探究最节能和最经济的烧开水方法

如何烧开水？
——探究最节能和最经济的烧开水方法
目录
前言 (3)
一、电热水壶烧开水 (3)
二、天然气灶+普通水壶烧开水 (9)
三、电热水壶的改进 (13)
四、天然气烧水的改进 (15)
五、电磁炉烧开水的实验分析 (17)
六、节能是否等于省钱 (19)
七、结论和建议 (20)
前言
烧开水？大家肯定会说谁不会？我们在家里天天都要烧开水，使用的器具主要有天然气灶和电热水壶，偶尔还会使用微波炉、电磁炉，那么，哪一种器具烧开水最节能？最省钱？现有的器具还有没有改进的地方？可能大家还没有仔细想过。

于是这个暑假，我对几种常见的烧开水方式进行具体实验和记录分析，用数字探究最节能和最经济的烧开水方法。

下面与大家做一分享。

一、电热水壶烧开水
1、实验过程
首先，选择最简单的烧水器具，一个 1.2升的电热水壶，产品说明书上的功率是1800W。

为了准确测量烧开水的过程，我还称量了电热水壶的质量和水的质量，测量了烧水过程中水的温度变化、实时测量了电功率和电能以及烧水的时间。

使用的测量仪器性能如下：
温度测量：电子温度计（图1），测量范围是0~200 ℃，精度0.5 ℃
时间测量：手表中的秒表工具（图2），精度1 s
质量测量：挂钩式电子秤（图3），量程是20kg，精度是10 g
电功率测量：功率插座（图4），可以实时测量电功率、电压、电流、功率因数和累计电能。

在烧开水的实验中，我记录了实时功率和累计电能，用电子秤称量电热水壶的质量为620g
，加水1000g ，水的初始温度是28.4℃，表1是烧水过程的数据记录，记录的时间间隔是10s 。

图1电子温度计 图2 秒表
2、实验测量数据的分析
电热水壶烧开水，我们最希望的是电能转化的热量全部被水吸收，但是这只是理想情况，实际上，水吸收了热量，温度升高，电热水壶的温度也随之升高，因此也会吸收热量，此外考虑到水壶的温度与周围空气的温度有差别，还会向外散热，通过查找资料，了解这些散热的计算方法，可以分为辐射散热和对流散热。

下面是分析电加热的热量、水吸收的热量，壶吸收热量以及散热量的的计算方法。

（1）电加热的热量
W=P·∆t
其中：W是电能转化的热量，单位是J；P是电功率，采用功率插座测量，单位是W；∆t是烧水的时间，单位是s。

（2）水吸收的热量
Q1= c1·m1·( t2-t1)
其中：Q1是水吸收的热量，单位是J；c1为水的比热容，4.2 J/g·℃，其含义指的是1g水温度升高1℃所需要的热量是4.2J；m1为水的质量，每次烧水1000g；t2和t1为水在加热结束和加热开始时的温度，单位是℃。

（3）水壶的吸热量
水壶材料是不锈钢，壁很薄，厚度大约在0.5mm，其吸热量为：
Q 2= c2·m2·( t2-t1)
其中：Q2是水壶的吸热量，单位是J；c2为水壶的比热容，水壶的大部分材料为304不锈钢，少量为塑料，所以把304不锈钢的比热容作为整体的比热容，约为0.50J/g·℃；m2为水壶的质量，电热水壶为620g；t2和t1为水壶在加热结束和加热开始时的温度，金属传热很快，所以可以认为其温度与水温相同。

（4）水壶外表面向周围空气的对流换热
水壶的外表面温度比周围环境温度高，因此一定会向环境传热，首先考虑水壶外表面向周围空气的传热。

通过查资料，可以采用下面的公式计算：
Q3 = h·S·( t w-t0) ·∆t
其中：Q3是水壶外表面向周围空气的对流换热，单位是J；h为表面对流换热系数，其定义是物体表面与附近空气温差1℃，单位时间（1s）单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。

单位为W/(m2·℃)；S为烧水壶的外表面积，单位是m2；tw是水壶的外表面温度，可以认为与水温相同；t0是环境温度，单位是℃；∆t是烧水的时间，单位是s。

在这里，最关键的数据是表面对流换热系数。

资料上说，对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。

在不同的情况下，传热强度会发生成倍至成千倍的变化。

表面对流换热系数与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及流体的流速等都有密切关系，很复杂。

另外，物体表面附近的流体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大。

本实验中的烧水壶放在背风的地方，周围风速很低，这个因素可以忽略，此时可以认为烧水壶外表面与周围空气是自然对流换热。

空气自然对流系数大致为 5 ～25 W/(m2·℃)，本实验取中间值，h约为15W/(m2·℃)。

电热水壶可以近似认为是圆柱形，直径和高度均为0.15m，底面不考虑散热，则其散热的表面积为：
S=3.14*(0.075)2+3.14*0.15*0.15=0.088（m2）
用温度计测量环境温度t0，为26℃。

（5）、水壶外表面向周围环境的辐射散热
水壶外表面除了向周围空气的自然对流传热，还会向周围墙壁进行辐射传热。

资料上说，辐射传热是两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程，任意两个“能互相看见”的物体之间都存在辐射换热。

辐射换热与对流换热最明显的不同之处是不需要中间介质，可以在真空中进行，比如太阳对地球的辐射换热。

加热的水壶与周边的墙壁存在辐射传热。

辐射传热量的多少主要取决于烧水壶外表面与周围墙壁之间的温度差，温度差越大，散热量就越多，计算公式为：Q4 =5.67·e·S·[( 273+t w)4-(273+ t0) 4] ·∆t
其中：Q4为辐射换热热量，单位为W；e为水壶的表面发射率，可以近似取1；S 为烧水壶的外表面积，单位m2，与对流传热相同；t w、t0分别为水壶表面和周围墙面的温度，单位℃；
3、实验小结
从表2的热量分析可以看出，用电热水壶烧开水，电能转化的热量，有约90%被水吸收，约6%被水壶吸收，剩余的大约4%浪费掉了。

表2中的最后一行各项相加不等于100%，是由于分析计算过程的误差，但对于总体结论没有大的影响。

二、天然气灶+普通水壶烧开水
1、实验过程
天然气灶，通过燃烧天然气，加热水壶和壶中的水。

首先，需要知道如何计算天然气燃烧的加热量。

查找资料，了解到天然气燃烧放出的热量，可以用燃烧热值这个概念，其定义为1m3天然气燃烧放出的热量，由于天然气是以甲烷为主的复杂的混合物，因此没有固定的燃烧热值，资料推荐取值为36MJ/m3。

,或者是36kJ/L。

家里的厨房有天然气表，其最小读数是升，可以估读到0.2升（图5），因此可以用燃烧的天然气量乘以燃烧热值，得到每次烧开水过程中天然气燃烧放出的热量。

其他测量时间、水的质量、水壶的质量的方法和工具与电热水壶相同。

家里的烧水壶的材料也是不锈钢，但是其容积约为2.5升，因此为了保证与电热水壶烧水的相似性，每次烧水2000g。

用电子秤称量烧水壶的质量为510g，加水2000g，水的初始温度是25.2℃，表3是烧水过程的数据记录，记录的时间间隔是30s。

图5 天然气表
2、实验测量数据的分析
天然气燃烧加热水壶烧开水，我们同样最希望的是燃烧热量尽可能多的被水吸收，与电热水壶的分析相似的是，水吸收了热量Q1，水壶也吸收热量Q2，水壶同样会向周围空气和墙壁进行对流换热Q3和辐射换热Q4，热量Q1到Q4的分析方法与电热水壶相同，具体分析如表4。

烧水壶可以近似认为是半球形，半径为20cm，底面不考虑散热，则其散热的表面积为：
S=2*3.14*(0.1)2=0.063 m2
3、实验小结
从表4的热量分析可以看出，用天然气燃烧加热水壶烧开水，总计使用了48L天然气。

燃烧能转化的热量，有约34%被水吸收，约1%被水壶吸收，约2%通过对流和辐
射散失掉了。

但是这些相加只有37%左右，还有63%的热量去哪里了？
没错，这63%的热量，没有加热烧水壶，直接“绕过”烧水壶散失到空气中了。

因此看来如果可以减少天然气烧开水时直接散失的热量，就可以提高能量的利用效率。

下面我们就试试看。

三、电热水壶的改进
从表2看出，用电热水壶烧开水，电能转化的热量，有约90%被水吸收，约6%被水壶吸收，剩余的大约4%浪费掉了。

那么能不能想办法再提高效率呢？
通过保温可以减少散热，再次做实验。

具体做法是用两个干毛巾包在电热水壶的外面（图6），实验的时候同时测量毛巾外表面的温度，测量和分析数据如表6。

图6电烧水壶的改进
表6 带保温的电热水壶加热
从上表可以看出，对流换热和辐射换热的总量明显减少，从15kJ减小到0.735kJ，所占全部热量的比例由4%减小到0.3%；总热量中被水吸收的比例提高了1%左右，总的加热时间也减少了18s。

所以对水壶采取保温措施可以减少耗电量。

四、天然气烧水的改进
从表4得出的结论，有63%的热量从四周绕过烧水壶，我们是否可以想办法呢？
我想可以从以下几个方面考虑：
1）减小火焰的大小，这样火焰的速度也会降低，可以在壶底多停留时间；
2）将壶底做成波浪形，增加壶底的换热面积；
3）采用扁平形状的水壶，增加火焰与壶底的换热面积。

若采用后两种方法，暂时没有条件，我先尝试了第一种方法，将火焰调小，测量结果如表5。

表5 天然气烧水过程的热量分析（小火）
表6可以看出，总的用气量从48L减小到43.6L，节约了大约9%；燃烧能转化的热量，有约36%被水吸收，利用率提高了2%。

由于条件所限，设想2和3，本次实验无法实现。

五、电磁炉烧开水的实验分析
家里还有一个电磁炉，平时做火锅可以使水加热。

这次尝试将烧开水的壶放在电磁炉上，壶里同样装2000g的水，采用电热水壶的实验方法进行测试，数据如表7。

从表7可以看出，采用电磁炉烧开水，被水吸收的能量大约占总电能的84%，低于电热水壶。

查资料，了解电磁炉的原理是采用磁场感应涡流加热原理，利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内的磁力通过含铁质锅底部时，即会产生很多小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热于锅内食物或水。

这一过程的能量转换过程是电能转换成磁能，再转换成热能，多了一个能量转换的过程，因此能量损失增加。

从这个实验可以知道，做火锅的时候，用电热水壶烧开水，再导入电磁炉上的火锅里，可以节能。

六、节能是否等于省钱
以上采用电热水壶、电磁炉、天然气灶3种炉具做了对比实验，总体上看，对能源的使用效率，是依次降低的。

但是电费和天然气费的价格不一样，哪一种更省钱呢？
现在杭州的家用天然气价格是3.1元/m3，电价分为峰谷电价，白天8点到晚上10点是0.56元/kwh，其他时间是0.28元/kwh，下面分析一下这几次实验的费用。

从表8可以看出，带保温的电热水壶也是最省钱的烧水方式，烧开1千克水仅需要不到5分钱，如果在晚上10点之后的低谷电价时段，烧开1千克水仅需要2.4分钱，则是最经济的烧水方式。

七、结论和建议
1、结论：
（1）根据以上五个实验表明，电热水壶烧水效率最高，约为91%；电磁炉其次，约为83%；天然气烧水最低，约为34%。

电热水壶烧水能耗最低，每1000g约用330kJ；电磁炉其次，每1000g约用368kJ；天然气烧水最高，每1000g约用861kJ。

（2）经过改进，电热水壶包毛巾可以减少水壶的散热损失，天然气用小火烧水可以延长火焰与壶底的换热时间，这两种方法都可以提高能量利用效率。

（3）从经济的角度考虑，用电加热烧水更省钱，尤其在夜间的低谷电时间段。

2、根据以上结论，我建议：
（1）购买具有保温功能的电热水壶。

（2）天然气灶烧水时，使用“高径比”较小的烧水壶，用中小火烧水。

（3）可以依此推理到洗澡用水，最好在晚上10点后使用电热水器，这样最节能和省钱。