真空保溫技術在電熱水器上的應用研究

梁添杰 楊世恩

（華帝股份有限公司 中山 528415）

引言

根據中國政府于2020年9月22日在聯合國大會上作出的承諾，中國將爭取在2030年前實現碳達峰，這也意味著中國將在2030年前全面控制溫室氣體的排放總量，為實現全球氣候目標做出貢獻。為實現碳達峰目標，中國政府主要提出了兩項措施和政策，首先是推動清潔能源的發展和利用，減少對傳統化石能源的依賴；其次是加強工業領域的節能減排工作，推動高效節能技術的應用。真空保溫技術就是高效節能技術的代表，而真空絕熱板作為真空保溫技術的重要實現載體，是一種隔熱保溫效果非常優異的材料。真空絕熱板采用真空絕熱原理，其導熱系數可低至0.002 0 W/（m·K）以下，為常規保溫材料的1/10[1]，具有節能和環保的雙重優點。因此，研究如何利用真空絕熱板保溫技術，并進一步開拓真空絕熱板的應用范圍，對經濟快速發展、環境問題日益嚴峻的中國而言，具有重大現實意義。

1 真空保溫技術的原理及應用現狀

真空絕熱板是真空保溫技術在產業上的一種重要應用，真空絕熱板由芯材、表面隔膜結構材料和吸氣劑（或干燥劑）構成[2]，其結構組成如圖1所示。芯材主要用于防止熱輻射和減少熱傳導的發生，此外還具有一定的結構支撐作用。考慮到玻璃纖維棉的低導熱性能，故目前行業內多采用玻璃纖維作為芯材材料。而表面隔膜結構材料主要起包裹隔絕和防止滲透兩大作用，即將芯材包裹起來防止氮氣、氧氣、二氧化碳以及水氣等物質透過隔膜滲入真空絕熱板內部破壞真空度從而降低其絕熱性能。吸氣劑或干燥劑則是用于吸附從外界滲透到板內或板內材料所釋出的氣體，以維持真空絕熱板的真空度，從而實現延長真空絕熱板壽命的目的。

圖1 真空絕熱板結構示意圖

熱量傳遞主要有對流傳熱、接觸傳熱和輻射傳熱這三種途徑，而真空絕熱板就是通過提高內部真空度和降低芯材材料的導熱系數來隔絕熱傳遞的。一方面利用真空絕熱原理，隨著氣體壓強的降低，氣體密度也會降低，氣體分子平均自由程將增大，氣體分子間和氣體分子與隔膜壁的碰撞頻率和強度相對減弱，從而使得真空絕熱板的導熱系數變得很小，可有效消除對流傳熱效應；另一方面，通過優化選擇芯材和表面隔膜，將熱量傳遞控制在合理水平，可有效減少輻射傳熱。真空絕熱板總的導熱系數（忽略邊緣影響因素）可用公式（1）表示[3]：

式中：

λeff—真空絕熱板總的導熱系數；

λg—板內氣體的導熱系數；

λs—固體芯材的導熱系數；

λr—輻射導熱系數；

λc—等效對流換熱系數。

真空絕熱板保溫技術運用就是通過多種方式確保真空絕熱板內的氣體導熱系數、固體芯材導熱系數和等效對流換熱系數最小，從而實現隔熱或絕熱的目的。

隨著技術的發展，目前真空絕熱板已實現多領域和跨行業應用，如冰箱冷柜、冷鏈物流、建筑墻體保溫、熱水器等等。

由于真空絕熱板擁有低導熱系數和厚度薄、體積小、重量輕等優點，因此儲水式電熱水器采用真空絕熱板作為保溫材料時，在保證能效等級達標的情況下，可以使得電熱水器外形尺寸更小，外形更加美觀。考慮到成本因素，目前真空絕熱板多用于中高端的儲水式電熱水器產品。

2 電熱水器真空保溫技術方案的確定

為充分驗證真空絕熱板的低導熱性能，特選取保溫材料為聚氨酯的二級能效雙內膽產品作為真空保溫技術方案設計的電熱水器產品平臺，該平臺產品外形如圖2所示，圖中產品采用的是普通雙內膽結構，外殼與內膽圓弧之間的保溫層厚度為35 mm。

圖2 用于真空保溫技術方案設計的產品平臺

利用該產品平臺設計的真空保溫技術方案，就是在保持外形尺寸不變的情況下，把真空絕熱板直接包裹在內膽表面，在設計方案中，真空絕熱板緊貼內膽，然后再對電熱水器進行整體發泡，真空絕熱板與外殼之間由聚氨酯填充，聚氨酯可起到固定真空絕熱板和加強保溫的作用，真空絕熱板包裹內膽方案如圖3所示。考慮到內膽背面兩個支撐架的影響，為了降低生產工藝難度以及真空絕熱板的制造成本，該真空保溫技術方案采用了大小兩塊真空絕熱板的結構方案，較小的真空絕熱板布置于內膽背面兩個支撐架之間，較大的真空絕熱板布置于內膽的正面和頂面位置。由于內膽中熱水分層原理的影響，內膽底部水溫普遍較低，邊際保溫效果不高，出于成本最優因素的考慮，因此內膽底部無需布置真空絕熱板。

圖3 真空絕熱板包裹內膽方案

另外，為分析電熱水器掛架結構對能效影響的大小，因此該真空保溫技術方案特選取了兩種不同的掛架結構進行對比分析，一種為外置式掛架結構，外殼上能明顯看到兩個金屬支架，具體如圖4所示；另一種為隱藏式掛架結構，外殼上僅有兩個掛孔，無外露支架結構，具體如圖5所示。

圖4 外置式掛架結構

圖5 隱藏式掛架結構

3 測試驗證及結果分析

3.1 紅外測溫及測溫結果

將采用外置式掛架普通保溫、采用隱藏式掛架普通保溫和采用真空保溫的三臺不同的電熱水器分別掛在整機測試平臺上，通電進行加熱，直至水溫上升到75 ℃停止加熱，然后使用熱像儀分別對三臺電熱水器的頂面、正面、左端面和右端面進行紅外測溫，其紅外測溫圖見表1所示，環境測試溫度為20 ℃。

根據表1 中電熱水器各表面的紅外測溫圖，可以得出不同測試樣機在同一個表面上的最高溫度值情況，電熱水器表面測溫最高溫度值對比結果見表2所示。

表2 電熱水器表面測溫最高溫度值對比結果

3.2 能效檢測及檢測結果

將采用外置式掛架普通保溫、采用隱藏式掛架普通保溫、采用外置式掛架真空保溫和采用隱藏式掛架真空保溫的四臺不同的電熱水器分別掛在能效實驗室的檢測平臺上，按照國家能效檢測標準要求進行整機能效測試，檢測完成后四臺電熱水器的24 h 固有能耗系數[5]如表3所示。

表3 電熱水器24 h 固有能耗系數對比結果

3.3 結果分析

從表2 可見，采用真空保溫技術的電熱水器，當完成加熱后其表面的最高溫度值明顯低于采用非真空保溫技術的電熱水器，由此可見，保溫層中采用真空絕熱板能夠明顯提升隔熱性能，實現更好的保溫效果。另外，從表3 可見，采用外置式掛架普通保溫的電熱水器24 h固有能耗系數測試值為0.69，保溫性能最差，當把外置式掛架改為隱藏式掛架后，24 h 固有能耗系數測試值降低為0.63，由此可見隱藏式掛架相比外置式掛架可以減少電熱水器保溫過程中的熱量散失，從而提升保溫效果。而在外置式掛架電熱水器保溫層中加入真空絕熱板后，由于隔熱性能得到提升，24 h 固有能耗系數測試值也可降低為0.62，但參考國標能效等級劃分要求，此電熱水器的能效等級只能劃分為2 級[4]，性價比不高。而同時采用隱藏式掛架和真空絕熱板保溫的電熱水器，24 h 固有能耗系數測試值低至0.56，能效等級可達到1級。

由此可見，保溫材料為聚氨酯的二級能效雙內膽電熱水器產品平臺，在改用隱藏式掛架同時采用真空保溫技術，可將能效等級提升為1 級，而且能效設計余量充足。

4 結語

通過對外置式掛架、隱藏式掛架、普通保溫或真空保溫等多種不同電熱水器保溫組合技術方案下整機表面紅外測溫以及能效檢測對比試驗驗證，可以很好的模擬出真空絕熱板隔熱性能的優勢，充分體現出真空絕熱板保溫技術方案的保溫有效性和可操作性。另外，通過24 h 固有能耗系數的能效檢測對比試驗結果能夠得出隱藏式掛架結構的保溫效果明顯優于外置式掛架結構方案，綜合考慮能效、外觀以及成本等性價比因素，真空絕熱板和隱藏式掛架結構的組合應用方式為最佳保溫技術方案，在電熱水器行業內具有顯著的市場推廣價值。