太陽能在民用建筑中的應(yīng)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(chǎn)生的輻射能量，是由內(nèi)部的氫原子不斷發(fā)生氫氦聚變，進(jìn)而釋放出非常大的核能，從而產(chǎn)生一種強(qiáng)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(zhì)上是一種可再生環(huán)保能源。在不可再生能源逐漸減少的情況下，太陽能已經(jīng)成為人類生產(chǎn)和生活中的重要能源。從能源方面對(duì)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(nèi)部發(fā)出的連續(xù)不斷的核反應(yīng)而產(chǎn)生的能量，包括潮汐能、風(fēng)能、海洋溫差能、水能、生物質(zhì)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(yuǎn)古時(shí)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(zhuǎn)化、光熱轉(zhuǎn)化以及光學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)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(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國2/3的地區(qū)每年的平均日照數(shù)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(dāng)于1 700億t標(biāo)準(zhǔn)煤。隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)前其工程能耗已經(jīng)占據(jù)我國總能耗的27%左右。如果將太陽能合理應(yīng)用到建筑工程建設(shè)中，可大大降低工程的總能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。太陽能在應(yīng)用過程中不會(huì)產(chǎn)生任何污染物，資源獲取方便且取之不盡。當(dāng)前，民用建筑建設(shè)過程中對(duì)于太陽能的應(yīng)用相對(duì)有限，但是隨著科技水平的提高，太陽能的應(yīng)用在朝著商業(yè)化方向發(fā)展，在建筑領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 太陽能在民用建筑中的應(yīng)用途徑

當(dāng)前，民用建筑中對(duì)太陽能的應(yīng)用逐漸提高，其常見的應(yīng)用途徑主要有3種，分別是主動(dòng)應(yīng)用模式、被動(dòng)應(yīng)用模式及綜合應(yīng)用模式。其中，主動(dòng)應(yīng)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(shè)備組成建筑熱水系統(tǒng)以及建筑采暖系統(tǒng)，或者與制冷設(shè)備組合成建筑太陽能供熱系統(tǒng)或者太陽能空調(diào)系統(tǒng)。被動(dòng)應(yīng)用模式是指根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的朝向、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及建設(shè)要求合理分配太陽能的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行有效采集和儲(chǔ)存。綜合應(yīng)用模式是指將太陽能技術(shù)應(yīng)用在照明系統(tǒng)等其他建筑電氣系統(tǒng)中，充分提升太陽能的利用效率。

在民用建筑工程設(shè)計(jì)過程中，建筑設(shè)計(jì)方案和太陽能利用之間存在著密切關(guān)聯(lián)，其中很多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)都體現(xiàn)出對(duì)太陽能的合理利用。例如，大多數(shù)民用建筑的客廳和臥室的窗戶朝向多為南面，這樣的設(shè)計(jì)方式是為了更好地獲取自然的太陽光源，并且能優(yōu)化建筑空間的通風(fēng)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(shè)計(jì)主要是為了建筑能夠更好地吸收太陽光能，實(shí)現(xiàn)保溫節(jié)能的目的。

3 太陽能在民用建筑中的應(yīng)用分析

3.1 太陽能在建筑空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著人們生活質(zhì)量的逐漸提升，空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為民用建筑工程中不可或缺的一部分，但是空調(diào)應(yīng)用的普及同時(shí)也加重了能源的損耗，對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染。如果將太陽能合理地應(yīng)用于建筑的空調(diào)系統(tǒng)中，則能夠大大降低空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于常規(guī)能源的使用，減少環(huán)境污染，滿足可持續(xù)發(fā)展要求。

通常情況下，應(yīng)用太陽能的建筑空調(diào)系統(tǒng)主要有2種模式：①通過太陽能的光電轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的電力制冷；②通過太陽能的光熱轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)熱能制冷。通過實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)，第一種能源轉(zhuǎn)換模式的應(yīng)用成本偏高，因此在工程建設(shè)過程中通常會(huì)選用第2種方式。一般來說，應(yīng)用光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的建筑空調(diào)系統(tǒng)通常由熱泵、除濕裝置、太陽能集熱器以及制冷機(jī)等幾個(gè)重要部分組成。當(dāng)前，太陽能空調(diào)制冷技術(shù)中部分技術(shù)難點(diǎn)有待突破，主要問題是由于建筑市場(chǎng)中應(yīng)用的常規(guī)太陽能集熱器與現(xiàn)有空調(diào)制冷技術(shù)匹配度不高，太陽能集熱器的應(yīng)用存在局限，其空調(diào)系統(tǒng)的整體造價(jià)相對(duì)較高，這也是造成太陽能建筑空調(diào)系統(tǒng)推廣受限的主要原因。為此，相關(guān)技術(shù)人員還需對(duì)制冷技術(shù)不斷優(yōu)化，并盡量提升太陽能集熱器裝置的運(yùn)行效率。此外，太陽能的應(yīng)用會(huì)受到氣候溫度、晝夜更替以及季節(jié)等因素的影響，出現(xiàn)能源供應(yīng)間斷的問題。為了提升太陽能應(yīng)用的穩(wěn)定性，工程技術(shù)人員還要注重太陽能空調(diào)系統(tǒng)中蓄熱材料的開發(fā)。

3.2 太陽能在建筑熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用

民用建筑中應(yīng)用的太陽能熱水系統(tǒng)主要包括太陽能集熱板裝置、循環(huán)水箱、恒溫水箱、集熱循環(huán)泵、防過熱循環(huán)泵以及熱水變頻泵等部分（見圖1）。如果按照運(yùn)行方式對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行歸類，大致可分為4種類型，分別為自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)、自然循環(huán)定溫放水式熱水系統(tǒng)、直流式熱水系統(tǒng)及強(qiáng)制循環(huán)式熱水系統(tǒng)。當(dāng)前，我國大多數(shù)民用建筑中通常會(huì)應(yīng)用自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)。一般來說，直接應(yīng)用太陽能給熱水系統(tǒng)提供能量在理論上是可以的，但是此種系統(tǒng)需要按照最冷的月份和日照環(huán)境最差的季節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加熱設(shè)計(jì)，并需要考慮系統(tǒng)的熱水儲(chǔ)備問題，加設(shè)儲(chǔ)水裝置，系統(tǒng)的成本投入較高，且在應(yīng)用過程中會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生過量的熱水，造成資源浪費(fèi)。為了避免這種情況，可在太陽能熱水系統(tǒng)中設(shè)置輔助熱源，當(dāng)太陽的輻射能源總量不符合系統(tǒng)的加熱要求時(shí)，可以使用輔助熱源進(jìn)行補(bǔ)充加熱。當(dāng)前常用方式包括電輔助加熱和燃?xì)廨o助加熱等。

圖1 太陽能熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 太陽能在建筑采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

一般來說，太陽能采暖系統(tǒng)主要由集熱器、蓄熱器、控制器以及輔助熱源等幾個(gè)重要部分組合而成（見圖2）。民用建筑中的太陽能采暖系統(tǒng)通常可分為2種類型：①以空氣為介質(zhì)的采暖系統(tǒng)；②以水為介質(zhì)的采暖系統(tǒng)。第1種采暖系統(tǒng)與后者相比，其集熱器裝置運(yùn)行期間可避免出現(xiàn)腐蝕或者凍結(jié)等問題。但是該系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較高的電力損耗，系統(tǒng)蓄熱裝置體積較大，容易產(chǎn)生比較嚴(yán)重的空氣滲漏情況，進(jìn)而影響系統(tǒng)的集熱效果。第2種采暖系統(tǒng)的發(fā)展源于太陽能熱水系統(tǒng)，其與空氣式采暖系統(tǒng)相比，集熱效率更高。該系統(tǒng)能夠增加集熱裝置的實(shí)際采光面積，并且可與太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)應(yīng)用，形成節(jié)能環(huán)保的復(fù)合型系統(tǒng)。

當(dāng)前，在民用建筑中應(yīng)用較多的太陽能采暖系統(tǒng)還有熱泵采暖系統(tǒng)，其主要?jiǎng)澐譃榭諝庠礋岜貌膳八礋岜貌膳?種類型。其中，空氣源熱泵采暖系統(tǒng)主要有4種運(yùn)行模式：①單純熱泵工況運(yùn)行模式；②單純的空氣集熱器運(yùn)行模式；③空氣通過集熱器集熱之后經(jīng)過蒸發(fā)器，再經(jīng)過冷凝器的運(yùn)行模式；④空氣經(jīng)過加熱后經(jīng)過蒸發(fā)器然后排到環(huán)境當(dāng)中，在建筑室內(nèi)以及冷凝器設(shè)備之間進(jìn)行循環(huán)的模式。水源熱泵采暖系統(tǒng)有2種運(yùn)行模式：①水源通過集熱器加熱后流入蓄熱水箱，然后經(jīng)過蒸發(fā)器裝置，蓄熱的同時(shí)進(jìn)行熱泵采暖；②在夜間或者陰雨天，應(yīng)用蓄熱水箱給系統(tǒng)供熱。

3.4 太陽能在建筑通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)前，在民用建筑中常會(huì)應(yīng)用一種復(fù)合型通風(fēng)系統(tǒng)，此系統(tǒng)是一種生態(tài)建筑結(jié)構(gòu)與太陽能的有機(jī)結(jié)合產(chǎn)物，其在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置太陽能的空氣集熱裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑空間熱環(huán)境的改良和優(yōu)化。這種系統(tǒng)是通過太陽光的輻射產(chǎn)生熱壓動(dòng)力，促進(jìn)周圍空氣流動(dòng)，將太陽光輻射的熱能轉(zhuǎn)化成空氣流通動(dòng)能。民用建筑中的太陽能通風(fēng)模式常見于太陽能屋面集熱系統(tǒng)以及墻體集熱系統(tǒng)。太陽輻射作用于其會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)力，使得建筑空間自然通風(fēng)良好，有效降溫，且實(shí)現(xiàn)建筑的被動(dòng)采暖。進(jìn)入冬季后，墻體集熱系統(tǒng)采暖方式是借助自然通風(fēng)或者閥門控制來實(shí)現(xiàn)。夏季時(shí)可借助通風(fēng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)散熱功能，避免建筑內(nèi)部出現(xiàn)夏熱冬冷的情況。

4 結(jié)語

太陽能是清潔環(huán)保且可再生的能源，將其應(yīng)用于建筑工程不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢氣及廢水等有害物質(zhì)，也不會(huì)產(chǎn)生噪聲，經(jīng)濟(jì)適用性突出。民用建筑中各系統(tǒng)對(duì)于能源的需求量持續(xù)升高，合理應(yīng)用太陽能技術(shù)，具有顯著的節(jié)能降耗效益。