真空保溫技術(shù)在電熱水器上的應(yīng)用研究

梁添杰 楊世恩

（華帝股份有限公司 中山 528415）

引言

根據(jù)中國(guó)政府于2020年9月22日在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上作出的承諾，中國(guó)將爭(zhēng)取在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這也意味著中國(guó)將在2030年前全面控制溫室氣體的排放總量，為實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，中國(guó)政府主要提出了兩項(xiàng)措施和政策，首先是推動(dòng)清潔能源的發(fā)展和利用，減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴；其次是加強(qiáng)工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排工作，推動(dòng)高效節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。真空保溫技術(shù)就是高效節(jié)能技術(shù)的代表，而真空絕熱板作為真空保溫技術(shù)的重要實(shí)現(xiàn)載體，是一種隔熱保溫效果非常優(yōu)異的材料。真空絕熱板采用真空絕熱原理，其導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.002 0 W/（m·K）以下，為常規(guī)保溫材料的1/10[1]，具有節(jié)能和環(huán)保的雙重優(yōu)點(diǎn)。因此，研究如何利用真空絕熱板保溫技術(shù)，并進(jìn)一步開(kāi)拓真空絕熱板的應(yīng)用范圍，對(duì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的中國(guó)而言，具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 真空保溫技術(shù)的原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

真空絕熱板是真空保溫技術(shù)在產(chǎn)業(yè)上的一種重要應(yīng)用，真空絕熱板由芯材、表面隔膜結(jié)構(gòu)材料和吸氣劑（或干燥劑）構(gòu)成[2]，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。芯材主要用于防止熱輻射和減少熱傳導(dǎo)的發(fā)生，此外還具有一定的結(jié)構(gòu)支撐作用。考慮到玻璃纖維棉的低導(dǎo)熱性能，故目前行業(yè)內(nèi)多采用玻璃纖維作為芯材材料。而表面隔膜結(jié)構(gòu)材料主要起包裹隔絕和防止?jié)B透兩大作用，即將芯材包裹起來(lái)防止氮?dú)狻⒀鯕狻⒍趸家约八畾獾任镔|(zhì)透過(guò)隔膜滲入真空絕熱板內(nèi)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(nèi)或板內(nèi)材料所釋出的氣體，以維持真空絕熱板的真空度，從而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)真空絕熱板壽命的目的。

圖1 真空絕熱板結(jié)構(gòu)示意圖

熱量傳遞主要有對(duì)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(guò)提高內(nèi)部真空度和降低芯材材料的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)隔絕熱傳遞的。一方面利用真空絕熱原理，隨著氣體壓強(qiáng)的降低，氣體密度也會(huì)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(qiáng)度相對(duì)減弱，從而使得真空絕熱板的導(dǎo)熱系數(shù)變得很小，可有效消除對(duì)流傳熱效應(yīng)；另一方面，通過(guò)優(yōu)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(dǎo)熱系數(shù)（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(dǎo)熱系數(shù)；

λg—板內(nèi)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；

λs—固體芯材的導(dǎo)熱系數(shù)；

λr—輻射導(dǎo)熱系數(shù)；

λc—等效對(duì)流換熱系數(shù)。

真空絕熱板保溫技術(shù)運(yùn)用就是通過(guò)多種方式確保真空絕熱板內(nèi)的氣體導(dǎo)熱系數(shù)、固體芯材導(dǎo)熱系數(shù)和等效對(duì)流換熱系數(shù)最小，從而實(shí)現(xiàn)隔熱或絕熱的目的。

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前真空絕熱板已實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域和跨行業(yè)應(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)和厚度薄、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此儲(chǔ)水式電熱水器采用真空絕熱板作為保溫材料時(shí)，在保證能效等級(jí)達(dá)標(biāo)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(chǔ)水式電熱水器產(chǎn)品。

2 電熱水器真空保溫技術(shù)方案的確定

為充分驗(yàn)證真空絕熱板的低導(dǎo)熱性能，特選取保溫材料為聚氨酯的二級(jí)能效雙內(nèi)膽產(chǎn)品作為真空保溫技術(shù)方案設(shè)計(jì)的電熱水器產(chǎn)品平臺(tái)，該平臺(tái)產(chǎn)品外形如圖2所示，圖中產(chǎn)品采用的是普通雙內(nèi)膽結(jié)構(gòu)，外殼與內(nèi)膽圓弧之間的保溫層厚度為35 mm。

圖2 用于真空保溫技術(shù)方案設(shè)計(jì)的產(chǎn)品平臺(tái)

利用該產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的真空保溫技術(shù)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(nèi)膽表面，在設(shè)計(jì)方案中，真空絕熱板緊貼內(nèi)膽，然后再對(duì)電熱水器進(jìn)行整體發(fā)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(qiáng)保溫的作用，真空絕熱板包裹內(nèi)膽方案如圖3所示。考慮到內(nèi)膽背面兩個(gè)支撐架的影響，為了降低生產(chǎn)工藝難度以及真空絕熱板的制造成本，該真空保溫技術(shù)方案采用了大小兩塊真空絕熱板的結(jié)構(gòu)方案，較小的真空絕熱板布置于內(nèi)膽背面兩個(gè)支撐架之間，較大的真空絕熱板布置于內(nèi)膽的正面和頂面位置。由于內(nèi)膽中熱水分層原理的影響，內(nèi)膽底部水溫普遍較低，邊際保溫效果不高，出于成本最優(yōu)因素的考慮，因此內(nèi)膽底部無(wú)需布置真空絕熱板。

圖3 真空絕熱板包裹內(nèi)膽方案

另外，為分析電熱水器掛架結(jié)構(gòu)對(duì)能效影響的大小，因此該真空保溫技術(shù)方案特選取了兩種不同的掛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，一種為外置式掛架結(jié)構(gòu)，外殼上能明顯看到兩個(gè)金屬支架，具體如圖4所示；另一種為隱藏式掛架結(jié)構(gòu)，外殼上僅有兩個(gè)掛孔，無(wú)外露支架結(jié)構(gòu)，具體如圖5所示。

圖4 外置式掛架結(jié)構(gòu)

圖5 隱藏式掛架結(jié)構(gòu)

3 測(cè)試驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 紅外測(cè)溫及測(cè)溫結(jié)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(tái)不同的電熱水器分別掛在整機(jī)測(cè)試平臺(tái)上，通電進(jìn)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(duì)三臺(tái)電熱水器的頂面、正面、左端面和右端面進(jìn)行紅外測(cè)溫，其紅外測(cè)溫圖見(jiàn)表1所示，環(huán)境測(cè)試溫度為20 ℃。

根據(jù)表1 中電熱水器各表面的紅外測(cè)溫圖，可以得出不同測(cè)試樣機(jī)在同一個(gè)表面上的最高溫度值情況，電熱水器表面測(cè)溫最高溫度值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 電熱水器表面測(cè)溫最高溫度值對(duì)比結(jié)果

3.2 能效檢測(cè)及檢測(cè)結(jié)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(tái)不同的電熱水器分別掛在能效實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)平臺(tái)上，按照國(guó)家能效檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行整機(jī)能效測(cè)試，檢測(cè)完成后四臺(tái)電熱水器的24 h 固有能耗系數(shù)[5]如表3所示。

表3 電熱水器24 h 固有能耗系數(shù)對(duì)比結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

從表2 可見(jiàn)，采用真空保溫技術(shù)的電熱水器，當(dāng)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(shù)的電熱水器，由此可見(jiàn)，保溫層中采用真空絕熱板能夠明顯提升隔熱性能，實(shí)現(xiàn)更好的保溫效果。另外，從表3 可見(jiàn)，采用外置式掛架普通保溫的電熱水器24 h固有能耗系數(shù)測(cè)試值為0.69，保溫性能最差，當(dāng)把外置式掛架改為隱藏式掛架后，24 h 固有能耗系數(shù)測(cè)試值降低為0.63，由此可見(jiàn)隱藏式掛架相比外置式掛架可以減少電熱水器保溫過(guò)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(shù)測(cè)試值也可降低為0.62，但參考國(guó)標(biāo)能效等級(jí)劃分要求，此電熱水器的能效等級(jí)只能劃分為2 級(jí)[4]，性價(jià)比不高。而同時(shí)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(shù)測(cè)試值低至0.56，能效等級(jí)可達(dá)到1級(jí)。

由此可見(jiàn)，保溫材料為聚氨酯的二級(jí)能效雙內(nèi)膽電熱水器產(chǎn)品平臺(tái)，在改用隱藏式掛架同時(shí)采用真空保溫技術(shù)，可將能效等級(jí)提升為1 級(jí)，而且能效設(shè)計(jì)余量充足。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(shù)方案下整機(jī)表面紅外測(cè)溫以及能效檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，可以很好的模擬出真空絕熱板隔熱性能的優(yōu)勢(shì)，充分體現(xiàn)出真空絕熱板保溫技術(shù)方案的保溫有效性和可操作性。另外，通過(guò)24 h 固有能耗系數(shù)的能效檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果能夠得出隱藏式掛架結(jié)構(gòu)的保溫效果明顯優(yōu)于外置式掛架結(jié)構(gòu)方案，綜合考慮能效、外觀以及成本等性價(jià)比因素，真空絕熱板和隱藏式掛架結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)用方式為最佳保溫技術(shù)方案，在電熱水器行業(yè)內(nèi)具有顯著的市場(chǎng)推廣價(jià)值。