嚴(yán)寒地區(qū)冬季蓄熱式電熱水器應(yīng)用分析

王鍇劉曄

(吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130118)

0 引言

電熱水器是與燃?xì)鉄崴鳌⑻柲軣崴飨嗖⒘械娜鬅崴髦唬?］．傳統(tǒng)電熱水器分為容積式和即熱式兩種．容積式須先在固定容器中蓄水，然后再對水進(jìn)行加熱．即熱式是利用大功率電熱設(shè)備，在短時間內(nèi)將進(jìn)水加熱到所需的出水溫度．蓄熱式電熱水器是近年出現(xiàn)的一種電熱水器，它兼?zhèn)淙莘e式與即熱式的特點(diǎn)同時又有所改進(jìn)．本文將通過與兩種傳統(tǒng)電熱水器的對比來分析蓄熱式電熱水器在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用前景．

1 容積式電熱水器的工作性能

容積式電熱水器在使用前需一定時間對蓄水容器中的進(jìn)水進(jìn)行加熱，加熱裝置所用功率參照文獻(xiàn)［2］可按下式計算:

式中，v為熱水器容積，L;tr為出水溫度，℃;tl為進(jìn)水溫度，℃;C為水的比熱，取4．187 kJ/(kg·℃);ρr為熱水密度，kg/L;η為加熱器效率，取0．95～0．98;T為加熱時間，h．

一般家用容積式熱水器蓄水容量為40 L～100 L，在此，以50 L為例進(jìn)行計算．在我國嚴(yán)寒地區(qū)，冬季自來水溫度一般為2℃ ～6℃，按給排水工程設(shè)計規(guī)范，進(jìn)水溫度tl設(shè)為4℃、出水溫度tr設(shè)為42℃．由此可知，在嚴(yán)寒地區(qū)冬季工況下，容積式電熱水器總加熱量為7 955 kJ，在此條件下由公式(1)得其加熱功率與加熱時間的關(guān)系如圖1所示．

由圖1可以看出，在總加熱量一定時容積式加熱時間與加熱功率成反比，即加熱功率越大，加熱時間越短．當(dāng)功率在1．0 kW～5．0 kW范圍內(nèi)取值時，加熱時間148 min～30 min，通過增大加熱功率可大幅縮短加熱時間．

在增大加熱功率的同時，還應(yīng)考慮到一般家庭供電線路所能承受的供電負(fù)荷．表1中給出了住宅用電負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)［3］，由此可取50 L容積式電熱水器加熱功率為3．5 kW，此時所需加熱時間為 42．4 min．

圖1 容積式電熱水器加熱時間與功率關(guān)系

表1 《小康住宅設(shè)計導(dǎo)則》中推薦的每套住宅用負(fù)荷及電能表規(guī)格

容積式熱水器在使用時可分為斷電使用和通電使用．?dāng)嚯娛褂眉丛诔鏊褂脮r水箱內(nèi)不再繼續(xù)注水加熱，所用熱水僅為50 L．若取小時額定用水量為160 L/h，則熱水器出水流量應(yīng)為2．67 L/min，容量為50 L的熱水器持續(xù)用水時間為18．7 min．

斷電使用的工況下熱水使用時間短，而且由于水箱內(nèi)水位不斷下降，水壓越來越小，最終將導(dǎo)致出水流量越來越小．因此容積式電熱水器一般為通電使用，即在出水使用過程中水箱內(nèi)繼續(xù)注水加熱，在保證出水溫度的同時，可以延長一定的持續(xù)使用時間．參照文獻(xiàn)［2］，持續(xù)使用時間可按下式計算:

式中，q為熱水流量，L/s;T'為熱水用水時間，h．其余同(1)式．

按(2)式計算可得，在通電使用的情況下，50 L容積式熱水器持續(xù)使用時間為34 min．

2 即熱式電熱水器的工作特點(diǎn)

即熱式電熱水器沒有蓄水容器，水在流過熱水器的幾秒鐘內(nèi)被大功率加熱設(shè)備加熱至出水溫度，參照文獻(xiàn)［2］加熱功率可按下式計算:

式中符號含義與前兩式相同，經(jīng)計算在嚴(yán)寒地區(qū)冬季工況下，即熱式電熱水器出水流量及進(jìn)出水溫差與加熱功率的關(guān)系如圖2所示．

圖2 即熱式電熱水器出水流量及進(jìn)出水溫差與功率關(guān)系

由圖2中A可知，在進(jìn)出水溫差一定的情況下，即熱式電熱水器出水流量與功率成正比，功率越大，流量越大．當(dāng)熱水器功率在1．0 kW～6．0 kW以內(nèi)時，最大出水流量為121 L/h，低于規(guī)范要求的小時額定用水量140 L/h～200 L/h［2］．當(dāng)熱水器功率在7 kW～11 kW之間時，出水流量為141 L/h～222 L/h，可以達(dá)到小時額定用水量的要求，但對于家庭供電線路，這一功率過大，會嚴(yán)重影響其它電器運(yùn)行．

由圖2中B可知，在出水流量一定的情況下，熱水器的進(jìn)出水溫差△t與加熱功率成正比．冬季嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)出水溫差為38℃(進(jìn)水4℃，出水42℃)，此時要求加熱功率應(yīng)達(dá)到7．8 kW以上，為避免由于功率過大對其它電器造成的損壞，必須為熱水器單獨(dú)鋪設(shè)一條供電線路．

在使用即熱式熱水器時應(yīng)注意，出水溫度受出水流量和加熱功率兩個因素的影響．當(dāng)出水流量發(fā)生變化時，即使加熱功率不變，出水溫度也會發(fā)生波動，一般表現(xiàn)為流量大則出水溫度低，流量小則出水溫度高．由于即熱式熱水器不使用蓄水容器而是直接與供水管網(wǎng)連接，當(dāng)管網(wǎng)中水壓不穩(wěn)發(fā)生波動時，熱水器出水流量必然隨之發(fā)生變化，引起出水溫度波動．

3 蓄熱式電熱水器工作特點(diǎn)

針對容積式和即熱式電熱水器的即有問題，在原有兩種電熱水器的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一種新型電熱水器—蓄熱式電熱水器．蓄熱式電熱水器同時具備一個蓄水水箱和兩組發(fā)熱裝置．兩組發(fā)熱裝置分別用于對水的預(yù)熱及瞬時加熱，通過對它們的配合使用，既可縮短加熱時間，又可以降低加熱功率．下面仍以50 L蓄水容量為例來說明蓄熱式的工作特點(diǎn)．

首先設(shè)定預(yù)熱時間為15 min，這既可以保證有時間對水進(jìn)行預(yù)熱，又不會使等待時間過長;其次設(shè)定瞬時加熱功率Ps為4 kW;出水溫度依然要求為42℃．

由已知條件及公式(3)可以計算得到水在流經(jīng)瞬時加熱裝置時的溫升為19℃，即預(yù)熱后的水溫為23℃．按照設(shè)定的預(yù)熱時間及預(yù)熱后的水溫，根據(jù)公式(1)計算即可求得預(yù)熱裝置所需功率Py為5 kW．

為了保證出水溫度恒定，熱水器在使用時應(yīng)處在通電使用工況，即兩組發(fā)熱裝置同時使用，此時熱水器總功率為9 kW，這顯然超出了供電線路允許的范圍．因此，在熱水器使用過程中，可將預(yù)熱功率降至py'僅作保溫使用，在持續(xù)使用過程中能夠保持溫度恒定即可．

根據(jù)公式(3)計算可知，在出水使用過程中，保持保溫功率py'為2 kW時，熱水器持續(xù)使用時間就可達(dá)到38 min，而此時的熱水器總功率也僅為6 kW，既可以滿足使用要求又不會因功率過大對其它電器造成影響．

4 3種電熱水器的性能比較

(1)節(jié)能性． 即熱式即用即熱，沒有熱量耗散最為節(jié)能;容積式和蓄熱式需要對水箱內(nèi)的水先進(jìn)行預(yù)熱，在預(yù)熱及使用過程中會有熱量散失，而其中尤以容積式散失熱量最多;

(2)預(yù)熱時間． 即熱式即用即熱，不需預(yù)熱時間;容積式由于加熱功率小，所需預(yù)熱時間較長;蓄熱式預(yù)熱時間比容積式可縮短將近半小時，夏季進(jìn)水溫度較高時，蓄熱式也能即開即熱使用，無需等待;

(3)持續(xù)使用時間． 即熱式可以長時間提供熱水滿足人們的使用需求;蓄熱式在通電使用時可以持續(xù)供水38．6 min;容積式在通電使用時可以持續(xù)供水34．2 min;

(4)供電負(fù)荷要求． 容積式和蓄熱式功率較小，可以直接使用原有的供電線路;即熱式功率較大，一般家用即熱式電熱水器功率為7．5 kW～9．5 kW，超出了家庭供電線路的允許功率范圍，為了保證用電安全必須為其設(shè)置獨(dú)立的供電線路．

5 結(jié)論

通過以上對比不難看出，蓄熱式電熱水器結(jié)合了兩種傳統(tǒng)電熱水器各自的特點(diǎn)，同時又針對它們原有的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)．與容積式相比，蓄熱式預(yù)熱時間短，夏季水溫較高時可以即開即熱;與即熱式相比，蓄熱式功率低，無需單獨(dú)配設(shè)供電線路．同時，蓄熱式也可避免因供水管網(wǎng)水壓變化引起的出水溫度波動．綜上所述，蓄熱式電熱水器是一種適合于嚴(yán)寒地區(qū)冬季使用的新型電熱水器．

［1］ 孫金棟，童葆華．家庭熱水器的性能比較與分析［J］．北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2004，20(4):45-49．

［2］ 王增長．建筑給水排水工程(第五版)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005:241-252．

［3］ 戴瑜興，黃鐵兵，梁志超．民用建筑電氣設(shè)計手冊(第二版)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:1091-1092．