儲(chǔ)水式電熱水器熱水器輸出率的提高分析及應(yīng)用

孫京巖 李彩霞 王國芳 孫強(qiáng) 蔡想周 楊濤

（青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

1 引言

隨著中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，消費(fèi)者生活水平的提高和中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，熱水器的普及率也越來越高，消費(fèi)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(fèi)者的家庭能源消耗中的占比也越來越大。

目前提供消費(fèi)者熱水的產(chǎn)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(qū)動(dòng)電能能源獲取便捷，對于安裝環(huán)境要求低，便于安裝、使用方便安全等特點(diǎn)，占比最大，普及率最高。二是燃?xì)鉄崴?，但受氣源普及限制、初始安裝費(fèi)用高、燃?xì)夤艿罒o法隱藏，消費(fèi)者有安全顧慮等問題，導(dǎo)致燃?xì)鉄崴鞯钠占巴茝V受限；第三是太陽能熱水器，由于中國不同地區(qū)日均輻照量差異很大，且一體機(jī)在樓房安裝存在水路長、抗惡劣自然環(huán)境能力差等原因，以及陽臺(tái)機(jī)價(jià)格高等問題導(dǎo)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(wèi)生間的線纜一般只能承受功率為5000W的產(chǎn)品，但是該功率配置的產(chǎn)品在冬季自來水溫度低時(shí)，溫升很低，無法洗??；如果加大產(chǎn)品功率，無法直接安裝，需要單獨(dú)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(huán)境溫度及壓縮機(jī)技術(shù)限制目前也沒有大量普及。

所以，熱水器行業(yè)要節(jié)能，當(dāng)前能立竿見影、可行性最高的還是電熱水器節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用。電熱水器的節(jié)能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是改善產(chǎn)品保溫性能，按照GB 21519的規(guī)定，24小時(shí)固有能耗系數(shù)ε要??；另外一方面出熱水量大，按照GB 21519的規(guī)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(chǔ)水式電熱水器熱水輸出率μ的提高，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和推廣應(yīng)用。

2 儲(chǔ)水式電熱水器熱水輸出率測試方法、計(jì)算和能效等級

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 21519的規(guī)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(jìn)水口的閥門控制排水流量滿足下面要求，如果流量達(dá)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(jìn)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(xù)排水至出水溫度比最高出水溫度θmax低20℃為止。此時(shí)停止排水，計(jì)算平均出水溫度θP、平均進(jìn)水溫度θc和排出水的質(zhì)量mp，并按照公式（1）計(jì)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(jìn)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(zhì)量，kg；θA1—溫控器首次斷開時(shí)的儲(chǔ)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(shù)和熱水輸出率應(yīng)符合表1的規(guī)定。

3 儲(chǔ)水式電熱水器熱水輸出率提高原理分析、論證及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)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(dǎo)、熱對流和熱輻射。由于水的對流換熱系數(shù)為200～1000 W/(m2.℃),而導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)合電熱水器的加熱系統(tǒng)在內(nèi)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(dǎo)換熱方式為主，所以熱水器內(nèi)部不同溫度的水是分層的。在洗浴過程中，進(jìn)水口進(jìn)入的冷水進(jìn)入熱水器內(nèi)膽后由于速度和方向的不同，對靜止?fàn)顟B(tài)下分層的熱水會(huì)造成影響，如果通過進(jìn)水口進(jìn)入的冷水全部在熱水器底部且對膽內(nèi)的熱水不產(chǎn)生擾流現(xiàn)象，則熱水器膽中的熱水能充分流出，供消費(fèi)者洗浴使用。

計(jì)算機(jī)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(nèi)的水分層明顯，且加熱過程中主要靠熱對流進(jìn)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(jìn)行分析。即設(shè)定進(jìn)水溫度恒定，熱水器膽內(nèi)的不同位置水的溫度一致，實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)入電熱水器的冷水和膽中的熱水不會(huì)發(fā)生混水，電熱水器中的熱水全部排出，這時(shí)的熱水輸出率應(yīng)該是最高的。為了盡可能的達(dá)到理想狀態(tài)，結(jié)合熱力學(xué)知識(shí)，可以得出以下提高熱水輸出率的改進(jìn)方向：

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

對不同容積的產(chǎn)品可以通過增加膽內(nèi)加熱管的導(dǎo)熱面積來實(shí)現(xiàn)膽內(nèi)水充分被加熱，同時(shí)盡可能的降低加熱管在膽內(nèi)的位置。對額定容積是50L、60L、80L和100L的產(chǎn)品進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，在其他條件相同的情況下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4。

（2）通過加大熱水器的內(nèi)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(chǎn)品進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，內(nèi)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖5。

（3）通過創(chuàng)新水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將冷水和熱水進(jìn)行很好的分層，使冷水托著熱水經(jīng)出水口流出；同時(shí)改善冷水對熱水的沖擊，不出現(xiàn)冷水和熱水無序多位置混水現(xiàn)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(tǒng)，在熱水器中增加強(qiáng)制擋水板，將冷水和熱水器強(qiáng)制分離，同時(shí)冷水在熱水器底部強(qiáng)制擋水板下方的流動(dòng)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(chǎn)品進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，可以看出，該措施對提高熱水輸出率有明顯的改善。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖6。

(b)通過改善水路系統(tǒng)，將熱水器進(jìn)水水路的出水口的面積加大，因?yàn)榱髁恳欢?，可以得出出水面積和流動(dòng)速度成反比，這樣流動(dòng)速度會(huì)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(huì)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(chǎn)品進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，可以看出，該措施對提高熱水輸出率有明顯的改善。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖7。

4 量產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上面的分析及驗(yàn)證，結(jié)合橫式儲(chǔ)水式電熱水器的特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了新一代儲(chǔ)水式電熱水器，該熱水器的內(nèi)膽總成、加熱系統(tǒng)和水路系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見圖8。

該熱水器的內(nèi)膽和加熱系統(tǒng)進(jìn)行了匹配改善，對水路系統(tǒng)進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該水路系統(tǒng)集成多種結(jié)構(gòu)，加大了進(jìn)水管在熱水器膽內(nèi)的出水口面積，并強(qiáng)制約束水的流向，同時(shí)加長了水的流動(dòng)路徑，降低了水的流動(dòng)速度，使冷水對膽內(nèi)的熱水器不造成擾流，冷熱水不混合，不沖擊，使膽內(nèi)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(chǔ)水式電熱水器和老一代產(chǎn)品做熱水輸出率對比實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，通過該表發(fā)現(xiàn)，熱水輸出率有顯著的提高。

5 結(jié)束語

通過以上理論論證，分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以確定影響儲(chǔ)水式電熱水器產(chǎn)品熱水輸出率的關(guān)鍵因素，可以很好的指導(dǎo)電熱水器的開發(fā)。同時(shí)確定了強(qiáng)制返水板、進(jìn)水水路的出水口面積對提高熱水輸出率起著關(guān)鍵的作用，是提高熱水輸出率的重要改善方向。目前使用強(qiáng)制返水板結(jié)構(gòu)的電熱水器已經(jīng)大批量生產(chǎn)，該產(chǎn)品可以將熱水器的熱水輸出率穩(wěn)定提高到93%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中國國家標(biāo)準(zhǔn)一級能效70%的規(guī)定，通過新一代儲(chǔ)水式電熱水器的推廣應(yīng)用，單臺(tái)熱水器可以年節(jié)約5%的電能，按照中國保有量0.7億臺(tái)，一年解決用電1億度，折合4萬個(gè)家庭的年用電量，為經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

同時(shí)該技術(shù)突破了國家一級能效產(chǎn)品的要求，會(huì)推進(jìn)國家標(biāo)準(zhǔn)的升級或完善，帶動(dòng)整個(gè)電熱水器行業(yè)節(jié)能技術(shù)升級。為國家的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

[1]GB 21519-2008.《儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及能效等級》