太阳能热水系统手册(第二版)

1、详细介绍了太阳能低温热利用的热水器产品、太阳能热水系统的设计应用以及太阳能与建筑结合情况。 2、提出了太阳能热水系统与空气源热泵系统结合设计的方式、方法，以及适合高层住宅建筑的太阳能集分系统与太阳能阳台壁挂式系统。 3、书中汇总了部分太阳能系统设计应用实例，有详细的设计参数和计算方法。 4、既可以为进入太阳能行业的初学者快速掌握太阳能热利用技术之用，又可以作为太阳能热利用工程技术人员的参考工具书。

前言
新能源是21 世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。
人类利用太阳能已有几千年的历史，但发展一直很缓慢，现代意义上的开发利用只是近半个多世纪的事情。1954 年美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳电池，从此揭开了太阳能开发利用的新篇章。之后，太阳能开发利用技术发展很快，特别是20 世纪70 年代爆发的世界性石油危机有力地促进了太阳能开发利用。经过半个世纪的努力，太阳能光热利用技术及其产业异军突起，成为能源工业的一支生力军。迄今为止，太阳能的应用领域非常广泛，但最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。
根据可持续发展战略，太阳能热利用在替代高含碳燃料的能源生产和终端利用中大有用武之地。太阳能热利用具有广阔的应用领域，可归纳为太阳能热发电（能源产出）和建筑用能（终端直接用能），包括采暖、空调和热水。当前太阳能热利用中比较活跃并已形成产业的当属太阳能热水器和太阳能热发电。
本书结合企业在实际工作中的应用情况，详细介绍了太阳能低温热利用的热水器产品、太阳能热水系统的设计应用以及太阳能与建筑结合情况。结合近几年空气源热泵热水、采暖系统在国内的快速增长，本书也提出了太阳能热水系统与空气源热泵系统结合设计的方式、方法。在国内高层建筑越来越多的情况下，太阳能热利用行业也相应发展了适合高层住宅建筑的太阳能集分系统与太阳能阳台壁挂式系统，本书对这两种技术也重点做了应用介绍。本书试图将近20 年来中国太阳能低温热利用的产品及技术做一详细的介绍及阐述，一方面可以为进入太阳能行业的初学者快速掌握太阳能热利用技术之用，另一方面也可以作为太阳能热利用工程技术人员的参考工具书，但鉴于作者水平有限，本书难免有不足或不妥之处，恳请广大专家、学者批评指正。
本书编著过程中，得到了诸多专家、学者的帮助与支持，在此特别感谢山东华宇工学院魏丰君教授、郭仁东教授的支持、帮助，感谢刘春花、温志梅、刘宝君教授的协助参与，感谢多年来一直关心、帮助我的赵玉磊、梁宏伟、张进峰、张广顺、孔德霞、王福德等高工、教授。本书在编著过程中采用了WILO 水泵及意大利卡莱菲公司的产品和部分技术资料，同时参考了许多国内外文献资料，在此一并表示感谢。

编著者
2023年5月



第一版前言
能源是人类社会发展的重要物质基础，在某种意义上讲，人类社会得以发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的利用。目前，随着现代社会的不断发展，能源需求量不断加大，常规能源日渐短缺，环境污染日益严重，从资源、环境、社会发展的需求来看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。
太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，从广义上说太阳能包含以上各种可再生能源。作为新能源和可再生能源重要组成部分的太阳能，是对环境不产生污染的洁净能源，它的开发和利用是解决未来能源的重要技术手段，是世界能源供应战略的重要组成部分，也是保护人类生态环境的重要举措，因而越来越受到各国政府的重视，成为大多数发达国家和部分发展中国家21 世纪能源发展战略的基本选择。
本书结合企业在实际工作中的应用情况，详细介绍了太阳能与建筑结合，各种类型的太阳能热水系统设计，太阳能热水系统的智能化控制以及常用设备的选型，方便初学者快速掌握太阳能热水系统的应用技术，也是从事太阳能光热利用工程技术人员的工具书。
本书的主要编写人员有：袁家普、张广顺、张进峰、曹静、梁笃荣、元明霞、王振杰。本书在编写过程中采用了WILO 水泵及意大利卡莱菲公司的产品和众多技术资料，同时参考了许多国内外文献资料，在此一并表示感谢。由于编者水平有限，本书难免有不足或不妥之处，恳请广大专家、学者批评指正。

编者
2008年10月

本书详细介绍了太阳能低温热利用的热水器产品、太阳能热水系统的设计应用以及太阳能与建筑结合情况。全书共10章，内容包括太阳能基础，太阳能热水系统基本知识，集中集热、分户储热式太阳能热水系统，设备及配件，太阳能热水系统设计计算分析，太阳能热水系统安装，太阳能系统的工程调试和验收，特殊类型的系统方案设计与分析，平板太阳能与空气源热泵结合，太阳能热水器与建筑一体化。
本书可供从事太阳能热利用的工程技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业师生的参考用书。

第1章太阳能基础001
1.1太阳能利用基本知识001
1.1.1太阳的结构001
1.1.2太阳和地球的关系002
1.1.3太阳在空间的位置005
1.1.4太阳辐射005
1.1.5我国太阳能资源010
1.1.6太阳能的特点011
1.2太阳能利用的发展历程011
1.3太阳能利用技术013
1.3.1太阳能采集013
1.3.2太阳能转换015
1.3.3太阳能储存017
1.3.4太阳能传输019
1.4中国太阳能利用技术发展概况及趋势020
1.4.1太阳能利用产业发展概况020
1.4.2光热利用技术020
1.4.3光伏利用技术022
1.4.4太阳能利用技术发展趋势024
1.5传热基础027
1.5.1传导027
1.5.2对流028
1.5.3辐射028

第2章太阳能热水系统基本知识029
2.1太阳能热水系统概述029
2.1.1自然循环式太阳能热水系统029
2.1.2直流式太阳能热水系统030
2.1.3主动循环式太阳能热水系统031
2.2太阳能热水系统设计现场勘察031
2.2.1现场勘察内容031
2.2.2工程现场查勘记录032
2.3家用太阳能热水器串并联系统034
2.3.1系统原理034
2.3.2常用系统形式035
2.3.3设计原则036
2.3.4设计实例038
2.3.5设计常见问题处理040
2.4真空管型集热器太阳能热水系统042
2.4.1系统原理042
2.4.2常用系统形式043
2.4.3设计原则047
2.4.4设计实例048
2.4.5设计常见问题处理050
2.4.6工程设计和使用禁忌052
2.5平板型集热器太阳能热水系统设计053
2.5.1自然循环平板太阳能系统设计054
2.5.2强制循环平板太阳能系统设计054
2.5.3定温放水系统设计059

第3章集中集热、分户储热式太阳能热水系统061
3.1集中集热、分户储热太阳能热水系统原理及特点061
3.2集中集热、分户储热式太阳能热水系统的六种应用模式063
3.3集中集热、分户储热系统施工方案070
3.3.1施工流程070
3.3.2安装准备071
3.3.3支架基础制作071
3.3.4支架安装071
3.3.5集热器安装072
3.3.6分户水箱安装072
3.3.7系统管路安装072
3.3.8管路系统试压(水压)073
3.3.9管路系统吹洗或冲洗074
3.3.10电气系统安装074
3.3.11系统调试运行075
3.3.12管道保温075

第4章设备及配件077
4.1水泵077
4.1.1水泵的定义077
4.1.2水泵的分类077
4.1.3水泵的选定079
4.1.4抽冷水水泵的安装079
4.1.5水泵会出现的各种问题080
4.1.6其他应知道的事项081
4.1.7水泵的基本用语082
4.1.8家用水泵型号标记方法083
4.1.9文字和数字的简略表达方法083
4.1.10电气用语083
4.1.11吸程定量和扬程定量085
4.1.12自动式与非自动式090
4.1.13出水量的选择091
4.1.14水泵故障的发现092
4.2变频供水095
4.2.1变频调速给水的基本原理095
4.2.2水泵变频调速应用的注意事项097
4.3锅炉101
4.3.1锅炉的定义和分类101
4.3.2工业锅炉型号表示方法101
4.3.3锅炉的构成和工作过程103
4.3.4工业锅炉用的燃料104
4.3.5锅炉的效率104
4.3.6锅炉与太阳能热水系统结合的方式105
4.4电磁阀105
4.4.1概述105
4.4.2电磁阀分类105
4.4.3选型要领106
4.4.4选型依据106
4.4.5安装须知107
4.4.6使用和维护108
4.4.7常见故障分析与排除方法108
4.5恒温阀109
4.5.1工作原理109
4.5.2安装及注意事项110
4.5.3使用调节及注意事项110
4.6不锈钢水管的应用110
4.6.1腐蚀种类110
4.6.2不锈钢材料的环保性能111
4.6.3不锈钢材料抵御腐蚀的特性111
4.6.4不锈钢水管的经济性112
4.6.5不锈钢水管与铜水管、塑料水管的性能比较112
4.6.6不锈钢水管的安装113
4.6.7不锈钢水管在发达地区的应用115
4.7电子水处理器115
4.7.1产品介绍115
4.7.2工作原理116
4.7.3安装及注意事项116
4.7.4接线注意事项116
4.7.5选型须知117
4.7.6技术参数117
4.7.7产品图样及特点介绍117

第5章太阳能热水系统设计计算分析119
5.1太阳能热水系统的选择119
5.2太阳能集热系统集热器总面积的计算120
5.2.1直接太阳能热水系统集热器总面积的计算120
5.2.2间接太阳能热水系统集热器总面积的计算120
5.3太阳能热水系统主要设计参数的选择120
5.4太阳能热水系统有效容积的计算124
5.5集中集热、集中供热的间接太阳能水加热器选型原则124
5.6太阳能热水系统水泵选型计算125
5.6.1选择水泵时遵循的原则125
5.6.2流量的计算125
5.6.3水泵扬程的确定128
5.7系统管路保温的计算分析129
5.7.1管道保温层的设计130
5.7.2防水防潮层的设计134
5.7.3外保护层的设计134
5.7.4家用太阳能热水器水箱保温层效果计算135
5.8太阳能热水系统防雷设计135
5.8.1直击雷防护136
5.8.2感应雷防护137
5.9太阳高度角、方位角计算及遮挡距离的确定139
5.10经济效益分析计算（F-Chart）139
5.10.1其他能源有关参数139
5.10.2不同热水系统经济性对比140
5.10.3F-Chart分析141
5.11换热器的计算142
5.11.1换热器的传热过程142
5.11.2换热器的热计算143
5.11.3换热器传热强化与削弱145
5.12集热器流量及管道管径的计算145
5.12.1集热器流量设计145
5.12.2太阳能集热系统支路流量的确定146
5.12.3集热循环主管道管径确定146
5.13膨胀罐及集热器效率计算147
5.13.1膨胀罐总容积计算147
5.13.2太阳能集热器平均集热效率计算方法147
5.14辅助加热量计算148
5.15管网设计计算149
5.15.1热水供应系统管路流量设计149
5.15.2管网的水力计算152
5.15.3疏水器计算153
5.16平板集热器支架结构抗风荷载计算154
5.16.1总荷载计算154
5.16.2单排支架强度复核156
5.16.3集热器支撑杆的强度复核159
5.17真空管型集热器支架荷载计算160
5.17.1参数计算160
5.17.2风荷载计算160
5.17.3单排支架强度复核161
5.17.4集热器承重杆强度复核161
5.17.5集热器支撑杆的强度复核162
5.18平板阳台集热器荷载计算162
5.18.1固定膨胀螺栓剪力计算163
5.18.2膨胀螺栓的抗拔力计算163
5.18.3结论164

第6章太阳能热水系统安装165
6.1太阳能系统储水箱安装165
6.1.1一般要求165
6.1.2水箱的制作、安装166
6.1.3水箱的保温167
6.1.4保温层施工169
6.1.5保护层施工170
6.2管道及其他设备安装171
6.2.1基本要求171
6.2.2管道循环水泵172
6.2.3管道和其他附件安装175
6.2.4控制设备安装176
6.3管道保温与防腐183
6.3.1管道保温施工方法183
6.3.2管道防腐185
6.4平板太阳能系统施工工艺流程及操作要点186
6.4.1施工工艺流程186
6.4.2操作要点186
6.5真空管太阳能热水器安装193
6.5.1安装简介与准备193
6.5.2热水器安装过程196
6.5.3室外部分安装198
6.5.4室内部分安装200
6.5.5热水器调试与检验202
6.6真空管阳台壁挂式热水器安装202
6.6.1安装准备203
6.6.2集热器安装203
6.6.3温差循环管路连接205
6.6.4控制系统安装及线路布置208
6.6.5循环介质充注209
6.6.6系统调试与控制设置210
6.6.7管路保温210
6.7平板太阳能热水器安装211
6.7.1系统简介211
6.7.2系统安装212
6.7.3系统使用与维护217
6.8平板阳台壁挂式热水器安装219
6.8.1系统工作原理219
6.8.2系统安装220
6.8.3系统使用与维护230
6.9平板分体式太阳能系统安装230
6.9.1系统工作原理230
6.9.2系统安装231

第7章太阳能系统的工程调试和验收241
7.1系统调试242
7.2系统验收242
7.2.1太阳能集热器质量验收243
7.2.2太阳能集热器安装验收244
7.2.3管道穿屋面质量验收246
7.2.4管道安装验收246
7.2.5水箱制作、安装验收248
7.2.6辅助设备安装验收249
7.2.7控制系统验收253

第8章特殊类型的系统方案设计与分析256
8.1游泳池太阳能加热系统方案256
8.1.1基本情况256
8.1.2游泳池水温的确定256
8.1.3游泳池的补充水量选定257
8.1.4耗热量计算257
8.1.5杭州太阳辐照量258
8.1.6游泳池加热系统259
8.1.7系统集热面积确定259
8.1.8集热器的摆放及安装261
8.1.9经济效益分析261
8.1.10太阳能系统的运行262
8.1.11泳池系统的运行262
8.2石油储罐太阳能加热系统263
8.2.1系统说明264
8.2.2系统设计计算265
8.2.3系统原理267
8.2.4光伏发电部分267
8.3高层建筑集体供水太阳能系统268
8.3.1减压水箱给水方式268
8.3.2全自动运行的热水系统269
8.3.3分区给水压力值269
8.4高层建筑单户供水太阳能系统270
8.4.1小区建筑物情况270
8.4.2用户对系统构成和性能的要求271
8.4.3系统方案271
8.4.4附件选择272
8.5太阳能地板辐射采暖275
8.5.1太阳能地板辐射采暖的工作原理276
8.5.2太阳能地板辐射采暖的设计计算276
8.6太阳能转轮除湿式空调278
8.6.1空调概况和系统图278
8.6.2系统组成279
8.6.3应用实例279
8.6.4效果281
8.7太阳能在砂疗中的应用研究281
8.8太阳能温室加热的应用分析283
8.8.1温室加热方式283
8.8.2温室加热的热量计算285
8.8.3温室太阳能加热系统的原理说明285
8.8.4温室加热太阳能集热面积选择285

第9章平板太阳能与空气源热泵结合286
9.1定时供水特点与系统运行模式286
9.1.1定时定量供水中央热水系统特点及节能控制286
9.1.2定时供应热水特点286
9.1.3保证定时供水可靠性及节能控制措施286
9.1.4系统设计模式287
9.2分时段供水特点与系统运行模式290
9.2.1分时段供水中央热水系统特点及节能控制290
9.2.2分时段供应热水特点290
9.2.3保证分时段供水可靠性及节能控制措施290
9.2.4系统设计模式291
9.3全天候供水特点与系统运行模式293
9.3.1全天候24h热水系统特点及节能控制293
9.3.224h全天候供应热水特点294
9.3.3保证24h供水可靠性及节能控制措施294
9.3.4系统设计模式295
9.4空气源热泵供水特点与系统运行模式299
9.4.1空气源热泵定时热水供水系统299
9.4.2空气源热泵多时段热水供水系统299
9.4.3空气源热泵24h热水供水系统299

第10章太阳能热水器与建筑一体化301
10.1太阳能与建筑一体化概念及问题301
10.1.1太阳能与建筑一体化的概念301
10.1.2太阳能热水器与建筑一体化现状及存在的问题301
10.2太阳能与建筑一体化的安装要求302
10.2.1一般要求302
10.2.2太阳能集热器安装303
10.3太阳能建筑一体化的结合形式316
10.3.1屋顶型316
10.3.2墙面型317
10.3.3阳台型317
10.3.4其他造型319
10.4平板集热器与建筑结合安装320
10.4.1平板集热器与斜面屋顶建筑的结合安装320
10.4.2平屋面集热器安装方法323
10.4.3平板集热器立墙面安装方法324
10.4.4平板集热器管路安装方法325
10.5真空管型太阳能与建筑结合325
10.5.1分体热水系统326
10.5.2分体系统与建筑结合形式328
10.5.3整体式系统330
10.5.4太阳能在彩钢瓦屋面上的应用337
10.5.5特殊造型的太阳能热水系统339

附录340
附录一太阳能利用的一些基本概念340
附录二施工过程资料表单343
附录三全国主要城市的月日均总辐照量和年日均总辐照量（当地纬度倾斜面）356
附录四部分季节蓄热系统代表城市太阳能集热器总面积补偿比RS（%）360

参考文献370