几种速热储水式电热水器的分析探讨

几种速热储水式电热水器的分析探讨
摘要：传统储水式电热水器加热时间长，速热储水式电热水器在其基础上有效提高加热速度，本文介绍了几种速热储水式电热水的结构、速热原理以及实现方式。

关键词：速热储水式电热水器
一、前言
储水式电热水器电热管功率较小，一般在3000W以下，以内胆内的水为储能介质，利用时间弥补功率较小的不足，存在加热速度慢、等待时间长的不足。

随着生活节奏的加快，人们对快速出热水的要求越来越高，传统储水式电热水器的不足越来越明显，而燃气热水器和即热式电热水器受安装环境的限制较多。

为减少加热等待时间，在储水式电热水器的基础上，开发具有速热功能的储水式电热水器。

二、速热功能的实现
速热储水式电热水器国家尚无明确的定义，从目前的通用做法来看，在满足洗浴需求的情况下，能够有效缩短加热时间的储水式电热水器均可以称之为速热储水式电热水器。

由于储水式电热水器属于储热加热方式，能量通过对流和传导换热分布在加热范围内的水中，提高水的温度，在不考虑能量损失的情况下，加热速度与两个因素相关，与加热功率成正比，与加热水量成反比：
根据上述公式，有效提高储水式电热水器加热速度，一方面要增大加热功率，增大电加热器的功率或者增多电加热器的数量，从配置方面改进；另一方面减少加热水量，通过减少内胆容量或者水温分层，减少有效加热水量。

在实际使用中，加热功率和加热水量的范围均有一定的限制，例如加热功率受家庭用电环境的限制，要综合考虑家用电器的数量和使用时间，不能够超过家庭用电总负荷，一般家用住宅只有6~8kW的用电功率（《民用建筑设计规范》JGJ16-92）；而热水量要满足正常的使用需求，一般每天每人热水使用需求在40~80升的范围内（《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003），同时用水量需要综合考虑国内不同地域的使用环境，例如北方进水温度偏低的情况下，会使得总出水量减少。

所以在速热功能的设计上，不能无限增大加热功率和减少加热水量，而是要
从结构、配置、功能以及舒适性等方面综合考虑。

三、几种速热结构的特点和分析
目前行业内储水式电热水器速热实现方式很多，主要有以下几种：双模速热（储热+即热）、大功率速热以及变容速热。

下面就这几种速热的结构和特点进行介绍：
1、双模速热（储热+即热）
双模速热是一种动态速热方式，是即热与储热结合的速热方式（结构见图1），在储水式电热水器内胆中增加一根速热套筒，区隔出一个小水量区，一般称之为胆中胆（或胆外胆），在开启进水阀门的时候保证有4~6升/分钟的水流过；在速热套筒内放置有一根速热电加热器，在一定流量的水通过时，发出信号开启速热电加热器，实现瞬间8~12K的温升，类似串联一个即热式电热水器，进行二次加热。

图1双模速热储水式电热水器的结构
双模速热是两种加热模式的组合，当需要大热水量的沐浴要求时，可以启动储热电加热器，实现较大热水量的需求但加热时间长；当需要快速洗浴时，可开启速热功能，减少加热等待时间。

一般情况下，开启3kW速热功能和常规的电热水器（以1.5kW、50升热水器为例）相比，可以缩短25分钟左右的加热等待时间，而在夏天进水温度较高的情况下，可以实现即开即洗。

在产品设计上，相比常规电热水器增加了速热功能，所以在结构、功能设计上更加复杂。

为提高加热效果，需加长出水在速热电加热器内的行程；水路中串接一个水流开关用于检测是否有水的流动2，当系统检测到水流开关打开时电加热管通电开始加热；在安全保护上增加温度感应装置，当速热电加热器内的水温过高时，及时关闭速热电加热器保证用户安全，双模速热的设计成本增加较多。

2、大功率速热
大功率速热在结构、功能上和常规电热水器差别不大，只是通过增加电加热器加热功率实现加热速度提升（见图2）。

常规电热水器的功率在1~3kW的范围内，为提高加热速度，同时不影响家庭用电功率，一般采用5kW左右的电加热
器作为大功率速热的电加热器。

图2 大功率速热储水式电热水器的结构
通过功率加大、内胆容量减少，同时通过控制程序实现热水器增容，使得加热速度得到了大幅度的提高，以一组数据来说明大功率速热的效果：
表1 大功率速热效果对比
类型配置每小时每升水的温升从20℃到75℃的加热时间
大功率速热5kW、30L 143K/h•L 22分钟
常规电热水器 1.5kW、50L 26K/ h•L 120分钟
（以上数据来自于实验室模拟测试）
从上述数据上可以看出，通过大功率速热可以实现加热速度提升5.5倍；在出水量相比常规电热水器减少一些，仍可以满足单人单次的洗浴要求，由于其加热等待时间短的特点，可以实现多人接力洗浴，而不用担心类似常规电热水器长时间等待的问题；常规电热水器由于一次加热水量多，如果用不完会有一部分热水留在内胆中，造成一定的热量损失。

大功率速热实现了洗浴水量与洗浴人数的匹配，更加有效的利用内胆中的热水。

由于大功率速热缩小内胆容量，可实现体积小巧，公寓型住宅也可以轻易安装。

5kW的用电功率，相比即热式电热水器动辄8kW以上的大功率，家庭用电功率影响较小，同时储水加热方式也解决了即热式电热水器冬天出水温度不够的问题。

大功率速热由于功率相对较大，需安装独立空气开关，采用独立布线，且线径要求高，需要专业人员安装；同时在功能上要设计多档功率，在保温状态下尽量使用低功率加热，减少对家庭用电功率的影响。

3、变容速热
变容速热利用水自然对流原理，加热内胆部分范围内的水，通过减少加热水量提高加热速度。

对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程，水自然对流换热系数为200~1000W/(m2•℃)，远远大于水的导热系数0.599W/(m2•℃)，所以热水器内胆中水的热量传递方式，电加热器上部的水加热用对流换热，电加热器下部的水加热用传导换热，由于对流换热远远快于
传导换热1，所以电加热器上部的水温要远远高于下部的水温。

利用水自然对流换热的原理，变容速热采用了两根或两根以上的加热管，加热管分布位置上下错开（见图3），当需要速热效果时，开启上加热管，只加热内胆上半部分的水，加热速度快；当使用整胆加热时，开启下加热管，实现整胆水的加热。

图3 变容速热储水式电热水器的结构
变容速热可以提供不同的方案进行选择，可以在浴缸或者多人洗澡的时候，选择整胆加热，实现热水量最大；也可以在单人洗浴或者需要快速用水的情况下，选择半胆速热，实现快速洗浴。

表2 半胆速热与整胆速热的对比
类型配置每小时每升水的温升从20℃到75℃的加热时间
半胆速热3kW、20L 129K/h•L 26分钟
整胆加热2kW、40L 43K/ h•L 77分钟
（以上数据来自于实验室模拟测试）
从上表可以看出，半胆速热较整胆加热的加热速度提高了3倍左右，由于加热等待时间短，也可以实现多人接力洗浴和内胆中热水的有效利用。

相对于大功率速热，变容速热对水量的控制更加灵活，可以选择不同的加热水范围，实现多种洗浴模式的需求。

四、总结
根据能量守恒定律，不可能在能量和容量不变的情况下增加出热水量，但是通过配置、结构和控制程序的改变，实现功率和加热水量范围的选择，从而实现能量的增加和集中，使得内胆部分范围内的水温快速升高，从而满足快节奏的生活，也提高热水的有效利用。

参考文献：
1、张慧宝储水式电热水器分层加热技术的分析研究及设计应用家电科技
2、马海峰一种新颖的快热式电热水器单片机与可编程器件注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。