/(m·K)具有内外表面对流传热系数hi=3.6W/(m2·K)和ho=18W/(m2·K)，以及平均表面发射率ε=0.84.如图2（b）所示，我们将通过窗口计算的总热通量与Ismail等的结果进行了比较，差异小于1.6%，表明了良好的一致性。在这项工作的其余部分，我们研究了玻璃的光学性质(即发光和近红外透过率)和隔热性能(即SHGC、U值和通过窗户的热流)并假设如下：对于玻璃，我们指定了导热系数为0.96 W/（m·K），以及平均表面发射率为0.84，折射率为1.5，消光系数为4 m−1 ,在太阳光谱（0.3–2.5 μm）中。我们假设二氧化硅气凝胶的导热系数为0.018 W/（m·K），平均表面发射率为0.84，厚度范围为1至15mm。我们忽略了ITO纳米颗粒对二氧化硅气凝胶薄膜导热系数的影响，因为它们的浓度较低（<0.1%）。我们假设二氧化硅气凝胶的折射率为1 ，其光谱吸收/散射系数如图2（c）所示。我们使用 Drude 模型（计算复折射率的ITO纳米颗粒，见图2（d）。
图2 将传热学模型的计算结果与计算中使用的参考数据和光学参数进行比较。(a)计算的光谱消光系数(EQs。9-15)，并与赵等人进行了比较；(b)计算的总热流与Ismail等人的结果进行了比较；(c)密度为180kg/m3的二氧化硅气凝胶的散射/吸收系数；(d)计算了ITO纳米粒子的复折射率。
图3显示了当应用于单层玻璃窗时，ITO纳米颗粒的浓度、直径和气凝胶的厚度如何影响ITO掺杂气凝胶改性薄膜的发光和近红外透射率。在图3(a-b)中，我们注意到，在纳米颗粒直径和气凝胶厚度恒定的情况下，当ITO纳米颗粒的浓度降低时，ITO掺杂气凝胶改造件在窗口上的发光和近红外透射率都会增加。图3(c)显示了不同厚度的二氧化硅气凝胶改造膜中纳米颗粒直径和浓度的范围，均实现了大于0.6的透光率。随着较厚的气凝胶薄膜吸收更多的太阳辐射，我们看到随着气凝胶厚度的增加，范围变得变窄。图3(d)显示了各种气凝胶厚度下透光率高于0.6的优化直径和浓度。我们看到，气凝胶改造膜的近红外透过率随着膜厚的增加先减小后增大。
图3.ITO纳米粒子浓度、直径和气凝胶厚度对气凝胶改进窗口光学性能的影响。(A)发光透过率和(B)气凝胶改造窗口的近红外透过率随纳米颗粒浓度、直径和气凝胶厚度的变化；(C)纳米颗粒直径和浓度，使各种气凝胶厚度的透光率高于0.6；(D)各种气凝胶厚度的最佳直径和浓度，透光率大于0.6。
图4说明了气凝胶厚度如何影响热性能，包括SHGC、U值和通过气凝胶改造窗口的热通量。我们看到，U值呈非线性减小，随着气凝胶膜厚度的增加，下降速度减慢。与U值不同，当气凝胶厚度低于5mm时，SHGC会减小，然后增加到5mm以上，如图4(a)所示。这种趋势归因于图3(d)所示的近红外透射率行为。当气凝胶厚度低于5mm时，厚度的增加会降低近红外透射率，从而降低SHGC。相反，对于超过5mm的厚度，近红外透射率开始略有上升，从而相应增加SHGC。同时，由于室内外温差，气凝胶膜的厚度也会影响通过窗玻璃的冷却损失。如图4(b)所示，尽管非太阳热增益随着气凝胶厚度的增加而减少，但太阳热增益仍然是总热增益的主要贡献者。图4(c)显示了覆盖有优化的ITO掺杂气凝胶改装膜和5mm厚气凝胶基质的窗户的光谱太阳透射率。我们看到，与气凝胶基质相比，覆盖有ITO掺杂气凝胶膜的窗口表现出很强的阳光选择性，发光透射率为0.6，近红外透射率为0.27。与气凝胶基质相比，它将近红外透射率降低了67%，为 0.81。
图4气凝胶薄膜厚度对玻璃光学和热性能的影响。(A)不同气凝胶膜厚度的窗玻璃的SHGC和U值；(B)非太阳能、太阳能和通过窗玻璃的总热增量对热通量的贡献；(C)用优化的ITO掺杂气凝胶改性膜和5 mm厚的气凝胶基质覆盖的窗户的光谱太阳透过率。
我们通过将ITO掺杂的气凝胶改造膜应用于单层玻璃窗并使用数值模拟评估了该薄膜对建筑节能的影响。有关建模建筑的详细信息，请参见图5(a)。我们选取了武汉（夏季炎热，冬季寒冷）、昆明（温带）和广州（夏季炎热，冬季温暖）3个代表华南典型气候带的城市进行分析。3个典型城市采用单窗格的建筑年能耗(U值：5.91 W/（m2·K);SHGC：0.86)、双层(U 值：3.12 W/(m2·K);SHGC：0.76)、low-E(U 值：5.91W/(m2·K);SHGC:0.65)窗口，气凝胶改造窗口(U值:2.3 W/(m2·K);SHGC:0.60)如图5(b)所示。结果表明，带有ITO掺杂气凝胶膜的窗户有助于典型城市的节能。图5(c)描绘了武汉市建筑物的月供暖和制冷负荷，比较了单层玻璃、双层玻璃、低辐射和ITO掺杂气凝胶改造窗的建筑物。可以得出结论，将ITO掺杂气凝胶改装膜应用于窗户可以实现高温地区建筑节能。值得注意的是，虽然ITO相对昂贵，但这项工作中使用的极低体积分数大大降低了成本。此外，ITO可以从触摸屏和太阳能电池等报废产品中回收利用，并可以优先在高能耗建筑中进行实际部署，以实现节能和材料支出之间的良好平衡。
图5 单格窗、双格窗、Low-E窗、气凝胶改装窗的暖通空调能耗(a)用于能耗评估的中型办公模型；(b)武汉、昆明和广州建筑物的年能耗；(c)武汉市建筑月供暖和制冷负荷。
综上所述，一种隔热和阳光选择性的ITO掺杂气凝胶薄膜被提出作为窗户改造，以减少建筑物的冷却负荷。然后，建立了集热传导、对流和辐射于一体的数值框架，研究了浓度、ITO纳米颗粒直径和二氧化硅气凝胶厚度对气凝胶膜光学性能和隔热性能的影响。结果表明，掺杂直径为4nm的0.099 vol%ITO纳米颗粒的5mm厚二氧化硅气凝胶可以达到：U值为2.30 W/（m2·K），SHGC为0.6，透光率为0.60，近红外透射率为0.27。ITO掺杂气凝胶改造窗具有较低的U值和SHGC、相对较高的透光率和较低的近红外透射率，可以在不阻挡有用太阳能的情况下最大限度地减少能量损失，作为提高窗户能效的改造具有很大的应用潜力。虽然这项工作为优化ITO掺杂气凝胶薄膜提供了理论基础，但实际应用可能会带来限制，包括材料在长时间阳光照射下的稳定性、制造可伸缩性以及与现有窗口系统的集成。
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