一種低功率節能型分級電熱水器設計*

張慧晨，劉林川，李子成

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

社會經濟的快速發展帶來人們家庭生活水平和生活質量不斷提高，致使民用熱水量增加民用能源需求不斷增大。對于常見熱水器中的電熱水器而言，目前在我國使用比較普遍的主要有儲水式電熱水器和即熱式電熱水器兩類。但是由于能源的制約和現有各種電熱水器性能上的一些缺陷，常規電熱水器上仍有很大的提升空間。低功率節能型分級電熱水器是將儲水式電熱水器與即熱式電熱水器巧妙結合，利用低溫差來減少儲熱部分的散熱損失，提高即熱部分進水溫度來降低電加熱功率，具有重要的研究價值與社會意義。

自2017 年以來，教育部發布一系列關于“新工科”研究與實踐的通知中明確指出新時期工科優勢高校要對工程科技創新和產業創新發揮主體作用[1-2]。其中培養大學生創新能力是實現科技創新與產業創新的關鍵。因此，如何培養與加強學生的創新能力也已成為目前我國高等工程教育改革的重要課題。

1 分級式電熱水器的設計

圖1 所示為分級式電熱水器結構簡圖。該熱水器主要由儲水部分和即熱部分。儲水部分由儲水內膽、保溫層、進水管、連接管以及加熱棒等組成。傳統的儲水式電熱水器儲水溫度在65℃左右，而分級電熱水器在儲水部分儲水溫度為30℃，根據傳熱學原理[3]，保溫溫度低與外界環境溫差小，熱流密度低，散熱量小，熱效率就會提高。即熱部分由即熱內膽、保溫層、出水管等組成。通過連接管與儲水部分連接，將儲水部分的水進行二次速熱，最終達到用戶所需要的溫度。

圖1 分級式電熱水器結構簡圖

2 設計計算

2.1 已知條件

（1）根據GB21519-2008[4]，儲水式電熱水器能耗等級評定時進水溫度為15±2℃，故下述計算過程中進水溫度取為15℃。

（2）根據GB21519-2008[4]，儲水式電熱水器能耗等級評定時環境溫度為20±2℃，故下述保溫性能計算過程中環境溫度按照為20℃進行計算。

（3）根據GB21519-2008[4]，儲水式電熱水器能耗等級評定時儲水溫度為65±3℃，故下述計算過程中儲水溫度按照為65℃進行計算。

（4）夏季人體最適合洗澡水溫為 39～42℃[5]，為便于計算取水溫為40℃。

（5）夏季，我國人均洗澡時間為10 分鐘[5]，平均用水量為80L，故下述計算過程中總水量按照80L 進行計算。

2.2 設計計算

2.2.1 儲水式電熱水器

根據已知條件，儲水式電熱水器進水溫度為15℃，加熱后的儲水溫度為65℃，若要輸出40℃熱水80L，可根據公式（1）分別計算摻混的熱水水量以及冷水水量。

式中，ρ-水的密度，kg/m3；Cp-水的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；t冷-進水溫度，℃；t熱-儲水式電熱水器儲水溫度，℃；V熱-熱水水量，m3；V冷-冷水水量，m3；V總-總水量，m3。

將上述各參數帶入公式（1）可得熱水水量為40L，冷水水量為40L。又根據GB21519-2008[4]可知，由于儲水式電熱水器熱水輸出過程中冷熱水摻混，1 級能效的儲水式電熱水器的熱水輸出率≥70%，故由此可計算出選用的儲水式電熱水器容量為60L 方可滿足用水需求。

儲水式電熱水器24 小時固有能耗計算公式為：

式中，V-熱水器的實際容積，L；α-系數，α=0.015 kW·h/L；β-系數，0.8。

由式（2）計算得到固有能耗Q=1.7kW·h，則24 小時保溫的熱損能耗Qpr：

式中，δ-能耗系數，根據 GB21519-2008[4]，1 級儲水式電熱水器的能耗系數為0.6。

儲水式電熱水器加熱水的加熱效率在90%以上，取90%，則加熱能耗 Q加熱：

儲水式電熱水器24 小時的總能耗：

儲水式電熱水器24 小時能效為：

2.2.2 即熱式電熱水器

設即熱式熱水器加熱到40℃的加熱效率為95%，即熱式電熱水器總能耗：

2.2.3 分級式電熱水器

分級式電熱水器看成是以上兩個熱水器融合到一起：儲水部分水溫加熱到30℃后經過即熱熱水器加熱到40℃。為便于比較分析，分級式電熱水器設計時儲水部分結構保持與原儲水式熱水器結構相同，容量也相同。為計算分級式電熱水器儲水部分熱損失情況，需先計算儲水式電熱水器的保溫情況，具體計算過程如下：

（1）儲水式電熱水器的保溫層厚度計算

根據式（3）計算結果可知，儲水式電熱水器24 小時保溫的熱損耗為1.02kW·h，故儲水式電熱水器每小時的散熱損失為 Q儲散=1.02×1000÷24-21=21.5W·h。

根據傳熱學原理，儲水式電熱水器水箱散熱量Q儲散：

式中，F-內膽表面積，m2，根據 GB21519-2008[4]，60L儲水式電熱水器的內表面積為1.05m2；t環-環境溫度，℃；λ-保溫材料導熱系數，W/（m·℃），對于能效要求較高的水箱，大多采用壓力發泡的硬質聚氨酯泡沫塑料，導熱系數一般為0.021W/（m·℃），d-保溫層厚度，m。

根據公式（8）計算得到保溫層平均厚度d=0.03m。

（2）計算保溫溫度為30℃時，分級式電熱水器儲水部分的熱損失溫差與熱流量成正比，則分級式電熱水器儲水水箱散熱損失約為：

除水箱散熱外的其余散熱損失為：

總損失為其余熱損失和散熱熱損失之和，即Q分總損=9.57W·h，則 24 小時用于保溫的總能耗為 Q分總損=24×9.57=0.23kW·h=827kJ。

儲水式電熱水器加熱水的加熱效率在90%以上，取90%，則分級式電熱水器儲水部分加熱能耗：

分級式電熱水器儲水部分24 小時的總能耗：

（3）計算即熱部分的能耗

設即熱式熱水器加熱到40℃效率為95%，分級式電熱水器即熱部分能耗：

（4）計算分級式電熱水器總能耗

儲水式電熱水器24 小時能效為：

2.3 小結

（1）分級式電熱水器較儲水式電熱水器節省的能量：

（2）分級式電熱水器較即熱式電熱水器降低的功率：

因為分級式電熱水器較即熱式電熱水器溫升降低（40-15）/（40-30）=2.5 倍，所需能量降低2.5 倍，即功率降低2.5 倍，一般即熱式電熱水器的功率為6000～8000W，則我們的分級式電熱水器的即熱電加熱棒功率約為2400～3200W，因此不用改裝電路，完全可供家庭正常安裝和使用。

3 分級式電熱水器優勢分析

分級式電熱水器內膽容積為60L，即熱部分加熱功率為2400W，儲水部分加熱功率為2000W，同時開啟時最高總功率4400W，同時開啟狀況下分級式電熱水器加熱功率較即熱式電熱水器加熱功率可降低33.3%。而儲水部分和即熱部分大部分情況分開使用，故分級式電熱水器工作功率多數情況下在2400W 以內，而衛生間普遍2.5 平方的線最高承受功率5500W，故不需要改裝電路。

4 分級式電熱水器的設計成效

本文以學科競賽為導向，以大學生創新訓練計劃為平臺，提出的一種低功率節能型分級電熱水器方案，先是立項為校級大學生創新訓練計劃，開展為期一年的項目設計，再是參加校級節能減排大賽并獲得一等獎，最后是經過半年的反復論證，成功申報全國節能減排大賽并榮獲3 等獎。從立項到比賽結束，經過為期2 年的時間，在這個過程中不僅培養學生自主學習的能力，還提升了學生的創新能力和實踐能力。

5 結束語

本文以學科競賽為導向，以大學生創新訓練計劃為平臺，針對目前我國能源緊張的現狀，提出一種低功率節能型分級電熱水器設計方案，該設計方案是合理利用能源及減輕污染的有效途徑，并且有效的解決了改裝電路難甚至危險的現狀，以其低功率的優勢相比高功率的即熱式電熱水器更容易被大眾接受。以學科競賽為導向的創新訓練計劃的開展，促進學生在長達兩年的項目開展過程中保持較高的積極性，既促進學生成長又對家用熱水器發展提出一種可行設計方案，以專業促行業，具有一定的社會研究價值。