一种低功率节能型分级电热水器设计*

张慧晨，刘林川，李子成

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

社会经济的快速发展带来人们家庭生活水平和生活质量不断提高，致使民用热水量增加民用能源需求不断增大。对于常见热水器中的电热水器而言，目前在我国使用比较普遍的主要有储水式电热水器和即热式电热水器两类。但是由于能源的制约和现有各种电热水器性能上的一些缺陷，常规电热水器上仍有很大的提升空间。低功率节能型分级电热水器是将储水式电热水器与即热式电热水器巧妙结合，利用低温差来减少储热部分的散热损失，提高即热部分进水温度来降低电加热功率，具有重要的研究价值与社会意义。

自2017 年以来，教育部发布一系列关于“新工科”研究与实践的通知中明确指出新时期工科优势高校要对工程科技创新和产业创新发挥主体作用[1-2]。其中培养大学生创新能力是实现科技创新与产业创新的关键。因此，如何培养与加强学生的创新能力也已成为目前我国高等工程教育改革的重要课题。

1 分级式电热水器的设计

图1 所示为分级式电热水器结构简图。该热水器主要由储水部分和即热部分。储水部分由储水内胆、保温层、进水管、连接管以及加热棒等组成。传统的储水式电热水器储水温度在65℃左右，而分级电热水器在储水部分储水温度为30℃，根据传热学原理[3]，保温温度低与外界环境温差小，热流密度低，散热量小，热效率就会提高。即热部分由即热内胆、保温层、出水管等组成。通过连接管与储水部分连接，将储水部分的水进行二次速热，最终达到用户所需要的温度。

图1 分级式电热水器结构简图

2 设计计算

2.1 已知条件

（1）根据GB21519-2008[4]，储水式电热水器能耗等级评定时进水温度为15±2℃，故下述计算过程中进水温度取为15℃。

（2）根据GB21519-2008[4]，储水式电热水器能耗等级评定时环境温度为20±2℃，故下述保温性能计算过程中环境温度按照为20℃进行计算。

（3）根据GB21519-2008[4]，储水式电热水器能耗等级评定时储水温度为65±3℃，故下述计算过程中储水温度按照为65℃进行计算。

（4）夏季人体最适合洗澡水温为 39～42℃[5]，为便于计算取水温为40℃。

（5）夏季，我国人均洗澡时间为10 分钟[5]，平均用水量为80L，故下述计算过程中总水量按照80L 进行计算。

2.2 设计计算

2.2.1 储水式电热水器

根据已知条件，储水式电热水器进水温度为15℃，加热后的储水温度为65℃，若要输出40℃热水80L，可根据公式（1）分别计算掺混的热水水量以及冷水水量。

式中，ρ-水的密度，kg/m3；Cp-水的定压比热容，kJ/（kg·K）；t冷-进水温度，℃；t热-储水式电热水器储水温度，℃；V热-热水水量，m3；V冷-冷水水量，m3；V总-总水量，m3。

将上述各参数带入公式（1）可得热水水量为40L，冷水水量为40L。又根据GB21519-2008[4]可知，由于储水式电热水器热水输出过程中冷热水掺混，1 级能效的储水式电热水器的热水输出率≥70%，故由此可计算出选用的储水式电热水器容量为60L 方可满足用水需求。

储水式电热水器24 小时固有能耗计算公式为：

式中，V-热水器的实际容积，L；α-系数，α=0.015 kW·h/L；β-系数，0.8。

由式（2）计算得到固有能耗Q=1.7kW·h，则24 小时保温的热损能耗Qpr：

式中，δ-能耗系数，根据 GB21519-2008[4]，1 级储水式电热水器的能耗系数为0.6。

储水式电热水器加热水的加热效率在90%以上，取90%，则加热能耗 Q加热：

储水式电热水器24 小时的总能耗：

储水式电热水器24 小时能效为：

2.2.2 即热式电热水器

设即热式热水器加热到40℃的加热效率为95%，即热式电热水器总能耗：

2.2.3 分级式电热水器

分级式电热水器看成是以上两个热水器融合到一起：储水部分水温加热到30℃后经过即热热水器加热到40℃。为便于比较分析，分级式电热水器设计时储水部分结构保持与原储水式热水器结构相同，容量也相同。为计算分级式电热水器储水部分热损失情况，需先计算储水式电热水器的保温情况，具体计算过程如下：

（1）储水式电热水器的保温层厚度计算

根据式（3）计算结果可知，储水式电热水器24 小时保温的热损耗为1.02kW·h，故储水式电热水器每小时的散热损失为 Q储散=1.02×1000÷24-21=21.5W·h。

根据传热学原理，储水式电热水器水箱散热量Q储散：

式中，F-内胆表面积，m2，根据 GB21519-2008[4]，60L储水式电热水器的内表面积为1.05m2；t环-环境温度，℃；λ-保温材料导热系数，W/（m·℃），对于能效要求较高的水箱，大多采用压力发泡的硬质聚氨酯泡沫塑料，导热系数一般为0.021W/（m·℃），d-保温层厚度，m。

根据公式（8）计算得到保温层平均厚度d=0.03m。

（2）计算保温温度为30℃时，分级式电热水器储水部分的热损失温差与热流量成正比，则分级式电热水器储水水箱散热损失约为：

除水箱散热外的其余散热损失为：

总损失为其余热损失和散热热损失之和，即Q分总损=9.57W·h，则 24 小时用于保温的总能耗为 Q分总损=24×9.57=0.23kW·h=827kJ。

储水式电热水器加热水的加热效率在90%以上，取90%，则分级式电热水器储水部分加热能耗：

分级式电热水器储水部分24 小时的总能耗：

（3）计算即热部分的能耗

设即热式热水器加热到40℃效率为95%，分级式电热水器即热部分能耗：

（4）计算分级式电热水器总能耗

储水式电热水器24 小时能效为：

2.3 小结

（1）分级式电热水器较储水式电热水器节省的能量：

（2）分级式电热水器较即热式电热水器降低的功率：

因为分级式电热水器较即热式电热水器温升降低（40-15）/（40-30）=2.5 倍，所需能量降低2.5 倍，即功率降低2.5 倍，一般即热式电热水器的功率为6000～8000W，则我们的分级式电热水器的即热电加热棒功率约为2400～3200W，因此不用改装电路，完全可供家庭正常安装和使用。

3 分级式电热水器优势分析

分级式电热水器内胆容积为60L，即热部分加热功率为2400W，储水部分加热功率为2000W，同时开启时最高总功率4400W，同时开启状况下分级式电热水器加热功率较即热式电热水器加热功率可降低33.3%。而储水部分和即热部分大部分情况分开使用，故分级式电热水器工作功率多数情况下在2400W 以内，而卫生间普遍2.5 平方的线最高承受功率5500W，故不需要改装电路。

4 分级式电热水器的设计成效

本文以学科竞赛为导向，以大学生创新训练计划为平台，提出的一种低功率节能型分级电热水器方案，先是立项为校级大学生创新训练计划，开展为期一年的项目设计，再是参加校级节能减排大赛并获得一等奖，最后是经过半年的反复论证，成功申报全国节能减排大赛并荣获3 等奖。从立项到比赛结束，经过为期2 年的时间，在这个过程中不仅培养学生自主学习的能力，还提升了学生的创新能力和实践能力。

5 结束语

本文以学科竞赛为导向，以大学生创新训练计划为平台，针对目前我国能源紧张的现状，提出一种低功率节能型分级电热水器设计方案，该设计方案是合理利用能源及减轻污染的有效途径，并且有效的解决了改装电路难甚至危险的现状，以其低功率的优势相比高功率的即热式电热水器更容易被大众接受。以学科竞赛为导向的创新训练计划的开展，促进学生在长达两年的项目开展过程中保持较高的积极性，既促进学生成长又对家用热水器发展提出一种可行设计方案，以专业促行业，具有一定的社会研究价值。