孙京岩 李彩霞 王国芳 孙强 蔡想周 杨涛

（青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101）

1 引言

随着中国社会经济建设的发展，消费者生活水平的提高和中国城镇化进程的加快，热水器的普及率也越来越高，消费者生活中对热水用量的需求越来越大。生活用热水消耗的能源在普通消费者的家庭能源消耗中的占比也越来越大。

目前提供消费者热水的产品主要有以下几类：一是纯电热水器，目前中国最普及的能源是电能，纯电热水器具有驱动电能能源获取便捷，对于安装环境要求低，便于安装、使用方便安全等特点，占比最大，普及率最高。二是燃气热水器，但受气源普及限制、初始安装费用高、燃气管道无法隐藏，消费者有安全顾虑等问题，导致燃气热水器的普及推广受限；第三是太阳能热水器，由于中国不同地区日均辐照量差异很大，且一体机在楼房安装存在水路长、抗恶劣自然环境能力差等原因，以及阳台机价格高等问题导致普及率也不高；第四是快热式电热水器，目前中国新建住宅卫生间的线缆一般只能承受功率为5000W的产品，但是该功率配置的产品在冬季自来水温度低时，温升很低，无法洗浴；如果加大产品功率，无法直接安装，需要单独走电线，影响美观，因此普及率也不高；第五种是热泵热水器，因受环境温度及压缩机技术限制目前也没有大量普及。

所以，热水器行业要节能，当前能立竿见影、可行性最高的还是电热水器节能技术的推广应用。电热水器的节能主要体现在两个方面：一方面是改善产品保温性能，按照GB 21519的规定，24小时固有能耗系数ε要小；另外一方面出热水量大，按照GB 21519的规定，热水输出率μ要大；本文主要从怎样提高电热水器的热水输出率入手，探讨储水式电热水器热水输出率μ的提高，实验验证和推广应用。

2 储水式电热水器热水输出率测试方法、计算和能效等级

按照国家标准GB 21519的规定，热水输出率的测试方法示意图如图1

2.1 热水输出率测试

通过安装在进水口的阀门控制排水流量满足下面要求，如果流量达不到要求，通过增大压力到满足要求：

CR＜10L 按2L/min；

10L≤CR≤70L 按5L/min；

70L＜CR≤200L 按10L/min；

200L＜CR按5%的额定容量/min。

出水温度的测量方法按图2，在排水期间每间隔5s记录一次，从开始排水15s后记录进水温度θc和出水温度θP，记录在排水期间的最高出水温度θmax，连续排水至出水温度比最高出水温度θmax低20℃为止。此时停止排水，计算平均出水温度θP、平均进水温度θc和排出水的质量mp，并按照公式（1）计算热水输出率：

式中：μ—热水输出率，%；θP—平均出水温度，℃；θc—平均进水温度，℃；ρ—在平均出水温度θP下水的密度，kg/cm3；mp—排出水的质量，kg；θA1—温控器首次断开时的储水平均温度，℃。

2.2 电热水器能效等级

电热水器能效等级分为5级，1级能效最高。各等级电热水器24h固有能耗系数和热水输出率应符合表1的规定。

3 储水式电热水器热水输出率提高原理分析、论证及实验验证

实际上电热水器的加热管加热水的方式就是热交换的过程，通过热交换使水温上升。通常热交换有三种方式：热传导、热对流和热辐射。由于水的对流换热系数为200～1000 W/(m2.℃),而导热系数是0.599 W/(m2.℃)，因此，电热水器水温升温主要是热对流。热对流的换热方向是高温水上升，低温水下降。结合电热水器的加热系统在内胆中的布局，可以得知电热管上部以热对流换热方式为主，而电热管下部以热传导换热方式为主，所以热水器内部不同温度的水是分层的。在洗浴过程中，进水口进入的冷水进入热水器内胆后由于速度和方向的不同，对静止状态下分层的热水会造成影响，如果通过进水口进入的冷水全部在热水器底部且对胆内的热水不产生扰流现象，则热水器胆中的热水能充分流出，供消费者洗浴使用。

计算机仿真模拟热水器的加热过程示意图见图3，可以看出热水器胆内的水分层明显，且加热过程中主要靠热对流进行热交换。

为了简化问题，找到有效的提高热水输出率的路径，可以建立理想模型进行分析。即设定进水温度恒定，热水器胆内的不同位置水的温度一致，实验时，进入电热水器的冷水和胆中的热水不会发生混水，电热水器中的热水全部排出，这时的热水输出率应该是最高的。为了尽可能的达到理想状态，结合热力学知识，可以得出以下提高热水输出率的改进方向：

（1）使热水器中冷热水充分热对流，改善加热系统和内胆的匹配，将热水器内胆不同位置水的温差尽可能的降低，同时加大加热管的导热面积，使水能够尽可能多得被加热，同时还可以加大内胆直径来提高热水输出率。

对不同容积的产品可以通过增加胆内加热管的导热面积来实现胆内水充分被加热，同时尽可能的降低加热管在胆内的位置。对额定容积是50L、60L、80L和100L的产品进行对比实验，在其他条件相同的情况下，实验数据显示该措施可以提高热水器热水输出率，但是效果不是非常明显。实验数据见图4。

（2）通过加大热水器的内胆直径来改善水的温差梯度，减缓冷水对热水的冲击，也提高热水输出率。对额定容积是50L、60L、80L和100L的产品进行对比实验，内胆直径为分别300mm和350mm,可以看出该措施有一定的改善但效果不是非常明显。实验数据见图5。

（3）通过创新水路系统设计，将冷水和热水进行很好的分层，使冷水托着热水经出水口流出；同时改善冷水对热水的冲击，不出现冷水和热水无序多位置混水现象，保证热水能充分流出，借以提高热水输出率。

（a）通过改善水路系统，在热水器中增加强制挡水板，将冷水和热水器强制分离，同时冷水在热水器底部强制挡水板下方的流动速度逐步减缓，对热水的冲击越来越小，在其它因素相同的情况下，对额定容积是50L、60L、80L和100L的产品进行对比实验，可以看出，该措施对提高热水输出率有明显的改善。实验数据见图6。

(b)通过改善水路系统，将热水器进水水路的出水口的面积加大，因为流量一定，可以得出出水面积和流动速度成反比，这样流动速度会变慢，冷水的冲击力量很小，冷水和热水的混水很轻，热水输出率会提高。在其它因素相同的情况下，对额定容积是50L、60L、80L和100L的产品进行对比实验，可以看出，该措施对提高热水输出率有明显的改善。实验数据见图7。

4 量产应用实例

根据上面的分析及验证，结合横式储水式电热水器的特点，开发设计了新一代储水式电热水器，该热水器的内胆总成、加热系统和水路系统的总体结构设计方案见图8。

该热水器的内胆和加热系统进行了匹配改善，对水路系统进行颠覆性创新设计，该水路系统集成多种结构，加大了进水管在热水器胆内的出水口面积，并强制约束水的流向，同时加长了水的流动路径，降低了水的流动速度，使冷水对胆内的热水器不造成扰流，冷热水不混合，不冲击，使胆内的热水尽可能的流出，极大的提高了热水输出率。对新一代储水式电热水器和老一代产品做热水输出率对比实验后，实验数据见表2，通过该表发现，热水输出率有显著的提高。

5 结束语

通过以上理论论证，分析及实验验证，可以确定影响储水式电热水器产品热水输出率的关键因素，可以很好的指导电热水器的开发。同时确定了强制返水板、进水水路的出水口面积对提高热水输出率起着关键的作用，是提高热水输出率的重要改善方向。目前使用强制返水板结构的电热水器已经大批量生产，该产品可以将热水器的热水输出率稳定提高到93%以上，远远大于中国国家标准一级能效70%的规定，通过新一代储水式电热水器的推广应用，单台热水器可以年节约5%的电能，按照中国保有量0.7亿台，一年解决用电1亿度，折合4万个家庭的年用电量，为经济的可持续性发展作出了贡献。

同时该技术突破了国家一级能效产品的要求，会推进国家标准的升级或完善，带动整个电热水器行业节能技术升级。为国家的可持续发展作出贡献。

[1]GB 21519-2008.《储水式电热水器能效限定值及能效等级》