1 太阳能的概念

太阳能主要是指太阳光产生的辐射能量，是由内部的氢原子不断发生氢氦聚变，进而释放出非常大的核能，从而产生一种强大的辐射能量。由于太阳的热辐射源源不断，因此，太阳能本质上是一种可再生环保能源。在不可再生能源逐渐减少的情况下，太阳能已经成为人类生产和生活中的重要能源。从能源方面对其解释，可将其分为广义的太阳能和狭义的太阳能。其中，广义的太阳能是指由太阳内部发出的连续不断的核反应而产生的能量，包括潮汐能、风能、海洋温差能、水能、生物质能以及波浪能等多种能源。由此，从根本上来说，地球上存在的天然气、煤炭以及石油等石化燃料也是从远古时期存留下来的太阳能的一种。狭义的太阳能是指来自太阳光辐射的光电转化、光热转化以及光学转化产生的能量。人们常说的太阳能一般就是指狭义的太阳能。

有关统计数据显示，我国2/3的地区每年的平均日照数至少为2 200h以上，每年陆地面积上接收到的太阳辐射的总量相当于1 700亿t标准煤。随着建筑行业的快速发展，当前其工程能耗已经占据我国总能耗的27%左右。如果将太阳能合理应用到建筑工程建设中，可大大降低工程的总能耗，实现节能目标。太阳能在应用过程中不会产生任何污染物，资源获取方便且取之不尽。当前，民用建筑建设过程中对于太阳能的应用相对有限，但是随着科技水平的提高，太阳能的应用在朝着商业化方向发展，在建筑领域具有较大的发展潜力。

当前，民用建筑中对太阳能的应用逐渐提高，其常见的应用途径主要有3种，分别是主动应用模式、被动应用模式及综合应用模式。其中，主动应用模式是指在建筑中通过太阳能集热器，与蓄热装置、热泵和散热器等设备组成建筑热水系统以及建筑采暖系统，或者与制冷设备组合成建筑太阳能供热系统或者太阳能空调系统。被动应用模式是指根据建筑结构的朝向、结构设计以及建设要求合理分配太阳能的应用，对其进行有效采集和储存。综合应用模式是指将太阳能技术应用在照明系统等其他建筑电气系统中，充分提升太阳能的利用效率。

在民用建筑工程设计过程中，建筑设计方案和太阳能利用之间存在着密切关联，其中很多设计细节都体现出对太阳能的合理利用。例如，大多数民用建筑的客厅和卧室的窗户朝向多为南面，这样的设计方式是为了更好地获取自然的太阳光源，并且能优化建筑空间的通风功能。一般来说，北方住宅建筑朝南方向的窗户面积要大于朝北方向的窗户，这种设计主要是为了建筑能够更好地吸收太阳光能，实现保温节能的目的。

随着人们生活质量的逐渐提升，空调系统已经成为民用建筑工程中不可或缺的一部分，但是空调应用的普及同时也加重了能源的损耗，对环境造成一定程度的污染。如果将太阳能合理地应用于建筑的空调系统中，则能够大大降低空调系统对于常规能源的使用，减少环境污染，满足可持续发展要求。

通常情况下，应用太阳能的建筑空调系统主要有2种模式：(1)通过太阳能的光电转化实现空调系统的电力制冷；(2)通过太阳能的光热转化实现热能制冷。通过实践分析发现，第一种能源转换模式的应用成本偏高，因此在工程建设过程中通常会选用第2种方式。一般来说，应用光热转换技术的建筑空调系统通常由热泵、除湿装置、太阳能集热器以及制冷机等几个重要部分组成。当前，太阳能空调制冷技术中部分技术难点有待突破，主要问题是由于建筑市场中应用的常规太阳能集热器与现有空调制冷技术匹配度不高，太阳能集热器的应用存在局限，其空调系统的整体造价相对较高，这也是造成太阳能建筑空调系统推广受限的主要原因。为此，相关技术人员还需对制冷技术不断优化，并尽量提升太阳能集热器装置的运行效率。此外，太阳能的应用会受到气候温度、昼夜更替以及季节等因素的影响，出现能源供应间断的问题。为了提升太阳能应用的稳定性，工程技术人员还要注重太阳能空调系统中蓄热材料的开发。

民用建筑中应用的太阳能热水系统主要包括太阳能集热板装置、循环水箱、恒温水箱、集热循环泵、防过热循环泵以及热水变频泵等部分（见图1）。如果按照运行方式对该系统进行归类，大致可分为4种类型，分别为自然循环式热水系统、自然循环定温放水式热水系统、直流式热水系统及强制循环式热水系统。当前，我国大多数民用建筑中通常会应用自然循环式热水系统。一般来说，直接应用太阳能给热水系统提供能量在理论上是可以的，但是此种系统需要按照最冷的月份和日照环境最差的季节对系统进行加热设计，并需要考虑系统的热水储备问题，加设储水装置，系统的成本投入较高，且在应用过程中会经常产生过量的热水，造成资源浪费。为了避免这种情况，可在太阳能热水系统中设置辅助热源，当太阳的辐射能源总量不符合系统的加热要求时，可以使用辅助热源进行补充加热。当前常用方式包括电辅助加热和燃气辅助加热等。

一般来说，太阳能采暖系统主要由集热器、蓄热器、控制器以及辅助热源等几个重要部分组合而成（见图2）。民用建筑中的太阳能采暖系统通常可分为2种类型：(1)以空气为介质的采暖系统；(2)以水为介质的采暖系统。第1种采暖系统与后者相比，其集热器装置运行期间可避免出现腐蚀或者冻结等问题。但是该系统的风机运行过程中会产生较高的电力损耗，系统蓄热装置体积较大，容易产生比较严重的空气渗漏情况，进而影响系统的集热效果。第2种采暖系统的发展源于太阳能热水系统，其与空气式采暖系统相比，集热效率更高。该系统能够增加集热装置的实际采光面积，并且可与太阳能热水系统进行关联应用，形成节能环保的复合型系统。

当前，在民用建筑中应用较多的太阳能采暖系统还有热泵采暖系统，其主要划分为空气源热泵采暖及水源热泵采暖2种类型。其中，空气源热泵采暖系统主要有4种运行模式：(1)单纯热泵工况运行模式；(2)单纯的空气集热器运行模式；(3)空气通过集热器集热之后经过蒸发器，再经过冷凝器的运行模式；(4)空气经过加热后经过蒸发器然后排到环境当中，在建筑室内以及冷凝器设备之间进行循环的模式。水源热泵采暖系统有2种运行模式：(1)水源通过集热器加热后流入蓄热水箱，然后经过蒸发器装置，蓄热的同时进行热泵采暖；(2)在夜间或者阴雨天，应用蓄热水箱给系统供热。

当前，在民用建筑中常会应用一种复合型通风系统，此系统是一种生态建筑结构与太阳能的有机结合产物，其在建筑围护结构中合理设置太阳能的空气集热装置，进而实现建筑空间热环境的改良和优化。这种系统是通过太阳光的辐射产生热压动力，促进周围空气流动，将太阳光辐射的热能转化成空气流通动能。民用建筑中的太阳能通风模式常见于太阳能屋面集热系统以及墙体集热系统。太阳辐射作用于其会产生诱导力，使得建筑空间自然通风良好，有效降温，且实现建筑的被动采暖。进入冬季后，墙体集热系统采暖方式是借助自然通风或者阀门控制来实现。夏季时可借助通风效应实现散热功能，避免建筑内部出现夏热冬冷的情况。

太阳能是清洁环保且可再生的能源，将其应用于建筑工程不会产生废渣、废气及废水等有害物质，也不会产生噪声，经济适用性突出。民用建筑中各系统对于能源的需求量持续升高，合理应用太阳能技术，具有显著的节能降耗效益。