太陽能在民用建筑中的應用探討

袁志超，汪崇瑜

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

1 太陽能的概念

太陽能主要是指太陽光產生的輻射能量，是由內部的氫原子不斷發生氫氦聚變，進而釋放出非常大的核能，從而產生一種強大的輻射能量。由于太陽的熱輻射源源不斷，因此，太陽能本質上是一種可再生環保能源。在不可再生能源逐漸減少的情況下，太陽能已經成為人類生產和生活中的重要能源。從能源方面對其解釋，可將其分為廣義的太陽能和狹義的太陽能。其中，廣義的太陽能是指由太陽內部發出的連續不斷的核反應而產生的能量，包括潮汐能、風能、海洋溫差能、水能、生物質能以及波浪能等多種能源。由此，從根本上來說，地球上存在的天然氣、煤炭以及石油等石化燃料也是從遠古時期存留下來的太陽能的一種。狹義的太陽能是指來自太陽光輻射的光電轉化、光熱轉化以及光學轉化產生的能量。人們常說的太陽能一般就是指狹義的太陽能。

有關統計數據顯示，我國2/3的地區每年的平均日照數至少為2 200h以上，每年陸地面積上接收到的太陽輻射的總量相當于1 700億t標準煤。隨著建筑行業的快速發展，當前其工程能耗已經占據我國總能耗的27%左右。如果將太陽能合理應用到建筑工程建設中，可大大降低工程的總能耗，實現節能目標。太陽能在應用過程中不會產生任何污染物，資源獲取方便且取之不盡。當前，民用建筑建設過程中對于太陽能的應用相對有限，但是隨著科技水平的提高，太陽能的應用在朝著商業化方向發展，在建筑領域具有較大的發展潛力。

2 太陽能在民用建筑中的應用途徑

當前，民用建筑中對太陽能的應用逐漸提高，其常見的應用途徑主要有3種，分別是主動應用模式、被動應用模式及綜合應用模式。其中，主動應用模式是指在建筑中通過太陽能集熱器，與蓄熱裝置、熱泵和散熱器等設備組成建筑熱水系統以及建筑采暖系統，或者與制冷設備組合成建筑太陽能供熱系統或者太陽能空調系統。被動應用模式是指根據建筑結構的朝向、結構設計以及建設要求合理分配太陽能的應用，對其進行有效采集和儲存。綜合應用模式是指將太陽能技術應用在照明系統等其他建筑電氣系統中，充分提升太陽能的利用效率。

在民用建筑工程設計過程中，建筑設計方案和太陽能利用之間存在著密切關聯，其中很多設計細節都體現出對太陽能的合理利用。例如，大多數民用建筑的客廳和臥室的窗戶朝向多為南面，這樣的設計方式是為了更好地獲取自然的太陽光源，并且能優化建筑空間的通風功能。一般來說，北方住宅建筑朝南方向的窗戶面積要大于朝北方向的窗戶，這種設計主要是為了建筑能夠更好地吸收太陽光能，實現保溫節能的目的。

3 太陽能在民用建筑中的應用分析

3.1 太陽能在建筑空調系統中的應用

隨著人們生活質量的逐漸提升，空調系統已經成為民用建筑工程中不可或缺的一部分，但是空調應用的普及同時也加重了能源的損耗，對環境造成一定程度的污染。如果將太陽能合理地應用于建筑的空調系統中，則能夠大大降低空調系統對于常規能源的使用，減少環境污染，滿足可持續發展要求。

通常情況下，應用太陽能的建筑空調系統主要有2種模式：①通過太陽能的光電轉化實現空調系統的電力制冷；②通過太陽能的光熱轉化實現熱能制冷。通過實踐分析發現，第一種能源轉換模式的應用成本偏高，因此在工程建設過程中通常會選用第2種方式。一般來說，應用光熱轉換技術的建筑空調系統通常由熱泵、除濕裝置、太陽能集熱器以及制冷機等幾個重要部分組成。當前，太陽能空調制冷技術中部分技術難點有待突破，主要問題是由于建筑市場中應用的常規太陽能集熱器與現有空調制冷技術匹配度不高，太陽能集熱器的應用存在局限，其空調系統的整體造價相對較高，這也是造成太陽能建筑空調系統推廣受限的主要原因。為此，相關技術人員還需對制冷技術不斷優化，并盡量提升太陽能集熱器裝置的運行效率。此外，太陽能的應用會受到氣候溫度、晝夜更替以及季節等因素的影響，出現能源供應間斷的問題。為了提升太陽能應用的穩定性，工程技術人員還要注重太陽能空調系統中蓄熱材料的開發。

3.2 太陽能在建筑熱水系統中的應用

民用建筑中應用的太陽能熱水系統主要包括太陽能集熱板裝置、循環水箱、恒溫水箱、集熱循環泵、防過熱循環泵以及熱水變頻泵等部分（見圖1）。如果按照運行方式對該系統進行歸類，大致可分為4種類型，分別為自然循環式熱水系統、自然循環定溫放水式熱水系統、直流式熱水系統及強制循環式熱水系統。當前，我國大多數民用建筑中通常會應用自然循環式熱水系統。一般來說，直接應用太陽能給熱水系統提供能量在理論上是可以的，但是此種系統需要按照最冷的月份和日照環境最差的季節對系統進行加熱設計，并需要考慮系統的熱水儲備問題，加設儲水裝置，系統的成本投入較高，且在應用過程中會經常產生過量的熱水，造成資源浪費。為了避免這種情況，可在太陽能熱水系統中設置輔助熱源，當太陽的輻射能源總量不符合系統的加熱要求時，可以使用輔助熱源進行補充加熱。當前常用方式包括電輔助加熱和燃氣輔助加熱等。

圖1 太陽能熱水系統結構

3.3 太陽能在建筑采暖系統中的應用

一般來說，太陽能采暖系統主要由集熱器、蓄熱器、控制器以及輔助熱源等幾個重要部分組合而成（見圖2）。民用建筑中的太陽能采暖系統通常可分為2種類型：①以空氣為介質的采暖系統；②以水為介質的采暖系統。第1種采暖系統與后者相比，其集熱器裝置運行期間可避免出現腐蝕或者凍結等問題。但是該系統的風機運行過程中會產生較高的電力損耗，系統蓄熱裝置體積較大，容易產生比較嚴重的空氣滲漏情況，進而影響系統的集熱效果。第2種采暖系統的發展源于太陽能熱水系統，其與空氣式采暖系統相比，集熱效率更高。該系統能夠增加集熱裝置的實際采光面積，并且可與太陽能熱水系統進行關聯應用，形成節能環保的復合型系統。

當前，在民用建筑中應用較多的太陽能采暖系統還有熱泵采暖系統，其主要劃分為空氣源熱泵采暖及水源熱泵采暖2種類型。其中，空氣源熱泵采暖系統主要有4種運行模式：①單純熱泵工況運行模式；②單純的空氣集熱器運行模式；③空氣通過集熱器集熱之后經過蒸發器，再經過冷凝器的運行模式；④空氣經過加熱后經過蒸發器然后排到環境當中，在建筑室內以及冷凝器設備之間進行循環的模式。水源熱泵采暖系統有2種運行模式：①水源通過集熱器加熱后流入蓄熱水箱，然后經過蒸發器裝置，蓄熱的同時進行熱泵采暖；②在夜間或者陰雨天，應用蓄熱水箱給系統供熱。

3.4 太陽能在建筑通風系統中的應用

當前，在民用建筑中常會應用一種復合型通風系統，此系統是一種生態建筑結構與太陽能的有機結合產物，其在建筑圍護結構中合理設置太陽能的空氣集熱裝置，進而實現建筑空間熱環境的改良和優化。這種系統是通過太陽光的輻射產生熱壓動力，促進周圍空氣流動，將太陽光輻射的熱能轉化成空氣流通動能。民用建筑中的太陽能通風模式常見于太陽能屋面集熱系統以及墻體集熱系統。太陽輻射作用于其會產生誘導力，使得建筑空間自然通風良好，有效降溫，且實現建筑的被動采暖。進入冬季后，墻體集熱系統采暖方式是借助自然通風或者閥門控制來實現。夏季時可借助通風效應實現散熱功能，避免建筑內部出現夏熱冬冷的情況。

4 結語

太陽能是清潔環保且可再生的能源，將其應用于建筑工程不會產生廢渣、廢氣及廢水等有害物質，也不會產生噪聲，經濟適用性突出。民用建筑中各系統對于能源的需求量持續升高，合理應用太陽能技術，具有顯著的節能降耗效益。