儲水式電熱水器熱水器輸出率的提高分析及應用

孫京巖 李彩霞 王國芳 孫強 蔡想周 楊濤

（青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

1 引言

隨著中國社會經濟建設的發展，消費者生活水平的提高和中國城鎮化進程的加快，熱水器的普及率也越來越高，消費者生活中對熱水用量的需求越來越大。生活用熱水消耗的能源在普通消費者的家庭能源消耗中的占比也越來越大。

目前提供消費者熱水的產品主要有以下幾類：一是純電熱水器，目前中國最普及的能源是電能，純電熱水器具有驅動電能能源獲取便捷，對于安裝環境要求低，便于安裝、使用方便安全等特點，占比最大，普及率最高。二是燃氣熱水器，但受氣源普及限制、初始安裝費用高、燃氣管道無法隱藏，消費者有安全顧慮等問題，導致燃氣熱水器的普及推廣受限；第三是太陽能熱水器，由于中國不同地區日均輻照量差異很大，且一體機在樓房安裝存在水路長、抗惡劣自然環境能力差等原因，以及陽臺機價格高等問題導致普及率也不高；第四是快熱式電熱水器，目前中國新建住宅衛生間的線纜一般只能承受功率為5000W的產品，但是該功率配置的產品在冬季自來水溫度低時，溫升很低，無法洗浴；如果加大產品功率，無法直接安裝，需要單獨走電線，影響美觀，因此普及率也不高；第五種是熱泵熱水器，因受環境溫度及壓縮機技術限制目前也沒有大量普及。

所以，熱水器行業要節能，當前能立竿見影、可行性最高的還是電熱水器節能技術的推廣應用。電熱水器的節能主要體現在兩個方面：一方面是改善產品保溫性能，按照GB 21519的規定，24小時固有能耗系數ε要小；另外一方面出熱水量大，按照GB 21519的規定，熱水輸出率μ要大；本文主要從怎樣提高電熱水器的熱水輸出率入手，探討儲水式電熱水器熱水輸出率μ的提高，實驗驗證和推廣應用。

2 儲水式電熱水器熱水輸出率測試方法、計算和能效等級

按照國家標準GB 21519的規定，熱水輸出率的測試方法示意圖如圖1

2.1 熱水輸出率測試

通過安裝在進水口的閥門控制排水流量滿足下面要求，如果流量達不到要求，通過增大壓力到滿足要求：

CR＜10L 按2L/min；

10L≤CR≤70L 按5L/min；

70L＜CR≤200L 按10L/min；

200L＜CR按5%的額定容量/min。

出水溫度的測量方法按圖2，在排水期間每間隔5s記錄一次，從開始排水15s后記錄進水溫度θc和出水溫度θP，記錄在排水期間的最高出水溫度θmax，連續排水至出水溫度比最高出水溫度θmax低20℃為止。此時停止排水，計算平均出水溫度θP、平均進水溫度θc和排出水的質量mp，并按照公式（1）計算熱水輸出率：

式中：μ—熱水輸出率，%；θP—平均出水溫度，℃；θc—平均進水溫度，℃；ρ—在平均出水溫度θP下水的密度，kg/cm3；mp—排出水的質量，kg；θA1—溫控器首次斷開時的儲水平均溫度，℃。

2.2 電熱水器能效等級

電熱水器能效等級分為5級，1級能效最高。各等級電熱水器24h固有能耗系數和熱水輸出率應符合表1的規定。

3 儲水式電熱水器熱水輸出率提高原理分析、論證及實驗驗證

實際上電熱水器的加熱管加熱水的方式就是熱交換的過程，通過熱交換使水溫上升。通常熱交換有三種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。由于水的對流換熱系數為200～1000 W/(m2.℃),而導熱系數是0.599 W/(m2.℃)，因此，電熱水器水溫升溫主要是熱對流。熱對流的換熱方向是高溫水上升，低溫水下降。結合電熱水器的加熱系統在內膽中的布局，可以得知電熱管上部以熱對流換熱方式為主，而電熱管下部以熱傳導換熱方式為主，所以熱水器內部不同溫度的水是分層的。在洗浴過程中，進水口進入的冷水進入熱水器內膽后由于速度和方向的不同，對靜止狀態下分層的熱水會造成影響，如果通過進水口進入的冷水全部在熱水器底部且對膽內的熱水不產生擾流現象，則熱水器膽中的熱水能充分流出，供消費者洗浴使用。

計算機仿真模擬熱水器的加熱過程示意圖見圖3，可以看出熱水器膽內的水分層明顯，且加熱過程中主要靠熱對流進行熱交換。

為了簡化問題，找到有效的提高熱水輸出率的路徑，可以建立理想模型進行分析。即設定進水溫度恒定，熱水器膽內的不同位置水的溫度一致，實驗時，進入電熱水器的冷水和膽中的熱水不會發生混水，電熱水器中的熱水全部排出，這時的熱水輸出率應該是最高的。為了盡可能的達到理想狀態，結合熱力學知識，可以得出以下提高熱水輸出率的改進方向：

（1）使熱水器中冷熱水充分熱對流，改善加熱系統和內膽的匹配，將熱水器內膽不同位置水的溫差盡可能的降低，同時加大加熱管的導熱面積，使水能夠盡可能多得被加熱，同時還可以加大內膽直徑來提高熱水輸出率。

對不同容積的產品可以通過增加膽內加熱管的導熱面積來實現膽內水充分被加熱，同時盡可能的降低加熱管在膽內的位置。對額定容積是50L、60L、80L和100L的產品進行對比實驗，在其他條件相同的情況下，實驗數據顯示該措施可以提高熱水器熱水輸出率，但是效果不是非常明顯。實驗數據見圖4。

（2）通過加大熱水器的內膽直徑來改善水的溫差梯度，減緩冷水對熱水的沖擊，也提高熱水輸出率。對額定容積是50L、60L、80L和100L的產品進行對比實驗，內膽直徑為分別300mm和350mm,可以看出該措施有一定的改善但效果不是非常明顯。實驗數據見圖5。

（3）通過創新水路系統設計，將冷水和熱水進行很好的分層，使冷水托著熱水經出水口流出；同時改善冷水對熱水的沖擊，不出現冷水和熱水無序多位置混水現象，保證熱水能充分流出，借以提高熱水輸出率。

（a）通過改善水路系統，在熱水器中增加強制擋水板，將冷水和熱水器強制分離，同時冷水在熱水器底部強制擋水板下方的流動速度逐步減緩，對熱水的沖擊越來越小，在其它因素相同的情況下，對額定容積是50L、60L、80L和100L的產品進行對比實驗，可以看出，該措施對提高熱水輸出率有明顯的改善。實驗數據見圖6。

(b)通過改善水路系統，將熱水器進水水路的出水口的面積加大，因為流量一定，可以得出出水面積和流動速度成反比，這樣流動速度會變慢，冷水的沖擊力量很小，冷水和熱水的混水很輕，熱水輸出率會提高。在其它因素相同的情況下，對額定容積是50L、60L、80L和100L的產品進行對比實驗，可以看出，該措施對提高熱水輸出率有明顯的改善。實驗數據見圖7。

4 量產應用實例

根據上面的分析及驗證，結合橫式儲水式電熱水器的特點，開發設計了新一代儲水式電熱水器，該熱水器的內膽總成、加熱系統和水路系統的總體結構設計方案見圖8。

該熱水器的內膽和加熱系統進行了匹配改善，對水路系統進行顛覆性創新設計，該水路系統集成多種結構，加大了進水管在熱水器膽內的出水口面積，并強制約束水的流向，同時加長了水的流動路徑，降低了水的流動速度，使冷水對膽內的熱水器不造成擾流，冷熱水不混合，不沖擊，使膽內的熱水盡可能的流出，極大的提高了熱水輸出率。對新一代儲水式電熱水器和老一代產品做熱水輸出率對比實驗后，實驗數據見表2，通過該表發現，熱水輸出率有顯著的提高。

5 結束語

通過以上理論論證，分析及實驗驗證，可以確定影響儲水式電熱水器產品熱水輸出率的關鍵因素，可以很好的指導電熱水器的開發。同時確定了強制返水板、進水水路的出水口面積對提高熱水輸出率起著關鍵的作用，是提高熱水輸出率的重要改善方向。目前使用強制返水板結構的電熱水器已經大批量生產，該產品可以將熱水器的熱水輸出率穩定提高到93%以上，遠遠大于中國國家標準一級能效70%的規定，通過新一代儲水式電熱水器的推廣應用，單臺熱水器可以年節約5%的電能，按照中國保有量0.7億臺，一年解決用電1億度，折合4萬個家庭的年用電量，為經濟的可持續性發展作出了貢獻。

同時該技術突破了國家一級能效產品的要求，會推進國家標準的升級或完善，帶動整個電熱水器行業節能技術升級。為國家的可持續發展作出貢獻。

[1]GB 21519-2008.《儲水式電熱水器能效限定值及能效等級》